中國(guó)古代熱力發(fā)展簡(jiǎn)史

艾琳，劉志榮

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

人類(lèi)從洪荒蒙昧、野蠻無(wú)知，一路進(jìn)化到文明社會(huì)，期間經(jīng)歷了狩獵采集向農(nóng)耕、游牧再向工業(yè)時(shí)代的轉(zhuǎn)化。在漫長(zhǎng)的歷史歲月中，人類(lèi)的每一次跨越、每一次進(jìn)步，都有一只強(qiáng)勁的命運(yùn)之手——熱力(熱力作為一門(mén)學(xué)科，主要涉及與熱能相關(guān)的機(jī)械和電力系統(tǒng)等內(nèi)容。在本文中，“熱力”泛指關(guān)于熱與能量的性質(zhì)認(rèn)識(shí)與利用。)，在不斷引導(dǎo)著人類(lèi)前進(jìn)的軌跡，在啟迪、激蕩著人類(lèi)參悟科技的玄機(jī)。熱力與人類(lèi)文明進(jìn)步休戚相關(guān)，它直接促使人類(lèi)從石器時(shí)代進(jìn)入到青銅文明，又從鐵器時(shí)代逐漸推入信息文明。這中間，熱力貫穿于整個(gè)人類(lèi)歷史，是人類(lèi)發(fā)展歷史的見(jiàn)證。

作為科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)者與從業(yè)者，我們也需要回溯一下處于中華大地上不同的文明在茫茫歷史長(zhǎng)河中不斷與熱力的探索、交鋒，從中了解古人的智慧，并以舊日的成就為根基，用全新的創(chuàng)造力迎接未來(lái)。

1 石器時(shí)代

標(biāo)志：打制石器

時(shí)間：距今約300萬(wàn)年–距今約4000年

“熱是人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)的一種自然力，是地球上一切生命的源泉?！?/p>

——恩格斯

人類(lèi)還是人猿之時(shí)，就懂得選擇山洞為居所，除了安全，山洞避風(fēng)抗寒也是一個(gè)巨大的因素。其時(shí)人猿身上還有毛發(fā)御寒，但隨著人類(lèi)的遷移和進(jìn)化，毛發(fā)逐漸退化了，人類(lèi)開(kāi)始需要保持體溫，樹(shù)葉樹(shù)枝制成的樹(shù)葉衣以及用獸皮簡(jiǎn)單加工后的獸皮衣應(yīng)運(yùn)而生。

鉆木取火的發(fā)明意味著人類(lèi)第一次控制熱力[1]，不僅可以用它御寒、驅(qū)逐猛獸，還吃上了熟食，為人類(lèi)文明揭開(kāi)了新的一頁(yè)。嘗到甜頭的人類(lèi)在熱的探索和改進(jìn)上從此一去不復(fù)返。古人們發(fā)明了用樹(shù)枝沾上動(dòng)物油脂制成的簡(jiǎn)易火把，讓夜晚不再只有黑暗；學(xué)會(huì)了加熱巖石，再潑冷水讓它爆裂，從而制造出石刀、石斧、石鏟、石鐮等農(nóng)業(yè)工具，刀耕火種順勢(shì)而生；古人們還能利用數(shù)百度的高溫?zé)埔恍┖?jiǎn)單的生活陶器，極大地改善了人們的生活。彼時(shí)還發(fā)明了堆燒法燒制木炭。所謂炭，乃是木質(zhì)原料經(jīng)不完全燃燒或于隔絕空氣的條件下，熱解后所余之深褐色或黑色燃料。炭比木柴好燒，但制作時(shí)薪材受熱的溫度、時(shí)間及氧氣等炭化條件不易掌握，故所燒出之炭相對(duì)量少且質(zhì)地較差。堆燒法制炭為后來(lái)冶銅事業(yè)的發(fā)展打下了一個(gè)良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

我們知道城市的出現(xiàn)是人類(lèi)進(jìn)入文明社會(huì)的標(biāo)志之一，要建造城市和高大的房屋，就需要有建筑材料。一般燒制紅磚900 °C就夠了，而質(zhì)量較次的早期磚頭600–700 °C即可。因?yàn)橛兄铺占夹g(shù)儲(chǔ)備，早期的紅磚和瓦在石器時(shí)代就已經(jīng)問(wèn)世了。大量的考古成果表明，中國(guó)是世界上最早發(fā)明磚瓦的國(guó)家[2]。目前我們國(guó)內(nèi)還珍藏著5500年前的“紅燒陶塊”(安徽省考古所) (圖1a)、約5000年前的現(xiàn)代形體概念上的“燒結(jié)土坯磚”(浙江省考古所及良渚文化遺址)、4100年前用還原法燒制的青灰色“陶板磚”(國(guó)家考古所及山西襄汾陶寺遺址)、3900年前的燒結(jié)屋面瓦(鄭州商城遺址)。磚瓦的發(fā)明，是人類(lèi)建筑史上一個(gè)巨大的進(jìn)步，也是熱力的又一個(gè)偉大奇跡！從而變草苫泥壘磚為磚木結(jié)構(gòu)，人類(lèi)的居住條件自此產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

