物理不好，勸你不要點(diǎn)開這篇文章

還記得餐廳中這種仙氣飄飄的冰鎮(zhèn)食物嗎？

或者美輪美奐的舞臺(tái)......
制造這種場景的材料就是干冰，是二氧化碳的固體狀態(tài)。二氧化碳是一種溫室氣體，但是如果它能夠造冰，是不是顛覆了你的認(rèn)知！冬奧賽場上最不可或缺的就是各式各樣的冰，如何制出符合比賽要求的高質(zhì)量冰面非常重要。在北京賽區(qū)，冬奧賽場上的15塊冰面中有7塊是通過二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)制得的，這使得2022年北京冬奧會(huì)成了歷史上首次大規(guī)模使用二氧化碳制冷劑的奧運(yùn)會(huì)。首都體育館完成場地制冰，圖片來源新京報(bào)（北京市重大項(xiàng)目辦供圖）
歷史首次？難道二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)有什么玄機(jī)嗎？別急，這就一起了解北京冬奧制冰的特別之處。

為什么選用二氧化碳？

想要解釋清楚什么是二氧化碳跨臨界直冷制冰，我們得先把這個(gè)名詞做個(gè)拆解：二氧化碳、跨臨界、直冷制冰。
先說二氧化碳，可能多數(shù)人對(duì)它的認(rèn)識(shí)就是空氣中的一種氣體，而且還是溫室氣體，了解多一點(diǎn)的會(huì)想到干冰，但二氧化碳的角色可不止這些。沒錯(cuò)，二氧化碳確實(shí)是溫室氣體，但在制冷領(lǐng)域，它就成了環(huán)保的制冷劑。這里我們說的制冷指的是人工制冷，就是利用制冷設(shè)備，讓想要冷卻的物體溫度降低到小于周圍的環(huán)境溫度。拿二氧化碳跨臨界直冷制冰來說，就是讓水溫度降低，直到成為冰的狀態(tài)。在人工制冷過程中，制冷劑的作用非常重要，它會(huì)在制冷設(shè)備中循環(huán)工作，起到熱量傳遞的作用，我們經(jīng)常聽說的氟利昂就是一類十分常見的制冷劑。那二氧化碳為什么可以成為制冷劑呢？一般來說，制冷劑通過液態(tài)和氣態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)熱量的交換，而二氧化碳也可以在這樣的物態(tài)轉(zhuǎn)變中吸收或釋放熱量。簡單來說，常溫常壓下的二氧化碳是氣態(tài)，施加一定壓力后，可以液化成液體甚至凝華為固體（固體二氧化碳就是我們常說的干冰），壓力降低后，液態(tài)或固態(tài)的二氧化碳又能快速汽化（或升華）為氣體，并大量吸熱，達(dá)到降低環(huán)境溫度（讓水凝結(jié)成冰）的目的。國家速滑館冰場，圖片來源北京日?qǐng)?bào)事實(shí)上，把二氧化碳用作制冷劑并不是什么新鮮事，它本來就是制冷劑中的“元老”，早在19世紀(jì)末就投入了應(yīng)用，只是因?yàn)槁确鸁N等制冷劑的出現(xiàn)，二氧化碳才逐漸淡出人們的視線。直到最近幾年，氯氟烴等制冷劑對(duì)環(huán)境造成的不良影響逐漸顯現(xiàn)，二氧化碳這個(gè)更加環(huán)保的制冷劑才重獲青睞?？赡苡腥司鸵獑柫?，既然是溫室氣體，二氧化碳作為制冷劑，其環(huán)保的特性表現(xiàn)在哪兒呢？首先，二氧化碳本身并不會(huì)破壞臭氧層，但不少氯氟烴制冷劑對(duì)臭氧層的破壞非常嚴(yán)重（例如氟利昂R12）。其次，二氧化碳雖說是溫室氣體，但其溫室效應(yīng)比氯氟烴等制冷劑可低多了，相比之下確實(shí)稱得上環(huán)保。再加上二氧化碳還具有來源廣泛、安全無毒等優(yōu)點(diǎn)，自然就從眾多制冷劑中脫穎而出了。為什么選擇直冷制冰？

