2000年前中國古人如何用熱水成功造冰，是困擾物理學(xué)家的巨大難題

2000年前中國古人如何用熱水成功造冰，是困擾物理學(xué)家的巨大難題

最近這幾天，大家都感受到夏天的威力了吧～出去一趟，爆炒；游了個泳，水煮；回來的路上，生煎。這個時候，唯有冰飲、冰棒、冰淇凌才能撫慰我們，很多人很好奇，古人的夏天，究竟是如何解暑的呢？

其實古人在夏天也會喝冰飲，早在春秋戰(zhàn)國時期，古人就會專門鑿冰窖，在寒冬取冰儲存到夏天使用，除此之外，古人其實也會自己制造冰塊，這項技術(shù)被稱為“夏造冰”。

在我國的典籍文獻中, 很早就有“ 夏造冰”的記載。如《莊子·徐無鬼》中說:“ ……其弟子曰 :`吾得夫子之道矣, 吾能……夏造冰矣' 。”魏晉時成書的《關(guān)尹子·七釜篇》中說:“ 人之力可以奪天地造化者, 如冬起雷, 夏造冰。”類似說法, 在漢 、唐時期, 直至明代都有文獻記載。

這些古籍中記載的“夏造冰”，一般被稱為中國古代最原始的人工制冰技術(shù)。

所謂“夏造冰”就是用熱水來造冰，熱水怎么可能造冰，這是普通人聽到之后，腦子里蹦出來的第一個想法，這同樣也是困擾物理學(xué)家的一個難題。古人是 否真的實現(xiàn)過“夏造冰”？或者說，如何才能“夏造冰”呢？這是一個懸而未決的科技史問題。

《淮南萬畢術(shù)》中記載了比較具體的“夏造冰”方法:“取沸湯置甕中，密以新綠，沈（井）中三日成冰”?？茖W(xué)家研究夏造冰的可能性，也是從這延伸展開的。

在早期，中國著名物理學(xué)史家洪震寰他認為《淮南萬畢術(shù)》造冰法就現(xiàn)在看來, 惟一可能的物理依據(jù)是隨氣壓降低, 水的冰點升高。在其《〈淮南萬畢術(shù)〉及其物理知識》一文中指出 :“ 沸水置入瓶中,瓶口密封, 沉入井水中, 瓶內(nèi)溫度驟降, 液面氣壓大減, 瓶內(nèi)水的冰點是隨之提高的……”然而每減少 1 個大氣壓, 水的冰點才提高約 0 .008 ℃。因而他做出結(jié)論 :“氣壓影響冰點甚微, 所以照《萬畢術(shù)》的記載, 是無論如何不可能結(jié)冰的?！焙檎疱痉穸艘揽克谋c隨氣壓變化關(guān)系而實現(xiàn)“夏造冰”的可能性, 亦即徹底否定《淮南萬畢術(shù)》之“ 夏造冰” 之說。

不過，中國科大科技史與科技考古系李志超認為，古人可能是通過氣體絕熱膨脹降溫實現(xiàn)“ 夏造冰”的原理, 并指導(dǎo)碩士生趙虹君做了一個“ 造冰”的示意性實驗:“ 取一升容量的玻璃球形瓶, 內(nèi)裝少量水, 用橡皮塞密封. 塞上穿有玻璃管, 其下端直到瓶底, 瓶內(nèi)放一支溫度計. 玻璃管外端用橡膠軟管接上, 軟膠管上裝一個可調(diào)松緊的夾子. ”，通過模擬實驗原則上證明了 :沸水密封冷卻, 然后緩慢放氣可以得到低溫 。

