在炎热的夏天,来上一杯冰镇饮料或者一盘冰镇水果,绝对是非常惬意的。对于现代人来说,制造冰块是很简单的,有一个冰箱就可以了,无论大人还是孩子都可以轻松制冰。
但是对于没有冰箱的古人来说,他们该如何制造冰块呢?
2000年前的大汉王朝,有一本名叫《淮南万毕术》的书籍,此书成书于公元前2世纪,作者为西汉淮南王刘安及其门客,他在书中记载了一种名为“夏造冰”的方法。
原文是:“取沸汤置瓮中,密以新缣(jiān),沈中三日成冰。”
什么意思呢?
就是把水烧开后倒入“翁”中,然后上面用干净的“缣”(一种丝织物)密封,接着将“翁”慢慢沉入深井中,等上三天就可以得到大量冰块了。
是不是非常神奇?
水井我们都见过,只要把沸水密封起来,沉入水井中就可以得到冰块吗?我们就来聊聊这个让无数物理学家为之困惑的问题。
压强猜想
在一些物理学家看来,2000多年前的汉代人发明的“夏造冰方法”,利用的其实就是压强原理。将装满开水的容器密封,然后沉入井底,可以让容器表面出现巨大温差,随着容器内水温的迅速降低,容器中的气压也随之降低,水就有可能结成冰。
可能很多人都无法理解这种现象,我们说得详细一些。
哪怕是在夏天,井水的温度也是非常凉的,尤其是一些深井,其夏天温度甚至能够达到3—4℃。但想让水结冰,就必须让温度达到0度,否则水就无法变成冰,这是初中物理课本上的知识,大家都知道。
只不过这里还有一个“特殊情况”——水的结冰温度,也就是凝固点,是可以出现变化的。
举个例子,如果我们爬到了世界之巅喜马拉雅山,在这里烧水的话,只要将温度烧到73.5摄氏度,水就被烧开了。
再比如说我们家里所使用的高压锅,密封的锅盖导致锅内蒸汽无法排出,所以高压锅内的气压就会一直增大,这也导致了水的沸点温度提高。
正常情况下,高压锅内的气压能够达到1.3个大气压,温度也可以达到125℃。
水的沸点会根据气压的大小出现差别,而它的结冰点也是如此。
气压越低,水的结冰温度就会随之提高,根据测试,压强每减少一个大气压,结冰温度就会提高0.008℃。
压强可以提高水的结冰温度,是否可以破解“夏造冰方法”呢?
答案是不可能!
以汉朝时的科技水平来说,就算把容器内的气压降到最低,水的结冰温度最多只能上升1℃。
也就是说,即便我们把容器放在温度只有3℃的深井之中,然后将瓶子内的气压降到最低,依然达不到结冰要求。
既然不是压强原理,那么究竟是什么原因呢?
空调制冷猜想
估计很多朋友都曾给自行车的轮胎放过气,当我们拔掉气门芯后,车胎内的气体会在极短的时间内喷涌而出,这个时候车胎气门处就会变得特别特别凉。
之所以出现这种现象,是因为压力突变导致了温度突变,而这也是空调可以制冷的原理之一。
那么汉代的“夏造冰方法”是不是利用了这种原理呢?
为了证明这种猜想,物理学家李志超教授指导研究生赵虹君进行了一个模拟造冰试验。为了达到最好的实验效果,他们找来了一个瓶身大瓶口小的玻璃球瓶代替了瓮。
像这种容器在汉代时,是绝对不可能制造出来的,但是想让“压力突变”效果达到最大,就必须使用这种形状的容器。
玻璃瓶的瓶口是用橡皮塞密封的,塞子里有一个放着温度计的玻璃管,直达瓶底。而在塞子外面则是接着软管,在软管上还有一个可以调节松紧的夹子。
准备就绪后,将玻璃球瓶内注水,然后加热使水完全烧开,只留下没过玻璃管口的水量,然后用夹子夹紧软管,将玻璃球瓶迅速放入注满凉水的水桶中。
如果大家想要试验的话,一定要注意了,这里有危险!
玻璃瓶温度很高,快速浸入温度很低的凉水中时,很有可能发生炸裂。就比如说我们冬天喝酒,为了让酒暖一些,便会放到开水中烫一下,但是一个不注意就把酒瓶烫炸了。
当玻璃球瓶浸入凉水后,水温下降速度是非常快的,从100℃迅速降至到了20℃左右,但是之后水温下降的速度就开始变得非常缓慢。
20℃距离水能结冰的0℃,还有好大一截呢,是不是因为放置时间比较短呢?毕竟“夏造冰方法”中讲过,要放置三天才能得到冰,于是李志超教授又将玻璃球瓶多放置了几个小时。
最终,玻璃球瓶中的水温保持在了7℃左右。这个时候,慢慢地松开夹子,玻璃瓶内的水温又下降了1℃左右。
自此,试验结束,结果显示水温只能降到6℃左右,无法达到结冰条件。
虽然实验没有达到效果,但李志超认为自己的猜想是没有错的,将加热后的水放入冷水中冷却,然后再将密封的容器打开通风,只要条件能够达到,就完全有可能制造出冰块来,但前提是需要一个非常特殊的细口大腹瓶。
后来又有一些物理学家,利用各种各样的容器以“夏造冰方法”来制冰,其中绝大多数的实验都以失败告终,但也有人非常幸运的得到了一些冰渣,而不是“夏造冰方法”中所提到的冰块。
解不开的疑惑
虽然物理学家们始终没有通过“造冰方法”得到冰块,但是他们的研究方向是没有错的,至于问题究竟出在哪,就不得而知了。
毕竟古人对于“夏造冰方法”的记载并不详细,容器“翁”是什么样,没有人知道。“新缣”又是个啥,也没人知道,想来其中还有一些关键技术没有被记录下来。
以今时今日的科研技术,都无法解答“夏造冰方法”的问题,估计这种制冰技术的需求条件是非常严苛的。在汉朝时期,除了王公贵族,想必普通老百姓是无法使用“夏造冰方法”的。
当然了,老百姓也还有其它的方法得到冰,比如说建造冰窖,他们只需在冬天的时候将冰块取下,妥善地存放于冰窖之中,到了夏天时就可以使用冰块了。
而这种情况在唐朝时发生了彻底改变,唐人们发现:
只要将硝石放入水中,它便能迅速溶于水并且吸收热量,于是水就会变成冰。
即便是在炎热的夏天,硝石也可以让水快速结冰,这种简单的制冰技术很快便传遍了大江南北,高精尖的“夏造冰技术”也随之被彻底取代,消失在了历史长河之中。