中物史-3热学

1、中国古代热学知识中国古代热学知识古人关于热现象的认识古人关于热现象的认识n我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少，还有待于进一步发掘。少，还有待于进一步发掘。 n古代的生火方法古代的生火方法n对生火原因的解释对生火原因的解释n关于火的分类关于火的分类n对冷热的认识对冷热的认识n重要热现象的认识和应用重要热现象的认识和应用n沸水造冰实验沸水造冰实验n原始的原始的“热气球热气球”实验实验n测温、测湿、火候测温、测湿、火候n火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力，火的利用和控

2、制，使人类第一次支配了自然力，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古使人类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。我国山西省芮人对热现象认识的开端。我国山西省芮(ru)城城西侯度旧石器的遗址，说明大约西侯度旧石器的遗址，说明大约180万年前人万年前人类已经开始使用火。类已经开始使用火。 第一节第一节 古代的生火方法古代的生火方法n 1 摩擦法摩擦法n通过两物体之间的剧烈摩擦运动而产生火n木燧、竹子n管子轻重戊篇：n “燧人作钻燧取火，以熟荤臊。”n庄子外物：n “木与木相摩则然。”n韩非子五蠹：n “有圣人作，钻木取火，以化腥臊。”n礼记内则：n “右佩玦、木燧。”n淮南子说

3、林训：n “槁竹有火，弗钻不焦。”n淮南子原道训：n “两木相摩而燃，金火相守而流 自然之势也。”n方以智物理小识（卷二）：n “取火于竹，以干竹破之。布纸灰，而竹瓦覆上。竹穿一孔，更以竹刀往来切其孔上。三四回，烟起矣；十余回，火落孔中，纸灰已红。”n2 聚光法聚光法n利用反射镜或透镜聚集日光生火。n阳燧、火珠n周礼秋官：n “司烜氏掌以乎燧，取明火于日。”n礼记内则：n “左佩纷、金燧。”n论衡乱龙：n “铸阳燧取火于日。”n管子侈靡：n“珠者，阴之阳也，故胜火。”房玄龄注曰：“珠生于水而有光鉴，故为阴之阳。以向日则火烽，故胜火。”n淮南子天文训：n “阳燧见日然而为火。”n高诱注：n“取金

4、杯无缘者熟摩令热，日中时以当日，以艾就之，则燃得火。”n许慎注：n“日高三、四丈，持以向日，燥艾承之寸馀，有顷焦，吹之则得火。” n淮南万毕术：n “削冰令圆，举以向日，以艾承其影则火生”。n1819年郑复光重复“冰透镜取火”实验n费隐与知录第69条：n“问：博物志云：削冰令圆，向日，以艾承景则有火，何理？曰：余初亦有是疑。后乃试而得之。盖冰之明澈不减水晶，而取火之理在乎镜凸。嘉庆已卯，余寓东淘，时冰甚厚，削而试之，甚难得圆，或凸而不光平，俱不能收光。因思得一法：取锡壶底微凹者热水旋而熨之，遂光明如镜，火煤试之而验，但须日光盛，冰明莹形大而凸稍浅（径约三寸，外限须约二尺），又须靠稳不摇方得，且

5、稍缓耳。盖火生于日之热，虽不系镜质，然冰有寒气能减日热，故须凸浅径大，使寒气远而力足焉。” n新唐书南蛮传：n“婆利者，直环王东南，多火珠，大者如鸡卵，圆白，照数尺，日中以艾藉珠，辄火出。”n六朝道书太清金液神丹经：n“ 有火珠大如鹅鸭子，视之如水，著手中洞洞如月光照人手掌，夜视之亦然。以火珠白日向日，以布艾属之承其下，须臾见光从火珠中直下，漉漉如屋霤下物，勃然烟发，火乃然，犹阳燧之取火也。” n本草纲目卷八金石部水精：n“火珠，说文谓之火齐珠，汉书谓之玫瑰。唐书云：东南海中有罗刹国，出火齐珠，大者如鸡卵，壮类水精，圆白，照数尺，日中以艾承之则得火。”n3 敲击法敲击法n用石块相互撞击或用铁制

