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2000年前,中国古人是如何用热水成功造冰的?物理学家困扰至今

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我们在看电视剧《延禧攻略》的时候,除了会暗叹魏珞樱的爽剧行为,还会惊讶于在炎热的夏日里宫廷贵族们也有着非常炫酷的避暑方式。

比如在古代还没有通电,还没有家用电器这种概念的时候,皇室就已经有了一种高端操作,夏日造冰

而剧中乾隆皇帝就出现过一边阅读书籍一边饮用冰茶而腹部绞痛的情况。

当然,夏日造冰清朝并非开端,就连在宋代宋徽宗也出现过类似的情况。当时让太监万分紧急召唤太医,结果太医也看不出个所以然来,后来请来了一位民间医师杨介,大夫一号脉就给出了病因:“皇上,您这是冰吃多了,伤到肠胃了。”


《延禧攻略》剧照

可见夏日造冰这件事古人早已轻车熟路,毫不陌生。

而除此之外,早在各种器具不算发达的两千多年前还有更绝的,那就是用热水造冰。这项技术在淮南的学派《淮南方毕术》中就有着非常明确的记载:“取沸汤置瓮中,密以新缣,沈(这个字是井的意思)中三日成冰。”

令人疑惑的是,制造冰块需要的是低温,那么两千多年前的古人却能够用热水造冰。用热水造冰到底是什么原理?或者说用热水造冰到底真实历史情况还是谣言?就连物理学家都对此进行了研究。

所以本期的内容,就和大家一起来探讨一下,关于古代人夏天如何制造冰块这些事儿。


古代冰饮

热水造冰的原理

其实所谓的热水造冰的原理,就是运用了姆潘巴效应。关于这个效应,其实还有这么一个充满了童真的小故事。

在1963年的某一天,生活在坦桑尼亚的姆潘巴和小伙伴们一起用牛奶制作冰激凌。当时姆潘巴为了在冰箱里抢占一个好位置,直接就把煮热的牛奶放进了冰箱里。

可是过了两个小时之后,他却发现自己的热牛奶已经结冰了,而别人的冷牛奶依然还是水状。为什么热水先结冰呢?对此姆潘巴感到非常的疑惑。即使他上了大学依然执着这个现象背后的原理。


姆潘巴试验

直到他有机会访问达累斯萨拉姆大学,又对一位物理学博士提出了对这个现象的困惑。这一次博士帮助姆潘巴做了一次实验,在实验当中两个人再一次观测到在同等体积和同等冷冻温度的环境之下,温度比较高的液体居然要比温度比较低的液体更先结冰。

后来两个人共同撰写了这个现象的论文,而这个现象也被命名为姆潘巴现象

姆潘巴实验效应用科学术语总结来说就是过度冷却现象

而现代社会为了更好地理解姆潘巴效应,在2013年,英国皇家化学学会曾经举办过一场比赛,看谁能够把姆潘巴效应解释得最透彻。而这个比赛的获奖选手也给出了最清楚的答疑:姆潘巴效应就是同等条件下,温度高的水反而要比温度低的水更容易结冰。


姆潘巴现象

这也就可以解释为什么古人可以用热水造冰了。 那么古人到底是如何操作的呢?

“取沸汤置瓮中,密以新缣,沈中三日成冰。”

就是把烧到沸腾的开水放进一口超级大瓮中,再用粗重厚实的丝织品密封住瓮口,最后把超级大瓮一点一点放进凉水井里,在凉水井里放个三天再取出来。

之所以选择大瓮,丝织物和凉井这种组合,得根据《淮南万毕术》的夏日造冰器具科普来解释。

因为大瓮本身是一种盛酒或者盛水的工具,这种工具就算装满滚烫的沸水再突然转凉也不会意外炸裂,与此同时它也是最佳的绝热管。而其中的缣就是一种丝织物,这种丝织物非常的密实,具有不透气的特点,是密封瓮口的最佳选择


《淮南万毕术》夏日造冰装置

当大瓮中的水进行煮沸之后,让瓮里充满了水蒸气排走空气,烧到大瓮中没有水只剩下水蒸气的情况下,再立即使用泡过水的丝织物密封住瓮口并且放进冰凉的井窖里面。

等大瓮逐渐转凉,水蒸气就会在大瓮里降压。然后取出来让丝织物逐渐透气,这个过程是一个制造温差的过程,只要这个过程掌握好时间和温度,就可以得到冰了。

当然这种夏日造冰方式效率低下,耗费大量燃料也不一定能够造出多少冰来。不过对于我国没有用电制冷工具的古代人来说,这种造冰方式已经算是走在潮流最前沿了。


大瓮

现代物理学家的困扰和探究

惊讶于古人“夏日造冰”的智慧,这也引起了很多物理学家们的兴趣,同时对此也产生了深深的怀疑。

很多年以来,学术界对于《淮南万毕术》中夏日造冰的问题的讨论说法不一,在1983年一名叫洪震寰的科学家表示不相信,认为在当时的技术夏日造冰不可能实现。

然而在十年之后,也有科学家比如赵红君和李志超肯定了夏日造冰的说法,认为这是古代人独有的智慧,值得人们探讨和尊重。


《淮南万毕术》

1983年,温州大学的洪震寰教授对这本《淮南万毕术》中的物理方面可行性进行了分析。他认为夏日造冰可以能实现的物理条件就是由于气压降低,水的结冰点反而升高。但是由于气压的影响使得结冰点升高几乎是很难以实现的。