2 青銅時(shí)代

標(biāo)志：青銅器

時(shí)間：公元前4000年至公元初年

銅原本以化合態(tài)“隱身”于孔雀石中，或許是古人偶然用其砌成爐灶，添了把柴火，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從石灶中產(chǎn)生了最早的金屬銅。是否如此發(fā)現(xiàn)的銅也未可知?？傊藗儚男率鲿r(shí)代晚期的采石中發(fā)現(xiàn)某些顏色醒目的“巖石”(天然金屬及其礦石)可以燒熔改鑄后，加上人們燒陶所發(fā)展起來(lái)的高溫技術(shù)，同時(shí)對(duì)炭的性能逐漸熟悉，為銅的冶煉、熔鑄、鍛打創(chuàng)造了條件，冶金技術(shù)的出爐便水到渠成了?？脊沤缭谘錾匕l(fā)現(xiàn)了冶煉銅器的遺跡，可推斷出中國(guó)最早的冶銅器應(yīng)是仰韶晚期的制品，距今約六千年左右,這也標(biāo)志著中國(guó)冶金業(yè)的誕生。但仰韶時(shí)的冶銅制品數(shù)量甚少，銅的熔點(diǎn)也不是很高(約為1083 °C)，而青銅合金的熔點(diǎn)更低，彼時(shí)工匠們僅用堆燒法制炭即可滿(mǎn)足少量冶銅業(yè)的燃料需求。

燃料在冶金中占有特殊的地位，炭(圖1b)既是一種發(fā)熱劑，也是一種還原劑。隨著商周對(duì)青銅器的大量需求，工匠們需求高溫高熱的燃料，對(duì)木炭的量與質(zhì)的要求亦隨之提高，堆燒法制炭已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了供給，這就必然會(huì)引起燒炭技術(shù)以及管理的相應(yīng)變革，變革的結(jié)果就是窖燒炭的出現(xiàn)?！吨芏Y·地官》即云[3]：“掌炭：掌灰物、炭物之征令，以時(shí)人之?！庇锰扛G作炭、燒炭在當(dāng)時(shí)已成為專(zhuān)門(mén)的職業(yè)，有專(zhuān)人從事，并專(zhuān)設(shè)掌管燒炭的官職。這種用炭窯燒取的炭，才是真正意義上的合格的木炭?？梢哉f(shuō)，中國(guó)真正成熟的制炭技術(shù)至遲可上溯至商周之際，也因此，冶銅鑄造業(yè)才得以輝煌于商周時(shí)期。

金屬工匠們是古代最“勇武”、最有技術(shù)含量的職業(yè)之一。干這一行不僅需要力氣，還需要有許多“學(xué)問(wèn)”和經(jīng)驗(yàn)，比如選料、下料、加熱的火候、錘打的技巧等，無(wú)一不是他們對(duì)熱能的利用和理解。他們僅憑手中的鐵錘和火鉗就可以制作出各式各樣精美的食器、酒器、水器、樂(lè)器等銅器，青銅鑄造的刀、槍、鉞等兵器也紛紛在炭火中誕生，部落之間的戰(zhàn)爭(zhēng)武器由原始的弓箭、石、骨、蚌、竹、木等進(jìn)入到了更加殘酷的冷兵器時(shí)代。青銅鑄幣逐漸代替了貝幣，而神仙方士的煉丹術(shù)也伴隨著窯燒炭的出現(xiàn)而悄悄萌芽。隨著青銅鑄造業(yè)的繁榮，中國(guó)已然形成了人類(lèi)古代文明的中心之一，而其中，熱力技術(shù)的發(fā)展功不可沒(méi)。

圖1 中國(guó)古代熱力發(fā)展的若干例子

3 鐵器時(shí)代

標(biāo)志：鐵器

時(shí)間：公元前1400年

從野蠻進(jìn)入到文明時(shí)代的今天，人類(lèi)才走過(guò)了萬(wàn)把年歷史。但恰恰就是這萬(wàn)把年歷史所創(chuàng)造的輝煌，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人類(lèi)之前數(shù)百萬(wàn)年間創(chuàng)造的所有成果之總和，其頂頂關(guān)鍵的原因就是發(fā)明了冶鐵。

