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【文/科學(xué)大院  宋衍昌】

我們就要迎來(lái)北京冬奧會(huì)了！

國(guó)家速滑館（圖片來(lái)源：北京日?qǐng)?bào)）

在這次冰雪盛會(huì)里，“冰絲帶”國(guó)家速滑館一直以“高科技”的形象出現(xiàn)。可能很多人并不理解，不就是“結(jié)冰”嗎？有啥稀奇？可是你知道么，“制冰”這件事里的科技含量并不少，人類真正實(shí)現(xiàn)“制冰自由”還是近一百多年的事，而實(shí)現(xiàn)“綠色制冰”也是一個(gè)曲折的過(guò)程。

我不生產(chǎn)冰，我只是大自然的搬運(yùn)工

弗朗西斯·培根說(shuō)過(guò)：我們可以通過(guò)火來(lái)得到熱量，但對(duì)于冷，我們必須常常到洞穴中去尋找，即使萬(wàn)事俱備，我們也不能大規(guī)模地得到它。

早在先秦時(shí)代，古人便利用天然冰來(lái)降溫、給食物保鮮和做冷飲。據(jù)《周禮》記載，當(dāng)時(shí)周王室為保證夏天有冰塊使用，專門成立了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)管理“冰政”，負(fù)責(zé)人稱“凌人”。每年大寒季節(jié)，古人就開(kāi)始鑿冰儲(chǔ)藏，他們認(rèn)為這時(shí)的冰塊最堅(jiān)硬，不易融化。管理藏冰事務(wù)的官吏監(jiān)督奴隸、農(nóng)民到水質(zhì)好的地方鑿采冰塊，藏到預(yù)先準(zhǔn)備好的冰窖里。冰窖都建在陰涼的地方，深入地下。用新鮮稻草跟蘆席鋪墊，把冰放到上面之后就覆蓋稻糠、樹(shù)葉等隔溫材料，然后密封窖口，待來(lái)年享用。

總之，在古代炎熱的夏日，沒(méi)有冰箱、空調(diào)這些電器，人們想得到一點(diǎn)清涼往往都要付出巨大的代價(jià)，冰塊是只有王公貴族才能享用的奢侈品，更不用談大規(guī)模開(kāi)展滑冰、滑雪這些娛樂(lè)項(xiàng)目了。

火藥工匠與煉金術(shù)士，居然首次制成了冰

大約到了唐朝末期/歐洲的中世紀(jì)，工匠和煉金術(shù)士們?cè)谏a(chǎn)火藥時(shí)開(kāi)采了大量硝石。他們偶然發(fā)現(xiàn)，硝石溶于水時(shí)會(huì)吸收大量的熱，能使周圍的水降溫直至結(jié)冰。于是他們將水放入罐內(nèi)，取一個(gè)更大的容器，在容器內(nèi)放水，然后將罐子放在容器內(nèi)，并不斷地在容器中加入硝石，結(jié)果罐內(nèi)的水結(jié)成了冰。

這個(gè)過(guò)程的原理是：硝石是一種白色味苦的晶體，化學(xué)名稱叫硝酸鈣，它溶解于水時(shí)會(huì)吸收大量熱量，使周圍溫度降低以致結(jié)成冰。硝石溶于水后，可以用降溫結(jié)晶法或蒸發(fā)結(jié)晶法將硝石再提出來(lái)重復(fù)使用。但提純能制冰的硝石極其困難，制冰又要耗費(fèi)大量人工，人類制冰的代價(jià)仍然十分高昂。

終于發(fā)現(xiàn)了能量與熱量的秘密

1659年英國(guó)科學(xué)家羅伯特·波義耳把一只鳥(niǎo)放入了廣口瓶中，緊接著用真空泵吸出瓶?jī)?nèi)的空氣，不出所料，這只鳥(niǎo)很快就一命嗚呼。但是，蹊蹺之處在于這只鳥(niǎo)被凍僵了。

油畫：鳥(niǎo)在空氣泵中的實(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)源：維基百科）

當(dāng)時(shí)的人并沒(méi)有搞清楚這件事的原理，直到18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明，讓人類意識(shí)到熱量與能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，伴隨著19世紀(jì)能量守恒定律的提出，現(xiàn)代熱力學(xué)的基礎(chǔ)也由此奠定。

人們逐漸接受了一項(xiàng)共識(shí)：給物質(zhì)做功或用別的方式輸入能量，它的內(nèi)能會(huì)增加；當(dāng)物質(zhì)對(duì)外界做功或者輸出能量，它的內(nèi)能會(huì)降低。內(nèi)能的漲落給一些物質(zhì)帶來(lái)最直觀的變化就是溫度的起伏，也就能利用這個(gè)原理來(lái)制冷、制冰了。

蒸汽機(jī)的原理（圖片來(lái)源Youtube）

1834年，英國(guó)的雅可比·珀金斯試制成功用乙醚為工質(zhì)的制冷機(jī)，采用人力轉(zhuǎn)動(dòng)，可以連續(xù)工作。

1844年，美國(guó)的戈里醫(yī)生利用空氣為介質(zhì)制造了一臺(tái)給醫(yī)院制造冰塊與低溫空氣的制冷機(jī)。

戈里的制冷機(jī)原理是：通過(guò)氣體泵提高空氣的壓力，增壓后同時(shí)又升溫的空氣經(jīng)過(guò)冷卻水，被冷卻到與環(huán)境相當(dāng)?shù)臏囟扔直３种饲暗膲毫?，此時(shí)再讓高壓空氣膨脹，這時(shí)空氣的溫度驟降，這些低溫的空氣可以拿來(lái)給水降溫從而制造冰塊，也可以給夏日的醫(yī)院提供冷風(fēng)。

隨著戈里醫(yī)生的制冷機(jī)原型得到推廣，在隨后的幾十年里，各式各樣的制冷機(jī)推陳出新，其中應(yīng)用最為廣泛的是根據(jù)液體蒸發(fā)吸熱來(lái)制冷的蒸汽壓縮式制冷機(jī)，根據(jù)所選擇的制冷劑不同，可以分為下面的幾種類型。

1. 采用氨的蒸汽壓縮制冷機(jī)

這一類制冷機(jī)與空氣介質(zhì)制冷機(jī)相似卻又不同。我們都知道，液體蒸發(fā)會(huì)帶走大量的熱，這一部分熱量叫做相變的潛熱，也就是遠(yuǎn)大于物質(zhì)溫度變化的顯熱。

蒸汽壓縮制冷機(jī)正是利用了這一特性，首先將氨蒸汽通入壓縮機(jī)中升壓，得到了高溫、高壓的氨蒸汽；再用室溫的冷水或者冷風(fēng)將它降溫，帶走它的熱量，氨蒸汽就此被冷凝；冷凝后的液體氨還保持著很高的壓力，這時(shí)將它通入膨脹閥中，和前面的空氣制冷機(jī)類似，高壓介質(zhì)膨脹降溫，我們就得到了低溫的液體氨。制冷機(jī)中的低溫液體繼續(xù)向前流動(dòng)到需要制冷的管路中，液體介質(zhì)快速蒸發(fā)，從環(huán)境中吸收了大量的熱量，便創(chuàng)造了人們需要的低溫環(huán)境（比如冰場(chǎng)）。

這就是一直沿用至今的蒸汽壓縮制冷循環(huán)，在19世紀(jì)的60年代，所有制冷的需求都可以用氨制冷循環(huán)來(lái)滿足，但它存在著致命的缺點(diǎn)——氨易爆炸，且有毒。