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第17章 对物质三态变化的研究

物质有固态、液态、气态三种状态,温度的变化能使三态之间相互变换。在这方面,我国古代获得了丰富的知识。

古代炼丹家通过自己的实践,在物质三态方面积累了很多知识。另外,人们对在日常生活中水、冰、水气,以及自然界中雨雪露霜等现象也作出某种解释。

据记载,炼丹有“火法”和“水法”。“火法”包括:“煅”,即长时间的高温加热;“炼”,即干燥物质的加热;“炙”,即局部烘烤;“熔”,即加热熔解;“抽”,即蒸馏;“飞”,即升华;“伏”即加热使药物变性。

“水法”包括:“化”,即溶解;“淋”,即用水溶解固体物质的一部分;“封”即封闭反应物质长时间地静置;“煮”,即物质在大量的水中加热;“熬”,即有水的长时间高温加热;“养”,即长时间的低温加热;“浇”,即倾出溶液,让它冷却;“渍”,即用冷水从容器外部降温。此外还有“酿”、“点”以及过滤、再结晶等方法。

在这么多过程中,物质状态有各种各样的变化,必然要积累大量的知识。在日常生活中,最常见的物态变化,是水、冰、水气三者之间的变化。对于气、水之间的变换,远在先秦的《庄子》、《礼记》等书已有“积水上腾”、“下水上腾”等说法。

“上腾”指的是水的蒸发,即气化。对于水气凝结成水的过程也是十分注意的。自从春秋战国以来,和“阳燧取火于日”,相配对的有所谓“方诸取水于月”。

“方诸”有不同的说法,有说是“大蛤”,有说是铜盘,有说是方解石,总之是一个对水不浸润的物体,夜晚把它放在露天,结上露水。

为什么说要“方诸取水于月”,大概是因为既是有月,必是无云,地表没有隔热层,热量易于发散,气温容易下降,到了露点之下,可以得到露水。

这样取得的露水,叫做“明水”,据说有神奇的功效,汉武帝很喜欢饮用这种水,并名之为“甘露”。

这个“方诸取水”在古代是十分郑重的事,所以人们要进行研究,从中得到不少关于凝结方面的知识。

晋代张华的《博物志》记载了一个有关气化的实验:油水混合物在受热过程中,由于沸点不同,水先沸腾,犹如冒烟,当水气化完毕,则无烟。加热停止,油不再沸腾,此时如加水,由于油温尚高,水即急极气化,又见焰起;气化完毕,也就“散卒而灭”了。

张华对这个过程观察得很仔细,记载得也很具体,并说曾“试之有验”,肯花工夫动手实验,难能可贵。当然,记录中错误地把上升的水汽、烟、焰三者混淆,又说油温下降时“可内手搅之”,也未免有些夸张。

至于冰、水之间的融解、凝固,更是人们常见的。《考工记》就指出:水有时以凝,有时以泽,这是自然现象。这一观点把温度高低与状态变化联系起来。从上述这些记载中我们能够发现,古人无疑获得了许多物态变化的知识。而有了这方面的知识,就无怪乎能对雨雪露霜等现象作出某种解释。雨雪的形成,是很有代表性的物态变化过程:地面上的水,蒸发而为水气,升到高空积而为云,当温度下降而又有了凝聚核心的时候,就会凝结为水滴;达到一定重量时,下降而为雨;如温度低至零度以下,再加其他气象条件,则凝为固态的雪或霰、雹等。我国古代劳动人民对这个过程有过某些探索。例如,汉代董仲舒解释雨、霰、雪的成因时说:阴气之水受阳气之日光的照射,蒸发上升,处于“若有若无、若实若虚”之状。接着指出,雨、雪、霰就是水汽遇冷在不同条件下凝结而成。这些解释虽然也有错误的地方,但总的说来,是根据温度的升降而引起物态变化的道理,大方向是正确的。在这一段叙述中,把蒸发、液化、凝固三种过程都说上了,确实是很有意义的。

后来,唐代的丘光庭和宋代的朱熹,都用煮饭作比喻,说明雨的成因。朱熹所说的大意是:雨的形成,就好像煮饭时,水凝结在盖子上,落下来便是水滴,相当于雨。

这个说明不但很具体生动,而且也很大胆,居然敢把某些人视为上帝旨意的现象,比作为煮饭。这也说明朱熹确实对于气化、液化这些过程有较深刻的了解。

露与霜的成因,又有不同。地面上的空气中含有水汽,当水汽的含量达到饱和时就会凝结出水滴来,这就是露;如果地表气温低至零摄氏度或零度以下,则水汽直接凝结为固体,即为霜。所以露与霜,都是在地面空气中直接形成的,并不是从高空下降的。

远在周代《诗经》里,就有“白露为霜”的诗句,说明当时人们已经认识到霜就是固态的露。东汉时期大文学家蔡邕曾明白地指出:“露,阴液也。释为露,凝为霜。”《五经通义》更直接地说霜是“寒气”凝结出来的,是从地面上来,并非从天空下降的。

关于这一点,朱熹也曾指出,古代的人说露凝结而为霜,现在观察下来,那是确实的。但程颐说不是,不知什么道理。古人又说露是“星月之气”,那是不对的。高山顶上天气虽然晴朗也没有露,露是从地面蒸发上来的。

看来,朱熹对别人讲过的话,既不一概是之,也不一概非之,而是根据自己的观察,摆事实,讲道理,这是科学的、实事求是的态度。

正因为人们懂得了霜的成因,所以也就有办法对付它。

南北朝时期的贾思勰在《齐民要术》一书中总结了许多科学知识,其中就有关于防止霜冻的办法:“天雨新晴,北风寒彻,是夜必有霜。此时放火作煴,少得烟气,则免于霜矣。”

这几句话很切合物态变化的道理。天雨刚晴,地面空气湿度必大。入夜后地面热量发散,温度降低,又遇冷风,气温易低至零摄氏度以下,空气中的水汽即凝为固态的霜。

如在田野上烧些柴草,一则发热提高气温;二则使地面蒙上一层烟尘,可以隔热,不使地面热量发散,保证温度不至降至零度以下,那就不会有霜了。这种行之有效的防霜办法,为历代广大农村所沿用。

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