通往绝对零度的道路:趣味低温科学技术史
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第三章 把寒冷储存起来

人类从蛮荒步入文明时代以后,不再满足于大自然赐予的因季节和地区而异的不稳定的食物供给。为了求生存、求安定,不再为寻食而随季节气候奔走迁徙,就必须储存食物。人们最初采用晒干、盐腌、烟熏、发酵等方法,这些方法虽然能够储存食物,却无法保持食物的新鲜原味。远古人类肯定早已发现大自然天然的寒冷可以冷冻、冷藏食物,既然天然的“冷”可以保鲜,人们同样想到用人工的“冷”防止食物腐烂变味。古代的制冷和冷藏技术就这样萌发了。

古代人最常用的制冷方法还是利用天然冰雪,把冬季的“冷”保存到夏季,把寒冷地区的“冷”运送到温暖地区。这仍然没有摆脱对天然冰雪的依赖,却使人类第一次获得了比环境更低的温度,创造了征服低温的第一个纪录——0℃。

跨越冰点,历时数千年。到16世纪,冰盐混合物制冷创造了第二个低温纪录,使人工制冰成为可能。

早期人类征服低温的努力为近代制冷技术的发展开辟了道路,也充分显示了古代世界各民族的聪明才智。

从“凌阴”说起

中国是世界上最早利用储冰制冷的国家之一,早在公元前1000年就建筑了世界最古老的冰窖“凌阴”,并在漫长的历史长河中创造了灿烂的“冷”文化。

世界最早的冰窖

3000年前的《诗经》中就已经描写了商周时期的储冰劳动和用冰献祭。诗中写道:“二之日凿冰冲冲,三之日纳于凌阴,四之日其蚤,献羔祭韭。”按《说文引经证例》的考据,“阴”为“窨”的借字,即地室,“凌阴”也就是冰窖。“一之日”指周历一月的日子,相当于阴历的十一月,“二之日”“三之日”可依此类推。这几句诗用现在的话说就是:腊月里凿冰冲冲响,正月里存冰入冰窖,二月取出冰来,冰镇着羊羔肉和韭菜上供祭神。这是有文字可考的最早的储冰记载。

古时人们要频繁地举行各种祭神祭祖仪式,祭献的贡品一定要清洁新鲜,否则就是不敬。祭献之后,还要把祭品分给亲贵们吃,相信能得到神灵和先祖的福佑,叫“散胙”。所以祭祀的供品一定要新鲜,冰镇保鲜自然是最好的方法。

当时还设有专门掌管冰政的国家官吏“凌人”。《周礼·天官》记载:“凌人掌冰,正岁,十有二月,令斩冰,三其凌(三倍存冰)。春始治(准备)鉴(双壁青铜器容器,双壁间空腔可装入冰雪),凡外内饔(烹调菜肴)之膳羞(精美食品),鉴(装入冰鉴)焉。凡酒浆之酒醴(甘甜的泉水),亦如之。祭祀,共(供)冰鉴,宾客,共(供)冰。大丧,共(供)夷盘(放置)冰。”显然,储冰已成为那时宫廷中一项常规事务,冰用来冷却食物和酒。冰除了在春夏季用于冷藏食物外,也用于丧事中保存尸体。冰成为帝王食谱中的美味和贡奉神灵祖先的贡品。当然,珍贵的冰只能供王室和达官显贵享用,是极少数统治者的专用消费品。

储冰的规模也不小。凌人下属于天官冢宰,辖有管理人员“下士二人,府二人,史二人,胥八人,徒八十人”。下士管理众事,府主管藏文书,史主管作文书,每胥管十徒,八胥率徒八十名。胥和徒是冰窖出纳的主要劳动者。胥徒还要承担冰窖的维修和清理。过了盛夏用冰旺季,有“秋刷”之举,重整冰窖,以备再用。

《左传》里说得更明确:“古者曰在北陆而藏冰,西陆朝觌而出之。其藏之也,深山穷谷,涸阴互寒。其用之也,禄位宾客丧祭。”冰取于寒冷的地方,有的可能出自深山,用来宴宾客、办丧祭。

