古代測溫方法和器具及其應(yīng)用,物理教學(xué)論文

古代測溫方法和器具及其應(yīng)用,物理教學(xué)論文摘要：中國古人對熱現(xiàn)象具有豐富的觀察經(jīng)歷體驗(yàn),基于日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐的需要,構(gòu)成了獨(dú)特的測溫方式方法和技術(shù)。本文通過對文獻(xiàn)和文物的考察,從方式方法和器具兩個(gè)角度初步整理了中國古代具有代表性的測溫方式方法和技術(shù),并對華而不實(shí)的物理道理進(jìn)行了解析。本文關(guān)鍵詞語：古代測溫;火候;溫度;火照;溫度是熱學(xué)的核心概念,是表示物體冷熱程度的物理量?？v觀整個(gè)測溫學(xué)發(fā)展史,最早的測溫儀器是伽利略于1593年發(fā)明的壓力溫度計(jì)。西方先后出現(xiàn)了水、酒精、水銀等作為測溫物質(zhì)的溫度計(jì),還出現(xiàn)了根據(jù)電阻、電動(dòng)勢、金屬片彎曲程度等隨溫度變化而變化的性質(zhì)研制的溫度計(jì),如電阻溫度計(jì)、溫差電偶和指針式溫度計(jì)等,構(gòu)成了華氏、列氏、攝氏、開爾文等溫標(biāo)。據(jù)文獻(xiàn)記載和出土文物顯示,中國古代也存在一些利用物質(zhì)隨溫度變化而變化的性質(zhì)來區(qū)分不同溫度的方式方法與技術(shù)。本文通過對文獻(xiàn)和文物的考察,初步整理了中國古代具有代表性的測溫方式方法和技術(shù)。1、古代測溫方式方法及其應(yīng)用中國古人在感悟外界溫度、事物冷暖這方面擅長運(yùn)用各種人體器官靈敏的感悟能力體察。天階夜色涼如水春江水暖鴨先知,這些大量膾炙人口的詩文充分反映了古人通過觀察事物的外在表現(xiàn)來判定冷暖變化和環(huán)境溫度的高低。在這里基礎(chǔ)上,中國古代還構(gòu)成了運(yùn)用感官系統(tǒng)來精到準(zhǔn)確度量物體溫度的方式方法,如火候觀察法和人體感受法。1.1、火候觀察法中國古代有關(guān)火焰顏色與溫度關(guān)系的記載不勝枚舉。先秦時(shí)期,墨家在(墨經(jīng)經(jīng)下〕篇中就有熾熱,講在燉,(墨經(jīng)經(jīng)下〕篇中有火,謂熾熱也,非似火之熱我手,若視日[1]。此文中燉是指火焰的顏色。能夠看出,墨家以為熾熱不熱不是感受燙不燙手,而是觀察火焰的顏色,比方太陽很熱卻不燙手。根據(jù)火焰的顏色判定物體的溫度具有一定的科學(xué)性,避免了人的冷熱感受因距離熱源遠(yuǎn)近不同而造成主觀判定的偏差。后來,古人在實(shí)踐中逐步構(gòu)成了一種獨(dú)特的測溫方式方法火候觀察法。中國歷代工匠均擅長用火焰顏色來表示溫度的高低。成書于戰(zhàn)國時(shí)期的(考工記〕中便有這方面的具體記載,凡鑄金之狀,金與錫,黑濁之氣竭,黃白次之;黃白之氣竭,青氣次之;青白之氣竭,青氣次之,然后可鑄也[2]。此文是指在冶煉銅礦和錫礦時(shí),爐膛中火焰的顏色依次呈現(xiàn)出黑濁黃白青白三種火焰顏色,三種顏色分別對應(yīng)正在燃燒的物質(zhì)是雜質(zhì)、錫和硫、青銅合金,且溫度處于低溫、較高溫、高溫?；鹧娉尸F(xiàn)青白色時(shí),銅錫已成為青銅合金,溫度已經(jīng)到達(dá)要求,方可開爐鑄造。成語爐火純青正是由此引申出來的。據(jù)史料記載,火候一詞最早出如今唐代。