古代测温方法和器具及其应用

　　摘    要：　中国古人对热现象具有丰富的观察经验, 基于日常生活和生产实践的需要, 形成了独特的测温方法和技术。本文通过对文献和文物的考查, 从方法和器具两个角度初步整理了中国古代具有代表性的测温方法和技术, 并对其中的物理道理进行了解析。

　　关键词：　古代测温; 火候; 温度; 火照;

　　温度是热学的核心概念, 是表示物体冷热程度的物理量。纵观整个测温学发展史, 最早的测温仪器是伽利略于1593年发明的压力温度计。西方先后出现了水、酒精、水银等作为测温物质的温度计, 还出现了依据电阻、电动势、金属片弯曲程度等随温度变化而变化的性质研制的温度计, 如电阻温度计、温差电偶和指针式温度计等, 形成了华氏、列氏、摄氏、开尔文等温标。据文献记载和出土文物显示, 中国古代也存在一些利用物质随温度变化而变化的性质来区分不同温度的方法与技术。本文通过对文献和文物的考查, 初步整理了中国古代具有代表性的测温方法和技术。

　　1、 古代测温方法及其应用

　　中国古人在感知外界温度、事物冷暖这方面善于运用各种人体器官灵敏的感知能力体察。“天阶夜色凉如水”“春江水暖鸭先知”, 这些大量脍炙人口的诗文充分反映了古人通过观察事物的外在表现来判断冷暖变化和环境温度的高低。在此基础上, 中国古代还形成了运用感官系统来精确度量物体温度的方法, 如火候观察法和人体感受法。

　　1.1、 火候观察法

　　中国古代有关火焰颜色与温度关系的记载不胜枚举。先秦时期, 墨家在《墨经·经下》篇中就有“火热, 说在炖”, 《墨经·经下》篇中有“火, 谓火热也, 非似火之热我手, 若视日”[1]。此文中“炖”是指火焰的颜色。

　　可以看出, 墨家认为火热不热不是感受烫不烫手, 而是观察火焰的颜色, 比如太阳很热却不烫手。根据火焰的颜色判断物体的温度具有一定的科学性, 避免了人的冷热感受因距离热源远近不同而造成主观判断的偏差。后来, 古人在实践中逐渐形成了一种独特的测温方法———火候观察法。

　　中国历代工匠均善于用火焰颜色来表示温度的高低。成书于战国时期的《考工记》中便有这方面的详细记载, “凡铸金之状, 金与锡, 黑浊之气竭, 黄白次之;黄白之气竭, 青气次之;青白之气竭, 青气次之, 然后可铸也”[2]。此文是指在冶炼铜矿和锡矿时, 炉膛中火焰的颜色依次呈现出“黑浊”“黄白”“青白”三种火焰颜色, 三种颜色分别对应正在燃烧的物质是杂质、锡和硫、青铜合金, 且温度处于低温、较高温、高温。火焰呈现青白色时, 铜锡已成为青铜合金, 温度已经达到要求, 方可开炉铸造。成语“炉火纯青”正是由此引申出来的。

　　据史料记载, “火候”一词最早出现在唐代。段成式在《酉阳杂俎》的酒食篇中记述, “贞元中, 有一将军家出饭食, 每说物无不堪吃, 惟在火候, 善均五味”[3];白居易也在《天坛峰下赠杜录事》中写道, “河车九转宜精炼, 火候三年在好看。他日药成分一粒, 与君先去扫天坛”[4]。这两条诗文都出现了“火候”一词, 前者是指烹饪时火力的强弱和时间的长短, 后者指炼丹时火力的强弱和时间的长短。

　　唐人在运用火候量度温度高低时, 语义极为形象。其中, “火”指火焰, “候”指等候。火力的强弱和时间的长短就是对温度和时间的掌握, 在一定范围内, 火与候成反比, 达到相同状态时温度越高所需要的时间越短。但在烹饪和炼丹时, 时间和温度都是特定的, 并不是满足反比例函数就行, 所以火候的把控, 就是对温度和时间的计量。因此, “火候”可视为古人对温度的一种计量方法。

