回顾困扰物理学家的难题：2000年前中国古人是怎么用热水制造冰的？

正常情况下，人类的体温在37度左右，身体的最佳生存温度在22度左右，但一年四季气温变化多端，尤其冬夏两季常常让人感到不适。

为了保持较好的体感，人们会通过各种各样的方法来控制温度。在古时候，科技尚不发达，不论是升温还是降温，都主要的取决于一些物理方法：“冷了就生火、热了就洒水。”

而现代的控温方式例如空调、冰箱、取暖器等在科技的加持下显然效率更高，成效更快，尤其是在制冷方面与古时候的条件千差万别。

不过话说回来，科技的先进与否也是有时代背景的，尽管古人无法制造出电子控温产品，但也并不妨碍他们能够利用一些物理知识来达到控温目的。

就像在古代典籍记录中，2000年前，我国古人竟然利用热水成功制造出冰来，这个表面上看上去就不合逻辑的现象，在当时是困扰了众多物理学者的巨大难题，那么这个神奇现象的背后究竟是什么样的物理依据在支撑呢？

《淮南万毕术》之“夏造冰”

《淮南万毕术》的作者是西汉淮南王刘安，这本书的主要内容就是围绕人为与自然环境下的种种变化，简单来讲就是记录一系列物理以及化学变化的书籍。

由于理论基础的缺乏，再加上求知心理的作用下，作者在写书时通常夹杂了许多的主观想法，也力争通过人为的手段，去实现那些与自然相违背的现象，而“夏造冰”就是淮南万毕术中的一个主观记录。

在定义上，冰是由水分子有序排列而形成的一种刚性结构的结晶，是水的固体形态，当温度在零度以上时，冰会融化成水，当温度在零度以下时，水则凝结成冰。

所以冰是可以自然形成，同样也是可以人为制造的，总之不管是哪种方式得到冰，只需要满足低温条件即可。

但是在《淮南万毕术》当中，淮南学派的学者则描述了具体的制冰方法，原文是这样的：“取沸汤置瓮中，密以新缣，沈中三日成冰”。

翻译过来就是把沸腾的开水放在陶器里，用细密的绢布密封起来，然后放到深井当中，三天过后就会得到冰块。

虽然书中夏造冰的技术总结只有寥寥几句，但其蕴含的物理理论是很丰富的。用现代物理学来解释的话，夏造冰的制冰原理是：低压下水快速蒸发吸热制冷，并且结冰的部位并不是陶器底部的沸水，而是位于绢布上。

整体来讲就是沸水在快速蒸发的过程中水蒸气在绢布上聚集，而底部沸水的蒸发又带走了大量大量，最终使得聚集在绢布上的水蒸气凝结成冰。

除此以外，如果要实现夏造冰还必须要同时满足三个基本条件：

• 湿度低于26%。

• 陶器的内部容量必须要足够大。

• 空气温度需稳定在20℃左右。

当然这是基于现代物理学基础才得出的夏造冰可行性条件，但在当时要找到这样的规律，其难度是非常大的。那么仅仅是按照淮南万毕术上记载的制冰方法来制冰，真的能够实现热水造冰吗？

现代物理解决古代难题

水冰转换的物理条件对于古人来说不是什么秘密，但夏造冰技术却不是那么好突破的，因此淮南万毕术记载的夏造冰技术是中国古代物理学者十分关心，但又长期得不到解决的物理难题。

为了寻求古人夏造冰技术的真相，当代物理学者也对其进行了全面的研究。

温州大学已故教授洪震寰，他在详读了夏造冰技术之后进行了可行性分析，他认为如果单从淮南万毕术所记录的造冰方法来看：是不可能实现水向冰的成功转换的。

如果硬要给这种现象找一个合理的物理依据的话，只能从气压降低，冰点升高这一点出发。

中国科技大学的研究生赵虹君则跳出洪震寰的框架，将夏造冰与“焦汤效应”进行对比，从中寻找夏造冰的真正含义。

他在学位论文中表示，夏造冰所采用的盛水陶器放到现在就相当于绝热管，绢布相当于多孔塞，再加上沸水放入深井过程中的寄宿冷却过程形成了陶器内外的气压差，从而产生焦汤效应，实现温度的转化。

为了进一步寻找夏造冰的真相，在李志超的带领下，赵虹君进行了模拟夏造冰实验，实验结果也不出它们所料，烧瓶中烧开的水在放入水桶后温度迅速降低，但是在降到20℃时，水温的冷却速度明显降低。

在水温与室温相同时，将烧瓶口的调节夹缓缓松开，再次测得的水温又降低了1.5℃，但距离结冰还相差甚远。

热水造冰在古时不具备可行性

从现代的实验结果中不难得出一个结论，那就是从原则上来讲，沸水密封放入低温环境中，再通过缓慢释放气体，可以使沸水在短时间内的温度迅速降低。

在制冰环境的湿度、温度、容积以及密封性都特别理想的情况下，是有可能得到少量的冰晶的。

但是对于数千年前的淮南学者来说，并不具备可行性，夏造冰最终是否成功在目前的科学界仍然没有达成共识。

然而不管成功与否，在两千多年前那个物理知识还极度匮乏，许多自然现象都无法用科学的语言去解释的年代，淮南学者依然勇于反其道而行之，突破常规水冰转换的低温条件，转而将制冰原理转移到热力学中经典的“蒸发制冷”上来说已经是非常了不起的突破了。

值得一提的是，在西方物理学界中，首次人造冰记录是发生在1775年，库伦教授利用乙醚蒸发带走热量，成功的实现了由水到冰的物理形态转化。

但是相比我国的淮南学派仍然要晚十多个世纪，可以说即便是在“重文轻理”的中国古代，我国古人的理学成就也是位列世界前沿的。

结语

从古至今，人类的每一次科技进步都离不开最初的异想天开，也正是那一次次的异想天开划清了神学与科学的边界。

亦如夏造冰一般，虽然在当时古人没有找到大规模量产制冰的方法，但其总结出来的热力规律却实打实地为后续的热力学发展打下了坚实的基础。