3.1 煤與鼓風(fēng)機(jī)具

鐵器時(shí)代是指人們開(kāi)始使用鐵來(lái)制造工具和武器的時(shí)代。1972年在石家莊藁城臺(tái)西商代遺址中發(fā)現(xiàn)的鐵礦石和鐵礦渣，證明在3千多年前的先輩已掌握了冶鐵技術(shù)，為世界最早的鐵礦渣。但這些人類(lèi)早期煉得的熟鐵通常叫塊煉鐵，它是鐵礦石在800到1000 °C左右的條件下，用木炭直接還原得到的，生產(chǎn)時(shí)因?yàn)闇囟鹊投纬刹涣艘簯B(tài)，煉成后的鐵疙瘩凝固在爐壁，必須破壞爐膛才能取出，完全不能連續(xù)生產(chǎn)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而且雜質(zhì)又多，質(zhì)柔不堅(jiān)。種種缺點(diǎn)，注定塊煉鐵不可能大量推廣。冶煉時(shí)要想獲得液態(tài)鐵，首先需要解決高溫熔化問(wèn)題。但在彼時(shí)，要想獲得高溫是很困難的，必須找到一種能比木炭燃燒時(shí)所放出的熱量更大的燃料。再者，木炭資源有限，即便有炭窯作炭，仍然滿(mǎn)足不了冶金業(yè)對(duì)量的需求。

幸運(yùn)的是，公元前一世紀(jì)，中國(guó)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了煤并應(yīng)用于煉銅?！渡胶＝?jīng)·五藏山經(jīng)》[4]說(shuō)，“女床之山”“女幾之山”“其陽(yáng)多赤銅，其陰多石涅”?！笆本褪敲?。女床之山在今陜西，女幾之山在今四川，說(shuō)明當(dāng)時(shí)這些地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了煤，這是我國(guó)關(guān)于煤的最早記載。

其時(shí)煤已成為一種重要的熱能產(chǎn)品(圖1c)，它能持久燃燒，且比木炭放出的熱量更大，但普通煤炭的火焰溫度在沒(méi)有風(fēng)箱幫助的情況下很難達(dá)到鐵的熔點(diǎn)(1535 °C)。工匠們想到了利用鼓風(fēng)技術(shù)。鼓風(fēng)技術(shù)中國(guó)在青銅時(shí)期就有了。最早的鼓風(fēng)工具是一個(gè)牛皮大囊(橐，音同“陀”)。人握住橐的把手，使它一張一合，就把風(fēng)鼓入爐中，把炭火吹旺，使金屬熔化。最初是一人一橐，效率很低。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，多管鼓風(fēng)法降臨人間——即把許多橐排起來(lái)，通過(guò)幾個(gè)進(jìn)風(fēng)管，一起向爐里鼓風(fēng)，這個(gè)工具叫做“排橐”。排橐加大了煉鐵爐內(nèi)的風(fēng)量，提高了風(fēng)壓，增強(qiáng)了風(fēng)力在爐里的穿透能力。生鐵的冶煉溫度是1150到1300 °C，排橐能將高爐內(nèi)燃煤的溫度升高到1200 °C以上。排橐技術(shù)與煤炭資源完美配對(duì)，千呼萬(wàn)喚的生鐵終于含著金鑰匙誕生了。液態(tài)的鐵水就匯流于爐底，冷卻成塊，這就是生鐵。其非金屬夾雜比較少，質(zhì)地比較硬，冶煉和成形率比較高，從而產(chǎn)量和質(zhì)量都大大提高。因出爐產(chǎn)品呈液態(tài)，還可以直接澆鑄成型。生鐵如此美好，想不出風(fēng)頭都不行，于是冶煉開(kāi)始盛行。

使用排橐，所需人力相當(dāng)可觀。傳說(shuō)吳國(guó)的工匠在冶鑄“干將”“莫邪”兩把寶劍時(shí)，光是參加“鼓橐裝炭”的就有“童男童女三百人”。再往后，工匠們改用馬力代替人力，稱(chēng)為“馬橐”。據(jù)古書(shū)記載，熔化一次礦石，需要上百匹的馬來(lái)拉鼓風(fēng)機(jī)，場(chǎng)面十分壯觀！