段成式在(酉陽雜俎〕的酒食篇中記述,貞元中,有一將軍家出飯食,每講物無不堪吃,惟在火候,善均五味[3];白居易也在(天壇峰下贈(zèng)杜錄事〕中寫道,河車九轉(zhuǎn)宜精煉,火候三年在好看。他日藥成分一粒,與君先去掃天壇[4]。這兩條詩文都出現(xiàn)了火候一詞,前者是指烹飪時(shí)火力的強(qiáng)弱和時(shí)間的長短,后者指煉丹時(shí)火力的強(qiáng)弱和時(shí)間的長短。唐人在運(yùn)用火候量度溫度高低時(shí),語義極為形象。華而不實(shí),火指火焰,候指等候?；鹆Φ膹?qiáng)弱和時(shí)間的長短就是對溫度和時(shí)間的把握,在一定范圍內(nèi),火與候成反比,到達(dá)一樣狀態(tài)時(shí)溫度越高所需要的時(shí)間越短。但在烹飪和煉丹時(shí),時(shí)間和溫度都是特定的,并不是知足反比例函數(shù)就行,所以火候的把控,就是對溫度和時(shí)間的計(jì)量。因而,火候可視為古人對溫度的一種計(jì)量方式方法。這種火候觀察法后來被煉丹家和藥物學(xué)家繼承并發(fā)展。南北朝時(shí)期,煉丹家和醫(yī)學(xué)家陶弘景在(本草經(jīng)集注〕中寫道,以火燒之,紫青煙起,云是真硝石也[5]。文中的真硝石就是我們?nèi)缃癯Ｖv的硝酸鉀。這便是關(guān)于焰色反響的最早記載了。陶弘景還在(名醫(yī)別錄〕中提到樸硝,即硫酸鈉,其焰純黃。而后德國人馬格拉夫,在1762年才發(fā)現(xiàn)鈉鹽和鉀鹽能夠分別使火焰著上具有各自特征的焰色。自此,利用焰色反響鑒別鉀、鈉鹽就成為常用手段了。同時(shí),在近代物理學(xué)中,不同的物質(zhì)有不同特征的火焰及其所對應(yīng)的不同溫度,這是近代光譜學(xué)中鑒定物質(zhì)的方式方法之一,與火候觀察法有著莫大的聯(lián)絡(luò)。此后,唐代陳少微在(九還金丹妙訣〕中,清代檀萃在(滇海虞衡志〕中都有關(guān)于火焰顏色的記載。這些記載能夠表示清楚古人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到火焰顏色確實(shí)反映了一些有用的信息并進(jìn)行了記錄和運(yùn)用。例如,在燒窯、煉丹中,工匠們根據(jù)火焰的顏色來鑒別物質(zhì),表示溫度。明代宋應(yīng)星在(天工開物陶〕中提到名詞火力火色火候觀火候法[6],具體表現(xiàn)出出燒窯經(jīng)過中火候觀察法以及把握火候的重要性。固然火候觀察法更多的是工匠們的經(jīng)歷體驗(yàn)總結(jié),沒有能夠?qū)懗晒降膶?yīng)關(guān)系和參照表。但在北宋張君房(云笈七簽〕卷六十八中就有汞則用黑鉛一斤,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)燒抽,火候依前一訣[7],華而不實(shí)一訣是古人對火候總結(jié)出的一種計(jì)量,訣則類似于一種單位。由此可見,古人對于火候觀察法已經(jīng)有了一定程度上的定量描繪敘述。但在實(shí)際操作時(shí)無論再精細(xì)的釉彩、丹藥,對于溫度的要求都只是一個(gè)溫度區(qū)間而并非一個(gè)溫度數(shù)值,故而古人們不需要進(jìn)一步去計(jì)量某個(gè)詳細(xì)的溫度數(shù)值,已有的火候觀察法就已經(jīng)能知足生產(chǎn)實(shí)踐的要求。所以,即便現(xiàn)如今已有先進(jìn)精準(zhǔn)的高溫測量技術(shù),在燒窯時(shí),工匠的火候觀察法仍然是廣泛應(yīng)用、無法完全替代的測溫方式方法。