中国古代的热学成就

中国古代的热学成就
中国古代的热学成就
⼈类在史前时期就使⽤⽕，中国北京周⼝店和⼭西芮城西侯度旧⽯器时代遗址中，先后发现50万年和180万年以前的⽤⽕遗迹；公元前7000～前6000年，中国仰韶⽂化时期就已有陶窖及⼿制、模制的陶器；上古时期的各种铜器、铁器都显⽰了古代⼈类不仅利⽤⽕取暖、加热⾷物，还能⽤以制造简单的⼯具。

从史前时期直到18世纪初，虽然⼈们对热现象的本质进⾏过许多探索，虽然掌握的知识不够丰富，⽅法不够科学，但对热的本质认识却也产⽣了⼀些设想，留下了许多值得称颂的宝贵财富。

⼀、对热的本质的探讨
热的本质究竟是什么？直到19世纪上半叶还有许多⼈相信热是⼀种物质。

在中国古代，阴阳观、五⾏元素观以及运动观都有⼈持之。

周末春秋时期的《尚书·洪范》，已归纳出万物是由“五⾏”组成的理论。

西周末年，史伯⼜提出“以⼟与⾦术⽔⽕杂，以成百物”的说法。

因此，⽕是组成⾃然万物的元素之⼀。

这在中国古代有悠久的历史传统。

中国古代早就产⽣热是运动的思想，《庄⼦·外物篇》说：“⽊与⽊相摩则燃”。

《淮南⼦·原道训》说；“两⽊相摩⽽燃”。

这些说法的⽴⾜点在于“摩擦”运动本⾝，在他们看来，发热燃烧是由于摩擦运动的结果。

古代科学家谭峭抓住了发热燃烧的实质，在《化书》中述及⼀系列⾃然现象。

他说：“动静相摩所以化⽕也，燥湿相蒸所以化⽔也，⽔⽕相勃所以化云也，汤盎投井所以化雹也，饮⽔⾬⽇所以化虹蜺也。

”在这⾥，“燥湿相蒸”是指蒸发遇冷，“⽔⽕相勃”是指蒸发，“汤盎投井”即盛夏造冰的过
程，“饮⽔⾬⽇”即在光学中述及的⼈造虹实验。

谭峭以⾃然过程中⽭盾本⾝说明⾃然现象，从⽽正确地解释了钻⽊取⽕、摩擦⽣⽕的实质，它是由于“动静”相摩即运动的结果。

热是运动的思想⼀直影响到清代，郑光祖（1776～约1848）在《⼀斑录》中说：“⽕因动⽽⽣，得⽊⽽燃”。

从钻⽊取⽕中得到的这些经验结论是科学的，它和伦福德伯爵从钻炮孔中得出的结论完全⼀致，⽽这种观念在中国却萌芽于战国时期。

在有关热的理论中，还有些极有趣的哲学猜测。

⽅以智写道：“⽕，内阴⽽外阳主动者也。

……天恒动，⼈⽣亦恒动，皆⽕之为也。

……天⾮此⽕不能⽣物，⼈⾮此⽕不能⾃⽣。

”这是万物统⼀于⽕，由⽕⽽⽣万物包括⼈在内的见解。

⽅以智的⽼师王宣在其著《物理所》中⼜阐述了天地演化与热的关系的论题。

王宣说：“太虚之凝为地，地之散为太虚，莫⾮因热⽽散，因冷⽽凝之理。

”这种天地演化观显然基于热⼒学中蒸发与冷凝的⼀些⽣活实例，然⽽将这实例推⼴到猜想宇宙天地的形成与毁灭亦是由于冷热之故，这不能不说是⼀种⼤胆的科学思辩。

⼆、热胀冷缩与物态变化
热胀冷缩原理最早被应⽤开凿河道、粉碎巨⽯。

据载，在秦昭王三⼗年⾄秦孝⽂王之间（前277～前250），蜀守李冰主持开凿都江堰⼯程。

两岸悬崖，巨⽯坚硬，⽯斧“不可凿”，李冰“乃积薪烧之”。

据载，古代名门权贵⾝佩“辅转剑”。

所谓“辅转”是由两块球形⽟相套合⽽成，外形似“吕”字，“形⼝中间，似艘护旋转，⽆分毫隙缝”。

那么，如何将⼀个球形⽟的轴塞进另⼀个的孔洞之中，元初陶宗仪（？～约1397）对此作过历史性考察，并在实验之中发现了其中的热学原理就是关于热胀冷缩原理的应⽤。

陶宗仪明确记述道：辗转“当间煮之胖胀”；“胖胀”即今膨胀。

将带孔窍的⽟球蒸煮加热，然后将另⼀球的轴塞⼊其孔窍之中，从⽽就有“⼊窍关注”、“宛转⽆碍”的效果。