由塊煉鐵到生鐵是煉鐵技術(shù)史上的一次飛躍，更是熱力利用上的一場(chǎng)大勝利。

鐵比銅堅(jiān)硬、韌性高、鋒利且質(zhì)輕，遠(yuǎn)勝石器和青銅器。于是，鐵器在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的農(nóng)業(yè)、手工業(yè)中迅速繁榮，尤其是輕便、結(jié)實(shí)的鐵犁、鐵叉、鐵鋤等農(nóng)業(yè)用具得到推廣后，大大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，加速了人們對(duì)土地的開(kāi)發(fā)和利用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。高生產(chǎn)力全面帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)、文化、軍事和政治的突變，整個(gè)中國(guó)都沸騰起來(lái)了，進(jìn)入了百家爭(zhēng)鳴、百花齊放、華夏文明歷史上最燦爛的黃金時(shí)期。大量的精鐵更廣泛地被應(yīng)用到軍事武器的制造上。掌握了鐵制武器的種族對(duì)沒(méi)有鐵器的種族的殺伐和屠戮，幾乎可以說(shuō)是如入無(wú)人之境?！豆茏印ずＭ酢菲d[5]：“桓公曰：然則吾何以為國(guó)？管子對(duì)曰：唯官山?？啥??！薄肮偕胶！奔垂苌胶秃?。管海就是管制鹽業(yè)，管山就是管住礦山，包括銅鐵。齊桓公之所以能成為春秋第一霸主，除了周王的“雞毛令箭”，最關(guān)鍵的是齊桓公實(shí)行了“官山?！?，尤其是冶鐵的富國(guó)強(qiáng)兵措施。也可以說(shuō)，以生鐵鑄造為代表的熱力技術(shù)徹底改變了鐵器在神州大地上的應(yīng)用和普及，也改變了齊國(guó)的命運(yùn)。

冶鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展帶動(dòng)了鉛、銀、金等冶金業(yè)的全面興起，合金錢(qián)幣代替貝幣、金屬稱(chēng)量貨幣。最遲在春秋、戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前722–前221年)，我國(guó)已大量使用各種形態(tài)(布、刀、圓錢(qián)和蟻鼻錢(qián))的青銅鑄幣和“郢爰”(金幣)。熱力技術(shù)直接改變了以物易物的落后面貌，對(duì)金融業(yè)的發(fā)展、文化流通發(fā)揮了重要的歷史作用。

鐵器的使用，為后世帶來(lái)無(wú)比深遠(yuǎn)和廣泛的影響，它深深地改寫(xiě)了人類(lèi)的命運(yùn)。當(dāng)然，其實(shí)更深層的原因是熱力的進(jìn)一步發(fā)展改寫(xiě)了人類(lèi)的命運(yùn)。

再往后，隨著熱力技術(shù)的突飛猛進(jìn)，中國(guó)的磚瓦、陶器燒制水平已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)時(shí)世界前列。秦磚漢瓦橫空出世，其品質(zhì)已非早期的紅磚瓦可比。秦磚漢瓦是非常結(jié)實(shí)的青灰磚青灰瓦，上繪精美紋飾，制作難度更大，一般要到1300 °C的高溫才能燒制出來(lái)，也就是說(shuō)，必須是進(jìn)入鐵器時(shí)代的溫度才能誕生出來(lái)。秦國(guó)當(dāng)時(shí)燒制陶器的水平也令人驚嘆。例如，兵馬俑是幾個(gè)部件拼接起來(lái)的，燒制后泥胚要收縮，尺寸和火候稍有不對(duì)，就無(wú)法拼接得嚴(yán)絲合縫。

行文至此，我們來(lái)做個(gè)小結(jié)：在人類(lèi)早期文明中，可以根據(jù)一個(gè)文明能夠把火燒到什么溫度來(lái)大致地判斷其文明水平——能夠把火燒到1000 °C，就有可能進(jìn)入青銅時(shí)代；能燒到1300–1500 °C，就有可能進(jìn)入鐵器時(shí)代；能夠把火燒到更高溫度，那么就有可能進(jìn)入到更加高等的文明。因此說(shuō)，透過(guò)幾塊殘磚破瓦爛陶片，我們就能大致推算出其所在的文明階段。一孔窺豹，決非虛言。

3.2 焦炭

自打進(jìn)入鐵器時(shí)代，我國(guó)冶金、制陶業(yè)在很長(zhǎng)一段時(shí)間里用的燃料都是煤。但煤也有一身臭毛?。阂皇请s質(zhì)多，且冶煉過(guò)程中雜質(zhì)會(huì)滲入金屬中引發(fā)熱脆和冷脆；二是煤的氣孔度小，熱穩(wěn)定性差，容易爆裂，影響料柱的透氣性。于是，能工巧匠又絞盡腦汁，終于探索到了另一種燃料——焦炭。焦炭是煤干餾所得，它保留了煤的長(zhǎng)處，又避免了煤的缺點(diǎn)。

冶煉用焦炭最早見(jiàn)于明末清初方以智的《物理小識(shí)》[6]中，其記載說(shuō)，用焦“煎礦煮石”“殊為省力”。直到今天，焦炭仍是冶金生產(chǎn)的主要燃料。