6、火镰敲击燧石（火石）溅出火花引燃物体。n关尹子二柱：n “石击石即光。”n “金之为物，击之得火。”n关尹子五鉴：n “来干我者，如石火穷顷。”n刘昼新论惜时：n “人之短生，犹如石火。”n物理小识卷二：n “破石，以钢镰刮之，则火星出，纸煤承之即燃。”n唐代刘言史与孟郊煎茶诗：n “敲石取鲜火，汲泉避腥臊。”n唐代规定，武官五品以上者带火石袋，随身携带火镰、火石，以备军中之急需。（旧唐书卷四十五舆服制）n苏颂和沈括所作苏沈良方：n“凡取火者，宜敲石取火，或水精镜子于日得者太阳火为妙。天阴，则以槐木取火亦良。”n明代茅元仪和宋应星都描述过地雷、水雷等爆炸物以钢镰、火石镰点火的方法。 n4 引火

7、柴引火柴n（唐代末期）利用硫磺与灰烬中的死火接触而燃火。n这是近代摩擦式火柴的前身。n五代陶谷清异录记载：n“夜中有急，苦于作灯之缓，有智者批杉条，染硫磺置之待用。一与火遇得焰，穗穗然既神之，呼引光奴引光奴。今遂有货者，易名火火寸寸。”n陶宗仪南村辍耕录：n“杭人削松木为小片，其薄如纸，溶硫磺涂木片顶分许，名曰发烛发烛，又曰淬儿。盖以发火及灯烛用也。”（卷五发烛）n英国波义耳在1680年将磷质材料涂在粗纸上，并在小木棒上蘸硫磺，用小木棒的硫磺端轻擦粗纸上 的磷质材料即燃火，由此产生了近代火柴。n5 活塞式点火器活塞式点火器n景颇族的祖先发明了一种类似活塞式点火器的器物。n他们用牛角加工成具有圆

8、筒形内腔的套筒，用木料磨制成一根圆柱形木杆，木杆的长度略短于圆筒的深度，使其插入圆筒后，顶端仍有一小段空腔；木杆圆柱的直径等于或略小于圆筒的内径，使木杆插入圆筒中刚好弥合无隙。取火时，使木杆前端粘附艾绒，一手握住套筒，一手将木杆插入套筒并急速向前推进，然后随即将木杆拔出，艾绒即燃。口吹艾绒，即燃起火苗。n景颇族的取火器曾由东南亚传入欧洲。法国拉普拉斯（M.de Laplace,1749-1827）以玻璃筒代替牛角筒，以玻璃杆代替木杆，在欧洲最早发现了压缩空气点火法。（英田大里（J.Tyndall）著，傅兰雅、徐建寅译，声学，卷一）n据说，法国枪炮厂的一个工人曾用空气压缩法使火绒着火。第 二节

9、对生火原因的解释对生火原因的解释n1 同类感应说同类感应说n淮南子天文训：n“物类相动，本标相应，故阳燧见日则燃而为火，方诸见月则津而为水。”n东汉魏伯阳周易参同契：n“阳燧以取火，非日不生光；方诸非星月，安能得水浆。二气玄且远，感化尚相通。” n2 热气释放说热气释放说n淮南子天文训：n “积阳之热气生火，火气之精者为日；积阴之寒气为水，水气之精者为月。”n论衡：n “火与温气同，水与寒气类。”n 北齐刘昼刘子崇学：n “金性苞水，木性藏火，故炼金则出水，钻木而生火。”n隋代萧吉五行大义引白虎通：n “木生火者，木性温暖，火伏其中，钻烁而出，故木生火。”“唯火钻烁方出者，火是太阳之气，温故乃

10、生。”（卷二）n朱熹：n“火只是温热之气。”（转引自古今图书集成乾象典）n李时珍：n“火者五行之一，有气而无质。”（本草纲目火部）n明代揭宣：n“日火皆气也。”（物理小识）n3 运动生热说运动生热说n谭峭：n“动静相摩，所以化火也。”（化书动静）n程颐：n“动极则阳形也，是故钻木戛竹皆可以得火。夫两物者未尝有火也，以动而取之故也。击石火出亦然。”（河南程氏粹言）n明初叶子奇：n“两木相摩则火，至动而后生也。”（草木子管窥篇）n方以智：n“今以两木相摩，久之得温，久之得火。”（物理小识） 第三节 关于火的分类关于火的分类n南宋蔡沈：n“火之质也，曰木火，曰石火，曰雷火，曰油火，曰虫火，曰磷火。”