弄清楚二氧化碳在制冷領(lǐng)域的“江湖地位”，我們?cè)賮砹牧氖裁词侵崩渲票Ｆ鋵?shí)，直冷是相對(duì)間冷（即載冷劑制冷）來說的，間冷是指制冷劑蒸發(fā)得到的冷量通過載冷劑傳遞給冰面以完成降溫的過程，直冷則不需要使用載冷劑，直接利用制冷劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的冷量與水進(jìn)行冷熱交換，逐步把水凍成冰塊。直冷制冰避免了使用載冷劑換熱所造成的能量損失，傳熱系數(shù)和制冷效率都很高，而且，能夠?qū)囟鹊牟▌?dòng)范圍控制在0.5攝氏度以內(nèi)，控制冰場溫度基本一致，這對(duì)大道速滑等比賽項(xiàng)目非常中重要。
還有一點(diǎn)大家可能也注意到了，冰場上的冰都呈現(xiàn)出牛奶一般的乳白色，可自己在家凍的冰明明是透明，這又是怎么回事？國家雪車雪橇中心，圖片來源延慶區(qū)融媒體中心通常來說，比賽用的冰場呈現(xiàn)出的白色是后期加工的，采用傳統(tǒng)制冰技術(shù)制成的冰面其實(shí)也是透明的，需要使用專門的冰漆進(jìn)行噴白處理。不過，直冷制冰的冰場并不需要冰漆噴白這個(gè)步驟，這是因?yàn)橹崩渲票^程中，水凍成冰的速度非常快（采用傳統(tǒng)制冰技術(shù)需要7天制成的冰場直冷制冰3天就可以制成），以至于水里的氣泡來不及逸出就被封凍在了冰里，最終形成的冰面就自然呈現(xiàn)出了乳白色?？缗R界是怎么回事？

最后我們來看“跨臨界”要怎么理解。
前面我們已經(jīng)說了，二氧化碳作為制冷劑由來已久，但是早期的二氧化碳制冷采用的是亞臨界循環(huán)系統(tǒng)，制冷效率較低，尤其是環(huán)境溫度高時(shí)，二氧化碳的制冷能力就會(huì)大打折扣。那“亞臨界”和“跨臨界”中的“臨界”是什么意思呢？我們知道，物質(zhì)可以在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，而氣體和液體兩相平衡共存的極限熱力狀態(tài)就是其臨界狀態(tài)，此時(shí)的溫度和壓力分別稱為臨界溫度和臨界壓力。以二氧化碳為例，它的臨界溫度為31.1攝氏度，而臨界壓力達(dá)到了7.38兆帕。二氧化碳作為制冷劑要在制冷機(jī)中循環(huán)，制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、冷凝器（冷卻器）、膨脹閥、蒸發(fā)器4個(gè)部分組成。二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)在亞臨界循環(huán)系統(tǒng)中，冷凝時(shí)的壓力低于二氧化碳的臨界壓力；在跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中，二氧化碳在冷卻器中處于超臨界狀態(tài)，定壓放熱，不發(fā)生完全的物態(tài)相變，在蒸發(fā)器中壓力小于臨界壓力，此時(shí)，二氧化碳與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱，吸收熱量，使周圍環(huán)境溫度降低。二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)壓力高、壓差大，對(duì)系統(tǒng)部件的強(qiáng)度要求很高，所以長期以來沒有得到廣泛應(yīng)用。這次北京冬奧成功采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)完成7塊冰面的制備，背后的技術(shù)支撐是壓縮機(jī)、換熱器和回?zé)崞鞯群诵挠布牡?jí)，是科技硬實(shí)力的體現(xiàn)?？磥恚瑠W賽場上的冰不僅僅是最“快”的冰，更是科技含量高的冰。