【科学大院：实现制冰自由，究竟靠什么黑科技？】【文/科学大院 宋衍昌】
我们就要迎来北京冬奥会了！

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国家速滑馆（图片来源：北京日报）
在这次冰雪盛会里 ， “冰丝带”国家速滑馆一直以“高科技”的形象出现 。 可能很多人并不理解 ， 不就是“结冰”吗？有啥稀奇？可是你知道么 ， “制冰”这件事里的科技含量并不少 ， 人类真正实现“制冰自由”还是近一百多年的事 ， 而实现“绿色制冰”也是一个曲折的过程 。
我不生产冰 ， 我只是大自然的搬运工
弗朗西斯·培根说过：我们可以通过火来得到热量 ， 但对于冷 ， 我们必须常常到洞穴中去寻找 ， 即使万事俱备 ， 我们也不能大规模地得到它 。
早在先秦时代 ， 古人便利用天然冰来降温、给食物保鲜和做冷饮 。 据《周礼》记载 ， 当时周王室为保证夏天有冰块使用 ， 专门成立了相应的机构管理“冰政” ， 负责人称“凌人” 。 每年大寒季节 ， 古人就开始凿冰储藏 ， 他们认为这时的冰块最坚硬 ， 不易融化 。 管理藏冰事务的官吏监督奴隶、农民到水质好的地方凿采冰块 ， 藏到预先准备好的冰窖里 。 冰窖都建在阴凉的地方 ， 深入地下 。 用新鲜稻草跟芦席铺垫 ， 把冰放到上面之后就覆盖稻糠、树叶等隔温材料 ， 然后密封窖口 ， 待来年享用 。
总之 ， 在古代炎热的夏日 ， 没有冰箱、空调这些电器 ， 人们想得到一点清凉往往都要付出巨大的代价 ， 冰块是只有王公贵族才能享用的奢侈品 ， 更不用谈大规模开展滑冰、滑雪这些娱乐项目了 。
火药工匠与炼金术士 ， 居然首次制成了冰
大约到了唐朝末期/欧洲的中世纪 ， 工匠和炼金术士们在生产火药时开采了大量硝石 。 他们偶然发现 ， 硝石溶于水时会吸收大量的热 ， 能使周围的水降温直至结冰 。 于是他们将水放入罐内 ， 取一个更大的容器 ， 在容器内放水 ， 然后将罐子放在容器内 ， 并不断地在容器中加入硝石 ， 结果罐内的水结成了冰 。
这个过程的原理是：硝石是一种白色味苦的晶体 ， 化学名称叫硝酸钙 ， 它溶解于水时会吸收大量热量 ， 使周围温度降低以致结成冰 。 硝石溶于水后 ， 可以用降温结晶法或蒸发结晶法将硝石再提出来重复使用 。 但提纯能制冰的硝石极其困难 ， 制冰又要耗费大量人工 ， 人类制冰的代价仍然十分高昂 。
终于发现了能量与热量的秘密
1659年英国科学家罗伯特·波义耳把一只鸟放入了广口瓶中 ， 紧接着用真空泵吸出瓶内的空气 ， 不出所料 ， 这只鸟很快就一命呜呼 。 但是 ， 蹊跷之处在于这只鸟被冻僵了 。

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油画：鸟在空气泵中的实验（图片来源：维基百科）
当时的人并没有搞清楚这件事的原理 ， 直到18世纪蒸汽机的发明 ， 让人类意识到热量与能量是可以相互转化的 ， 伴随着19世纪能量守恒定律的提出 ， 现代热力学的基础也由此奠定 。
人们逐渐接受了一项共识：给物质做功或用别的方式输入能量 ， 它的内能会增加；当物质对外界做功或者输出能量 ， 它的内能会降低 。 内能的涨落给一些物质带来最直观的变化就是温度的起伏 ， 也就能利用这个原理来制冷、制冰了 。

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蒸汽机的原理（图片来源Youtube）