2000年前中国古人热水造冰，困扰物理学家多年，这是什么原理？

看过《甄嬛传》的人都知道，一到炎炎夏季，皇帝就带着他的后宫妃嫔们去圆明园避暑。每个妃子的房间里，都会放一堆冰块给环境降温，可以抵得上现代冰箱的效果。


你可能感叹清朝人真是聪明，实际上，2000多年前的中国古人就已经学会了制造冰块。
《庄子》中有句话：“我得夫子之道矣！吾能冬爨（cuàn）鼎而夏造冰矣！”虽然此处没有详说“夏造冰”的过程，但我们得知在庄子时代就已经有“夏造冰”技术。直到西汉淮南王刘安写的《淮南万毕术》一书中，详细记载了“夏造冰”的过程。书中提到：“取沸汤置瓮中，密以新缣，沈（井）中三日成冰。”


值得研究的是，“夏造冰”为什么要用“沸汤”即开水呢？为什么要放到深井当中呢？为什么是放三天呢？
对于现代有冰箱有空调的我们来说，造冰技术是如此简单，对于古人的做法当然很困惑。而即使是物理知识渊博的物理学家们，为了补充完善的物理学史，也不得不在古人的这项造冰方法上反复研究。遗憾的是，一个个物理学家竟然被古人的智慧给难倒了。


我们比古人更聪明吗？看来未必。
中国物理学史家洪震寰算是最先研究古人造冰方法的一批人，他把目标锁定在冰点和气压上。他认为，气压降低会使水的冰点上升，这样不一定在0℃水才会结成冰。井中的温度在3-4℃的时候，冰点就会产生，水就会结成冰。然而他在实验室中做这个实验的时候，却发现每减少一个大气压，水的冰点提高的程度微乎其微，连0.01℃都不到。因此，洪震寰否定了气压导致水快速结冰的假设。


不是气压，那到底是什么呢？
中国科技大学研究科技史的李志超教授推测，会不会是通过气体绝热膨胀降温来得到“夏造冰”的呢？李志超和他的学生一起做了“造冰”实验，在一个玻璃球形瓶里装上少量的水，然后用橡皮塞进行密封，并从橡皮塞中往玻璃瓶里插入一根玻璃管，同时玻璃管外接橡胶软管。经过用温度计测量和比对球形玻璃瓶内水的温度变化，得到了一个结论：将沸水密封并进行冷却，通过橡胶软管放气，可大大降低水的温度。


怎么我们听上去有点胡扯呢？一碗滚烫的开水敞开放在空气中，冬天不到3分钟就凉了，夏天在通风的地方凉得也很快，密封容器真有那么重要吗？
我们注意到《淮南万毕术》中提到的是“沸汤”放在“瓮”里面。这个“瓮”就不是一般的容器了，它的主要特点是瓶口很细。在瓮里装上部分水，将水煮开，水蒸汽就会充满整个容器，并将原先瓮里的空气排出去。这时用织得很细密的一些布或织物将瓶口封住，再用绳子下降到水井深处。


在中原的一些高山地区，深井的温度在10℃以下，水汽遇冷凝结，而瓶子里几乎是真空状态，瓶内的气压比瓶外的气压低多了。当瓮的温度与井水温度差不多的时候，把容器从井里取出，就会在减压膨胀的原理下，使瓶子迅速降温。操作得当的话，容器内会出现冰渣。
虽然会出现冰渣，但似乎仍不能解释古人造出的冰块是怎么回事。但我们知道了，用织物密封是一个很重要的条件。


好在薪火相传，物理学史家们虽然享受着前沿科技的便利，对于古人如何科学生活，仍然保持着好奇心和做研究的严谨精神。
来自湘潭大学的学者雷志华，经过多次的实验设计和研究，提出古人人工造冰有三个重要的影响因素。
第一个是大气的相对湿度。我们的空调遥控器上都会有除湿按钮，当我们除湿后，空气湿度变小，会感觉到房间更干燥。而在古人用瓮造冰的原理中，空气湿度变小，周围的空气越干燥，会使瓶内的水蒸发得越快。


第二个是瓮的容积。当容器越大，能容纳的水蒸气越多，容器出现真空状态的概率越高，结冰也会更容易。
第三个是井水和大气的温度。井水的温度越低，越容易结冰，而一般深井的温度在6℃—10℃之间。至于为什么井水温度要低？与我们前面提到的冰点和热传递效应有关系。


雷志华在研究出这三个重要条件后，设计了更精确的模拟实验来造冰。
2005年8月26日，湘潭大学化工楼附近的气温大约在20℃，空气的相对湿度在5%左右，正是造冰的好时机。雷志华准备好容积100L的瓮、电热管、煤油湿度计和织物，开始进行实验。
他首先在容器中加入少量的水，然后用电热管加热，水很快沸腾起来，没有一会儿，水蒸汽就充满了整个容器，而原来的空气大部分排出到容器外。由于瓶口很细小，水蒸汽大部分仍留在了瓶中。在水快烧干的时候，停止加热，并立即用准备好的织物将瓶口密封住。为什么用织物不用塞子？这是为了透气。雷志华教授将瓶子放到了8℃的冷水中。这时，空气通过渗透进入了瓶中。雷志军教授观察着温度计，直到温度计停留在0的刻度上。他打开瓮瓶一看，里面有大量的冰渣。


雷志军教授的实验成功了，基本上能够解释古人的造冰过程了。
可以说，古人是相当的聪明，他们应该也是经过了很多次的实验才能稳稳地使水结冰。也许他们虽然不懂得精确的温度和湿度，但他们对时令节气和自然环境有着超过现代人的了解和感知。
一个造冰技术就难倒了那么多物理学史家。可以说，古人比我们想象的更聪明，你觉得呢？
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