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2000年前中國古人熱水造冰?困擾物理學家多年,到底是什麽原理?

2024-03-22科學

前言:

隨著氣溫的逐漸升高,現代人們多想到的是如何應對酷暑,有一種最簡單的方法就是吃冰,這些年來冰塊作為夏季的消暑神器越來越受到大家的喜愛,但現在市面上的冰都是怎麽制成的呢?

在現代科學技術的發展下,制冰這項看似簡單的工作,已經變得異常的便捷,人們只需要在電冰箱內加入水就可以輕松地制作出冰塊,這些冰塊不僅耐用而且還呈立方體狀時,更容易用於食物冷藏和調酒制冰,但在古代要想制作冰卻是一件非常困難且繁瑣的工作。

古代的制冰方法並不是讓冬天在戶外的水結冰,而是在炎炎夏日的時候便開始動手,而且他們更是能夠在夏天裏親自制作出上好的冰塊,奇怪的是,這一種制冰法卻並不是用冷水置於低溫環境中,而是將開水置入深井中,三天後取出就能得到3斤左右的冰,這種現象不光是古人,現代人也感到很驚訝,那麽古代的「夏造冰」是如何制成的呢?

一、古代制冰法。

古人在【淮南完畢術】一書中記錄了夏天如何制冰的方法,他們在書中寫道:「取沸湯置甕中,密以新縑,沈中三日成冰。」,這是有關【淮南完畢術】這一部書的全部記載內容,但這一段文字卻是現在的物理學家和歷代科學家解不開的一個謎,因為根據現代的物理學常識,溫度越低的水結冰越快,那麽古人為什麽要用開水製冰而不是常溫下的冷水呢?

這個問題讓有關古代的物理學家很迷惑。其實除了「淮南完畢術」外,關於古人如何在夏天制冰的記載還有很多,比如在【食品】這一部書中還有「定義夏日種種」這一部份,書中還有另一種方法制冰的方法,書中的具體記載是這樣的:「冬月裏有冰,不凍長茅,放在冬月下棺中,夏至出之,但一良酒數鬥,冰長一尺,長此不變,宜取宜藏。」。

可見古人不僅僅會儲存冬天采摘的冰塊,還能夠親自在炎炎夏日裏制作冰塊,他們用的方法是將一鬥多的清水倒到一個器皿中,然後將它放入內含酒足的長棺中,夏至時取出這一器皿,它的就能夠結出冰來。這兩種古人制冰的方法都很簡單,但是都讓現代的物理學家無法解釋,所以這兩種方法到底是什麽原理讓古人可以在夏天制作出冰來呢?

二、古人制冰的原理。

如今古人的「夏造冰」這一制冰法又被發掘出來,這一古老的制冰法給了物理學家們一個很有趣的命題,在一定環境下,溫度較高的熱水為什麽能夠在炎炎夏日中結出冰來。為了解開這個古老的謎,科學家們利用現代科學的尖端技術和器材,親自動手進行了實驗,不過科學家們卻發現很是不好解釋清楚,他們的實驗結果並沒有理論上的預測那樣的順利。

曾有業內著名的物理學家洪震寰先生曾提出過一個有關「夏造冰」這種現象的解釋,他的解釋是這樣的:「沸水置入瓶中,瓶口密封,沈入井水中,瓶內溫度驟降,液面氣壓大減,瓶內水的冰點是隨之提高的……」。

這一種解釋非常符合現代人的邏輯思維,但是也有一些缺陷,因為按照傳統的氣壓與水的冰點的聯系,就算是將氣壓降到真空狀態,也只能讓冰點上升不到1攝氏度,但是在現實生活中,古人卻可以用開水在炎炎夏日中結出冰來,這表明「夏造冰」這一古老的制冰法背後還有更多的物理原理。

而近日中國科技大學的物理學家李誌超和他的團隊也發表了一篇關於「夏造冰」這一課題的文章,他們提出了一種解釋:「夏天造冰是氣體絕熱膨脹降溫導致的,也就是焦耳-湯姆生效應在起作用。」結合這一制冰法的過程來看,這一說法頗有幾分道理,他們認為在裝有開水的瓶中,水蒸汽會占據很大一部份的空間,當瓶子的瓶口比較小時,水蒸氣在從瓶口排出的過程中,會產生大量的對流和亂流,同時還會產生大量的溫度變化。

這種變化會讓原本在瓶子中的熱水迅速冷卻,當瓶子中的水蒸氣被熱水擠出去後,瓶子的內部就是充滿了熱蒸汽,這樣一來瓶子的溫度就會快速升高,當瓶中的水被燒得幾乎沒有了之後,便會用細密的絲織物封住瓶口,然後立刻將瓶子放進冰涼的深井中。

當瓶子被放進冰涼的深井中時,瓶子內的熱蒸汽便會迅速冷卻成水,同時瓶中水的溫度也會隨之迅速降低,而瓶子中的氣壓也會隨之迅速減小,結合凱萊-亨特漸冷法則,當氣體絕熱膨脹時,溫度也會相應地減小,瓶中的水蒸汽在被排出瓶子的過程中溫度減小。

這就是李誌超等物理學家用現代科技還原古代夏天制冰法時得到的結果,從科學角度來講,他們的解釋是有一定道理的,但讓人感到遺憾的是他們實驗的結果也沒有達到古人當年制冰的效果,所以人們能否完全復述古人的夏造冰的方法還沒有明確的答案。

三、筆者認為。

雖然現代的科技器材越來越發達,但是關於古人夏天如何制冰這一問題卻一直沒有得到答案,這令人不禁想要探究古人的智慧究竟是如何穿越時間的,也讓人感嘆古人在沒有電冰箱等器材的情況下卻能夠在炎炎夏日中享受到清涼的冰鎮飲品。

有人認為古代的「夏造冰」只是一種「雞肋」,但是我卻認為這一古老的制冰法即使在現代看來並不實用,但它卻是古人智慧的結晶,值得用心去解開其中的奧秘。