困扰物理学家多年的问题,古代怎么制作冰块

在现代社会,冰块可以说是夏天的消暑神器了,喝可乐要放一把冰块,吃冰淇凌要加冰沙。冰块如此普及在于现代科学技术的发展。

而在我国古代,虽然没有现代的高科技,但是古人在夏天也依然能够制成冰块,而且这种制冰之法居然让许多现代物理学家也感到困惑。那么我国古人是如何在炎炎夏日制作出冰块的呢?

古代制作“夏造冰”

早在春秋战国时期,古人就特地制作了冰窖,可以将冬天开采的冰一直储存到夏天使用。更神奇的是,他们还有在夏天自己制冰的方法。

在淮南王刘安及其门客共同编写的《淮南完毕术》一书中,就记录了这种“夏造冰”的方法:“取沸汤置瓮中,密以新缣(jiān),沈中三日成冰。”

这段话的意思是说,把刚刚烧开的沸水装到一个大瓶子里面。然后用干净细密的丝织物将瓶口盖好密封。最后将这一瓶水用绳子吊着,慢慢沉入深井里面,过了三天以后再取出来就能够制成冰块了。

在夏天,将装着开水的瓶子放到深井里就能得到冰块。这不免令人感到疑惑,为什么必须要用开水制冰,而不是常温下的冷水呢?按理来说,冷水的温度更低,不是更容易结冰吗?

中国古代的物理学者们对这些悬疑问题十分关心,在后来的历朝历代都有记载,然而“热水”结冰、冷水不结冰的反常现象,却依然没有得到很好的解释。

现代科学能否解释“夏造冰”?

对此,现代物理学家们也表现出了浓厚的兴趣,开始尝试用现代的物理学知识做实验验证。当时著名的物理学家洪震寰先生认为,这是“夏造冰”的形成和气压有很大关系。

在他的文章里提到:“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……”

他的理论依据是气压越低,水结冰所需要的温度越高,不需要把温度降到0℃就可以结冰了,而深井里的温度无论冬夏季节,基本都能保持在10℃以下,有的甚至能达到3-4℃,也就很可能让热水结冰了。

但是,其中存在一个非常大的限制,那就是在正常状况下,冰点受气压的影响是很小的。据估算,气压每减少一个点,水的冰点只会提高0.008℃,即使将瓶子里的气压从正常水平下降到真空状态,最多也只能让冰点上升不到1℃。

中国科技大学的物理学家李志超的研究则认为:“夏造冰是气体绝热膨胀降温导致的,也就是焦耳——汤姆孙效应在起作用。”

结合“夏造冰”的过程来说,就是装有沸水的瓶中,大量的水蒸气在通过细小的瓶口的时候会发生压力突变,从而引发温度变化。这是空调和液化气等装置的原理,也可以用来解释为什么自行车轮胎在放气的时候,气门会变冷甚至凝结出冰晶的现象。

焦耳——汤姆孙效应:气流通过中间的渗透性多孔塞示意图

在一个口小肚大的瓶子中,将其中的水煮沸,直至其中的水蒸气将瓶中大部分空气都排出去。

当瓶中的水快沸腾蒸发完时,马上用细密的丝织物浸水将口堵住,并立即沉入深井,瓶子中的气温急剧下降,会导致水汽凝结,再加上瓶子内部的气压骤降,可以说近似于真空状态,然后继续放至瓶温与外界差不多,这样的话就基本可以制造出一定量的冰。

根据这一理论,他指导硕士生赵虹君做了一个模拟“造冰”实验:取一个1升的玻璃球瓶,在里面装上少量的水和温度计并密封好,用来替代古代制冰的瓮瓶。再烧开瓶子里的水,迅速放进盛满了凉水的水桶中,将沸水进行冷却。

会不会是水桶里的水温没有井水温度低?或者是不是放置时间不够?毕竟《淮南万毕书》上说要在深井里存放三天时间。于是李志超又将瓶子放置了几个小时,水温降低到了7℃。接着摘掉瓶子的封口,让空气缓慢流入。最终整体的水温稳定在了6℃左右,却依然没有结冰。

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,水蒸汽会充满全瓶,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。瓶子受凉,水汽凝结,瓶内气压很快下降。”

  “当瓶温与井水近于平衡,立即取出,摘除封口开始透气。这是利用减压膨胀的吸热效果,让瓶内温度下降。如果实验控制得很完美,就可以得到几丝冰碴。”

失传的“夏造冰”工艺是“鸡肋”吗?

从洪震寰和李志超这现代两位科学家的研究中,可以看到,“夏造冰”是可行的,这一工艺也很可能是确实存在过的。

但是也不难发现,即使运用现代的科技还原古代“夏造冰”的过程,这些实验步骤也非常复杂繁琐,只要有一点条件无法满足,就不可能制出冰块来。而即使真的制出了冰,产量也是非常少,只有一点冰碴。

而想要在炎炎夏日制成大量的冰块,就必须严格挑选最好的制冰深井,耗费大量的人力物力和时间。恐怕在古代也只有皇亲国戚、有钱有势的人,才能够用这种办法来制冰消暑了。与其这么麻烦地自己制冰,还不如多造几个冰窖,在冬天的时候多储存一些冰块来得方便。

当然,无论是冰窖还是制冰都不是普通老百姓能够奢望的。直到唐朝末期,人们无意间发现了“硝石”,它溶于水后会吸收热量,能够让常温下的水快速冷却结冰。这种方便快捷的制冰方法的发现,才真正让民间的普通老百姓能够在炎炎夏日摸上一块冰。由此看来,依据《淮南完毕术》所描述的“夏造冰”工艺与硝石的制冰效果相比,还是比较“鸡肋”的。

不过,也存在一种可能,那就是书中对这种工艺的描述存在较大的误差。古代的“夏造冰”技术或许已经非常成熟,只是因为受到皇家和艺人的垄断而逐渐失传了。

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