1.2、人體感受法由于火焰顏色與溫度之間穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系,古人基于火候觀察法得到的溫度判定往往沒有太大的誤差。然而,這種方式方法的缺乏之處在于只適用于高溫,并且需有火焰產(chǎn)生,所以即便火候觀察法能夠被廣泛應(yīng)用,卻缺乏以解決所有的生產(chǎn)實(shí)踐問題。而常溫時(shí)確實(shí)也有一個(gè)穩(wěn)定的溫標(biāo),這便是人的體溫。人的體溫是指人身體內(nèi)部的溫度。作為恒溫動(dòng)物的人類,機(jī)體產(chǎn)熱量和散熱量始終保持在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài),使得體溫相對恒定。當(dāng)代醫(yī)學(xué)顯示正常人的口腔溫度為36.7～37.7℃,平均在37.2℃;腋窩溫度為36.0～37.4℃,平均在36.8℃?？梢?體溫也具有穩(wěn)定性。古人也認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn),由此衍生出一些基于體溫的溫度描繪敘述,如寒、冷、涼、溫、熱、燙等。固然用體溫衡量溫度夾雜著個(gè)體的主觀感受,但由于不同個(gè)體間高度統(tǒng)一的體溫?cái)?shù)值,古人還將人體感受法應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中,包括制奶酪、制豆豉、養(yǎng)蠶、茶葉的加工、犀粉的制作等。由此可見,人體感受法在古代的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的運(yùn)用,并獲得了不定期的成果。北魏賈思勰在(齊民要術(shù)〕中指出了游牧民族制作奶酪的溫度,小暖于人體,為適宜宜。賈思勰還在(齊民要術(shù)〕中第一次記錄了制作豆豉的技法。豆豉是中國傳統(tǒng)特色發(fā)酵豆制品調(diào)味料,需利用毛霉、曲霉或者細(xì)菌蛋白酶的作用分解大豆蛋白質(zhì)。眾所周知,生物酶的活性與溫度息息相關(guān),所以溫度的把控就成了制作豆豉的關(guān)鍵。(齊民要術(shù)〕也記載了制作經(jīng)過中溫度的控制方式方法,大率常欲令溫如腋下為佳,以手刺堆中候,看如腋下暖,大致是指豆子的溫度與人腋下溫度近似即可。現(xiàn)如今醫(yī)學(xué)上測量人體溫度仍采用腋下溫度,由于其最為穩(wěn)定。而古人也認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)并應(yīng)用到豆豉的制作中,后經(jīng)不斷發(fā)展傳到海外成為中國的一項(xiàng)文化輸出。宋朝的陳旉在(農(nóng)書〕中記載了培育蠶種的水溫,調(diào)溫水浴之,水不可冷,亦不可熱,但如人體斯可矣。元代王禎在(王禎農(nóng)書〕中也有記載,需著單衣,以為體測:自覺身寒,則蠶必寒,使添熟火;自覺身熱,蠶亦必?zé)?約量去火。宋代蔡襄在(茶錄〕中記載了炒茶時(shí)的溫度,珍藏之家,以蒻葉封裹,入焙中兩三日,一次用火常如人體溫,溫則御濕潤,若火多則茶焦不可食。這些都是體溫判溫法的應(yīng)用與文獻(xiàn)記載。宋代歐陽修在(歸田錄〕中有記載,翡翠屑金,人氣粉犀,此二物,則世人未知者。人氣粉犀大致意思是人的體溫可使犀牛角成粉。