物理不好 勸你不要點開這篇文章
如果想驗證一下自己的物理知識儲備，請繼續閱讀。
還記得餐廳中這種仙氣飄飄的冰鎮食物嗎？
或者美輪美奐的舞台……
製造這種場景的材料就是乾冰，是二氧化碳的固體狀態。
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品質冰面非常重要。
在北京賽區，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製冰技術製得的，這使得2022年北京冬奧會成歷史上首次大規模使用二氧化碳製冷劑的奧運會。
首都體育館完成場地製冰，圖片來源新京報（北京市重大項目辦供圖）
歷史首次？難道二氧化碳跨臨界直冷製冰技術有什麼玄機嗎？別急，這就一起了解北京冬奧製冰的特別之處。
為什麼選用二氧化碳？
想要解釋清楚什麼是二氧化碳跨臨界直冷製冰，我們得先把這個名詞做個拆解：二氧化碳、跨臨界、直冷製冰。
先說二氧化碳，可能多數人對它的認識就是空氣中的一種氣體，而且還是溫室氣體，了解多一點的會想到乾冰，但二氧化碳的角色可不止這些。
沒錯，二氧化碳確實是溫室氣體，但在製冷領域，它就成了環保的製冷劑。
這裡我們說的製冷指的是人工製冷，就是利用製冷設備，讓想要冷卻的物體溫度降低到小於周圍的環境溫度。拿二氧化碳跨臨界直冷製冰來說，就是讓水溫度降低，直到成為冰的狀態。
在人工製冷過程中，製冷劑的作用非常重要，它會在製冷設備中循環工作，起到熱量傳遞的作用，我們經常聽說的氟利昂就是一類十分常見的製冷劑。
那二氧化碳為什麼可以成為製冷劑呢？
一般來說，製冷劑通過液態和氣態之間的相互轉化實現熱量的交換，而二氧化碳也可以在這樣的物態轉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，施加一定壓力後，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乾冰），壓力降低後，液態或固態的二氧化碳又能快速汽化（或升華）為氣體，並大量吸熱，達到降低環境溫度（讓水凝結成冰）的目的。
國家速滑館冰場，圖片來源北京日報
事實上，把二氧化碳用作製冷劑並不是什麼新鮮事，它本來就是製冷劑中的「元老」，早在19世紀末就投入了應用，只是因為氯氟烴等製冷劑的出現，二氧化碳才逐漸淡出人們的視線。
直到最近幾年，氯氟烴等製冷劑對環境造成的不良影響逐漸顯現，二氧化碳這個更加環保的製冷劑才重獲青睞。
可能有人就要問了，既然是溫室氣體，二氧化碳作為製冷劑，其環保的特性表現在哪兒呢？
首先，二氧化碳本身並不會破壞臭氧層，但不少氯氟烴製冷劑對臭氧層的破壞非常嚴重（例如氟利昂R12）。
其次，二氧化碳雖說是溫室氣體，但其溫室效應比氯氟烴等製冷劑可低多了，相比之下確實稱得上環保。
再加上二氧化碳還具有來源廣泛、安全無毒等優點，自然就從眾多製冷劑中脫穎而出了。
為什麼選擇直冷製冰？
弄清楚二氧化碳在製冷領域的「江湖地位」，我們再來聊聊什麼是直冷製冰。
其實，直冷是相對間冷（即載冷劑製冷）來說的，間冷是指製冷劑蒸發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，直接利用製冷劑蒸發時產生的冷量與水進行冷熱交換，逐步把水凍成冰塊。
直冷製冰避免了使用載冷劑換熱所造成的能量損失，傳熱係數和製冷效率都很高，而且，能夠將溫度的波動範圍控制在0.5攝氏度以內，控制冰場溫度基本一致，這對大道速滑等比賽項目非常中重要。
還有一點大家可能也注意到了，冰場上的冰都呈現出牛奶一般的乳白色，可自己在家凍的冰明明是透明，這又是怎麼回事？
國家雪車雪橇中心，圖片來源延慶區融媒體中心
通常來說，比賽用的冰場呈現出的白色是後期加工的，採用傳統製冰技術製成的冰面其實也是透明的，需要使用專門的冰漆進行噴白處理。
不過，直冷製冰的冰場並不需要冰漆噴白這個步驟，這是因為直冷製冰過程中，水凍成冰的速度非常快（採用傳統製冰技術需要7天製成的冰場直冷製冰3天就可以製成），以至於水裡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出了乳白色。
跨臨界是怎麼回事？
最後我們來看「跨臨界」要怎麼理解。
前面我們已經說了，二氧化碳作為製冷劑由來已久，但是早期的二氧化碳製冷採用的是亞臨界循環系統，製冷效率較低，尤其是環境溫度高時，二氧化碳的製冷能力就會大打折扣。
那「亞臨界」和「跨臨界」中的「臨界」是什麼意思呢？
我們知道，物質可以在氣態、液態、固態之間相互轉換，而氣體和液體兩相平衡共存的極限熱力狀態就是其臨界狀態，此時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，而臨界壓力達到了7.38兆帕。
二氧化碳作為製冷劑要在制冷機中循環，制冷機主要由壓縮機、冷凝器（冷卻器）、膨脹閥、蒸發器4個部分組成。
在亞臨界循環系統中，冷凝時的壓力低於二氧化碳的臨界壓力；在跨臨界循環系統中，二氧化碳在冷卻器中處於超臨界狀態，定壓放熱，不發生完全的物態相變，在蒸發器中壓力小於臨界壓力，此時，二氧化碳與周圍環境進行換熱，吸收熱量，使周圍環境溫度降低。
二氧化碳跨臨界製冷循環系統壓力高、壓差大，對系統部件的強度要求很高，所以長期以來沒有得到廣泛應用。
這次北京冬奧成功採用二氧化碳跨臨界直冷製冰技術完成7塊冰面的製備，背後的技術支撐是壓縮機、換熱器和回熱器等核心硬體的迭代升級，是科技硬實力的體現。
看來，冬奧賽場上的冰不僅僅是最「快」的冰，更是科技含量高的冰。
