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幾千年前古人用熱水製冰?原理困擾物理學家多年,這是怎麽做到的

2024-03-30科學

現代人面對炎炎夏日,可以選擇吹空調、喝冷飲,但古人沒有發電機,更沒有空調和冰箱,他們是如何用冰解暑呢?

我們看【甄嬛傳】時會發現,後宮妃嬪消夏時,室內竟然有 冰塊散熱 ,那麽古人夏天的冰塊是哪來的?難道古人已經掌握的先進的制冰技術嗎?

古人如何解暑消夏

其實古人使用冰塊的歷史遠比我們想象的要長,【說文解字】中提到過一個字「鑒」,意思是大水盆,商周時期的青銅器中就有一類專門盛水的容器叫做 「青銅鑒」

據【周禮】記載,這種容器是專門用來盛放冰塊的,人們在夏天為了給食物和酒水降溫,就會把冰塊放在冰鑒的底層,然後再放上另一個容器,隔水進行降溫。

冰鑒是中空的 雙層設計 ,冰塊就放在中間的夾層中,青銅鑒的底部三個扣眼可以和上面一層固定,使用的時候就不用擔心冰塊溢位。

鑒不僅可以在夏季用來降溫,寒冷的冬季還能用來給食物保溫, 一物兩用 ,實用性非常高,與夏季用冰同樣的操作流程,只是把冰塊換成熱水,以隔水加熱的方式來保持食物的恒溫。

古人制冰用冰的技術在史料中也有記載,【資治通鑒】中說,當時的人會在冬天提前將冰塊儲存起來,這些冰塊被放在類似冰窖的地底 人工洞穴中 ,這裏遠離地面,能常年低溫陰涼,因此即使高溫天氣也不會影響冰塊的狀態。

古人很多夏季食物都要依靠冰塊的來降溫,他們把這叫做「冰鎮」,特別是貴族家庭,夏季生活很多方面都離不開冰。

【紅樓夢】中出現過許多美食,其中不少都要用到冰塊,夏天的時候,丫鬟們會把新鮮水果浸泡在清涼的冰水裏,古人將這種冰鎮的方式叫做 「湃果子」

還有一回,寶玉因為調戲了母親丫鬟被賈政一頓毒打,養病時口幹舌燥,就叫丫鬟給他喝 冰鎮的酸梅湯 ,不過因為寶玉身體素質差,丫鬟們最終沒敢給他。

書中也特別反映了古人對夏季用冰的認識,因為寶玉從小身體不好,所以他從不直接吃冰和用冰,即使是夏天最熱的時候,他的茶水也只能用清涼的 井水來降溫 ,足見古人對冷飲的謹慎態度。

古人藏冰的歷史

古人夏季用冰,絕大部份都是天然冰,在冬季提前準備好,夏季就能使用,這就涉及到一個問題——冰塊的儲藏,其實早在周代就已經出現專門負責管理藏冰的職位,這種官員叫做 「淩人」。

據【詩經】記載,古人在冬季最寒冷的時候將冰塊準備好,修整成規格一致的冰塊統一存放,山西寶雞的秦都遺址中就發現了規模巨大的冰窖。

冰窖是工人沿著山體向內開鑿,四周有搬運的通道和排水的水道,最深處才是儲存冰塊的空間。

先秦時期儲存冰塊的冰窖叫做 「淩陰」 ,在渭水的河岸邊上發現過存冰的痕跡,人們透過就地取材就地搬運的方式,直接從冬季河面冰層取冰。

為了盡可能利用冰窖的空間,古人還嚴格規定了冰塊的尺寸和形狀,據【唐六典】記載,冰塊必須要修整為寬3尺、高1.5尺的方塊,唐代儲量最多的冰窖能同時存放1000多塊冰磚。

除了大型了冰窖,古人還充分利用水井來儲存冰塊,這種深井最深可達3公尺,直徑大約在1公尺左右。

因為冰塊的開鑿和儲存都要耗費大量人力物力,所以只有皇室和富貴人家才有經濟實力建立自己的冰窟,也正是因為冰塊珍貴難得,古人開采冰塊時非常莊重,還發展出一套專門的 采冰儀式。

在采冰和藏冰前,根據五行對應五色的原理,冰和水都是黑色,所以古人會用黑色的谷物和牲畜來祭祀 「司寒」 ,這位司寒就是專門掌管冬季的神明。

取冰時人們會桃樹枝幹制作的弓箭,射出用荊棘制作的箭頭,其諧音寓意為逢兇化吉。

古人為了避免冰塊融化,減小冰塊損耗,在存放冰塊時還有專門的步驟,冰塊全部壘放整齊後,在上面均勻地鋪上一層稻草和蘆葦席子,上面在放上一層稻糠或樹葉,這些材料起到隔絕溫度的作用,和過去用棉被包裹的 原始冰箱 原理一樣。

清代的藏冰量可以說是古人之最,清代還出現了一種類似冰箱的器皿,外層用琺瑯彩裝飾,造型和做工都非常精美。

這尊琺瑯掐絲冰箱現存於 故宮博物院 ,冰箱內部是木質結構,下面用鉛作底板,底部留出許多細小的孔洞,當冰塊融化時,液體就能順著小孔流出,始終保持冰箱內部的幹燥。

在冰箱表面的蓋子上有銅錢狀的孔洞,可以讓箱內涼氣充分釋放出來,這種裝置雖然叫 「冰箱」 ,其功能更像現在的空調。

技術高超的人造冰

因為中國幅員遼闊,南北溫差大,位於秦嶺淮河線以南的地區冬季溫度始終保持在0度以上,根本不可能有大量的自然冰,為了解決這個問題,南方人就發明了人造冰的技術。

人造冰會用到一種化學原料 「硝石」 ,這是一種較為常見的白色晶體,古人在開鑿礦山時,發現硝石和水接觸後會大量吸熱,使液態水很快凝固為冰晶狀,經過反復試驗,古人完全掌握了這種人造冰的關鍵技術。

更有意思的是,古人不僅可以用硝石制冰,還發明出了反復利用硝石的技術,他們將人造冰融化後的液體收集起來,用 高溫蒸發 的方式去除水分,以硝酸鈣為主的硝石結晶留存下來可以下次再用。

另一種人造冰技術也非常成熟,據 【淮南萬畢術】 記載,這種用熱水造冰的方式會先將滾燙的熱水放進容器中,用縑布密封起來,放進水井中,經過三天的降溫就能制作出冰塊。

現代的物理學家對這種現象非常感興趣,他們認為沸水製冰用到了 「焦耳-湯姆森效應」 ,即透過讓高溫液體快速降溫,讓水汽凝結,然後從外部向內加壓,使內部達到真空狀態,形成瓶中與外部的溫差,這樣就能產生冰晶。

文章信源:【說文解字】【周禮】【資治通鑒】