冻梨网2000年前中国古人如何用热水成功造冰,是困扰物理学家的巨大难题

2000年前中国古人如何用热水成功造冰,是困扰物理学家的巨大难题

2000年前中国古人如何用热水成功造冰,是困扰物理学家的巨大难题

最近这几天,大家都感受到夏天的威力了吧~出去一趟,爆炒;游了个泳,水煮;回来的路上,生煎。这个时候,唯有冰饮、冰棒、冰淇凌才能抚慰我们,很多人很好奇,古人的夏天,究竟是如何解暑的呢?

其实古人在夏天也会喝冰饮,早在春秋战国时期,古人就会专门凿冰窖,在寒冬取冰储存到夏天使用,除此之外,古人其实也会自己制造冰块,这项技术被称为“夏造冰”。

在我国的典籍文献中, 很早就有“ 夏造冰”的记载。如《庄子·徐无鬼》中说:“ ……其弟子曰 :`吾得夫子之道矣, 吾能……夏造冰矣' 。”魏晋时成书的《关尹子·七釜篇》中说:“ 人之力可以夺天地造化者, 如冬起雷, 夏造冰。”类似说法, 在汉 、唐时期, 直至明代都有文献记载。

这些古籍中记载的“夏造冰”,一般被称为中国古代最原始的人工制冰技术。

夏造冰是什么

所谓“夏造冰”就是用热水来造冰,热水怎么可能造冰,这是普通人听到之后,脑子里蹦出来的第一个想法,这同样也是困扰物理学家的一个难题。古人是 否真的实现过“夏造冰”?或者说,如何才能“夏造冰”呢?这是一个悬而未决的科技史问题。

《淮南万毕术》中记载了比较具体的“夏造冰”方法:“取沸汤置瓮中,密以新绿,沈(井)中三日成冰”。科学家研究夏造冰的可能性,也是从这延伸展开的。

在早期,中国著名物理学史家洪震寰他认为《淮南万毕术》造冰法就现在看来, 惟一可能的物理依据是随气压降低, 水的冰点升高。在其《〈淮南万毕术〉及其物理知识》一文中指出 :“ 沸水置入瓶中,瓶口密封, 沉入井水中, 瓶内温度骤降, 液面气压大减, 瓶内水的冰点是随之提高的……”然而每减少 1 个大气压, 水的冰点才提高约 0 .008 ℃。因而他做出结论 :“气压影响冰点甚微, 所以照《万毕术》的记载, 是无论如何不可能结冰的。”洪震寰否定了依靠水的冰点随气压变化关系而实现“夏造冰”的可能性, 亦即彻底否定《淮南万毕术》之“ 夏造冰” 之说。

夏造冰可行的论证实验

不过,中国科大科技史与科技考古系李志超认为,古人可能是通过气体绝热膨胀降温实现“ 夏造冰”的原理, 并指导硕士生赵虹君做了一个“ 造冰”的示意性实验:“ 取一升容量的玻璃球形瓶, 内装少量水, 用橡皮塞密封. 塞上穿有玻璃管, 其下端直到瓶底, 瓶内放一支温度计. 玻璃管外端用橡胶软管接上, 软胶管上装一个可调松紧的夹子. ”,通过模拟实验原则上证明了 :沸水密封冷却, 然后缓慢放气可以得到低温 。

李志超后来提出了更为详尽的解释:

“一个细口大腹的瓶(瓮),里面盛水不多,煮沸一段时间,令瓶的整体与水同温,水蒸汽充满全瓶,原来的空气绝大部分被挤了出去,烧到水量所剩无几,立即用浸过水的细密的织物封口并沉入深井。在北方或高山区,盛夏天深井水也可在10℃以下。瓶子一凉,水汽凝结,瓶内气压大降,接近真空,待瓶温与井水近于平衡,立即取出,则缣开始透气(或因其上水膜晾开,或因外部压力作用)。这是减压膨胀,是吸热过程,瓶温因而下降。掌握得好,可以得到几丝冰渣,至少也可以使瓶内水温降到室温以下几度。”

李志超的实验在科技史界产生了较大的影响, 如《中国科学技术史·物理学卷》及《中国古代科学技术史纲·理化卷》都收录引用了这项研究工作的结论。

后来中国科学技术大学教授康辉则提出,《淮南万毕术》“ 夏造冰”方案就可以解释为:在一个大瓮里放置一个盛沸水的杯子, 用新缣密封, 沉到井里三日, 杯子里的水结冰。通过这个新的解读, 把沸水盛于杯子, 而不是直接倒入瓮中, 假如在瓮中的杯子下面, 垫一个不容易导热的木块, 当瓮中空气由于蒸汽冰凝于瓮壁而稀薄时, 根据液体抽气降温原理, “ 夏造冰”有可能实现。

湘潭大学的雷志华教授也提出了低压下水快速蒸发吸热制冷是“夏造冰”的制冰原理,结冰的部位是在瓮口的缣(致密的布绢)上,而不是传统观点所认为的瓮底,并指出要实现“夏造冰”,需满足三个条件:在相对湿度低(低于26%)、瓮的容积大(100升左右)、空气的温度适当(20℃左右)。结合定量理论计算和定性模拟实验,证实了“水快速蒸发吸热”造冰的可行性,但是造冰量很少,可以说投入产出比非常低。

总结来说,在夏天使用热水,低压下水快速蒸发时会吸热制冷,只要空气湿度小,气温也合适,瓮的容积大,密封效果好的确是可能造出少量的冰。如果要

得到更大的结冰量,还得增大瓮的容积,降低瓮外空气相对湿度。大气相对湿度越小,瓮的容积 越大,结冰量也越大。

实际结冰量由于空气与绿中的水有热量交换等原因而小于理论结 冰量。所以淮南学派“夏造冰”是在天气干燥时进行的。冬天,气温低(0Y以上 时),空气的绝对含湿量小,所以用这种方法“冬造冰”反而不能成功。

总结

目前,经过多次具体的实验,科学家是认可古人的确是实现了“夏造冰”的,不过经过了近半个世纪的科学论证,目前科学界依然没有达成共识,古人具体是如何实现夏造冰的,即使古人的“夏造冰”原理的确和李志超、雷志华教授等人不谋而合,但这样的制冰技术没有大规模量产推广的可能性,也就只能服务于当时的贵族阶级使用。另外,古代来说,一个严密的环境、还需要将所有的数据把握精准、并且还需要将气压降低到一定程度,这可以说非常困难,失败率应该也非常高。

其实,人工造冰的经验, 除了夏造冰之外, 古人还可以从道家水法炼丹实践中获得,相传为西汉淮南子门客八公所作的《三十六水法》配 方中,常见硝石、寒水石或凝水石等溶解吸热的强电解质, 必然能够发现结冰现象。这也充分说明了古人的智慧。

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