11、（洪范皇极内篇）n李时珍李时珍提出了两类、三纲、十二目火分类理论。n两类火：阴火、阳火n“三纲”：天火、地火、人火；n“十二目”包括天火四种、地火五种、人火三种；十二目又分阴阳两大类。n“天之阳火二：太阳，真火也；星精，飞火也。天之阴火二：龙火也，雷火也。地之阳火三：钻木之火也，击石之火也，戛金之火也。地之阴火二：石油之火也，水中之火也。人之阳火一：丙丁君火也。人之阴火二：命门相火也，三味之火也。”（本草纲目） n李时珍总结各种火的燃烧属性：n“诸阳火遇草而焫（ruo），得木而燔，可以湿伏，可以水灭；n诸阴火不焚草木而流金石，得湿愈焰，遇水益炽，以水折之则光焰指天，物穷方止；以火逐之，以灰扑之

12、，则灼性自消，光焰自灭。”（本草纲目） n对冷热的认识。约在公元前2000年，我国已有气温反常的记载，在两周初期，人们开始掌握降温术和高温术。据周礼记载，当时已设专人司贮冰事，冬季凿冰加以贮藏，到春、夏季用以冷藏食物和保存尸体。说明当时已利用天然冰来降温。我国冶炼业的发展较早，高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁，经科学分析，它是一块生铁，生铁的冶炼温度比熟铁高，需达摄氏千度以上。生铁的出土，说明在那时的高温技术已达到一定水平。 第四节第四节 对冷热的认识对冷热的认识n温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据考工记记载，在

13、铸铜与锡时，随温度的升高，火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色，然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。从现代科学分析，不同物质有不同的汽化点，因此从火焰的颜色可以判断所汽化的物质，从而判断温度的高低。对同一种物质，随着温度的升高，其颜色也先后有所变化。“火候”（包括火色）成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。 n除制陶和冶炼金属之外，我国古代还在农业中采用了控温技术。据汉书召信巨传记载，西汉末年，我国己利用冬季栽培蔬菜，其方法是“覆以屋庑，昼夜蕴火，待温气乃生。”北魏时期，还利用熏烟的方法防止霜冻。 n对冷热问题，东汉王充还曾从理论上加以探讨，在他的著作论衡寒温篇中写

14、道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”他把“气”作为物体之间进行“温”“寒”传递的物质承担者，还指出距离变远，“气”的作用渐小。这里已涉及热传递的理论问题，但它只是思辩性的，是我国“元气说”的一种应用。 n淮南子诠言训 ：n“夫寒之与暧相反，大寒地坼水凝，火弗为衰夫寒之与暧相反，大寒地坼水凝，火弗为衰其暑；大热烁石流金，火弗为益其烈。寒暑之其暑；大热烁石流金，火弗为益其烈。寒暑之变，无损益于已，质有之也。变，无损益于已，质有之也。”n南朝刘勰：n“火之性也，大寒惨凄凝冰裂地而炎气不为之火之性也，大寒惨凄凝冰裂地而炎气不为之衰；大热煊赫燋金烁石而炎气不为之炽者，何衰

15、；大热煊赫燋金烁石而炎气不为之炽者，何也？也？有自然之质而寒暑不能移有自然之质而寒暑不能移也。也。” n对冷热是什么这一问题，我国古代也已注意到，南北朝成书的关尹子中认为：“外物”的来去是使瓦石一类物体发生寒热温凉之变的原因。而另一种说法见于据传可能为北齐刘昼著的刘子崇学篇，则从“五行”观念出发，猜想物体寒、热、温、凉的变化是一种“内物”在起作用。这种所谓的“外物”或“内物”都是把热设想为一种实体物质，它类似于18世纪“燃素”和“热素”的观念。 n热胀冷缩是重要的热现象之一，在我国古代对它已有所研究和利用。汉代淮南万毕术记述了这样一个现象：把盛水铜瓮加热，直到水沸腾时密闭其口，急沉人井中，铜瓮

