2000年前中国古人热水造冰？困扰物理学家多年，究竟是什么原理？

在现代社会，冰块可以说是夏天的消暑神器了，喝可乐要放一把冰块，吃冰淇淋要加冰沙。冰块如此普及在于现代科学技术的发展。

而在我国古代，虽然没有现代的高科技，但是古人在夏天也依然能够制成冰块，而且这种制冰之法居然让许多现代物理学家也感到困惑。那么我国古人是如何在炎炎夏日制作出冰块的呢？

古代制作“夏造冰”

早在春秋战国时期，古人就特地制作了冰窖，可以将冬天开采的冰一直储存到夏天使用。更神奇的是，他们还有在夏天自己制冰的方法。

在淮南王刘安及其门客共同编写的《淮南完毕术》一书中，就记录了这种“夏造冰”的方法：“取沸汤置瓮中，密以新缣（jiān），沈中三日成冰。”

这段话的意思是说，把刚刚烧开的沸水装到一个大瓶子里面。然后用干净细密的丝织物将瓶口盖好密封。最后将这一瓶水用绳子吊着，慢慢沉入深井里面，过了三天以后再取出来就能够制成冰块了。

在夏天，将装着开水的瓶子放到深井里就能得到冰块。这不免令人感到疑惑，为什么必须要用开水制冰，而不是常温下的冷水呢？按理来说，冷水的温度更低，不是更容易结冰吗？

中国古代的物理学者们对这些悬疑问题十分关心，在后来的历朝历代都有记载，然而“热水”结冰、冷水不结冰的反常现象，却依然没有得到很好的解释。

现代科学能否解释“夏造冰”？

对此，现代物理学家们也表现出了浓厚的兴趣，开始尝试用现代的物理学知识做实验验证。当时著名的物理学家洪震寰先生认为，这是“夏造冰”的形成和气压有很大关系。

在他的文章里提到：“沸水置入瓶中，瓶口密封，沉入井水中，瓶内温度骤降，液面气压大减，瓶内水的冰点是随之提高的……”

他的理论依据是气压越低，水结冰所需要的温度越高，不需要把温度降到0℃就可以结冰了，而深井里的温度无论冬夏季节，基本都能保持在10℃以下，有的甚至能达到3-4℃，也就很可能让热水结冰了。

但是，其中存在一个非常大的限制，那就是在正常状况下，冰点受气压的影响是很小的。据估算，气压每减少一个点，水的冰点只会提高0.008℃，即使将瓶子里的气压从正常水平下降到真空状态，最多也只能让冰点上升不到1℃。

中国科技大学的物理学家李志超的研究则认为：“夏造冰是气体绝热膨胀降温导致的，也就是焦耳——汤姆孙效应在起作用。”

结合“夏造冰”的过程来说，就是装有沸水的瓶中，大量的水蒸气在通过细小的瓶口的时候会发生压力突变，从而引发温度变化。这是空调和液化气等装置的原理，也可以用来解释为什么自行车轮胎在放气的时候，气门会变冷甚至凝结出冰晶的现象。

焦耳——汤姆孙效应：气流通过中间的渗透性多孔塞示意图

在一个口小肚大的瓶子中，将其中的水煮沸，直至其中的水蒸气将瓶中大部分空气都排出去。

当瓶中的水快沸腾蒸发完时，马上用细密的丝织物浸水将口堵住，并立即沉入深井，瓶子中的气温急剧下降，会导致水汽凝结，再加上瓶子内部的气压骤降，可以说近似于真空状态，然后继续放至瓶温与外界差不多，这样的话就基本可以制造出一定量的冰。

根据这一理论，他指导硕士生赵虹君做了一个模拟“造冰”实验：取一个1升的玻璃球瓶，在里面装上少量的水和温度计并密封好，用来替代古代制冰的瓮瓶。再烧开瓶子里的水，迅速放进盛满了凉水的水桶中，将沸水进行冷却。

会不会是水桶里的水温没有井水温度低？或者是不是放置时间不够？毕竟《淮南万毕书》上说要在深井里存放三天时间。于是李志超又将瓶子放置了几个小时，水温降低到了7℃。接着摘掉瓶子的封口，让空气缓慢流入。最终整体的水温稳定在了6℃左右，却依然没有结冰。

李志超后来提出了更为详尽的解释： “一个细口大腹的瓶（瓮），里面盛水不多，煮沸一段时间，水蒸气会充满全瓶，原来的空气绝大部分被挤了出去，烧到水量所剩无几，立即用浸过水的细密的织物封口并沉入深井。瓶子受凉，水汽凝结，瓶内气压很快下降。”

“当瓶温与井水近于平衡，立即取出，摘除封口开始透气。这是利用减压膨胀的吸热效果，让瓶内温度下降。如果实验控制得很完美，就可以得到几丝冰碴。”

从洪震寰和李志超这两位现代科学家的研究中，可以看到，“夏造冰”是可行的，这一工艺也很可能是确实存在过的。

但是也不难发现，即使运用现代的科技还原古代“夏造冰”的过程，这些实验步骤也非常复杂繁琐，只要有一点条件无法满足，就不可能制出冰块来。而即使真的制出了冰，产量也是非常少，只有一点冰碴。

而想要在炎炎夏日制成大量的冰块，就必须严格挑选最好的制冰深井，耗费大量的人力物力和时间。恐怕在古代也只有皇亲国戚、有钱有势的人，才能够用这种办法来制冰消暑了。与其这么麻烦地自己制冰，还不如多造几个冰窖，在冬天的时候多储存一些冰块来得方便。

当然，无论是冰窖还是制冰都不是普通老百姓能够奢望的。直到唐朝末期，人们无意间发现了“硝石”，它溶于水后会吸收热量，能够让常温下的水快速冷却结冰。这种方便快捷的制冰方法的发现，才真正让民间的普通老百姓能够在炎炎夏日摸上一块冰。由此看来，依据《淮南完毕术》所描述的“夏造冰”工艺与硝石的制冰效果相比，还是比较“鸡肋”的。

不过，也存在一种可能，那就是书中对这种工艺的描述存在较大的误差。古代的“夏造冰”技术或许已经非常成熟，只是因为受到皇家和艺人的垄断而逐渐失传了。