未知产生不信,不信约等于不可能。

所以这位科学家把古代夏日造冰的行为开出考古界,认为根本就不可能实现。

当然十年之后,中国科大科技史和科技考古系的李志超通过指导学生实验,提出来古代人夏日造冰原理的可行性。

他指导学生赵红君进行气体绝热膨胀降温实现“夏日造冰”的实验:实验中先取出一个容量一升的玻璃球形饼子,并且在里面装入少量的水,再用橡皮塞进行密封。


中科大教授李志超

与此同时橡皮塞上装有一根玻璃管,玻璃管的下部直达瓶子底部。然后在瓶子里面放一个温度计,玻璃管外端用橡胶软管连接起来,橡胶软管上装有一个松紧夹。

在实验中学生发现如果把水加热到沸腾,然后立即把放进装满水的水桶里面,几分钟的时间就可以让一百摄氏度沸腾的热水立即降温到二十摄氏度左右。

紧接着再把水桶中的玻璃瓶拿出来放置几个小时,什么时候玻璃瓶里面的温度和室内的温度一样的时候,再调整松紧夹让空气缓缓流入玻璃瓶里面。

直到温度计的指数稳定之后,就完成了夏日造冰。这个模拟实验在原理上实现了夏日造冰,也算是科学界上的一大突破。


多孔塞模拟试验

其他夏日造冰方法

其实对于夏日造冰的,古代人还有从道家追求长生不老炼丹过程中获得的造冰方式——硝石造冰

如果有小伙伴上过农村旱厕的话,就会发现在厕所的墙角会有一种白色的晶体,那种东西就是硝石。

硝石的化学元素名被叫做硝酸钙,白色或者灰色的结晶状,会闪烁着玻璃质感的光泽。一般硝石可以用来做颜料,当然也是古代制作火药的原材料之一。硝石的特性是能够溶解于水中,加热到334摄氏度就可以释放出氧气。


硝石

当硝石溶解于水中的时候也会吸收大量的热度,把热度吸收走就会让周围水的温度降低到能够结冰的状态。

具体操作方法就是:取两个盆子,一个大一点另一个小一点,再把两个盆子装上水。把小盆子放进大盆子里面,让大盆子淹没小盆子,再把硝石洒进大盆中进行降温。

这个时候你就会发现神奇的一幕,小盆就会慢慢结成冰块。而下大盆里面的水凝固了之后会让硝石重新的出现,只要把它刮下来之后就可以继续进行夏日制冰。


硝石制冰

古代的人们智慧超群,除了用硝石来制作冰块之外,还可以用来制作冷饮,在盛满水的板子中放进装满水的杯子,然后再往盘子中不断地撒入硝石,这样凝结成冰块的杯中冷饮就制成了。这种方法曾经风靡于唐朝,繁华的长安古城之内人手一杯清凉冰饮。

当然除了这种炼丹时偶然发现的化学方法之外,还有一种物理装置,就是冰窖

这种器具最早是出现在西周时期,方法也足够简单粗暴,就是直接把冬季的冰储存到夏天再使用。

这种方法最早在诗经中有记载:“二之日凿冰冲冲,三之日纳于凌阴。”翻译过来就是把寒冬腊月的河冰大块大块地凿下来,放到冰窖里面,等待夏天的时候拿来用。


古代凿冰

那么这个冰窖到底长什么样子呢?

根据考古学家发现它是一个半地下的建筑物,就是一半凸出在地表上,而另一半深藏在地下。藏在地下的一半会用岩石铺平,然后寒冬腊月时节把取回来的大块儿冰放在冰窖里面,再把冰窖用一些软布盖上封住。

这种原始粗暴的方法自然顶不住大自然法则,通常还没到夏天冰块就已经融化了大部分。所以人们想了这么一个办法:根据融化的速度,夏天需要用多少冰块,那么冬天就凿取夏天用冰量的三倍,这样计算,西周时期的人们就也能用得上冰块了。


储存大量冰

结语

古人用热水造冰的高端操作确实震惊了现代人,就连物理学家都对此提出困扰和质疑,不过后来经过实验证实,这种方式确实是专属于古代人的智慧,不容小觑。

但是除此之外,古人震惊我们的用兵方式依然很多。你能想象得到大宋时期人们就已经能够在炎炎夏日吃上了“奶油雪糕”了吗?

由于魏晋时期奶制品越来越流行,所以大宋时期干脆把奶制品升级换代,制作出一种叫“冰酪”的冷饮。甚至受到过宋代诗人杨万里的专门题诗,夸赞冰酪口感凉爽。


宋人也吃冰酪

据说元代的时候还有外国友人友好访华,受到元代皇帝的赏赐吃到了“雪糕”,后来这位外国友人把“雪糕”带回意大利,经过英国人的几番改良就逐渐变成了我们常吃的冰淇淋

可见古人的智慧也是无穷滴!就像我们都有过这样的幻想,穿越到古代用现代技术大杀四方,但是看过古人用热水造冰的技术之后,你们还有这样的信心吗?


古代冰鉴

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