16、发出雷鸣般响声。这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂，破裂声由井内传出，这是一个典型的热胀冷缩现象。元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验，他把带孔的物体加热以后，使另一个物体进入孔洞，从而这两个物体如“辘轳旋转，无分毫缝罅”。他明确指出，这是前一物体“煮之胖胀”的缘故。据华阳国志记载，李冰父子修建都江堰时，发现用火烧巨石，然后浇水其上，就容易凿开山石。这种利用岩石热胀冷缩不均从而易于崩裂的施工经验，在我国历代水利工程中不断为人们采用。 第五节第五节 重要热现象的认识和应用重要热现象的认识和应用n对水的物态变化，在我国古代也早有认识，例如对雨和雪形成的探讨，认为是由于“积水上腾”而造成。论衡中

17、对此有明确的表述：“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”此文说明露、霜、雨、雪是因为不同的温度由水冻凝而成，它们都是水由地面蒸发而产生的。汉代以后的古籍中，对雨、露、雪、霜成因的讨论更多，说明当时对物态变化的知识有了新的认识。汉代董仲舒从“气”的观念出发，解释雨、露、雪、霜成因的道理是：水受日光照射，蒸发成水汽，再在不同条件下形成雨、霰、雪等。从现在看来，这些分析也基本上是正确的。 n我国古代，在生产和生活实践中，创制了利用热的各种器具。如宋代曾发明一种“省油灯”，在“灯盏一端作小窍，注清冷水于其中”，据说这种灯能“省油几半”。现在分析，

18、文中所说加入冷水，目的是降低温度，避免油被灯火加热后急速蒸发，其中包含了对油的汽化和温度的关系的认识；据淮南子记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞”。这是关于“热气球”的最早设想，也是空气受热上升的具体应用。五代时期，据说还利用这一原理制成信号灯，所谓“孔明灯”也是应用了这一道理。关于走马灯我国古代有较多记载，有的古籍把它称作“马骑灯”、“影灯”。宋代武林旧事在记述各种元宵彩灯时写道：“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞”，这表明当时已利用了冷热空气的对流制造出各种各样的走马灯。 第六节第六节 夏造冰实验夏造冰实验n庄子徐无鬼：n庄子曰：“射者非前期而中谓之善射，天下皆羿也，

19、可乎？”惠子曰：“可。”庄子曰：“天下非有公是也，而各是其所是，天下皆尧也，可乎？”惠子曰：“可。”庄子曰：“然则儒墨杨秉四，与夫子为五，果孰是邪？或者若鲁遽者邪？其弟子曰：我得夫子我得夫子之道矣！吾能冬爨之道矣！吾能冬爨cun 鼎而夏造冰矣！鼎而夏造冰矣！鲁遽曰：鲁遽曰：是直以阳召阳，以阴召阴，非吾所谓道也。是直以阳召阳，以阴召阴，非吾所谓道也。 ” n成玄英疏：“鲁遽能冬取千年燥灰以拥火，须臾出火，可以爨鼎；盛夏以瓦瓶盛水，汤中煮之，悬瓶井中，须臾成冰。” n关尹子七釜篇：n“人之力可以夺天地造化者，如冬起雷、夏造冰。”n列子周穆王篇：n老成子“能存亡自在，憣校四时，冬起雷、夏造冰。”n淮

20、南子览冥训：n “以冬铄胶，以夏造冰。”n淮南万毕术：n“取沸汤置瓮中，密以新缣，沈井中三日，成冰。”n汉代刘向汉书五行志：n“盛阳雨水温暖而汤热，阴气胁之不相入，则转而为雹故沸汤之在闭器，而湛于寒泉则为冰。” （唐代颜师古：“湛，读曰沈。”）n三国孟康注汉书曰：n “投汤器中，以沈寒泉而成也。”n唐代段成士等都作过类似的论述。n方以智物理小识：n“万毕术有凝水石作冰法。陈眉公言以水晶煮水，入井得冰。智按其理，不必凝水石与水晶也，凡瓶水煮之极沸，即坠入井底，则六月亦能成冰。” n淮南子览冥训：n“故至阴飂飂（liao通廖），至阳赫赫，两者交接成和而万物生焉。众雄而无雌，又何化之所能造乎？此不言

