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。