3.3 火器

古代熱技術(shù)的興旺發(fā)達(dá)，刺激了熱兵器的發(fā)明。提起熱兵器，不得不提一下煉丹術(shù)。

在中國(guó)兩千多年的古代社會(huì)中，金丹術(shù)曾經(jīng)相當(dāng)?shù)鼗钴S。煉丹家們煉制金丹的目的是追求長(zhǎng)生不老或發(fā)財(cái)致富。這種超越現(xiàn)實(shí)、充斥幻想的努力，注定失敗是不可避免的；但是，他們卻陰錯(cuò)陽(yáng)差地發(fā)明了火藥。他們將某些金屬和非金屬礦物按一定比例混合后加熱，反復(fù)煉化，所得的化合物稱(chēng)為金丹。為了促進(jìn)金丹煉成，虔誠(chéng)的煉丹家們規(guī)定了種種操作規(guī)程，形成一些特殊操作術(shù)語(yǔ)。在大量實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，他們偶然發(fā)現(xiàn)硫的性質(zhì)活潑，著火后容易飛升，難以控制；硝的化學(xué)性質(zhì)更為活潑，將硝撤在木炭上，一下子就會(huì)產(chǎn)生火焰，并能和許多物質(zhì)發(fā)生作用。煉丹家們?cè)谔崛∩榈臅r(shí)候，又發(fā)現(xiàn)“炸鼎”現(xiàn)象，也就是煉制過(guò)程中發(fā)生了威力巨大的爆炸。這些現(xiàn)象使人們獲得了一個(gè)重要的認(rèn)識(shí)：硫、硝、炭三種物質(zhì)按一定比例的混合物具有燃燒爆炸的性質(zhì)，即“火藥”。

火藥發(fā)明出來(lái)后，最開(kāi)始被制成煙花爆竹以趨鬼避邪，后又演變成一項(xiàng)娛樂(lè)活動(dòng)以增添節(jié)日的喜慶氣氛，王安石《元日》中的“爆竹聲中一歲除，春風(fēng)送暖入屠蘇”描繪的即是此景?；鹚師崃χ蛥枺杆僖鹆私y(tǒng)治階級(jí)以及兵工匠們的注意。于是，這種煉丹爐中的奇觀再次變身，一種驚世駭俗的殺人新武器——火器開(kāi)始興起。

唐末天佑年間(904–906)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中開(kāi)始出現(xiàn)火藥箭，還出現(xiàn)“發(fā)機(jī)飛火”的記載，即用拋石機(jī)投擲火藥包，作燃燒性兵器。宋朝時(shí)火藥配方明確載入官修史書(shū)并公布于世，從京城到地方設(shè)立火藥武器制造機(jī)構(gòu)，各型火藥武器大量研發(fā)制造裝備部隊(duì)并應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)。宋神宗趙頊時(shí)，邊防軍中已大量配備火藥弓箭、火藥火炮箭等兵器，火藥的使用日益頻繁?！端螘?huì)要》[7]記載神宗時(shí)為解決火藥生產(chǎn)需求，官府招募商人一次購(gòu)買(mǎi)硫磺10萬(wàn)斤。為部署熙州、河州地區(qū)的防務(wù)，宋廷一次就從京城調(diào)撥運(yùn)送去神臂火藥箭10萬(wàn)支、火藥弓箭2萬(wàn)支、火藥火炮箭2000支、火彈2000枚等火藥武器。金末抗擊蒙古軍時(shí)，曾使用震天雷、飛火槍等火器。宋代出現(xiàn)了類(lèi)似近代炮彈的鐵火炮，卻仍用拋石機(jī)投射；又發(fā)明了突火槍(圖1e)，以巨竹為筒，發(fā)射“子窠”，類(lèi)似于后世槍炮，卻尚未使用金屬發(fā)射管。到元、明又發(fā)現(xiàn)了銅鐵鑄造的管狀火器——銃(chòng)和炮?；鹌鞯陌l(fā)明與使用，使兩宋時(shí)期進(jìn)入了火器與冷兵器并用的新時(shí)代。

早期火器威力有限，應(yīng)用的規(guī)模不是很大，僅僅是在關(guān)鍵性戰(zhàn)役中起到威懾?cái)橙说淖饔?，不可能取代冷兵器。但由此帶?lái)的人類(lèi)軍事史上的一次革命性變革，為近現(xiàn)代軍事技術(shù)的迅猛發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也成為了后來(lái)多個(gè)國(guó)家改朝換代的歷史爆竹。

3.4 熱力浸透下的日常生活

中國(guó)古代的熱力技術(shù)曾長(zhǎng)時(shí)間處于世界領(lǐng)先地位，但祖先們?cè)跓崮艿奶剿魃纤坪跤啦粷M(mǎn)足。熱能的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在陶農(nóng)兵錢(qián)布、金銀貨幣等國(guó)家重器上，甚至浸透到了生活的方方面面角角落落。上至廟堂之高，下處江湖之遠(yuǎn)，似乎各行各業(yè)的人都在熱衷于研究、探索、利用熱能。