21、之辨，不道之道也以冬铄胶，以夏造冰”。n这是用阴阳“交接成和”的思想解释“冬铄胶“和“夏造冰”。n谭峭化书：“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，饮水雨日所以化虹霓也。” “阴阳可以召，五行可以役，天地可以别构，日月可以我作。” 第六节第六节 原始的原始的“热气球热气球”实验实验n淮南万毕术：n“取鸡子去壳，然艾火内空中，疾风高举，自飞去；”n“取鸡子去其汁，然艾火内空卵中，疾风因举之，飞。”n这是通过热气对流，使鸡子升空的实验。 n北宋赞宁物类相感志：n“鸡子开小窍，去黄白了，入露水，又以油纸糊了，日中晒之，可以自升，离地三四尺。”n不用艾火烧，而

22、使“日中晒之”，同样是在鸡蛋壳中产生热气，利用热气浮力使之自升 。n李约瑟中国科学技术史：n“十七世纪的欧洲人欢度复活节时，曾做过蛋壳升空的游戏，其方法极简单，但要有点诀窍。先将蛋黄、蛋清由小孔吸尽，将壳烘干。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状态，逐渐变轻而终于飘浮起来，飘浮极短时间后即行下落。这是因为水蒸气、壳内气体膨胀，空气先通过壳上微细小孔排出。待小孔蜡经过日晒而溶化，小孔成了排气孔，蛋壳内空气适足使壳升空一个极短的时间，待蒸汽排尽，空气再渗入后，蛋壳即行落下。”（Joseph Needham ,Science and Civilization in Ch

23、ina, vol4:2. P597, notes. C. ） n淮南万毕术中“艾火令鸡子飞”这类实验启发后人发明了孔明灯。n“艾火令鸡子飞”的实验虽然难以实现，但其基本思想是正确的，它是人类利用热空气升空思想的始祖。 走马灯原始的热汽轮机第八节第八节 测温、测湿、火候n一一 测温方法：测温方法：n1 观察观察n吕氏春秋慎大览：n “见瓶中之冰，而知天下之寒。”n淮南子兵略训：n “见瓶中之水，而知天下之寒暑。”n淮南子说山训：n “以小明大，见一叶落而知岁之将暮；睹瓶中之冰，而知天下之寒。”n2 以体温判断以体温判断n宋代陈旉农书“收蚕种之法篇”：n洗蚕种水温的控制：“调温水浴之，水不可冷，亦

24、不可热，但如人体适可。”n元代王祯农书：n养蚕人“需着单衣，以为体测。自觉身寒，则蚕必寒，使添熟火；自觉身热，蚕亦必热，约量去火。”n3 采用光学方法判断：采用光学方法判断：n考工记：n“凡铸金之状，金与锡，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。”n明代朱载堉律学新说嘉量篇第二：n“至于火候、气色，乃铸工之细务，亦必详言之。曰：凡用金为器，必和之以锡。初炼之时，火色黑浊者，秽杂尚多也。炼去秽杂，火色变而为黄白，亦未净洁也。熔炼既久，变而青白，稍净而未净也。白色尽去，火色纯青，则其炼之至精，然后可用以铸焉。”n天工开物卷七：n“凡砖成坯之后，装入窑中。所装百钧，则火力火力一昼夜；二百钧，则（火力）倍时而足。凡烧砖有柴薪窑，有煤炭窑。用薪者，出火成青黑色；用煤者，出火成白色。凡柴薪窑，巅上偏侧凿三孔，以出烟火。足止薪之候，泥固塞其孔。然后使水转锈。凡火候，少一两则锈色不光；少三两则名嫩火砖，本色杂现，他日经霜冒雪，则立成解散，仍还土质。火候火候多一两，则砖面有裂纹；