其中加⼊⽜筋，其作⽤类似今⽇橡⽪垫圈。

由此可见古代⼈已充分掌握了热胀冷缩原理的应⽤。

在古代，⽓象观察及其经验曾积累了许多热学知识；有关物态变化、蒸发、汽化和固化的知识，除了⽣活经验之外，⼤部分是从天⽓变化及⽓象观察中⽽获得的。

王充在《论衡·感虚篇》中写道：“夫云⽓出于丘⼭，降散则为⾬矣。

⼈见其从上⽽坠，则谓之天⾬⽔也。

夏⽇则⾬⽔，冬⽇天寒则⾬凝为雪，皆由云⽓发于丘⼭，不从天上降集于地。

”他⼜在《论衡·说⽇篇》中写道：“云雾，⾬之微也。

夏则为露，冬则为霜，温则为⾬，寒则为雪。

⾬露冻凝者，皆由地发，不从天降。

”从⾬⽔在地⾯蒸发为云⽓，云⽓随⼤⽓温度的不同⽽凝结为⾬、露、霜、雪，表明⼈们观察并认识到⽔的状态变化与⽓温的关系。

从⽓象学⽽⾔，⼈们知道：“冰迎春则释为⽔，⽔向冬则凝为冰”。

由此，⼈们做出了冰与⽔之间温度变化的⼀般结论。

王夫之亦曾写
道：“汞见⽕则飞，不知何往，⽽究归于地”。

王夫之还以诸如此类的例⼦，说明物质的状态虽常有变，⽽物质总量是守恒的思想。

对蒸发现象的研究，明代庄元⾂在《叔苴⼦内篇》卷⼀中曾指出：“置⽔于室，弗动弗易，久⽽⽔减⼨焉”。

宋代陆游曾记述砚盒中墨⽔蒸发、⽽盒内过饱和蒸汽⼜凝结为⽔的现象。

他写道：“唐彦猷砚录⾔：青州红丝⽯砚，覆之以匣，数⽇墨⾊不⼲，经夜即其⽓上下蒸濡，着于匣中，有如⾬露。

”陆游的记述⽆异与蒸发以及过饱和蒸汽凝结⾬滴的实验。

⽂中包括了今⽇蒸发的概念。

虽然他未曾解释其中热学道理，但他对此过程的观察记录是完全正确的。

对物态变化的研究中国古⼈的观察记录及其判断都是相当⾼明的；许慎《说⽂解字》指出：“露，润泽也”。

班固《⽩虎通》说：“露者霜之始，寒则变为霜”。

三国魏时阮籍（210～263）在其《泳怀诗》中写道：“清露被兰皋，凝霜沾野草”。

刘熙《释名》将霜露雾⽓称为“氛”，并解释说：“氛，粉也。

润⽓著草⽊，因寒冻凝，⾊⾃若粉之形也。

”在刘熙看来，是由于湿⽓著草⽊上，因寒冷凝结⽽成露，或再冷⽽成霜。

在西⽅，⼈们长期认为露是从天上星体中落下来的，或者⾄少从⾼空落下的。

直到19世纪初，伦敦的医⽣韦尔斯（William Charles Wells，1757～1817）于1814年发表《论露》⼀⽂，⾸次科学地研究了露的形成。

中国⼈早在汉代就已经观察到霜露不从天降。

三、对热传导现象的研究
东汉王充关于热传导现象有许多经验叙述，他说：“夫近⽔则寒，近⽕则温，远之渐微。

何则？⽓之所加，远近有差也。

”这个叙述表明热源的冷热程度对周围的影响，⽽且叙述了热传导与远近距离的关系。

他⼜写道：“夫候⼀炬⽕置⼀经⽔，终⽇不能热也；倚⼀尺冰置扈厨中，终夜不能寒也。

何则？微⼩之感不能动⼤巨也。

”“谨薪燃釜，⽕猛则汤热，⽕微则汤冷。

”所谓“⼀炬⽕”，即⼀⽀蜡烛⽕；“⼀壤⽔”是⼀⼤锅⽔。

王充的这些叙述表明热量的多少与其发⽣热传导的外界系统的关系。

热量太少，不⾜于影响或改变巨⼤的外界系统的温度。

他的这些说法是很有科学见地的。

⽅以智曾描述过关于热传导最有趣的古代观察，他写道：“以针插地，雪时遍满，⽽此处独化。

试腽肭脐亦然。

脐以暖，故雪化。

针何暖耶？针滑⽽下耶。

”我们知道，插在雪地的⾦属针是⼀种良导体，它能吸取其周围的热量，因此其所处之周围雪被融化了。

⽅以智仔细地观察到这种热传导现象，但他不能正确解释其缘故。

