热学的生活运用

热学的生活运用

先秦时期，人们崇尚“五行”观念。五行，即金、木、水、火、土，其中火也是自然万物之一。因此，火是物质的看法有着非常久远的历史。后来，道家著作《关尹子》发展了这种观念。该著作谈到“外物”的来去使瓦石发生热、寒、温、凉之变。这种“外物”观与热质说几乎一致了。

更有意思的是，古人还大胆地从五行观念中找寻摩擦生火的根据。北齐刘昼说：“金性苞水，木性藏火，故炼金则水出，钻木而火生。”（《刘子·崇学》）在他看来，摩擦起火是由于木本身含有“火素”的原故。

古中国学者对“热”持运动说的，如南唐谭峭在其《化书》中写道：“动静相摩，所以生火也。”他的思想一直影响到清代，郑光祖在《一斑录》中说：“火因动而生，得木而燃。”古人是从钻木取火的经验中得出这样的科学结论。

一、燧人氏钻木取火

原始社会时期，人们已学会利用火，发明了钻木取火的方法。用两条木片，使其之一的一端与另一条激烈摩擦，在摩擦点附近放上易燃物质。摩擦运动产生高温，甚而迸出火星，易燃物质即着火。

史籍记载，这个方法是由原始社会初期的燧人氏发明，故称“燧人氏钻木取火”。通过钻木取火，人们在春秋战国时期懂得了一条热学的基本规律：“木与木相摩则燃”。（《庄子·外物》）

二、自燃现象的发现

除了发明种种起火方法外，古代人也发现了各种自燃现象。晋代张华说：“积油满万石，则自然生火。”（《博物志》卷三）张华还指出，生石灰遇水浇，亦焰起烟燃。宋代人就这些发现总结说：“油绢纸、石灰、麦糠、马矢粪草，皆能发火。”（陈师道《后山谈丛》卷四）

中国是世界上最早发现并利用高温燃料的国家，如煤炭、石油、天然气的开发与利用，在历代典籍中的记载屡见不鲜。

三、铜与铁的热胀冷缩

热胀冷缩现象在古代得到很好的应用，古人不但了解铜铁在热胀冷缩后产生的变化，而且懂得利用热胀冷缩的原理开凿河道。

古人多以铜而少以铁制作度量衡的标准器。他们的理由是，“铜为物之至精，不为燥、湿、寒、温变节，不为霜、露、风、雨改形。”（《前汉书·律历志》）显然，古人不可能精确地测定各种物体的膨胀系数，因此也就不能比较铜与铁究竟哪一个在同样温差下膨胀较多。他们只能从物体经受风雨寒热之后的外表变化中选取较好的材料。由于铁比铜更容易生锈、剥蚀，即“改形”，因此将铜作为度量衡标准器的材料是理所当然的；而古人从中发现寒温之变会使物体“变节”，这与热胀冷缩的道理是一致的。

四、古人对物态变化的应用

物质有固态、液态和气态三种状态。温度改变能使这三种状态相互转换。人们首先从天气变化中观察到物态的变化。同是雨水，“夏日则雨水，冬日天寒则雨凝而为雪”（《论衡·感应篇》）。

在日常生活中如烧水做饭，人们常常会观察到水与汽两者之间的变化。而水与冰两者的变化，使人们正确地作出温度不同的结论：“冰，水为之，而寒于水。”（《荀子·劝学》）

据《华阳国志》载，在战国末期，秦国的李冰为开凿都江堰，曾利用热胀冷缩原理打碎拦路巨石。都江堰两岸悬崖巨石坚硬，钻斧工具也无可奈何。李冰于是想出一个办法：先在其上堆放柴草，火烧柴草，使巨石炽热，然后用水浇，于是石裂可凿。

东汉时，成都太守虞诩主持西汉水（嘉陵江上游）航运整修工程，也用了同样的方法：“诩乃使人烧石，以水灌之，石皆坼裂，因镌去石。”（《后汉书·虞诩传》）这种方法在水利工程和采矿工程中被广泛运用，并被称之为“烧石易凿法”或“烧爆法”（《物理小识》卷七）。

在古代，对于物态变化最有研究的当属炼丹家。他们为了制取“长生不老药”或“点铁成金”，终生隐居山林，将一些药物、矿物加热、锻烧、蒸煮、冷却，使其物态发生变化。最早的炼丹家之一葛洪曾说：“丹砂烧之成水银，积变又返丹砂。”（《抱朴子·内篇·金丹》）

“丹砂”是含汞的合金。他发现了固态矿物与液态汞之间的状态变化。出于保密，炼丹家的许多著作很难读懂。但是，加热汞的过程是众所周知的。明清之际王夫之（1619-1692年）说：“汞见火则飞，不知何往，而究归于地。”（《张子正蒙注·太和篇》）这里说的是，液态汞经加热而变为气态飞往空中，然后气态汞又凝结为液态而掉落地面的过程。