今天的凌姓人氏就是古代主管冰政的“凌人”的后代。《通志·氏族略》记载:“卫康叔支子为周凌人,子孙以官为氏。”康叔是周武王的同母少弟,后封为卫君。这么说来,凌姓当为周文王的子孙了。

很长时间,凌阴似乎已经失传,人们不知道远古的凌阴究竟是什么样子。国外一些科技史文献常引用《诗经》中有关凌阴的记载,也都认为这种古代冰窖的具体结构仍然是一个谜。

考古挖掘解开了这些疑团。1977年,在我国陕西凤翔姚家岗出土一处春秋时期秦国凌阴遗址(图3-1)。它形如一个倒置的长方形棱台,内有许多方形或圆形的柱洞,形成一个柱网,屋面的重量就靠柱网及四面檐墙来支承。冰窖底部设有水道,与外河相通,融水可由此排出,防止积水过多使存冰消融。在窖内发现大量腐殖质土层,并在窖口发现一层层涂抹过的泥痕。据推测,当时窖底可能铺稻糠,冰上也用草荐覆盖,并涂泥封闭,用来隔热。窖底面积8.5m×9m,窖口面积10m×11.4m,深2m,可储冰190m3。按“三其凌”计算,夏季可得冰65m3。这处凌阴遗址规模之大,年代之早,设计之巧妙,皆为世所罕见。

图3-1 凌阴剖面图

1—网柱;2—屋面;3—草荐;4—冰块;5—檐墙;6—槽门;7—入门;8—排水管;9—稻糠;10—夯土层;11—铺设片岩层;12—生土层。

考古学家不仅在陕西凤翔发现凌阴遗址,在河南省新郑县发掘的郑韩故城遗址中,也发现宫殿区附设有储存物品的窖穴,并有多眼水井,这是东周时期的凌阴。更早的,在河南安阳殷墟大司空遗址同样挖掘出一个凌阴遗迹,那是在一个深达2~3m的窖穴底部,再向下挖一个长方形坑,此坑深6m以上。长方形竖穴底部的温度比地面温度低6~10℃。考古学家判断,这个建筑当时可能是用于夏天储藏易腐物品,应属凌阴类建筑,或可以说是后代凌阴的前身。这就把我国古代冷藏史推到了殷商年代。

图3-2 铜冰鉴

考古挖掘也发现了冰鉴的实物。1977年在湖北随县战国时期的曾侯乙墓中出土了铜冰鉴,它集中体现了当时青铜器新颖、奇特、精美的特征(图3-2)。铜冰鉴长宽均76cm,高63.2cm,冰鉴的四足是四只稳健有力的龙首兽身怪物。四个龙头向外伸张,兽身则以后肢蹬地作匍匐状,似乎在努力用全身力气支承铜冰鉴的重量。鉴身为方形,其四面四角一共有8个龙耳,作拱曲攀附状。这些龙的尾部都有小龙缠绕,还有两朵五瓣的小花点缀其上。除了制作精美外,铜冰鉴的奇特之处在于它是一件双层器皿,鉴内有一缶。夏季,鉴缶之间装冰块,缶内装酒,可使酒凉,当然也可用于冷却其他食物。这可能是迄今发现的最早的也是最原始的“冰箱”了。

冰窖储冰一直延续到清代。清代储冰业更为兴旺,不过大清朝庭甚为迷信,因为“冰”与“兵”同音,而百姓是不可屯兵(冰)的,所以百姓也不能开冰窖。有两种官办冰窖:工部所辖的冰窖,称为“官窖”,特供宫廷和官府用冰;此外还有“府窖”,是特许一些王府自办冰窖,以供王府用冰,如恭王府就开有相当规模的冰窖。窖藏冰成为皇族的专营事业。也是由于“冰”与“兵”同音的缘故,清政府喜欢听哪个门屯冰(兵)多少,觉得吉利,所以旧时有“北京城内屯冰(兵)百万”之说。

