概述
我國古代的熱學知識大部分是生活和生產經驗的總結。至今所知的古籍中對熱的研究記載較少,還有待於進一步發掘。
火的利用和控制,使人類第一次支配了自然力,使人類文明大大前進了一步,同時,它也是古人對熱現象認識的開端。我國山西省芮城西侯度舊石器的遺址,說明大約180萬年前人類已經開始使用火。
內容介紹
對冷熱的認識。約在公元前2000年,我國已有氣溫反常的記載,在兩周初期,人們開始掌握降溫術和高溫術。據《周禮》記載,當時已設專人司貯冰事,冬季鑿冰加以貯藏,到春、夏季用以冷藏食物和保存屍體。說明當時已利用天然冰來降溫。我國冶煉業的發展較早,高溫技術也很早被人們掌握。江蘇省曾出土春秋晚期的一塊鐵,經科學分析,它是一塊生鐵,生鐵的冶煉溫度比熟鐵高,需達攝氏千度以上。生鐵的出土,說明在那時的高溫技術已達到一定水平。
溫度計還沒有發明以前,古人在冶鍊金屬的實踐中,創造了通過觀察火候和火色來判別溫度高低的方法。據《考工記》記載,在鑄銅與錫時,隨溫度的升高,火焰的顏色先後變為暗紅色、橙色、黃色、白色、青色,然後才可以澆鑄。這種方法同樣也套用於制陶工業。從現代科學分析,不同物質有不同的汽化點,因此從火焰的顏色可以判斷所汽化的物質,從而判斷溫度的高低。對同一種物質,隨著溫度的升高,其顏色也先後有所變化。“火候”(包括火色)成了我國古代熱工藝中一個內容豐富的特有概念。
除制陶和冶鍊金屬之外,我國古代還在農業中採用了控溫技術。據《漢書・召信巨傳》記載,西漢末年,我國己利用冬季栽培蔬菜,其方法是“覆以屋廡,晝夜蘊火,待溫氣乃生。”北魏時期,還利用熏煙的方法防止霜凍。
對冷熱問題,東漢王充還曾從理論上加以探討,在他的著作《論衡・寒溫篇》中寫道:“夫近水則寒,近火則溫,遠之漸微,何則?氣之所加,遠近有差也。”他把“氣”作為物體之間進行“溫”“寒”傳遞的物質承擔者,還指出距離變遠,“氣”的作用漸小。這裡已涉及熱傳遞的理論問題,但它只是思辯的,是我國“元氣說”的一種套用。
對熱是什麼這一問題,我國古代也已注意到,南北朝成書的《關尹子》中認為:“外物”的來去是使瓦石一類物體發生寒熱溫涼之變的原因。而另一種說法見於據傳可能為北齊劉晝著的《劉子・崇學篇》,則從“五行”觀念出發,猜想物體寒、熱、溫、涼的變化是一種“內物”在起作用。這種所謂的“外物”或“內物”都是把熱構想為一種實體物質,它類似於18世紀“燃素”和“熱素”的觀念。
熱脹冷縮是重要百分網的熱現象之一,在我國古代對它已有所研究和利用。漢代《淮南萬畢術》記述了這樣一個現象:把盛水銅瓮加熱,直到水沸騰時密閉其口,急沉人井中,銅瓮發出雷鳴般響聲。這現象可能是發熱物體在急速冷卻時發生了內破裂,破裂聲由井內傳出,這是一個典型的熱脹冷縮現象。元代陶宗儀曾親自作熱脹冷縮實驗,他把帶孔的物體加熱以後,使另一個物體進入孔洞,從而這兩個物體如“轆轤旋轉,無分毫縫罅”。他明確指出,這是前一物體“煮之胖脹”的緣故。據《華陽國志》記載,李冰父子修建都江堰時,發現用火燒巨石,然後澆水其上,就容易鑿開山石。這種利用岩石熱脹冷縮不均從而易於崩裂的施工經驗,在我國歷代水利工程中不斷為人們採用。
對水的物態變化,在我國古代也早有認識,例如對雨和雪形成的探討,認為是由於“積水上騰”而造成。《論衡》中對此有明確的表述:“雲霧,雨之微也,夏則為露,冬則為霜,溫則為雨,寒則為雪。雨露冰凝者,皆由地發,不從天降也。”此文說明露、霜、雨、雪是因為不同的溫度由水凍凝而成,它們都是水由地面蒸發而產生的。漢代以後的古籍中,對雨、露、雪、霜成因的討論更多,說明當時對物態變化的知識有了新的認識。漢代董仲舒從“氣”的觀念出發,解釋雨、露、雪、霜成因的道理是:水受日光照射,蒸發成水汽,再在不同條件下形成雨、霰、雪等。從現在看來,這些分析也基本上是正確的。
我國古代,在生產和生活實踐中,創製了利用熱的各種器具。如宋代曾發明一種“省油燈”,在“燈盞一端作小竅,注清冷水於其中”,據說這種燈能“省油幾半”。現在分析,文中所說加入冷水,目的是降低溫度,避免油被燈火加熱後急速蒸發,其中包含了對油的汽化和溫度的關係的認識;據《淮南子》記載:“取雞子,去其汁,然(燃)艾火納空卵中,疾風因舉之飛”。這是關於“熱氣球”的最早構想,也是空氣受熱上升的具體套用。五代時期,據說還利用這一原理製成信號燈,所謂“孔明燈”也是套用了這一道理。關於走馬燈我國古代有較多記載,有的古籍把它稱作“馬騎燈”、“影燈”。宋代《武林舊事》在記述各種元宵彩燈時寫道:“若沙戲影燈、馬騎人物、旋轉如飛……”,這表明當時已利用了冷熱空氣的對流製造出各種各樣的走馬燈。
在我國古代,很早就出現了對熱動力的認識和利用,唐代出現了煙火玩物,“煙火起輪,走絨流星”。宋代製成了用火藥的火箭、火球、火蒺藜。明代製成了“火龍出水”的火箭,這些都是利用燃燒時向後噴射產生反作用力使火箭前進的道理,屬熱動力的套用,它是近代火箭的始祖,被世界所公認。