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西漢時期,古人如何用熱水制作“夏造冰”是困擾科學家的巨大難題

冰塊在現代已經是壹種特別常見且常用的東西,其制作也特別簡單,可以說只要有冰箱,就能很隨意的制作出晶瑩剔透的冰塊來。尤其在炎炎夏日,只有清爽的冰塊能解我們心頭之煩熱。很多人可能也想到過古代的大夏天沒有冰是怎麽過來的。

當然,古代也有冰,雖然沒有現在這種 科技 感慢慢的方法,但是古人的智慧確實不容小覷。早在春秋戰國時期,古人就會制冰而且制作專門冷藏的冰窖,冰可以在冰窖裏面從冬天壹直儲存到夏天使用,他們還有專門制冰的方法,後來又被稱為“夏造冰”。

“夏造冰”顧名思義是夏天制造的冰塊,實際上,“夏造冰”的真正含義是使用熱水來制冰的技術。這時候有人就會問了,現在 科技 這麽發達,我們都得用冷水放冰箱冷卻才制得冰塊,古代竟然用熱水造冰?聽上去確實有點不可思議。

確實,熱水造冰,放到現在都是壹個很大的難題,因為我們對古時候的制作方法、氣溫、氣壓和環境等問題都不知道,熱水造冰對各方面的要求壹定都是特別嚴格的,很多科學家像洪震寰、雷誌華等著名教授、科學家都為此做過很多次實驗,結果也總是壹次次讓人失望。

翻閱古籍,可以找到很多地方都記錄了古代“夏造冰”的制作方法,像最早記載“夏造冰”的是西漢時期淮南學派撰寫的《淮南完畢術》,這是以淮南王劉安為首而編寫的,書中就說到:“取沸湯置甕中,密以新縑,沈 (井)中三日成冰。 ”

中國科學技術大學李誌超對古時“夏造冰”研究分析後認為:“這其中有氣體絕熱膨脹降溫過程,也可以說是焦耳-湯姆孫效應在起作用。”通俗的解釋就是說,在壹個口小肚大的瓶子中,將其中的水煮沸,直至其中的水蒸氣將瓶中大部分空氣都排出去。

當瓶中水量快沸騰蒸發完時,馬上用細密的絲織物浸水將口堵住,並立即沈入深井,瓶子中的氣溫急劇下降,會導致水汽凝結,再加上瓶子內部的氣壓驟降,可以說近似於真空狀態,然後繼續放至瓶溫與外界差不多,這樣的話就基本可以制造出壹定量的冰。

其主要原理就是低壓下的熱水快速蒸發後會有吸收熱量且快速制冷的效果,但是條件是必須各方面都有較好的控制,只要控制得當,還是可以實現熱水造冰的,雖然這種“夏造冰”的方法繁瑣,耗時耗力,制造出的冰還有限,但是在封建 社會 的統治力量下,人力資源的增多會導致冰產量積少成多,從而也會達到想要的效果。

對於“夏造冰”,現在還是有諸多爭論的,李誌超先生的解釋和我國古籍《淮南完畢術》描述的幾乎是如出壹轍的。當時著名的物理學家洪震寰先生在多次試驗後最終得出的結論是,“夏造冰”在沒有高 科技 的幫助下是無法制造出來的,因為有個很現實的問題擺在這,就是氣壓每減少壹個點,水的冰點只會提高0.008 ,這樣看來,洪震寰先生說的確實很有道理。

後來,在李誌超的指導下,碩士生趙虹君做了壹個這樣的“造冰實驗”,他用裝有少量水的球形玻璃瓶,用帶有溫度計的橡皮塞在水沸騰後密封,軟膠管上還有壹個可以調松緊的夾子,實驗幾次後確實證明了沸水密封冷卻後可以得到低溫的水。

後來李誌超也解釋到,這個實驗必須要把握得十分精準才能制得少量的冰。趙虹君這次試驗值得註意的是,實驗溫度為7.5攝氏度,這就意味著瓶中被壓入的空氣也是7.5攝氏度,要知道古代夏季的地溫至少也在25攝氏度左右,這就意味著被壓入瓶中的氣溫也是25攝氏度左右,那問題就來了,溫度這麽高的水能從3、4 的井水中吸熱嗎?顯然這是違背熱力學第二定律的,那這個實驗的成功率可以說是微乎其微了。

這個實驗經過多個科學家之手,最終還是沒有達成***識,古人到底是在怎樣壹個嚴密的環境下,投入多大的人力資源,才能制作出大量“夏造冰”的,可以說這個實驗非常困難了,也充分體現出了古人的智慧。

通過實驗確實證實了古人“夏造冰”的可行性,但這個實驗還並未完全取得成功,而古人們的“夏造冰”實驗也在物理界產生了較大的影響,畢竟誰也想不到的是,在 科技 發展的今天,壹直困擾物理學家的難題竟然早在落後的古代就已經出現了答案,說到這裏我們也不得不得不佩服古人們的智慧。