積層結冰的現象

寒帶地區在下雪之後，常會見到屋簷下垂著一列冰柱 (Icicle)。

冰柱的形成是因為冰或積雪受到局部的熱源(日光或或屋簷滲出的熱氣)影響而融化。向下流動的水又因為周圍溫度低於冰點，造成再度凍結。隨著時間不斷的溶解凍結造成冰凌增長。有一項很明顯的特徵是冰柱的表面並不是垂直平滑的，而是有層層堆疊的感覺。

因為是層層凍結，過程中空氣容易排除，所以這種冰柱是透明的。

 啟發構想： 商業製冰機採用這種原理製冰。

水面先結冰的現象

為甚麼湖水結冰總是從湖面開始的呢？這種現象對魚類有甚麼影響呢？ (節錄自 香港中文大學 物理園 撰文：林俊雄)

水的密度會隨著水溫而改變。當水溫在 3.98℃ 時水的密度是最高的，所以 3.98℃ 的水份子較其他溫度的水份子較容易下沉。
先從水溫高於 3.98℃ 的情況說起。看看圖一，湖的表面水溫是 20℃，氣溫較水溫低了 5 度，即 15℃。部份在湖表面的水份子的熱能會流向較低溫的空氣，結果水份子的溫度下降了，而密度卻增加了，所以這些水份子會向下沉，而水面下較高溫的水，因為密度較低而逐漸往上升，形成對流，整個湖的水遂漸冷卻。
再看看水溫低於 3.98℃ 的情況 (圖二)。因為較低溫的水密度較低，所以這些水份子會浮在水面﹔相反，愈接近 3.98℃ 的水份子卻因密度高而下沉。當水溫低於 0℃ 時，在湖面較低溫的水會先凝結成冰，然後向湖底漫延。但是因為熱量以傳導的方式傳遞，所以降溫的速度很慢。冰底下的水溫一般維持在 3.98℃，魚類還能生存。要是水沒有如此奇特的性質–例如我們可以想像結冰由水底開始–則對流便會使結冰的速率增加，經過一次嚴冬後，恐怕河裡及湖裡的魚和其他生物都會死光了。

水凍結成冰的過程：

• 室溫下的水置入冷凍室後開始降溫，在水溫高於 4℃時，水會熱脹冷縮，冷水下沉熱水上升形成對流，一直到全部的水都達到 4℃的同溫狀態。
• 4 ℃的水密度最大。低於此溫度，水的物理性質變為熱縮冷脹。低溫膨脹後不再下沉對流，而維持在表面繼續降溫，然後開始結冰。
• 底部的水維持在4 ℃，直到由上而下逐漸凍結。冰的體積跟水比較約增加 9%。
• 一旦表面結冰，則冰面下的空氣沒有逸出的管道，會逐漸集中在最後凍結的部份，形成白冰。

啟發構想： 設法防止水面結冰，讓凍結過程由容器底面及側邊向上發展。

• 擾動水面
• 水面隔熱，容器則使用金屬材質增加散熱。

水中的氣體溶解

因為冰塊中的白色渾濁部分是由空氣構成，所以要製作透明冰可以想辦法降低水中的氣體溶解。

有關於氣體溶解有一個很重要的物理定律描述這個現象。

亨利定律 Henry‘s Law

• 至少有兩個因素影響液體中氣體溶解度－『壓力』和『溫度』
• 在一定的溫度下，氣體壓力越高則溶解於水中的氣體越多。
• 氣體的溶解度會隨著溫度的降低而提升。例如熱水從 95°C 冷卻至室溫25°C，水中氮氣其溶解度會增加43%。

 啟發構想：設法排除水中溶解的空氣

• 加熱煮沸
• 降低水面氣壓

結冰速度與透明度的關係

為何冰塊中會有白色渾濁的部份？如果使用放大鏡仔細地觀察冰塊，可以發現其中包含很多細小的氣泡。
冰的白濁的原因，融解於水的空氣變成氣泡時被周圍的冰經困住。白濁的程度會因為凍結速度而不同。

較慢的結冰速度會產生透明度較高的冰體。透明度高的冰塊，晶體結構佳，硬度高，融化也較慢。

from 富士電視

快速凍結的情況

水中溶解的空氣，會因為冰晶的形成而集中到水與冰的交接面。這些氣泡都很微小，浮起的力量微弱，會附著在冰晶的表面。如果凍結速度快，這些微小氣泡都會被封閉在冰塊之中。這些被封閉的氣泡不規則的反光，會造成白色渾濁的狀態。