⽅以智还写道：“冰在暑时以厚絮裹之，虽置⽇不化。

惟见风始化。

”以⼏层棉被将冰裹起，这就相当于隔绝了它和外界系统的热交换。

因此虽在⽇光下，它也不融化，或融化极为缓慢。

然⽽⼀旦风吹，当风透过棉被时，热交换随即产⽣，冰就融化了。

⽅以智观察⾃然现象是极仔细认真的，但对此类现象的解释亦未免过于笼统。

四、热现象的技术应⽤
古代就曾有现代意义下的所谓“热⽓球”的描述；《淮南万毕术》写道：“艾⽕令鸡⼦
飞。

”⾼诱注⽈：“取鸡⼦去壳，燃艾⽕内空中，疾风⾼举，⾃飞去。

”这个过程与今⽇热⽓球升空⼗分相似。

⽆论蛋膜升空实验是否成功，在淮南王刘安的上千门客中，可能有⼈知道热⽓球升空的原理。

虽然⼀些技术细节使我们⽆从知晓，致使我们今天的复原猜测或实验感到为难。

但有⼀点可以肯定，从“艾⽕今鸡⼦飞”的记载中表明汉代⼈知道热⽓球可以升空。

李约瑟博⼠对《淮南万毕术》的记载也极感兴趣。

他评述道：17世纪欧洲⼈，欢度复活节，曾作过蛋壳升空游戏。

其⽅法极简单，但要有点诀窍。

吸尽蛋汁，烘⼲蛋壳，然后由⼩孔注⼊少许⽔，并以蜡封⼩孔。

这样的蛋壳在炎⽇下逐渐呈不稳定状态，逐渐变轻，并终于飘浮起来。

飘浮极短时间后即⾏落下。

这是因为壳内⽔分蒸发，⽓体膨胀。

待⼩孔封蜡经⽇晒融化，⼩孔成为排⽓孔，壳内蒸⽓适⾜使壳体升空⼀个短时间。

待蒸⽓排尽，空⽓再渗⼊，蛋壳即落下。

这个欧洲⼈的游戏很可能通过来华商⼈或传教⼠从中国传播过去的。

中国古代⼈利⽤加热空⽓、造成⽓流，并⽤这种⽓流推动轮轴旋转创制了“⾛马灯”；⾛马灯的发明是在《燕京岁时纪》成书之前千余年。

宋代的许多著作记述了⾛马灯或马骑灯，吴⾃牧《梦梁录》在述及南宋京城临安（今杭州）夜市时说；“杭城⼤街，买卖昼夜不绝”，其“春冬，扑卖⽟栅⼩球灯，……⾛马灯……等物。

”《武林旧事》⼀书是周密在元朝统治下回忆南宋京城旧事⽽作，其中述及“灯品”时曾说：“若沙戏影灯，马骑⼈物、旋转如飞”。

可见，⾛马灯在南宋时期极为盛⾏。

清末成书的《燕京岁时纪》写道：“⾛马灯者，剪纸为轮，以烛嘘之，则车驰马骤、团团不休。

烛灭则顿⽌矣。

”“⾛马灯”被称为近代燃⽓轮机的始祖。

1978年，随县墓考古发掘出曾侯⼄（公元前433年之前）使⽤了⼀种特殊的青铜制保温器，这种保温器⾥外两层，外为⼀⽅鉴，内装⼀⽅壶。

⽅鉴的盖中有⽅孔，刚好套在内⽅壶⼝上。

盛夏之时，⽅鉴盛冰，内⽅壶即可盛⾷物，或冰冻酒⽔。

因外⽅鉴容积⼤，热容量也⼤，盛冰时⽅壶不易升温，保持⾷物新鲜⽽不致腐败。

它或许就是西周时期所谓冰鉴，也未可知。

当⽅鉴盛热⽔时，⽅壶内酒⽔或⾷物可以保温，以便冬⽇使⽤。

这种夹层的保温装置，是热传导原理的巧妙应⽤。

或许正是它启发⼈们创制利⽤热辐射原理的保温瓶。

洪迈的《夷坚志》中记载：中国⼈确实在实践上发明了最早的陶瓷质地或琉璃质地的保温瓶。

即使古代发明者对于热辐射、热传导的物理概念尚⽆所知，⽽这些技术成就却是⾮凡的。

另外，古⼈对⽯棉隔⽕特性也有清楚的认识。

⽯棉，⼜称⽯绒，“烧之不燃”，是世界上最早对⽯棉不燃特性的科学记录。

李时珍还曾描述它的结晶特性：“形如针，⽂全若⽊，烧之⽆烟”。

明代屠龙还特地指出其“隔⽕”功能。

古代中国⼈对热现象的技术应⽤中还有许多发明、发现，如⽕药的发明，各种固体和液体燃料（如煤、⽯油）的使⽤，活塞风箱的创制等等，这充分反映了中国古⼈的聪明才智。