热学理论与实践

对于热的本质，古代学者进行了深入研究，提出了颇有见地的见解，在物理学历史上留下了宝贵财富。

古代学者研究了热传播与热保温，热膨胀与热应力，并将这些热学理论应用到日常器具的制造及工程等实践中。

有一次，宋徽宗拿了10个紫琉璃瓶给小太监，让小太监命令工匠在瓶里面镀一层金。

工匠都表示无法做到，说：“把金子镀在里边，应该用烙铁熨烙使金子平整才行。但是琉璃瓶的瓶颈太窄，烙铁无法到达应到的位置。而且琉璃瓶又脆又薄，耐不住手捏，一定要镀金的话，瓶子肯定要破碎。我们宁愿获罪，也不敢接这个活。”

后来小太监在民间看见锡锡匠给陶器镀锡的工艺很精巧，就试着拿了一个琉璃瓶给他们帮他在内壁镀金。锡工让小太监第二天去取。

果然，第二天琉璃瓶已镀好。小太监让锡匠和自己一同入宫，并向皇帝禀报了此事。

皇上把宫中工匠全部召集起来，又拿了一个琉璃瓶给锡匠，观看锡匠如何镀金。

锡匠取金凿至薄如纸，然后裹在瓶外。

宫中工匠说：“如果这样，谁都能做。我们本来就知道你是俗工，何必来宫中献丑！”

锡匠也不辩解，只见他剥掉所裹金箔，压在银筷子上，插入琉璃瓶中，再输入水银，掩住瓶口，左右摇动，以使水银涂镀在瓶胆上，没有一点缝隙。

这时，宫中工匠方始愕然相视。皇上大喜，重重赏赐了锡匠。

这条史料出自《夷坚志》，是目前所能找到的我国古代水瓶保温技术的最早的记录。而锡匠的做法大体是符合暖水瓶制作技术的。

在我国古代，热保温与热传播不仅是工匠们十分重视的一项技术，更是研究者关注的研究课题。事实上，对于类似的热的本质，我国的“五行学说”与“元气论”都有自己的说法。

“五行说”认为构成自然的5种基本元素中就有“火”，而“火”有“燥热”之性，就是热的具体化。

在《墨经》一书中，墨家根据“五行说”解释自然现象，认为木是由水、土、火元素组成的。这是根据树木的生长必须要有水分、土壤与阳光这一农业生产的长期经验所得出的结论。

墨家把燃烧看成是“火”元素脱木而出的表现，是很有意思的。这个解释后来一直流传着。例如北宋时期学者刘画在《刘子·崇学》中也明确指出：“木性藏火……钻木而生火。”属于相类似的思想认识。

“元气论”把热看成是一种“气”，它的集中表现是燃为火。所以《淮南子·天文训》有“积阳之热气生火”的说法。

王充《论衡·寒温篇》解释冷热也说是“气之所加”。而关于热的传播，王充试图对热传播的本质加以解释。

王充认识到热是从高温向低温传播的，并且是通过某种物质的；受热物体所得到热的多少跟它距离热源的远近有关，近热源者得热多，远热源者得热少。这些认识都是值得重视的。

曾侯乙墓出土的两件保温的盛酒器，已有2400多年的历史。这种保温的盛酒器由内外两个独立的容器组成，里面的方形容器是盛酒的，外面的方形容器在冬季用来盛热水。

由于外面容器的容积很大，所以热容量也十分大，能有大量的热传给里面容器中的酒，使酒温很快升高，并达到一定的温度，趋于热平衡。这样，壶中的酒得以保温。

在夏季，外容器储冰，同样也可以保温。有了它，在寒天可以喝到暖人肠胃的汤浴温酒；在热天则可以喝到沁人心脾的冰镇美酒。

对于热膨胀与热应力问题，我国古代制造精密器具时，为了避免器具受温度和湿度的影响而发生形状和体积的变化，很注意选料。

《前汉书·律历志》记载：“铜为物之至精，不为燥、湿、寒、温变节，不为霜、露、风、雨改形。”强调量器最考究精密，它的容积应力求不变化。

唐代诗人李商隐在《太仓箴》中意识到：物体形状、大小能随温度、湿度而有所变化。

物体热胀冷缩引起的热应力是十分强大的，不能忽视。古代作战与打猎，弓箭为有效的远程武器，制造者与使用者很留心它的热膨胀和热应力，要求弓在严冬和炎夏热应力变化不大。

沈括在《梦溪笔谈·技艺》中，通过他哥哥造弓这件事讨论了弓在严冬和炎夏热应力的问题。

沈括说他的大哥造的弓有6个优点：第一，弓体轻巧而强劲；第二，开弓容易而有力；第三，多次发射，弓力不减弱；第四，天寒暑热，弓力始终一致；第五，射箭时弦声清脆、坚实；第六，开弓时弓体正，不偏斜。