　　这种“火候观察法”后来被炼丹家和药物学家继承并发展。南北朝时期, 炼丹家和医学家陶弘景在《本草经集注》中写道, “以火烧之, 紫青烟起, 云是真硝石也”[5]。文中的“真硝石”就是我们现在常说的硝酸钾。这便是关于焰色反应的最早记载了。

　　陶弘景还在《名医别录》中提到朴硝, 即硫酸钠, 其焰纯黄。而后德国人马格拉夫, 在1762年才发现钠盐和钾盐可以分别使火焰着上具有各自特征的焰色。自此, 利用焰色反应鉴别钾、钠盐就成为常用手段了。同时, 在近代物理学中, 不同的物质有不同特征的火焰及其所对应的不同温度, 这是近代光谱学中鉴定物质的方法之一, 与火候观察法有着莫大的联系。

　　此后, 唐代陈少微在《九还金丹妙诀》中, 清代檀萃在《滇海虞衡志》中都有关于火焰颜色的记载。这些记载可以表明古人已经认识到火焰颜色确实反映了一些有用的信息并进行了记录和运用。例如, 在烧窑、炼丹中, 工匠们根据火焰的颜色来鉴别物质, 表示温度。明代宋应星在《天工开物·陶》中提到名词“火力”“火色”“火候”“观火候法”[6], 体现出烧窑过程中火候观察法以及掌握火候的重要性。

　　虽然火候观察法更多的是工匠们的经验总结, 没有可以写成公式的对应关系和参照表。但在北宋张君房《云笈七签》卷六十八中就有“汞则用黑铅一斤, 转转烧抽, 火候依前一诀”[7], 其中“一诀”是古人对火候总结出的一种计量, “诀”则类似于一种单位。由此可见, 古人对于火候观察法已经有了一定程度上的定量描述。但在实际操作时无论再精细的釉彩、丹药, 对于温度的要求都只是一个温度区间而并非一个温度数值, 故而古人们不需要进一步去计量某个具体的温度数值, 已有的火候观察法就已经能满足生产实践的要求。所以, 即使现如今已有先进精准的高温测量技术, 在烧窑时, 工匠的火候观察法仍然是广泛应用、无法完全替代的测温方法。

　　1.2、 人体感受法

　　由于火焰颜色与温度之间稳定的对应关系, 古人基于火候观察法得到的温度判断往往没有太大的误差。然而, 这种方法的不足之处在于只适用于高温, 并且需有火焰产生, 所以即使火候观察法能够被广泛应用, 却不足以解决所有的生产实践问题。而常温时的确也有一个稳定的温标, 这便是人的体温。

　　人的体温是指人身体内部的温度。作为恒温动物的人类, 机体产热量和散热量始终保持在一个动态平衡的状态, 使得体温相对恒定。现代医学显示正常人的口腔温度为36.7～37.7℃, 平均在37.2℃;腋窝温度为36.0～37.4℃, 平均在36.8℃。可见, 体温也具有稳定性。古人也认识到这一点, 由此衍生出一些基于体温的温度描述, 如寒、冷、凉、温、热、烫等。虽然用体温衡量温度夹杂着个体的主观感受, 但由于不同个体间高度统一的体温数值, 古人还将人体感受法应用到生产实践中, 包括制奶酪、制豆豉、养蚕、茶叶的加工、犀粉的制作等。由此可见, 人体感受法在古代的生产实践中得到了广泛的运用, 并取得了不定期的成果。