凍結速度慢一點的情況

在冰中氣泡完全被封閉之前，空氣集中使得氣泡變大。較大的氣泡有能力浮起向外逃逸，過程中會形成長型針狀軌跡。

緩慢凍結的情況

如果以加倍的時間凍結，水中的空氣不會被直接擠出形成氣泡，而是向四周的水擴散。已凍結部分內部不含空氣與氣泡，所以冰塊是透明的。

  啟發構想：

• 設法降低結冰速度：調節冰箱的冷度或使用隔熱材料包覆。
• 如何在凍結過程中，讓氣泡有逃逸的時間與管道。

"流言終結者"的精神

最近 Discovery 頻道有一個頗受歡迎的節目 "Mythbusters 流言終結者" 。
這個節目是由特效專家亞當·沙維奇（Adam Savage）和傑米·海納曼（Jamie Hyneman）主持。
他們利用長年的專業技術，針對各種廣為流傳的謠言和傳說進行實驗，由實驗的結果來確認傳言的事實性。
這個節目在 2002 年試播了三集，當時略顯生澀的海納曼表示「自己沒有足夠的活力來獨自主持整個節目」。
但是隨著節目受到歡迎，主持人的信心逐漸增強，製作費用也隨之增加，使得他們有能力去實驗難度更高的流言。
雖然我認為最近部分的題目已經玩過了頭，有些"走火入魔"，但不可否認的是這個影集的確趣味十足。

在這兒我要推崇他們的實驗精神，並學習他們針對網路上諸多製作透明冰的方法逐一實驗，從中找出一個可以利用普通家用冰箱製作透明冰的方法。
網路上討論過的眾多方法歸納起來有：

• 以開水製冰：沸騰的過程中，水中所溶解的空氣可被排除。
• 放慢結冰的速度：讓空氣在凍結過程中有脫離的時間。
• 製冰過程中水被不斷地攪動：保持水面不被凍結，讓空氣在凍結過程中可以脫離。
• 積層製冰：每次注入少量的水，一層一層凍結。

針對網路諸多上的製冰方法我設計了幾個實驗去驗證：

• 沸水製冰：消除水中溶解的空氣。
• 水面抽真空：減少水面空氣，減低降溫過程中的空氣溶解量。
• 降低凍結速度：使用絕熱材料包覆製冰容器。
• 滴水製冰：維持水面不凍結，使空氣有脫離的管道。

往後我會將實驗結果分別提出來討論。

市面上哪裡有透明冰

普通家用冰箱是無法製作出透明冰塊。目前想要享用透明冰，有下面幾個途徑：

• 到便利商店購買
• 採購附有專用製冰器的冰箱
• 使用商用製冰機
• 購買大型冰塊

 

便利商店販賣的冰塊：

取得透明冰最方便的方式，是到巷口的 7-11 買一包冰塊。這些冰塊是透過專業的製冰設備大量生產。

7-11 販賣的冰塊每包600g，售價NT$18。

閒談到 7-11 的起源歷史，和冰塊有密切的關係：
1927年當時由於電冰箱並未普及，冷藏用的冰塊成為生活中不可缺少的必需品。
在美國德克薩斯州(Texas)的達拉斯(Dallas)，南大陸製冰公司(The Southland Ice Company)連鎖經營了冰塊零售店(TOTEM ICE STORE)。
為了提供更多的服務，甄選其他12種商品販售。因為客戶反應相當好，於是陸續增加商品。
就這樣南大陸製冰公司不僅銷售冰塊，開始銷售牛奶雞蛋等商品，開創了新的經營領域和利益增長點，被譽為美國便利店的萌芽。
1946年將營業時間改為 AM07:00~PM11:00，並且365天全年無休，因而產生「7-ELEVEN」名號，當初放在店鋪旁邊的標誌則成為便利店的商標。

 

冰箱專用製冰器 Ice Maker in Freezer：

有些高價冰箱內配製的自動製冰器，少數的機種標榜可製作透明冰塊。以下是網路上販售的冰箱自動製冰器的組件，作為維修更換之用。要為自己的冰箱安裝這個設備可能有困難，因為需要額外的電源與水源。

下面的動畫顯示製冰器的操作原理：

1. 注入清水
2. 開始凍結
3. 完成凍結；底部加溫
4. 機構轉動將冰塊推到儲冰盒

如果控制水的流量與時間，以每次注入少量水的方式慢慢的凍結，則可以產生透明冰。

From HowStuffWorks

 

商用製冰機 Commerical Icemaker：

速食店、餐飲店、酒吧這一類需要大量使用冰塊的商業場所，必須使用專業製冰機。因為機構上的差異，商用製冰機會產生數種不同形狀的冰塊，大致上有角冰(方塊冰)、新月冰、圓帽兵、顆粒冰、碎冰等。