在(名醫(yī)別錄〕(雷公炮炙論〕(藥性論〕(本草綱目〕等醫(yī)學(xué)著作中都記載了犀牛角入藥的成效,但犀牛角從皮膚中長出來,質(zhì)地很硬,難以碾成粉末。歐陽修在(歸田錄〕中記載了一位名為元達(dá)的僧人發(fā)現(xiàn)了犀角的一個(gè)特性,即在犀牛角處于體溫時(shí)極易粉碎。后來明代李時(shí)珍曾指出唐朝李詢也記載過犀角的這一物理性質(zhì)。李珣曰:凡犀角鋸成,當(dāng)以薄紙裹于懷中蒸燥,乘熱搗之,應(yīng)手如粉。[8]我們不爭先后,總之人氣粉犀定稱得上是古人對體溫一個(gè)應(yīng)用。上述以人體體溫,尤其是腋下溫度作為溫標(biāo)去感受其他物體溫度的方式方法,有極其廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)和可操作性,并且收獲了良好的成效。在對于熱與溫度沒有清楚明晰認(rèn)識(shí)的古代,用體溫這一恒定的溫度值去衡量、比擬物體溫度的適宜與否,無疑是一種合理的、實(shí)用的測溫方式方法。2、古代測溫器具及其運(yùn)用中國古人不知足于通過感覺得知實(shí)物冷暖和外界溫度,還選擇運(yùn)用客觀實(shí)物的變化規(guī)律來表示溫度,于是出現(xiàn)了一些詳細(xì)的器物。這些器物有的作為文物經(jīng)考古發(fā)現(xiàn)后重見天日,有的記載于文獻(xiàn)典籍中流傳至今。通過解讀這些證據(jù),能夠得知中國古代確實(shí)存在或制備了一些運(yùn)用實(shí)物的性質(zhì)來判定溫度的器具。2.1、火照中國作為一個(gè)瓷器大國,從新石器時(shí)代到宋、元、明、清,不同時(shí)期有著很多不同的、完備的燒窯工藝,流傳下很多不同風(fēng)格、種類的陶瓷,各種類又需要不同的溫度區(qū)間進(jìn)行燒制。由此看來,中國古代瓷器能到達(dá)震驚世界的高峰,定離不開工匠們對于燒窯溫度的精準(zhǔn)把控,比方火候觀察法,比方火照。火照最遲在唐朝已被創(chuàng)造,火照一詞最早出如今宋代蔣祈的(陶記〕中,火事將畢,器不可度,探坯窯眼,以驗(yàn)生熟,則有火照。后清朝藍(lán)浦在(景德鎮(zhèn)陶錄〕卷一中也有記載,有試照者,熟則止火,卷四中記載蓋坯器入窯,火候生熟,究不可定,因取破坯一大片,中挖一圓孔,置窯眼內(nèi),用鉤探驗(yàn)生熟。若坯片孔內(nèi)皆熟,則窯漸陶成,然后可歇火[9]。所以,火照是燒窯時(shí)用來測定窯內(nèi)溫度和燒制程度的一種工具,多用碗盞類器皿坯體的口腹殘片制成,形狀各樣,但大都有一個(gè)孔。在燒窯經(jīng)過中,將待燒制的物件與多枚火照置于同等環(huán)境中,在燒制經(jīng)過中,不時(shí)勾出一枚火照便可根據(jù)火照的燒制情況實(shí)時(shí)把握窯內(nèi)的情況。某種程度上能夠算是一種溫度反映裝置。根據(jù)眾多的考古發(fā)現(xiàn),歷朝歷代對火照有很多種稱呼,如試片火標(biāo)照子試火器等,現(xiàn)大多通俗地稱為測溫瓷片?；鹫罩谱骱唵?對瓷器的燒制卻起著不可忽視的作用。它不僅廣泛應(yīng)用于中國古代的各種窯口,為我們國家瓷器的發(fā)展作出了奉獻(xiàn),還漂洋過海,促進(jìn)了日、韓燒窯技術(shù)的發(fā)展。2.2、瓶中水中國的用冰史可追溯到商朝,華夏民族起源于黃河流域,夏日黃河附近溫度較高,據(jù)考古學(xué)證據(jù)表示清楚,商朝黃河流域的年平均氣溫比如今高大約3℃[10]。