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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 , 吃冰淇凌要加冰沙 。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 。
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