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  热胀冷缩与物态变化【点击数:


  热胀冷缩现象在古代得到很好的应用。古代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,古代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;而古代人从中发现寒温之变会使物体“变节”,这与热胀冷缩的道理也是一致的。

  据《华阳国志》载,在战国末、秦统一中国之前,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,钻斧工具无可奈何。李冰想出一个办法: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〔xu许〕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〔che彻〕裂,因镌〔juan娟〕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”,“烧爆法”(《物理小识》卷七)。

  古代名门权贵,腰间常佩带辘轳剑,剑柄玉制。所谓辘轳,是两块球形玉相套合而成,外形似“吕”字,“环口中间,似辘轳旋转,无分毫隙缝”。古人如何将一个球形玉的轴塞进另一个的孔洞中? 原来是,将带孔洞的球蒸煮加热,然后将另一球的轴塞入孔洞。元代陶宗仪经过实验之后,得“煮之胖胀”的科学结论。(陶宗仪:《南村辍耕录》卷二三)“胖胀”与膨胀是同一个意思。

  但是,在蒸煮加温过程中,如果温度足够高,某些物质的状态就会发生变化。

  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》)。“云雾,雨之徵也。夏则为露,冬则为霜,温则为雨,寒则为雪”(《论衡·说日篇》)。在日常生活、煮水做饭中,人们更经常地观察到水与汽两相之间的变化。水与冰两相间的变化使人们正确地作出其间温度不同的结论:“冰,水为之,而寒于水。”(《荀子·劝学》)“冰生于水而冷于水。”(《刘子·精神》)

  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、煅烧、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(公元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。

  在长期煮水泡茶的生活实践中,人们对于水的沸腾现象有仔细的观察记载。在水未沸腾时,无气泡出现,称为“盲眼”;水初开时水泡像“蟹眼”那么大,然后像“鱼眼”那么大;最后水泡翻滚跳跃(蔡襄:《茶录》上篇)。其实,古代人观察到水随温度升高而递次沸腾的现象。

  沸腾是状态变化的一种形式,蒸发则是这种变化的另一形式。明代庄元臣说:“置水于室,弗动弗易,久而水减寸焉。”(《叔苴子·内篇》卷一)这正是水在常温常压下的蒸发现象。古代人酷爱砚石,好砚石加上贵重砚匣,可谓文房四宝中珍品。因为好砚盒“复之以匣,数日墨色不干。经夜,即其气上下蒸濡,着于匣中,有如雨露”。“墨气蒸,上腾其墨,乃著盖上。久之,盖上之墨复滴砚中”(陆游:《老学庵笔记》卷八)。这样,墨水经久不干。这种现象是由于墨水的蒸发,以及在密闭容器(墨盒)中过饱和的蒸气凝结成水的缘故。


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