先秦時(shí)期，人們就認(rèn)識(shí)到了低溫可以持久保鮮食物，冰塊可以延長(zhǎng)食物的“鮮”命。但要做到一年四季都有冰可用，就不簡(jiǎn)單了?！吨芏Y》[3]中有記載，周王室曾成立專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)——“冰政”，來(lái)確保夏季時(shí)有冰塊可以使用，在冰政處工作的官員稱(chēng)之為“凌人”。冬天，凌人須帶領(lǐng)眾人到湖面上采冰(圖1d)，或集水冷凍成冰，然后開(kāi)鑿出一間帶保溫功能的大密室儲(chǔ)存冰塊，可謂費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工程很是龐大。是以當(dāng)時(shí)只有王公貴族方有機(jī)會(huì)在夏天用上冰塊，布衣白丁根本用不起。

我國(guó)古人甚至對(duì)熱氣球進(jìn)行過(guò)猜想式的實(shí)驗(yàn)。漢武帝時(shí)淮南王劉安所著的《淮南萬(wàn)畢術(shù)》[8]云：“艾火令雞子飛”，《太平御覽·方術(shù)部》[9]引注云：“取雞子去其汁，然(燃)艾火，納空卵中，疾風(fēng)因舉之飛?！彼纬K軾在《物類(lèi)相感志》[10]中云：“雞子開(kāi)小竅，去黃白了，入露水，又以油紙糊了，日中曬之，可以自升起，離地三四尺?！?/p>

東漢唯物主義學(xué)家王充對(duì)自然科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了大量觀察與研究后，寫(xiě)成《論衡》[11]一書(shū)，記錄了他對(duì)冷熱現(xiàn)象的一系列思辨性解釋?zhuān)?duì)當(dāng)時(shí)社會(huì)上的一些錯(cuò)誤見(jiàn)解進(jìn)行了科學(xué)的撥亂反正，如對(duì)“神異瑞草”的批判。當(dāng)時(shí)流傳某儒者家廚中能自動(dòng)長(zhǎng)出一種神異瑞草，可“扇暑而涼”，使食物不臭。王充以“冷不自生”駁斥之，他斷言：在大氣(太平之氣)中，不可能自動(dòng)產(chǎn)生某種機(jī)制(指神異瑞草)，使溫度降到低于周?chē)h(huán)境的溫度，如果違反“冷不自生”這一規(guī)律，那么就使火自燃于灶，使飯自蒸于甑，一切都會(huì)自動(dòng)發(fā)生升溫現(xiàn)象。用現(xiàn)代語(yǔ)言表述，就是會(huì)得到某種“第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)”。王充的觀點(diǎn)，完全符合當(dāng)今的熱力學(xué)第二定律，而且在語(yǔ)言表述上也幾乎相同，令人驚嘆。

到了五代時(shí)期，熱能已經(jīng)運(yùn)用到了軍事通信，即利用熱空氣浮升的原理制作信號(hào)燈。傳說(shuō)當(dāng)時(shí)有位莘七娘，在一次作戰(zhàn)時(shí)曾利用竹篾扎成架子，糊上紙做成燈籠形，下面用松脂點(diǎn)燃，利用熱空氣上升的力量使燈飛上高空，作為軍事信號(hào)，當(dāng)時(shí)又稱(chēng)為“松脂燈”。后來(lái)至南宋時(shí)，在范成大的《石湖居士詩(shī)集》[12]中曾寫(xiě)道“擲燭騰空穩(wěn)”，并注曰：“小球燈時(shí)擲空中”(圖1f)。類(lèi)似技術(shù)后來(lái)在民間多有發(fā)展，最著名的就是“孔明燈”(圖1g)。

古人還利用熱產(chǎn)生的空氣對(duì)流制作燈具。走馬燈是我國(guó)特色工藝品，屬于燈籠的一種。其構(gòu)造是在一個(gè)立軸的上部橫裝一個(gè)葉輪，葉輪的下邊裝有燭座；當(dāng)燭燃燒時(shí)，空氣受熱后上升、冷空氣下沉，造成了氣流，令輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。輪軸上有剪紙，古人尤喜歡在燈各個(gè)面上繪制古代武將騎馬的圖畫(huà)，燭光將剪紙的影投射在屏上，畫(huà)中人便似乎在你追我趕一樣，變成了一幅活著的動(dòng)畫(huà)片，故名走馬燈(圖1h)。從原理上看，走馬燈正是現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪工作原理的原始應(yīng)用，是現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪機(jī)的萌芽[13]。