五、古人对温度与温差的应用

1.温度与温差

温度计发明以前，人们常常以自己的体温，例如，以手触摸物体，来判别温度高低。这种以体温为标准的触摸感觉法，只能判别一定范围内的温差。古人所谓冷、寒、凉、温、热、烫等，都是些温差概念，而不是指特定的温度。由于“感觉”往往因人而异，故此在某种程度上已被感觉到属“寒冷”或属“热”的一类物体后，就很难再区分它们中哪一个更冷、或更热。因此，《淮南子·说山训》写道：“寒不能生寒，热不能生热；不寒不热，能生寒热。”，这正是古代人由感觉导致的温差观念。

2.人体，古代的恒温计

体温是古代最恒定的“温度计”，由于古人认识到正常人的体温基本相同，因此古人能充分利用这种“温度计”。北魏贾思勰在《齐民要术》中曾指出，牧民作奶酪，常使酪的温度“小暖于人体”﹔作豆豉，“令温如腋下为佳”。人的腋下温度较为稳定，迄今仍为医疗界利用以量度体温。

王祯《农书》述及养蚕气温时，指出养蚕人在蚕室内需穿单衣，“以为体测”，即以自己的体温来测定蚕室内温度：“自觉身寒，即蚕必寒，使添熟火；自觉身热，蚕亦必热，约量去火”。

3.水兴气温

古代人以水的物态变化来判定天气温度。水结冰，天寒；冰化水，天气转暖。因此，古代人常说：“见瓶中之水，而知天下之寒暑”（《淮南子·兵略训》）；或者说：“睹瓶中之冰，而知天下之寒。”（《淮南子·说山训》）

此外，古人以水的递次沸腾现象来判定水温。苏东坡有一首诗描写煮水泡茶的情景：“蟹眼已过鱼眼生﹐飕飕欲作松风声。”水中的气泡及其声音都可供人们判断水是否已沸。明代屠龙说，烧水有三沸：“始如鱼目微有声，为一沸；缘边泉涌连珠，为二沸；奔涛溅沫，为三沸。”（《考盘余事》卷三《茶笺》）由现在的知识判断，一沸约75℃～80℃，二沸约85℃～90℃，三沸为100℃。

4.什么是火候

在冶炼和烧陶过程中，工匠善于看火候，察颜观色判别温度高低。观察“火候”成为中国传统科学文化中的重要一环。冶铸青铜合金时，火焰的颜色可供判别铜与锡是否熔化，可否开炉铸造。春秋战国之际的《考工记》写道：“黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之。然后可铸也。”

就今日冶铸技术看，这些描述有其合理之处。首先熔解挥发的是那些不纯杂物，呈现“黑浊”的焰色；然后熔点较低的锡熔解并挥发，呈现“黄白”的焰色；随温度上升，铜熔化并挥发，呈现“青白”焰色。最后，炉火纯青，开炉铸造。这种察看火候的方法，被历代工匠沿用。从古代有关文字记载看来，火候的概念包括了在火焰颜色中反映出来的温度高低。今天人们常说的“火候足”或“火候不到”，多包含温度或环境气氛等多层意思。

六、灯的运用

1.走马灯

走马灯又称“马骑灯”，它可能起源于隋唐时期。它的制作方法是，在一个方形或圆形灯笼中，插一根铁丝当立轴，轴上方装一纸质叶轮。立轴中央装二根交叉细铁丝，在铁丝每一端贴上人、马一类剪纸。当灯笼内点燃灯烛后，热气上升，形成气流，推动叶轮旋转，于是剪纸随立轴旋转。剪纸的影子投射在灯笼纸罩上。从外表看，就成“车驰马骤、团团不休”。

走马灯盛行于宋代，宋代的小说笔记对此描述甚多。周密说：“沙戏影灯，马骑人物，旋转如飞……”。从原理上看，走马灯是现代燃气轮机的始祖。

2.仙音烛

宋代的“仙音烛”与走马灯的发明相类似。仙音烛大概是一个高层蜡烛台，内装有各种小巧玲珑的玩器，其间必装有似走马灯一样的轮轴、叶轮、铁丝。烛火燃烧时，铁丝拨动轻小玲珑玩物，发出叮哨响声。烛火灭，就没有热气流推动叶轮旋轴，于是音响停止。

3.省油灯

宋代诗人陆游（1125-1210年）曾记述了一种很有意思的“省油灯”。省油灯原是“夹灯盏也。一端作小窍注清冷水于其中，每夕一易之。寻常灯盏为火所灼而燥，故速干。此灯不燃，其省油几半。”（《老学庵笔记》卷十）

省油灯不是普通的灯，而是夹层的。在夹层中空处，注入清凉水，就避兔了灯盏本身被灯火加热后而灯油急速蒸发的缺点，从而达到“省油几半”的目的。这种冷却法在现代工业中常被称为水套冷却。省油灯是水套冷却的鼻祖。

据陆游说，省油灯的发明“已三百年”，可见中国人在公元9世纪初期，就发现了这种冷却法并制造了具有现代工业意义的发明物。