新月形冰塊：

清水是採用垂直的方式流下，在冷凝板上一層一層的凍結。

下面的動畫顯示製冰器的操作原理。

From HowStuffWorks

圓帽型冰塊：

採用由下往上噴水的方式，同樣也是一層一層的凍結。

 

工業製冰：

大型冰塊成套製冰生產線設備，所提供的冰塊按冰質有透明冰和白冰兩種，冰塊的大小則有25kg、50kg、135kg三種規格。

自然界裡的透明冰

在台灣要在週遭環境中看到透明冰幾乎是不可能的事。

我從網路找到一些照片，在寒帶地區寒冬中透明冰是自然生成的。

最常見的是屋簷下垂掛的冰柱，以及池塘中的結冰。

YouTube 中的影片是小朋友在結冰的池塘上溜冰，可以透過透明冰層清晰地見到池中的水草。

廣告裡的透明冰塊

  

                   威士忌廣告(左)       實際加冰的水杯(右)

威士忌酒品廣告為了營造氣氛會特別使用大塊的透明冰塊，但實際上廣告片中的透明冰塊多半是假的冰塊。

如果使用真實的透明冰塊在拍攝過程中會遇到的問題是：

• 冰塊會在冗長的拍攝過程中融化，必需不斷的補充，但是無法找到相同形狀的完美冰塊。
• 更重要的原因是冰塊降溫會造成玻璃杯結水珠，影響內容物的拍攝。

廣告用的假冰塊有兩種方式製作：

• 動態影片中使用透明樹脂做的透明冰塊
• 靜態相片可以利用影像處理程式產生透明冰塊

所以下次看到這類型的廣告時，請仔細觀察演員手中杯子表面，一定是從裡到外完全透明。

比較一下可口可樂的廣告，為了表現冰涼的感覺，則會特別強調玻璃杯上的水珠。

 

影片中用樹脂代替冰塊

壓克力冰塊 Acrylic Ice：將壓克力注入模型中成形。

另外一種材質是採用高透明度樹脂製作，又稱為水晶膠，具有可塑性高的特點，可以製造各種造型複雜的假冰塊。

對於有興趣調製水晶膠的讀者，可以參考連結 水晶膠製作。

 

相片利用影像處理程式建立冰塊

下面左圖是原始照片，右圖則是經過處理後的圖片。

 

from Blueidea.com 蓝色理想论坛 cloudy_l "杯中冰块教程"

已上的連結說明如何使用 Photoshop 影像處理工具合成透明冰塊。

為什麼要用透明冰？

健康因素

• 台灣90%的家庭在飲水之前，都會將水先過濾煮沸後才使用。飲用水水質標準
• 煮沸過的水中，仍含有許多雜質。
• 水分子在凍結的過程中，會將空氣與雜質排除在冰的晶格之外。所以透明冰是由純水分子所組成。
• 透明冰是不含氣泡與雜質的健康冰塊。

冰晶結構

 

風味因素

• 透明冰沒有任何雜質氣味，用於食品飲料調理不會影響其風味。
• 好酒皆講究使用好水釀造。喝酒時，如果使用混有空氣與雜質的冰塊，會破壞酒的味道。
• 尤其是喝威士忌時，因為低溫能凸顯一種酒中的化學成分，使口感更佳。
• 所以一般在調酒時，需要使用高品質的透明冰塊。透明冰也是食品飲料調理中不可或缺的材料。

 

趣味因素

• 美觀：外觀晶瑩剔透，增加飲料、食品的價值。
• 透明：透明冰內可加入裝飾品，內容物不會被遮蔽。
• 造型多變：隨著冰格模型，可以製作各種造型的冰塊。

什麼是透明冰？

"透明冰"顧名思義應該是晶瑩剔透、完全透明的冰塊。下圖是透明冰塊與普通冰塊的比較。

白冰：在結冰的過程中，溶解在水中的空氣與雜質不能及時排出，則無數微小的氣泡會被包圍在透明的冰晶體內，形成不同方向的光折射面，致使冰塊變成不透明的乳白色，是所謂的白冰。

透明冰：在冰的形成過程中，將水中所溶的空氣與雜質排除掉，形成由純水分子構成的無色透明晶體，是所謂的透明冰。

動機

2007年的一個夏天晚上，在家裡想要仿效電視廣告來一杯加冰的威士忌。
從冰箱裡取出了冰塊放在酒杯裡，但是總覺得冰塊中心的白色渾濁部份煞風景。
那晚我開始在網路上尋找透明冰。