據(jù)記載,商朝人通過吃冰來解暑,當(dāng)時(shí)的冰是由冬日收集,儲(chǔ)存到夏日使用。到了周時(shí)出現(xiàn)了冰鑒,不僅能儲(chǔ)冰,還能保鮮食物。到唐宋,人們已經(jīng)利用冰加工成食物和飲品了。由此可見,古人早早地意識(shí)到水的低溫形態(tài)冰,并且認(rèn)識(shí)到冰在低溫下構(gòu)成,并且有降低周圍物體溫度的作用。在這里基礎(chǔ)上,古人已經(jīng)能夠通過水形態(tài)的改變來獲得環(huán)境溫度變化的信息,與伽利略溫度計(jì)通過氣體體積的改變來獲得環(huán)境溫度變化的信息這一原理類似。(呂氏春秋〕中有記載,見瓶水之冰而知天下之寒[11]。(淮南子〕中有類似記載,見瓶中之水,而知天下之寒暑。(淮南子〕還有記載:以小明大,見一葉落而知?dú)q之將暮;睹瓶中之冰,而知天下之寒[12]?，F(xiàn)如今,冬日里看見路面結(jié)冰,便斷定溫度已經(jīng)零下,用的是一樣的斷定方式方法,都是見小知大。古人不僅根據(jù)水能否結(jié)冰和冰能否融化來判定溫度能否到達(dá)零下或回升零上,還根據(jù)瓶中水的蒸發(fā)速度來判定氣溫的變化速度。因而,瓶中之水完全能夠作為比擬粗略的溫度顯示裝置,但有沒有大規(guī)模地被應(yīng)用還有待進(jìn)一步考證。3、結(jié)論中國古代煉丹、燒窯等生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng),由于很少關(guān)注測量結(jié)果的數(shù)值化表示出,而沒有能構(gòu)成嚴(yán)格的、可廣泛應(yīng)用的精致細(xì)密測溫儀器,也尚未構(gòu)成嚴(yán)格的溫標(biāo)。然而,中國古代的測溫方式方法與技術(shù)具有本身獨(dú)特的優(yōu)勢,不僅簡單易行,而且實(shí)用性強(qiáng)。人對氣候、外界溫度的感悟,以及燒窯、煉丹等生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)都離不開對熱的體驗(yàn)。在中國古代針對不同的實(shí)踐需要使用不同的測溫方式方法,并根據(jù)不同的待測溫度區(qū)間選擇不同的參照標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩碇v,古人逐步總結(jié)了火候觀察法體溫判溫法等行之有效的測溫方式方法,并構(gòu)成了火照瓶中水兩種測溫器具,華而不實(shí)包含了樸素的熱學(xué)思想。中國古代,工匠們在燒窯、煉丹等活動(dòng)中總結(jié)出了測溫技術(shù)方式方法火候觀察法,構(gòu)成了樸素的測溫器具火照,主要通過觀察火焰顏色和火照熱學(xué)性狀等來反映物體溫度的高低。用這種方式方法衡量高溫,雖不能精到準(zhǔn)確量化溫度,但能知足燒窯、煉丹活動(dòng)的需要。同時(shí),中國古人在生活實(shí)踐中構(gòu)成了人體感受法感悟日常環(huán)境溫度,主要利用人體神經(jīng)系統(tǒng)對外界冷熱的感受斷定溫度高低,固然此法并沒有定義何為溫度,但通過對溫度差異的感悟足夠判定外界能否處于需要的溫度。古人觀測氣候時(shí)參考瓶中水,利用其狀態(tài)隨溫度變化而變化這一性質(zhì)來斷定低溫,固然應(yīng)用不廣泛,但確實(shí)提供了一些重要的氣候變化信息。這些都是利用一些物質(zhì)隨溫度變化而變化的性質(zhì)來區(qū)分不同溫度的方式方法與器物,與如今公認(rèn)的溫度計(jì)殊途同歸。