沈括认为，大凡生筋长一尺，干了就缩短一半，用胶液浸泡而后梳理直，又恢复到一尺，然后再使用，那么筋力就已经涨到了尽头，不会再伸长松弛了。

又揉制作弓的木材，使它向开弓相反的方向仰曲，然后在上面黏结上角和筋。这是整治筋的两个方法。

同时，凡是弓刚开始使用或是在天冷的时候，弓就很强劲而难以拉开，使用久了和在天热的时候，弓力就弱，箭也射不远。这是胶造成的弊病。

沈括指出，大凡胶要涂得薄而筋力要涨尽，弓力的强弱依靠筋而不依靠胶。这是弓久射而力量不减弱，寒暑变化而弓力始终一致的原因。

把热膨胀与热应力用之于工程也很常见。战国时期蜀郡太守李冰，在今宜宾一带清除滩险也用火烧石，再趁热浇冷水之法。

东汉初四川武都太守虞诩，曾主持西汉时期水航运整治工程，为了清除泉水大石，用火烧石，再趁热浇冷水，使坚硬的岩石在热胀冷缩中炸裂，以便开凿。

这种“火烧水淋法”后世也有应用。比如明清时期也曾用“火烧法”或叫“烧爆法”来开矿。

在金属冶炼技术中，由于温度变化范围大，热应力问题最值得注意。殷商时代的青铜铸造工艺中，就设法尽量减少热应力。

例如殷代中期的盛酒青铜器“四羊方尊”高，它的羊角头采用“填范法”铸成中空，泥胎不拿出。这种方法不仅节省了青铜，更重要的是可以避免在冷缩过程中由于厚薄关系而引起缩孔和裂纹。

同时期一些青铜器的柱脚或粗大部分，也采用这种方法，只有柱脚最末端一二十厘米是铸成实心的。这种填范法是为了减少热应力。

3000多年前减少热应力的“填范法”与后来增大热应力的火烧法，都从不同侧面显示了我国古代对于热膨胀与热应力的认识。

[旁注]

镀金　一种装饰工艺，是指在器物的表面镀上一层薄薄的金子。其法是先用金汞薄薄地镀上一层，随后加热使汞挥发。用电解或其他化学方法，使金子附着到金属或别的物体表面上，形成一层薄金。镀金分为两类，一类呈同质材料镀金；另一类是异质材料镀金。

《夷坚志》　南宋时期洪迈所著笔记小说集。此书是洪迈所经历的宋代社会生活、宗教文化、伦理道德、民情风俗的一面镜子，为后世提供了宋代社会丰富的历史资料。《夷坚志》是自《搜神记》以来我国小说发展史上的又一座高峰，对后世产生了极大的影响。

李商隐　（813年～858年）。唐代晚期著名诗人。擅长诗歌写作，骈文文学价值也很高，和杜牧合称“小李杜”，与温庭筠合称为“温李”。其诗构思新奇，风格秾丽，广为传诵。作品收录为《李义山诗集》。

李冰　战国时期著名的水利工程专家。他征发民工在岷江流域兴办许多水利工程，其中以他和其子一同主持修建的都江堰水利工程最为著名。几千年来，该工程为成都平原成为天府之国奠定坚实的基础。后世为纪念李冰父子，在都江堰修有二王庙。

虞诩　（？～137年）。东汉时期名将。安帝时，始为朝歌长，后任怀县县令、武都太守。顺帝时，官至司隶校尉、尚书仆射、尚书令等职。虞诩一生文韬武略，战功卓著，为官清正廉明，刚正不阿。他的事迹被载入《后汉书·虞诩列传》，可谓是名垂千古。

四羊方尊　商朝晚期青铜器。属于礼器，祭祀用品。高58.3厘米，重近34.5千克。现收藏于中国国家博物馆。在古代的青铜器中，有不少器物以其独特的造型而引人注目，四羊方尊便是其中一例。它的造型以动静结合，寓雄奇于秀美之间，可谓巧夺天工。

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李冰在修建都江堰的施工中，曾经将木柴架在石头上，点火烧之，当把石头烧得火热时，马上将冷水或醋猛浇其上，热石突然遇冷爆裂，甚至炸成碎片，最后清除了岩障。

李冰运用的这种用火烧岩石的方法，被后人称为“烧石沃醯法”，并一直沿有。

唐代为发展黄河漕运，就用此“烧石沃醯法”，在今山西省的垣曲、夏县和平陆三县的黄河航道北岸开凿成栈道。还用此法在三门峡以东岩石崖开凿成一条“开元新河”，也就是民间俗称的“娘娘河”。