　　北魏贾思勰在《齐民要术》中指出了游牧民族制作奶酪的温度, “小暖于人体, 为合适宜”。贾思勰还在《齐民要术》中第一次记录了制作豆豉的技法。豆豉是中国传统特色发酵豆制品调味料, 需利用毛霉、曲霉或者细菌蛋白酶的作用分解大豆蛋白质。众所周知, 生物酶的活性与温度息息相关, 所以温度的把控就成了制作豆豉的关键。《齐民要术》也记载了制作过程中温度的控制方法, “大率常欲令温如腋下为佳”, “以手刺堆中候, 看如腋下暖”, 大致是指豆子的温度与人腋下温度近似即可。现如今医学上测量人体温度仍采用腋下温度, 因为其最为稳定。而古人也认识到这一点并应用到豆豉的制作中, 后经不断发展传到海外成为中国的一项文化输出。

　　宋朝的陈旉在《农书》中记载了培育蚕种的水温, “调温水浴之, 水不可冷, 亦不可热, 但如人体斯可矣”。元代王祯在《王祯农书》中也有记载, “需着单衣, 以为体测:自觉身寒, 则蚕必寒, 使添熟火;自觉身热, 蚕亦必热, 约量去火”。宋代蔡襄在《茶录》中记载了炒茶时的温度, “收藏之家, 以蒻叶封裹, 入焙中两三日, 一次用火常如人体温, 温则御湿润, 若火多则茶焦不可食”。这些都是体温判温法的应用与文献记载。

　　宋代欧阳修在《归田录》中有记载, “翡翠屑金, 人气粉犀, 此二物, 则世人未知者”。“人气粉犀”大致意思是人的体温可使犀牛角成粉。在《名医别录》《雷公炮炙论》《药性论》《本草纲目》等医学着作中都记载了犀牛角入药的功效, 但犀牛角从皮肤中长出来, 质地很硬, 难以碾成粉末。欧阳修在《归田录》中记载了一位名为元达的僧人发现了犀角的一个特性, 即在犀牛角处于体温时极易粉碎。后来明代李时珍曾指出唐朝李询也记载过犀角的这一物理性质。李珣曰:“凡犀角锯成, 当以薄纸裹于怀中蒸燥, 乘热捣之, 应手如粉。”[8]我们不争先后, 总之“人气粉犀”定称得上是古人对体温一个应用。

　　上述以人体体温, 尤其是腋下温度作为温标去感受其他物体温度的方法, 有极其广泛的应用基础和可操作性, 并且收获了良好的成效。在对于“热”与“温度”没有清晰认识的古代, 用体温这一恒定的温度值去衡量、比较物体温度的适宜与否, 无疑是一种合理的、实用的测温方法。

　　2、 古代测温器具及其运用

　　中国古人不满足于通过感觉得知实物冷暖和外界温度, 还选择运用客观实物的变化规律来表示温度, 于是出现了一些具体的器物。这些器物有的作为文物经考古发现后重见天日, 有的记载于文献典籍中流传至今。通过解读这些证据, 可以得知中国古代的确存在或制备了一些运用实物的性质来判断温度的器具。

　　2.1、 火照

　　中国作为一个瓷器大国, 从新石器时代到宋、元、明、清, 不同时期有着许多不同的、完备的烧窑工艺, 流传下许多不同风格、种类的陶瓷, 各种类又需要不同的温度区间进行烧制。由此看来, 中国古代瓷器能达到震惊世界的高峰, 定离不开工匠们对于烧窑温度的精准把控, 比如火候观察法, 比如“火照”。

　　火照最迟在唐朝已被创造, 火照一词最早出现在宋代蒋祈的《陶记》中, “火事将毕, 器不可度, 探坯窑眼, 以验生熟, 则有火照”。后清朝蓝浦在《景德镇陶录》卷一中也有记载, “有试照者, 熟则止火”, 卷四中记载“盖坯器入窑, 火候生熟, 究不可定, 因取破坯一大片, 中挖一圆孔, 置窑眼内, 用钩探验生熟。若坯片孔内皆熟, 则窑渐陶成, 然后可歇火”[9]。

　　所以, 火照是烧窑时用来测定窑内温度和烧制程度的一种工具, 多用碗盏类器皿坯体的口腹残片制成, 形状各样, 但大都有一个孔。在烧窑过程中, 将待烧制的物件与多枚火照置于同等环境中, 在烧制过程中, 不时勾出一枚火照便可根据火照的烧制情况实时掌握窑内的情况。某种程度上可以算是一种温度反映装置。

