在炎熱的夏天,來上一杯冰鎮飲料或者一盤冰鎮水果,絕對是非常愜意的。對於現代人來說,製造冰塊是很簡單的,有一個冰箱就可以了,無論大人還是孩子都可以輕鬆製冰。
但是對於沒有冰箱的古人來說,他們該如何製造冰塊呢?
2000年前的大漢王朝,有一本名叫《淮南萬畢術》的書籍,此書成書於公元前2世紀,作者為西漢淮南王劉安及其門客,他在書中記載了一種名為「夏造冰」的方法。
原文是:「取沸湯置瓮中,密以新縑(jiān),沈中三日成冰。」
什麼意思呢?
就是把水燒開後倒入「翁」中,然後上面用乾淨的「縑」(一種絲織物)密封,接著將「翁」慢慢沉入深井中,等上三天就可以得到大量冰塊了。
是不是非常神奇?
水井我們都見過,只要把沸水密封起來,沉入水井中就可以得到冰塊嗎?我們就來聊聊這個讓無數物理學家為之困惑的問題。
壓強猜想
在一些物理學家看來,2000多年前的漢代人發明的「夏造冰方法」,利用的其實就是壓強原理。將裝滿開水的容器密封,然後沉入井底,可以讓容器表面出現巨大溫差,隨著容器內水溫的迅速降低,容器中的氣壓也隨之降低,水就有可能結成冰。
可能很多人都無法理解這種現象,我們說得詳細一些。
哪怕是在夏天,井水的溫度也是非常涼的,尤其是一些深井,其夏天溫度甚至能夠達到3—4℃。但想讓水結冰,就必須讓溫度達到0度,否則水就無法變成冰,這是初中物理課本上的知識,大家都知道。
只不過這裡還有一個「特殊情況」——水的結冰溫度,也就是凝固點,是可以出現變化的。
舉個例子,如果我們爬到了世界之巔喜馬拉雅山,在這裡燒水的話,只要將溫度燒到73.5攝氏度,水就被燒開了。
再比如說我們家裡所使用的高壓鍋,密封的鍋蓋導致鍋內蒸汽無法排出,所以高壓鍋內的氣壓就會一直增大,這也導致了水的沸點溫度提高。
正常情況下,高壓鍋內的氣壓能夠達到1.3個大氣壓,溫度也可以達到125℃。
水的沸點會根據氣壓的大小出現差別,而它的結冰點也是如此。
氣壓越低,水的結冰溫度就會隨之提高,根據測試,壓強每減少一個大氣壓,結冰溫度就會提高0.008℃。
壓強可以提高水的結冰溫度,是否可以破解「夏造冰方法」呢?
答案是不可能!
以漢朝時的科技水平來說,就算把容器內的氣壓降到最低,水的結冰溫度最多只能上升1℃。
也就是說,即便我們把容器放在溫度只有3℃的深井之中,然後將瓶子內的氣壓降到最低,依然達不到結冰要求。
既然不是壓強原理,那麼究竟是什麼原因呢?
空調製冷猜想
估計很多朋友都曾給自行車的輪胎放過氣,當我們拔掉氣門芯後,車胎內的氣體會在極短的時間內噴涌而出,這個時候車胎氣門處就會變得特別特別涼。
之所以出現這種現象,是因為壓力突變導致了溫度突變,而這也是空調可以製冷的原理之一。
那麼漢代的「夏造冰方法」是不是利用了這種原理呢?
為了證明這種猜想,物理學家李志超教授指導研究生趙虹君進行了一個模擬造冰試驗。為了達到最好的實驗效果,他們找來了一個瓶身大瓶口小的玻璃球瓶代替了瓮。
像這種容器在漢代時,是絕對不可能製造出來的,但是想讓「壓力突變」效果達到最大,就必須使用這種形狀的容器。
玻璃瓶的瓶口是用橡皮塞密封的,塞子里有一個放著溫度計的玻璃管,直達瓶底。而在塞子外面則是接著軟管,在軟管上還有一個可以調節鬆緊的夾子。
準備就緒後,將玻璃球瓶內注水,然後加熱使水完全燒開,只留下沒過玻璃管口的水量,然後用夾子夾緊軟管,將玻璃球瓶迅速放入注滿涼水的水桶中。
如果大家想要試驗的話,一定要注意了,這裡有危險!
玻璃瓶溫度很高,快速浸入溫度很低的涼水中時,很有可能發生炸裂。就比如說我們冬天喝酒,為了讓酒暖一些,便會放到開水中燙一下,但是一個不注意就把酒瓶燙炸了。
當玻璃球瓶浸入涼水後,水溫下降速度是非常快的,從100℃迅速降至到了20℃左右,但是之後水溫下降的速度就開始變得非常緩慢。
20℃距離水能結冰的0℃,還有好大一截呢,是不是因為放置時間比較短呢?畢竟「夏造冰方法」中講過,要放置三天才能得到冰,於是李志超教授又將玻璃球瓶多放置了幾個小時。
最終,玻璃球瓶中的水溫保持在了7℃左右。這個時候,慢慢地鬆開夾子,玻璃瓶內的水溫又下降了1℃左右。
自此,試驗結束,結果顯示水溫只能降到6℃左右,無法達到結冰條件。
雖然實驗沒有達到效果,但李志超認為自己的猜想是沒有錯的,將加熱後的水放入冷水中冷卻,然後再將密封的容器打開通風,只要條件能夠達到,就完全有可能製造出冰塊來,但前提是需要一個非常特殊的細口大腹瓶。
後來又有一些物理學家,利用各種各樣的容器以「夏造冰方法」來製冰,其中絕大多數的實驗都以失敗告終,但也有人非常幸運的得到了一些冰渣,而不是「夏造冰方法」中所提到的冰塊。
解不開的疑惑
雖然物理學家們始終沒有通過「造冰方法」得到冰塊,但是他們的研究方向是沒有錯的,至於問題究竟出在哪,就不得而知了。
畢竟古人對於「夏造冰方法」的記載並不詳細,容器「翁」是什麼樣,沒有人知道。「新縑」又是個啥,也沒人知道,想來其中還有一些關鍵技術沒有被記錄下來。
以今時今日的科研技術,都無法解答「夏造冰方法」的問題,估計這種製冰技術的需求條件是非常嚴苛的。在漢朝時期,除了王公貴族,想必普通老百姓是無法使用「夏造冰方法」的。
當然了,老百姓也還有其它的方法得到冰,比如說建造冰窖,他們只需在冬天的時候將冰塊取下,妥善地存放於冰窖之中,到了夏天時就可以使用冰塊了。
而這種情況在唐朝時發生了徹底改變,唐人們發現:
只要將硝石放入水中,它便能迅速溶於水並且吸收熱量,於是水就會變成冰。
即便是在炎熱的夏天,硝石也可以讓水快速結冰,這種簡單的製冰技術很快便傳遍了大江南北,高精尖的「夏造冰技術」也隨之被徹底取代,消失在了歷史長河之中。