热水宝原理(2000年前古人热水造冰,如今成困扰物理学家的难题,背后有何原理)
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热水宝原理(2000年前古人热水造冰,如今成困扰物理学家的难题,背后有何原理)
夏季骄阳似火,在如此酷暑下,我们习惯于各种科技产物下的降温方式,早就无法脱离它们,也无法想象没有度夏神器的一天该如何度过。
2000年前既没有冰箱又没有空调可以消热解暑的古人,又是如何度过暑热的呢?
“玉来盘底碎,雪到口边销。”这是一段古人关于冰制品的描写,那么当时的冰,是从何而来?
事实上,即使冰块在古代的夏季十分珍贵,古人也有着独属于那个时代的降温方式,那便是热水造冰。
与此同时不禁令人更加疑惑,这究竟是如何实现的?热水造冰又是根据什么原理而制成?
热水制冰的原理至今仍困扰着物理学家们,始终无法得到一个确切的解释。
古代制冰的方法
溯流追源,古代的制冰法层出不穷,最通用的是冬季贮藏冰块的方法,虽然只有少部分的皇家贵族能够使用。
古人在冬季提前将冰块放到冰窖中,底下垫着稻草、芦席,又盖上一些类似于树叶之类的来隔离与外界的接触,封存窖口,夏天就可以使用。
此外还有唐朝时发现的硝石制冰方法,这也是古代目前来说最为合理的一种制冰方法。
准备一大一小注满水的容器,在大容器中加入硝石,硝石溶于水,小容器的水便会逐渐变成冰块,硝石也是如今的碳酸钙,碳酸钙吸热,周围的温度便会降低。
《淮南万毕术》中有着可以说是为久远的热水制冰方法,这种方法足以让你大吃一惊。
取用沸水放置在容器中,将容器口紧密封上,然后将之置入水井里,仅用三日就成为冰块。
其中最让人费解的是为什么要用沸水,并且为何要放入井水中,明明想要得到的是冰块,对于物理学家而言,这种“夏造冰”的方法十分值得一探究竟。
按理说应当是将水置于极为寒冷之地才能够变成冰,然后将冰块保存这才是合乎情理的做法。
热水制冰的原理
前两种古代造冰方法的原理不难揣测,最让人感到神奇的仍是热水造冰的方法。
水是如何成为冰的?如今的科学家会说,水是液体,液体在零度时凝固结晶从而形成晶核,晶核最终变成晶粒,宏观上也就成为了冰。
也有当代物理学家说,这是物体从液态转变为固态的过程,温度降低至零度时,根据热胀冷缩,水分子间距缩小,最终变成固态的冰。
而热水造冰有一种说法是利用热胀冷缩的原理,之所以使用沸水是因为气压,越深的井里面的水越冷,通过在井水中不断降温从而改变水的沸点,使得水的分子结构变成冰。
以上仅为一种猜测,我们都知道,水转换成冰这个条件十分苛刻,并且具有偶然性。
古代又无法控制沸点与气压,古代的井也无法挖凿得那么深入,根据记载显示,古代的井一般只有十米左右,最深也不过达到几百米的深度。
倘若通过气压来达到降压的效果,冰点也无法提升到1℃以上。
坦桑尼亚的一位学生发现,提前被加热的水有利于更加快速地结冰,这位学生叫姆潘巴,后人也将这种现象称之为“姆潘巴效应”。
这种效应是说,温度高的液体在温度低的条件下,一旦与极低温度的环境直接接触,那么降温速的度远远快于温度较低的液体,甚至于达到结冰的结果。
由于水蒸气会蒸发消失,温度低的液体质量轻于高温度的液体,在同等的质量与环境下,高温液体削减的热量更多,冷却速度自然而然也更快,因此选择沸水。
这种效应局限在于需要同等的温度与质量,并且水并不能以其他方式蒸发消失,要保证影响因素的单一性。
逼近本源的猜想
紧接着有另外一种假设随着而来,通过沸水产生的高气压流通过缝隙另一端的低气压,冷热相撞,沸水瞬间降温成冰,这也是所谓的“焦汤效应”。
古代虽然无法营造实验室严密的环境,但古人有着生活的经验,他们用丝织品将瓶口密封,这正成为多孔缝隙,意外营造适当的实验场景。
在现代人的缜密下,多次实验最终发现,沸水降温后沸点不再很高,降温速度也随着下降,难以形成大量的冰块,这种方法的漏洞十分明显,需要即为苛求的环境。
另有一学者则更为周密,热水制冰的原理应当是流体通过多孔胀大从而引起温度变化,此过程为不可逆过程,这正是“焦耳汤姆逊效应”。
古人放置沸水的容器瓶口稍小,容肚极大,水蒸气膨胀但无法通过瓶口,只能不断挤满容器中的气压,容器外又有着低温,容器内外的温度逐渐趋于冰的温度。
人们同样进行多次模仿,这个实验虽不需要极度严谨的环境,但实验者发现,这需要容器的体积很大,并且井水达到接近零度,这也已经是较为简单且更易实现的猜想。
科学永无止境,对于古人热水制冰的原理至今物理学家们仍是没有停下探究的步伐。
更有学者通过水与冰的晶体结构去解说,温度降低时水分子的氢键断裂,最终形成冰的形状。
而沸水加剧氢键的断开速度,使得氢键的粘合性较弱,因此沸水比起温水或凉水更快结冰。
实验结果表明,要控制不同冰格的结冰速度一致是困难的,温度越低,差异就更加巨大,所以即使这个假设更加从冰的本质去解释,但意味着变量也更多且实现条件更加困难。
他们众说纷纭,即使至今没有统一的见解,但科学的魅力正在于探究的多样性,终有一天,热水制冰的根源能够被剖析出来。
结论
往往事物的本质总是以最淳朴的方式显现,热水制冰的原理古人并无法知晓,但他们能够将这个方法利用最大化,并且能够不踏上科学巨人的肩膀。
古代“夏造冰”的方法仅有几种,并且其中大多数皆为权贵之士才能使用,平民百姓实属不易。而热水制冰为他们带来少有的清凉来度过夏日炎炎。
对于古人来说,热水制冰能够解决夏天的炎热酷暑,唯一值得遗憾的是,这种方法并未遗留下去,乃至最终失传。
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