中国古代物理学-热胀冷缩与物态变化

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。