我國(guó)古代已經(jīng)利用空氣導(dǎo)熱性能差的特點(diǎn)制造出了保溫器。南宋的洪邁在《夷堅(jiān)甲志》[14]中記載“張虞卿者，……得古瓦瓶于土中……置書(shū)室養(yǎng)花，方冬極寒，一夕忘去水，意為凍裂，明日視之，凡他物有水者皆?xún)?，?dú)此瓶不然。異之，試之以湯，終日不冷……惜后為醉仆觸碎。視其中，與常陶器等，但夾底厚二寸……”此器保溫的原理，是由于夾底之間有二寸厚的空氣層，減弱了熱的傳導(dǎo)。我國(guó)古代制造的保溫器，從原理上看已相當(dāng)于現(xiàn)代的保暖瓶。若得此保溫器，古人便可像今人一樣，遠(yuǎn)生水冷水，隨時(shí)隨地喝上熱湯熱水了。正是熱能技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用，才把人類(lèi)生活從野蠻時(shí)代推向了文明的殿堂啊。

3.5 小結(jié)

縱觀整部鐵器時(shí)代燃料史，由木柴到木炭到煤再到焦炭，每一次改革，都是一次華麗的蛻變。尤其是煤與鼓風(fēng)機(jī)具這對(duì)完美組合為代表的熱能技術(shù)的出現(xiàn)是人類(lèi)繼燒陶之后運(yùn)用熱能改造自然、創(chuàng)造財(cái)富的又一輝煌成就。它直接導(dǎo)致了工具的變革，對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展與社會(huì)生活面貌的改變產(chǎn)生了革命性的作用。

4 蒸汽時(shí)代

標(biāo)志：蒸汽機(jī)

時(shí)間：18世紀(jì)60年代–19世紀(jì)70年代

1785年瓦特改良了蒸汽機(jī)，之后出現(xiàn)了蒸汽機(jī)車(chē)、蒸汽火車(chē)、蒸汽輪船，為人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利。隨著蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，英國(guó)率先完成了工業(yè)革命，也就是通常所說(shuō)的第一次科技革命，英國(guó)很快成為世界的霸主，法、德、美、俄、日等國(guó)也紛紛加入工業(yè)革命的行列。

此時(shí)的中國(guó)皇帝乾隆驕傲自大，自認(rèn)為“天國(guó)物產(chǎn)豐盈，無(wú)須與外國(guó)互通有無(wú)”，上行下效，地方吏治同樣視英國(guó)人為蠻夷。外國(guó)使節(jié)邀請(qǐng)大臣福康安觀看火器表演時(shí)，他不加理睬，認(rèn)為只是西洋人的小把戲。而乾隆之后的歷代大清皇帝仍然固步自封。出于統(tǒng)治穩(wěn)定的考量，他們甚至開(kāi)始收緊政策，完全閉關(guān)，因?yàn)榕挛鱽?lái)思想腐蝕士大夫等，怕傳教士破壞對(duì)儒家基礎(chǔ)的膜拜！然后驅(qū)逐傳教士，打壓西方科技，回到冷兵器——也因此，大清“完美”地避開(kāi)了蒸汽時(shí)代的所有發(fā)展機(jī)遇，泱泱華夏積攢了數(shù)千年的熱力慢慢冷卻，從此中國(guó)力量徹底落后于西方！

率先完成工業(yè)革命的西方資本主義國(guó)家逐步確立起了對(duì)世界的統(tǒng)治，在世界范圍內(nèi)大肆搶占商品市場(chǎng)，強(qiáng)占原料產(chǎn)地，拓展殖民地，甚至對(duì)中國(guó)發(fā)動(dòng)了鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)，而戰(zhàn)爭(zhēng)以中國(guó)失敗并賠款割地告終。世界形成了西方先進(jìn)、東方落后的局面。

熱力的落后，注定了挨打的結(jié)局！

5 電氣時(shí)代

標(biāo)志：電燈、電話、汽車(chē)、飛機(jī)

時(shí)間：19世紀(jì)70年代–20世紀(jì)初

19世紀(jì)80年代中期，德國(guó)發(fā)明家、奔馳公司創(chuàng)立者卡爾·本茨提出了以汽油為燃料的輕內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。之后，以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)車(chē)、遠(yuǎn)洋輪船、飛機(jī)等也不斷涌現(xiàn)出來(lái)，向全世界宣告了又一項(xiàng)嶄新的熱能技術(shù)的崛起。