李志超后來提出了更為詳盡的解釋：

“一個細口大腹的瓶（甕），里面盛水不多，煮沸一段時間，令瓶的整體與水同溫，水蒸汽充滿全瓶，原來的空氣絕大部分被擠了出去，燒到水量所剩無幾，立即用浸過水的細密的織物封口并沉入深井。在北方或高山區(qū)，盛夏天深井水也可在10℃以下。瓶子一涼，水汽凝結(jié)，瓶內(nèi)氣壓大降，接近真空，待瓶溫與井水近于平衡，立即取出，則縑開始透氣（或因其上水膜晾開，或因外部壓力作用）。這是減壓膨脹，是吸熱過程，瓶溫因而下降。掌握得好，可以得到幾絲冰渣，至少也可以使瓶內(nèi)水溫降到室溫以下幾度?！?/p>

李志超的實驗在科技史界產(chǎn)生了較大的影響, 如《中國科學(xué)技術(shù)史·物理學(xué)卷》及《中國古代科學(xué)技術(shù)史綱·理化卷》都收錄引用了這項研究工作的結(jié)論。

后來中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授康輝則提出，《淮南萬畢術(shù)》“ 夏造冰”方案就可以解釋為:在一個大甕里放置一個盛沸水的杯子, 用新縑密封, 沉到井里三日, 杯子里的水結(jié)冰。通過這個新的解讀, 把沸水盛于杯子, 而不是直接倒入甕中, 假如在甕中的杯子下面, 墊一個不容易導(dǎo)熱的木塊, 當甕中空氣由于蒸汽冰凝于甕壁而稀薄時, 根據(jù)液體抽氣降溫原理, “ 夏造冰”有可能實現(xiàn)。

湘潭大學(xué)的雷志華教授也提出了低壓下水快速蒸發(fā)吸熱制冷是“夏造冰”的制冰原理，結(jié)冰的部位是在甕口的縑（致密的布絹）上，而不是傳統(tǒng)觀點所認為的甕底，并指出要實現(xiàn)“夏造冰”，需滿足三個條件：在相對濕度低（低于26％）、甕的容積大（100升左右）、空氣的溫度適當（20℃左右）。結(jié)合定量理論計算和定性模擬實驗，證實了“水快速蒸發(fā)吸熱”造冰的可行性，但是造冰量很少，可以說投入產(chǎn)出比非常低。

總結(jié)來說，在夏天使用熱水，低壓下水快速蒸發(fā)時會吸熱制冷，只要空氣濕度小，氣溫也合適，甕的容積大，密封效果好的確是可能造出少量的冰。如果要得到更大的結(jié)冰量，還得增大甕的容積，降低甕外空氣相對濕度。大氣相對濕度越小，甕的容積 越大，結(jié)冰量也越大。

實際結(jié)冰量由于空氣與綠中的水有熱量交換等原因而小于理論結(jié) 冰量。所以淮南學(xué)派“夏造冰”是在天氣干燥時進行的。冬天,氣溫低（0Y以上 時），空氣的絕對含濕量小，所以用這種方法“冬造冰”反而不能成功。

目前，經(jīng)過多次具體的實驗，科學(xué)家是認可古人的確是實現(xiàn)了“夏造冰”的，不過經(jīng)過了近半個世紀的科學(xué)論證，目前科學(xué)界依然沒有達成共識，古人具體是如何實現(xiàn)夏造冰的，即使古人的“夏造冰”原理的確和李志超、雷志華教授等人不謀而合，但這樣的制冰技術(shù)沒有大規(guī)模量產(chǎn)推廣的可能性，也就只能服務(wù)于當時的貴族階級使用。另外，古代來說，一個嚴密的環(huán)境、還需要將所有的數(shù)據(jù)把握精準、并且還需要將氣壓降低到一定程度，這可以說非常困難，失敗率應(yīng)該也非常高。

其實，人工造冰的經(jīng)驗, 除了夏造冰之外, 古人還可以從道家水法煉丹實踐中獲得，相傳為西漢淮南子門客八公所作的《三十六水法》配 方中，常見硝石、寒水石或凝水石等溶解吸熱的強電解質(zhì), 必然能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。這也充分說明了古人的智慧。

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