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几千年前古人用热水制冰?原理困扰物理学家多年,这是怎么做到的

2024-03-30科学

现代人面对炎炎夏日,可以选择吹空调、喝冷饮,但古人没有发电机,更没有空调和冰箱,他们是如何用冰解暑呢?

我们看【甄嬛传】时会发现,后宫妃嫔消夏时,室内竟然有 冰块散热 ,那么古人夏天的冰块是哪来的?难道古人已经掌握的先进的制冰技术吗?

古人如何解暑消夏

其实古人使用冰块的历史远比我们想象的要长,【说文解字】中提到过一个字「鉴」,意思是大水盆,商周时期的青铜器中就有一类专门盛水的容器叫做 「青铜鉴」

据【周礼】记载,这种容器是专门用来盛放冰块的,人们在夏天为了给食物和酒水降温,就会把冰块放在冰鉴的底层,然后再放上另一个容器,隔水进行降温。

冰鉴是中空的 双层设计 ,冰块就放在中间的夹层中,青铜鉴的底部三个扣眼可以和上面一层固定,使用的时候就不用担心冰块溢出。

鉴不仅可以在夏季用来降温,寒冷的冬季还能用来给食物保温, 一物两用 ,实用性非常高,与夏季用冰同样的操作流程,只是把冰块换成热水,以隔水加热的方式来保持食物的恒温。

古人制冰用冰的技术在史料中也有记载,【资治通鉴】中说,当时的人会在冬天提前将冰块储存起来,这些冰块被放在类似冰窖的地底 人工洞穴中 ,这里远离地面,能常年低温阴凉,因此即使高温天气也不会影响冰块的状态。

古人很多夏季食物都要依靠冰块的来降温,他们把这叫做「冰镇」,特别是贵族家庭,夏季生活很多方面都离不开冰。

【红楼梦】中出现过许多美食,其中不少都要用到冰块,夏天的时候,丫鬟们会把新鲜水果浸泡在清凉的冰水里,古人将这种冰镇的方式叫做 「湃果子」

还有一回,宝玉因为调戏了母亲丫鬟被贾政一顿毒打,养病时口干舌燥,就叫丫鬟给他喝 冰镇的酸梅汤 ,不过因为宝玉身体素质差,丫鬟们最终没敢给他。

书中也特别反映了古人对夏季用冰的认识,因为宝玉从小身体不好,所以他从不直接吃冰和用冰,即使是夏天最热的时候,他的茶水也只能用清凉的 井水来降温 ,足见古人对冷饮的谨慎态度。

古人藏冰的历史

古人夏季用冰,绝大部分都是天然冰,在冬季提前准备好,夏季就能使用,这就涉及到一个问题——冰块的储藏,其实早在周代就已经出现专门负责管理藏冰的职位,这种官员叫做 「凌人」。

据【诗经】记载,古人在冬季最寒冷的时候将冰块准备好,修整成规格一致的冰块统一存放,山西宝鸡的秦都遗址中就发现了规模巨大的冰窖。

冰窖是工人沿着山体向内开凿,四周有搬运的通道和排水的水道,最深处才是储存冰块的空间。

先秦时期储存冰块的冰窖叫做 「凌阴」 ,在渭水的河岸边上发现过存冰的痕迹,人们通过就地取材就地搬运的方式,直接从冬季河面冰层取冰。

为了尽可能利用冰窖的空间,古人还严格规定了冰块的尺寸和形状,据【唐六典】记载,冰块必须要修整为宽3尺、高1.5尺的方块,唐代储量最多的冰窖能同时存放1000多块冰砖。

除了大型了冰窖,古人还充分利用水井来储存冰块,这种深井最深可达3米,直径大约在1米左右。

因为冰块的开凿和储存都要耗费大量人力物力,所以只有皇室和富贵人家才有经济实力建立自己的冰窟,也正是因为冰块珍贵难得,古人开采冰块时非常庄重,还发展出一套专门的 采冰仪式。

在采冰和藏冰前,根据五行对应五色的原理,冰和水都是黑色,所以古人会用黑色的谷物和牲畜来祭祀 「司寒」 ,这位司寒就是专门掌管冬季的神明。

取冰时人们会桃树枝干制作的弓箭,射出用荆棘制作的箭头,其谐音寓意为逢凶化吉。

古人为了避免冰块融化,减小冰块损耗,在存放冰块时还有专门的步骤,冰块全部垒放整齐后,在上面均匀地铺上一层稻草和芦苇席子,上面在放上一层稻糠或树叶,这些材料起到隔绝温度的作用,和过去用棉被包裹的 原始冰箱 原理一样。

清代的藏冰量可以说是古人之最,清代还出现了一种类似冰箱的器皿,外层用珐琅彩装饰,造型和做工都非常精美。

这尊珐琅掐丝冰箱现存于 故宫博物院 ,冰箱内部是木质结构,下面用铅作底板,底部留出许多细小的孔洞,当冰块融化时,液体就能顺着小孔流出,始终保持冰箱内部的干燥。

在冰箱表面的盖子上有铜钱状的孔洞,可以让箱内凉气充分释放出来,这种装置虽然叫 「冰箱」 ,其功能更像现在的空调。

技术高超的人造冰

因为我国幅员辽阔,南北温差大,位于秦岭淮河线以南的地区冬季温度始终保持在0度以上,根本不可能有大量的自然冰,为了解决这个问题,南方人就发明了人造冰的技术。

人造冰会用到一种化学原料 「硝石」 ,这是一种较为常见的白色晶体,古人在开凿矿山时,发现硝石和水接触后会大量吸热,使液态水很快凝固为冰晶状,经过反复试验,古人完全掌握了这种人造冰的关键技术。

更有意思的是,古人不仅可以用硝石制冰,还发明出了反复利用硝石的技术,他们将人造冰融化后的液体收集起来,用 高温蒸发 的方式去除水分,以硝酸钙为主的硝石结晶留存下来可以下次再用。

另一种人造冰技术也非常成熟,据 【淮南万毕术】 记载,这种用热水造冰的方式会先将滚烫的热水放进容器中,用缣布密封起来,放进水井中,经过三天的降温就能制作出冰块。

现代的物理学家对这种现象非常感兴趣,他们认为沸水制冰用到了 「焦耳-汤姆孙效应」 ,即通过让高温液体快速降温,让水汽凝结,然后从外部向内加压,使内部达到真空状态,形成瓶中与外部的温差,这样就能产生冰晶。

文章信源:【说文解字】【周礼】【资治通鉴】