一百多年前，伏打發(fā)明了發(fā)電裝置——伏打電堆。穩(wěn)定直流電流的出現(xiàn)宣告了人類(lèi)的電氣時(shí)代的到來(lái)。自此，電燈、電話等無(wú)數(shù)電器如雨后春筍般被發(fā)明出來(lái)。美國(guó)馬薩諸塞州的“鯨油之都”新貝德福德，那時(shí)被稱(chēng)為“點(diǎn)燃世界的城市”，而且還是當(dāng)時(shí)全世界人均最富裕的城市，并擁有美國(guó)最賺錢(qián)的街道，但卻因愛(ài)迪生發(fā)明了電燈，而急速衰落。

另一方面，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明推動(dòng)了石油開(kāi)采業(yè)的發(fā)展和石油化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)生。石油也像電力一樣成為一種極為重要的新能源。在石油和電力兩大能源的加持下，西方資本主義經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，世界經(jīng)濟(jì)格局、資本主義世界市場(chǎng)最終形成。

此時(shí)的中國(guó)正處在強(qiáng)弩之末的晚清，內(nèi)部腐敗不堪，時(shí)局動(dòng)蕩，所有的能量都消耗殆盡。中國(guó)的洋務(wù)運(yùn)動(dòng)勉強(qiáng)抖了幾下，就如一根剛劃著的火柴般很快湮滅在黑暗之中。中國(guó)和第二次世界性技術(shù)能源革命也擦肩而過(guò)。手握強(qiáng)悍能源的帝國(guó)主義乘機(jī)掀起瓜分中國(guó)的狂潮，中國(guó)毫無(wú)還手之力，完全淪為半殖民地半封建社會(huì)。

中國(guó)古代的熱力探索有著世界其他國(guó)家無(wú)法比擬的悠久歷史，曾經(jīng)創(chuàng)造了燦爛輝煌的成就，為現(xiàn)代基礎(chǔ)學(xué)科的形成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為中華文明和世界文明做出了重要的貢獻(xiàn)，值得我們驕傲。但由于封建社會(huì)的封閉性和人們思維方式的保守性，習(xí)慣于單一的、區(qū)域的文化氛，排斥外來(lái)科學(xué)文化的沖擊，再加上人們研究方法的不科學(xué)性，使得中國(guó)古代熱力學(xué)乃至整個(gè)社會(huì)長(zhǎng)期以固有的模式緩慢地發(fā)展，沒(méi)能推動(dòng)綜合國(guó)力的增長(zhǎng)，這是一件非常遺憾的事。要推動(dòng)熱力學(xué)的發(fā)展，需要有開(kāi)放意識(shí)和創(chuàng)新精神，吸收世界最新研究成果，開(kāi)拓研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域。

6 原子能時(shí)代

標(biāo)志：核電站

時(shí)間：20世紀(jì)中期

20世紀(jì)四五十年代，以原子能技術(shù)、航天技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的第三次科技革命開(kāi)始興起。美國(guó)、蘇聯(lián)先后制造出了核武器，建成了核電站，人類(lèi)開(kāi)始了對(duì)原子能的利用。而中國(guó)也終于搭上了這趟車(chē)。1964年，中國(guó)高濃鈾-235研制成功，合格的原子彈部件也生產(chǎn)出來(lái)了。當(dāng)年10月16日，巨大的蘑菇云在新疆羅布泊荒漠騰空而起，“東方巨響”震驚了世界。中國(guó)第一顆原子彈爆炸成功，也打破了超級(jí)大國(guó)的核壟斷和核訛詐。這一天，距離先祖第一次與火結(jié)緣已經(jīng)過(guò)去了數(shù)萬(wàn)年。但我們對(duì)熱的追求，卻從不敢停止。

截至2019年12月[15]，我國(guó)47臺(tái)運(yùn)行核電機(jī)組(不包含臺(tái)灣核電信息)累計(jì)發(fā)電量為3481億千瓦時(shí)，約占全國(guó)累計(jì)發(fā)電量的4.88%。截止2019年6月13日，中國(guó)已建成核電站19個(gè)，建設(shè)中的有3個(gè)，正在投入使用的18個(gè)。

在這一輪的熱力大比拼中，我們終于重振了大國(guó)雄風(fēng)，有了崛起于世界東方的資本。

7 結(jié)語(yǔ)

縱觀中國(guó)五千年的熱力興衰史，它的發(fā)生與發(fā)展、進(jìn)退和起落都是與中華民族的發(fā)生和發(fā)展、興衰和榮辱息息相關(guān)的。從農(nóng)耕時(shí)代到工業(yè)時(shí)代到原子時(shí)代，熱力不斷推動(dòng)人類(lèi)創(chuàng)造新的世界。它以改變一切的力量，在全球范圍掀起一場(chǎng)又一場(chǎng)影響人類(lèi)所有層面的深刻變革。今天，疾步快走的中國(guó)人正站在一個(gè)新的時(shí)代到來(lái)的前沿。駑馬十駕，功在不舍，讓我們一起努力！