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2000年前中国古人热水造冰?困扰物理学家多年,到底是什么原理?

2024-03-22科学

前言:

随着气温的逐渐升高,现代人们多想到的是如何应对酷暑,有一种最简单的方法就是吃冰,这些年来冰块作为夏季的消暑神器越来越受到大家的喜爱,但现在市面上的冰都是怎么制成的呢?

在现代科学技术的发展下,制冰这项看似简单的工作,已经变得异常的便捷,人们只需要在电冰箱内加入水就可以轻松地制作出冰块,这些冰块不仅耐用而且还呈立方体状时,更容易用于食物冷藏和调酒制冰,但在古代要想制作冰却是一件非常困难且繁琐的工作。

古代的制冰方法并不是让冬天在户外的水结冰,而是在炎炎夏日的时候便开始动手,而且他们更是能够在夏天里亲自制作出上好的冰块,奇怪的是,这一种制冰法却并不是用冷水置于低温环境中,而是将开水置入深井中,三天后取出就能得到3斤左右的冰,这种现象不光是古人,现代人也感到很惊讶,那么古代的「夏造冰」是如何制成的呢?

一、古代制冰法。

古人在【淮南完毕术】一书中记录了夏天如何制冰的方法,他们在书中写道:「取沸汤置瓮中,密以新缣,沈中三日成冰。」,这是有关【淮南完毕术】这一部书的全部记载内容,但这一段文字却是现在的物理学家和历代科学家解不开的一个谜,因为根据现代的物理学常识,温度越低的水结冰越快,那么古人为什么要用开水制冰而不是常温下的冷水呢?

这个问题让有关古代的物理学家很迷惑。其实除了「淮南完毕术」外,关于古人如何在夏天制冰的记载还有很多,比如在【食品】这一部书中还有「定义夏日种种」这一部分,书中还有另一种方法制冰的方法,书中的具体记载是这样的:「冬月里有冰,不冻长茅,放在冬月下棺中,夏至出之,但一良酒数斗,冰长一尺,长此不变,宜取宜藏。」。

可见古人不仅仅会储存冬天采摘的冰块,还能够亲自在炎炎夏日里制作冰块,他们用的方法是将一斗多的清水倒到一个器皿中,然后将它放入内含酒足的长棺中,夏至时取出这一器皿,它的就能够结出冰来。这两种古人制冰的方法都很简单,但是都让现代的物理学家无法解释,所以这两种方法到底是什么原理让古人可以在夏天制作出冰来呢?

二、古人制冰的原理。

如今古人的「夏造冰」这一制冰法又被发掘出来,这一古老的制冰法给了物理学家们一个很有趣的命题,在一定环境下,温度较高的热水为什么能够在炎炎夏日中结出冰来。为了解开这个古老的谜,科学家们利用现代科学的尖端技术和设备,亲自动手进行了实验,不过科学家们却发现很是不好解释清楚,他们的实验结果并没有理论上的预测那样的顺利。

曾有业内著名的物理学家洪震寰先生曾提出过一个有关「夏造冰」这种现象的解释,他的解释是这样的:「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……」。

这一种解释非常符合现代人的逻辑思维,但是也有一些缺陷,因为按照传统的气压与水的冰点的联系,就算是将气压降到真空状态,也只能让冰点上升不到1摄氏度,但是在现实生活中,古人却可以用开水在炎炎夏日中结出冰来,这表明「夏造冰」这一古老的制冰法背后还有更多的物理原理。

而近日中国科技大学的物理学家李志超和他的团队也发表了一篇关于「夏造冰」这一课题的文章,他们提出了一种解释:「夏天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。」结合这一制冰法的过程来看,这一说法颇有几分道理,他们认为在装有开水的瓶中,水蒸汽会占据很大一部分的空间,当瓶子的瓶口比较小时,水蒸气在从瓶口排出的过程中,会产生大量的对流和湍流,同时还会产生大量的温度变化。

这种变化会让原本在瓶子中的热水迅速冷却,当瓶子中的水蒸气被热水挤出去后,瓶子的内部就是充满了热蒸汽,这样一来瓶子的温度就会快速升高,当瓶中的水被烧得几乎没有了之后,便会用细密的丝织物封住瓶口,然后立刻将瓶子放进冰凉的深井中。

当瓶子被放进冰凉的深井中时,瓶子内的热蒸汽便会迅速冷却成水,同时瓶中水的温度也会随之迅速降低,而瓶子中的气压也会随之迅速减小,结合凯莱-亨特渐冷法则,当气体绝热膨胀时,温度也会相应地减小,瓶中的水蒸汽在被排出瓶子的过程中温度减小。

这就是李志超等物理学家用现代科技还原古代夏天制冰法时得到的结果,从科学角度来讲,他们的解释是有一定道理的,但让人感到遗憾的是他们实验的结果也没有达到古人当年制冰的效果,所以人们能否完全复述古人的夏造冰的方法还没有明确的答案。

三、笔者认为。

虽然现代的科技设备越来越发达,但是关于古人夏天如何制冰这一问题却一直没有得到答案,这令人不禁想要探究古人的智慧究竟是如何穿越时间的,也让人感叹古人在没有电冰箱等设备的情况下却能够在炎炎夏日中享受到清凉的冰镇饮品。

有人认为古代的「夏造冰」只是一种「鸡肋」,但是我却认为这一古老的制冰法即使在现代看来并不实用,但它却是古人智慧的结晶,值得用心去解开其中的奥秘。