古代热学

我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。这些知识包括：获得热源的方法，对热学理论的探讨和实践，对温度和湿度的测量，以及对物质三态变化的研究。

我国古代对火的利用和控制，使社会文明大大前进了一步，同时它也是古人对热现象认识的开端。对冷热的认识，古代学者进行了深入研究，并在实践中创造了很多方法来判别温度的高低。在物质三态方面也积累了知识，解释了日常生活中的水、冰、水气和自然界中的雨雪露霜等现象。

获得热源的妙法

热源是发出热量的物体。人类在一两百万年之前就开始利用热源，其中取火就是主要的途径。

古代在实践当中总结了许多行之有效的取火方法，如钻木取火，利用凹透镜获取太阳光热源等。这些方式和方法，提高了生活的质量，推动了社会的发展。

在上古洪荒时期，人们不知道有火，也不知道用火。到了黑夜，四处一片漆黑，野兽的吼叫声此起彼伏，人们蜷缩在一起，又冷又怕。由于没有火，人们只能吃生的食物，经常生病，寿命也很短。

在一个雷雨天，雷电劈在一大片树林的树木上，树木燃烧起来，整个树林很快就变成了熊熊大火。雷雨停后，人们又发现不远处烧死的野兽，发出了阵阵香味，便聚到火边，分吃烧过的野兽肉。

人们感到了火的可贵，有个年轻人拣来树枝，点燃火，保留起来。每天都有人轮流守着火种，不让它熄灭。可是有一天，值守的人睡着了，火燃尽了树枝，熄灭了。人们又重新陷入了黑暗和寒冷之中，痛苦极了。

一天夜里，年轻人在梦中遇到神人，神人告诉他去燧明国可以取回火种。年轻人醒了，想起梦里大神说的话，决心到燧明国去寻找火种。

在燧明国有一棵大树，名叫“燧木”。这棵树真是异常之大，它的树枝伸展到了10多千米以外的地方。而且大树下到处闪耀着美丽的火光，把四下里照耀得如同白昼。

燧明国百姓，就在这种灿烂的美丽的火光中，躬耕劳作，怡然自得，优哉游哉地靠这种火光生活。

年轻人翻山过河穿森林，历尽艰辛，终于来到了燧明国。他发现在燧木树上，有几只大鸟正在用短而硬的喙啄树上的虫子。只要它们一啄，树上就闪出明亮的火花。年轻人看到这种情景，脑子里灵光一闪，有了主意。

他立刻折了一些燧木的树枝，用小树枝去钻大树枝，树枝上果然闪出火光。年轻人不灰心，他找来各种树枝，耐心地用不同的树枝进行摩擦。终于，树枝上冒烟了，然后出火了。年轻人回到了家乡，为人们带来了永远不会熄灭的火种，并带回了钻木取火的办法。

从此，人们再也不用生活在寒冷和恐惧中了。人们被这个年轻人的勇气和智慧折服，推举他做首领，并称他为“燧人”，也就是取火者的意思。

人工取火的发明结束了人类茹毛饮血的时代，开创了人类文明的新纪元。所以，燧人氏一直受到人们的敬重和崇拜，并尊他为三皇之首，奉为“火祖”。

“燧人取火”是我国古人利用热源的传说。

综合历来资料的取火方法，可分为以摩擦等手段发热取火，用凹球面镜对日聚集取火，用化学药物引燃。这3种开发和利用热源的手段，伴随了人类生产和生活数千年。

通过摩擦、打击等手段发热取火始于旧石器中晚期，当时已经知道用打击石头的方法产生火花，后来又发明了摩擦、锯木、压击等办法。古书上所谓“燧人氏钻木取火”，“伏羲禅于伯牛，错木作火”，“木与木相摩则燃”等，都不是子虚乌有，只是借华夏民名人来体现古代先民获取热源的智慧。

铁器使用之后，人们也用铁质火镰敲打坚硬的燧石而发生火星，使易燃物着火。这一些都是利用机械能转换成为热能，当然是十分费力而且很不方便的。

关于利用凹球面镜对日聚集取火，凹球面镜在古代被称为“燧”，有金燧、木燧之分。金燧取火于日，木燧取火于木。

夫燧，是古人在日下取火的用具。它是用金属制成的尖底杯，放在日光下，使光线聚在杯底尖处。杯底先放置艾、绒之类，一遇光即能燃火。因此，夫燧即金燧。另外，《考工记》记载了用金锡为镜，其凹面向日取火的方法。可见，我国在4000年前已有使用光学原理取火的技术了。

汉代，仍用金燧取火。当时也叫“阳燧”，即用铜镜向日取火，也用艾引火燃烧。至宋代，仍然流行金燧取火之法。实际上这就是今天的凸面玻璃镜。

如果我们拿这玻璃镜，向着太阳，镜也会聚如豆，再用易燃物放在底下，顷刻间即可得火。古代没有玻璃，故用金镜。现代的太阳灶就是从这一道理发展而来的。过去古人出门，身边都带着燧。因为那时的燧为尖顶杯，体积很小，都佩带腰间以备用。但以阳燧取火，有个不足之处，就是天阴或夜晚就不能取到火。

比如古时人们在行军或打猎时，总是随身带有取火器，《礼记》中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的记载，表明晴天时用金燧取火，阴天时用木燧钻木取火。阳燧取火是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。

除古籍记载，考古文物也有这方面证明。考古工作者曾经在河南省陕县上村岭虢国墓出土一面直径7.5厘米的凹面镜，背面有一个高鼻钮，可以穿绳佩挂。

值得注意的是，和这面凹面镜一起出土的还有一个扁圆形的小铜罐，口沿与器盖两侧有穿孔，用以系绳。这大概是供装盛艾绒和凹面镜配对使用的。这可以说是人类早期利用太阳热能的专用仪器，距今已有2500多年的历史了。

凹面镜取火的具体使用方法，东汉时期经学家许慎的一段话说得比较详细：

必须在太阳升到相当高度，照度足够时才能使行；引燃物是干燥的艾草；所用的凹面镜的焦距只有“寸余”，聚光能力应当很好；艾草温度升高到一定程度，起先只是发焦，要用人为方法供给足够氧气助燃，才使艾草燃烧发明火。

自战国以来，还曾有过“以珠取火”之说，可能是利用圆形的透明体对日聚集取火，它的效能等于凸透镜聚焦。不过使用一直不太普遍。

我国利用化学药物引燃较早，南北朝时期，北周就发明的“发烛”。它是以蜕皮麻秸做成小片状，长五六寸，涂硫磺于首，遇火即燃，用以发火。在南方，发烛则用松木或杉木制成。

据元代学者陶宗仪的《辍耕录》上说，这种“发烛”实际上是在松木小片的顶部涂上一分来长熔融状的硫磺。就是利用燃点很低的硫磺，一遇红火即可燃成明火。

从南北朝时期发明“发烛”开始，就有专门制造作为商品供应，后来各地所用的材料略有不同，也有“发烛”、“粹儿”、“引光奴”、“火寸”及“取灯”等不同的名称。

这种东西沿用时间很长，直至19世纪欧洲发明的依靠摩擦直接发火的火柴传入我国，才逐步地取代了传统的引火柴。

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匠给陶器镀锡的工艺很精巧，就试着拿了一个琉璃瓶请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保温瓶制作技术的。

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“火”元素脱木而出的表现。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。

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。

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，也用火烧石，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”，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。