2000年前中國古人用熱水成功造冰,是什麼原理?曾困擾過物理學家

2021年09月16日22:22:03 科學 1353

適宜人類生存的環境溫度雖然說有一定的範圍,但過高或者過低的溫度,都會影響人的生活質量。如今人們已能夠藉助空調這樣的電器,在炎熱的夏天也能享受清涼的室內環境。

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古人挖冰窖保存冰塊

而在空調和冰箱這樣的制冷機器出現之前,人們想要在夏天喝冰飲和吃到冷製品,是很困難的一件事。尤其是居住在靠近熱帶地區的古人,在夏天能夠獲取冰塊,成了一種奢望。

古人的智慧還是不容忽視的,很早之前人們就發現,地下較深的地方溫度較低。低溫環境能夠保持冰塊不化,於是就有人開鑿冰窖保存冰塊。

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冬季將大量冰塊存入冰窖,到了夏天還能剩下一些冰塊,但這種保存冰塊的方法,更多是達官貴人才有能力做到。一般人就難以享受夏天獲得冰塊的條件了。不過勞動人民在長期實踐中總結了很多經驗,古人還確實發現了夏天製冰的方法。

熱水製冰的方法是否可行

2000年前西漢著作《淮南子》中就記載了一種製冰方法,原文記載「取沸湯置瓮中, 密以新縑, 沈 (井) 中三日成冰。」用一個瓮盛放沸水,將其用布料密封起來,然後沉進井中,過三天就能制出冰塊。

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熱水造冰聽起來匪夷所思,井水溫度雖然很低,但也沒到冰點。用熱水來實現降溫,確實速度相比用冷水更快,但要達到比周圍環境溫度還低的程度,顯然是違背常理的。

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對於《淮南子》中記載的這種製冰方法,很多人都持懷疑態度。但也有一些學者覺得其中可能包含了一定的物理原理,只不過平常情況下不容易顯現出來。井底氣壓更低,在低氣壓的環境中,水的冰點會升高,這是否意味著就能實現熱水製冰呢?現代製冷方法較多,而冰箱空調這樣的電器,製冷一般都是基於「焦湯效應」。

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即氣體經過絕熱膨脹,溫度會降低,如果能夠持續將這一效應進行下去,就能實現溫度不斷降低,能夠將空氣液化。但這個過程是需要額外動力供應的,顯然井水中的瓮只有一次絕熱膨脹過程,難以實現將瓮中的熱水降低到冰點。有人就嘗試過重現這種熱水製冰的方法,結果發現一開始溫度下降確實很顯著。

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但隨著容器內的水和周圍環境的溫度差距越來越小,溫度下降速度越發緩慢,最後達到熱交換平衡後,容器中的水還是沒有結冰。或許有人覺得古人打得井很深,井水溫度能達到冰點附近。

熱水製冰也有一定的可行性

但在古代那種條件下,想要打出幾百米的深井,難度十分巨大,所以井水的溫度不會比空氣中溫度降低太多。這不得不讓人懷疑古人是否真的制出了冰塊。

有人認為編纂這本著作的文人,並沒有親自驗證過方法的可行性,只是聽說了這種熱水製冰的方法,將其寫進了書中。具體怎麼操作沒有講述清楚,雖然古人利用熱水造冰成功可能性很小,但除了這種方法,古人還可以用硝石來製冰。

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硝石溶解後會吸熱,或許沸水製冰的瓮中就摻入了大量硝石,這樣瓮中的熱水降低到冰點也不是沒有可能。至於古人究竟是如何操作的,已無從考證了。

僅從留存下來的資料來看,難以還原古人的實際操作流程。但基本的物理原理是不可能違背的,古人製冰的方法不會違背已經發現的物理原理。

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