　　根据诸多的考古发现, 历朝历代对火照有很多种称呼, 如“试片”“火标”“照子”“试火器”等, 现大多通俗地称为“测温瓷片”。火照制作简单, 对瓷器的烧制却起着不可忽视的作用。它不仅广泛应用于中国古代的各种窑口, 为我国瓷器的发展作出了贡献, 还漂洋过海, 促进了日、韩烧窑技术的发展。

　　2.2、 瓶中水

　　中国的用冰史可追溯到商朝, 华夏民族起源于黄河流域, 夏日黄河附近温度较高, 据考古学证据表明, 商朝黄河流域的年平均气温比现在高大约3℃[10]。

　　据记载, 商朝人通过吃冰来解暑, 当时的冰是由冬日收集, 储存到夏日使用。到了周时出现了冰鉴, 不仅能储冰, 还能保鲜食物。到唐宋, 人们已经利用冰加工成食物和饮品了。由此可见, 古人早早地意识到水的低温形态———冰, 并且认识到冰在低温下形成, 并且有降低周围物体温度的作用。

　　在此基础上, 古人已经能够通过水形态的改变来获得环境温度变化的信息, 与伽利略温度计通过气体体积的改变来获得环境温度变化的信息这一原理相似。

　　《吕氏春秋》中有记载, “见瓶水之冰而知天下之寒”[11]。《淮南子》中有类似记载, “见瓶中之水, 而知天下之寒暑”。《淮南子》还有记载:“以小明大, 见一叶落而知岁之将暮;睹瓶中之冰, 而知天下之寒”[12]。现如今, 冬日里看见路面结冰, 便判定温度已经零下, 用的是一样的判定方法, 都是见小知大。

　　古人不仅根据水是否结冰和冰是否融化来判断温度是否达到零下或回升零上, 还根据瓶中水的蒸发速度来判断气温的变化速度。因此, 瓶中之水完全可以作为比较粗略的温度显示装置, 但有没有大规模地被应用还有待进一步考证。

　　3、 结论

　　中国古代炼丹、烧窑等生产实践活动, 由于很少关注测量结果的数值化表达, 而未能形成严格的、可广泛应用的精密测温仪器, 也尚未形成严格的温标。然而, 中国古代的测温方法与技术具有自身独特的优势, 不仅简单易行, 而且实用性强。

　　人对气候、外界温度的感知, 以及烧窑、炼丹等生产实践活动都离不开对热的体验。在中国古代针对不同的实践需要使用不同的测温方法, 并根据不同的待测温度区间选择不同的参照标准。总的来说, 古人逐步总结了“火候观察法”“体温判温法”等行之有效的测温方法, 并形成了“火照”“瓶中水”两种测温器具, 其中包含了朴素的热学思想。

　　中国古代, 工匠们在烧窑、炼丹等活动中总结出了测温技术方法———火候观察法, 形成了朴素的测温器具———火照, 主要通过观察火焰颜色和火照热学性状等来反映物体温度的高低。用这种方法衡量高温, 虽不能精确量化温度, 但能满足烧窑、炼丹活动的需要。

　　同时, 中国古人在生活实践中形成了“人体感受法”感知日常环境温度, 主要利用人体神经系统对外界冷热的感受判定温度高低, 虽然此法并没有定义何为温度, 但通过对温度差异的感知足够判断外界是否处于需要的温度。

　　古人观测气候时参考瓶中水, 利用其状态随温度变化而变化这一性质来判定低温, 虽然应用不广泛, 但的确提供了一些重要的气候变化信息。这些都是利用一些物质随温度变化而变化的性质来区分不同温度的方法与器物, 与现在公认的温度计殊途同归。这些方法和技术折射出中国古代的热学知识和技术方面的成就以及其重适用、求实效的基本特征。

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