据《大清会典》记载,清朝在京城共设4处18座冰窖,统由工部都水司掌管。冰窖有砖窖和土窖之分。砖窖是用石材和城砖砌成,储冰质量较好,所储的冰用于坛、庙祭祀及宫廷生活。土窖是挖土坑、筑土墙,上盖芦席棚顶,保温和保洁效果不如砖窖。土窖存的冰供各官府衙门。共储冰20.57万块,每块冰1.5尺2(1m=3尺),质量约80kg。由此算来,由中央政府直管的冰窖的储冰能力是16500t。

清朝对供冰时间有明确规定,每年从阴历五月初一到七月三十为供冰期。官员们按等级发给“冰票”,凭票去冰窖领冰。

清朝工部都水司采冰差役的定员是120名,人手不够时还要加雇短工。每年冬至后半个月开始在故宫护城河、北海、御河等处采冰。采冰劳工由官家提供皮袄、皮裤、防冻草乌拉鞋和长筒皮手套。在河湖封冻之前,为了水质洁净,还要“涮河”,先捞去水草杂物,再开闸放水冲刷,最后关闸蓄水。开采前工部还要派官员正式祭祀河神。采过冰的水面再次封冻后可反复采冰“三茬”到“四茬”。采得之冰运到冰窖,由有专门技术的差役码放,然后封门待夏天取用。

清朝后期,也许是由于王府的冰窖带有“大国营”的色彩,往往管理不善,也有商人“承包”王府冰窖经营的,王爷们乐得坐收不菲的“承包费”。这些实际民营的冰窖也形成相当规模。比如晚清有陈氏兄弟,受一亲王恩赐经营亲王府在东直门外的冰窖,成为当时小有名气的“义和冰窖”。他们的窖可存冰30万块,每块160~200kg,总储冰量达60000t,绝不输于官窖。供冰对象自然不仅限于王府,更多是商家和百姓。这些冰窖的经营者在北京各路段设“冰局子”,专门为用户送冰。

现在北京北海陟山门雪池胡同里还存有一处明清年代的官窖遗址,当属《大清会典事例》所载的景山西门外的皇家御用冰窖。这座冰窖建于明万历年间,已有500年以上的历史。冰窖用石材和城砖砌成,为半地下式建筑。地上部分边墙长约20m,墙高2m,山墙宽约10m,山尖最高处约4m,屋顶是“人”字形起脊双坡,上盖黄色琉璃瓦,是典型皇家建筑的标志。两端山墙均开有小门,有台阶通往窖底,装有厚重的木板门隔热。内部是城砖起券拱顶,像个大城门洞,没有梁柱。墙体和拱顶与屋瓦间的夯土都很厚,密封和保冷的效果应当不错。地下部分有两层楼高,即便不存冰,外面是30℃高温,窖里还是奇冷无比。这处冰窖遗址已部分修复,除琉璃瓦用灰瓦筒代替外,基本保持原貌。同时修复的还有窖神殿,殿中供奉的掌管制冷的神原来是大名鼎鼎的济公和尚。

进入民国年间,开设冰窖的官禁取消,北京陆续涌现许多民营冰窖,冰的存储量也更大。这种情况一直持续到解放后,天然冰的存储业随着近代机械制冷的兴起和普及而衰落。

丰富的冷食

我国的冰食,早期比较简单。《楚辞·招魂》中说:“挫糟冻饮,酎清凉些。”王逸注:“酎,醇酒也。言盛夏……提去其糟,但取清醇,居之冰上,然后饮之。”当时的冷饮主要是冰镇清酒等,种类并不太多。

到了秦汉以后,冰的使用更为广泛,冷食花样也多起来。宋陶榖《清异录·馔羞》载:“(唐敬宗宫中)清风饭……用水晶饭、龙晴粉、龙脑末、牛酪浆调。事毕,入金提缸,垂入冰池,待其冷透供进,唯大暑方作。”盛夏时,皇帝已吃冷食。同时,唐朝市场上已开始有卖冰的商人。《唐摭言》记载:“蒯人为商,卖冰于市。”不过价格极为昂贵,一般人还是不能享用。后来,藏冰业日盛,商人进而在冰中加糖,招徕买主,出现了类似现在的冰沙一类的冷食,平民也逐渐有享冰之福。杜甫的《陪诸贵公子丈八沟》里说:“竹深留客处,荷净纳凉时,公子调冰水,佳人雪藕丝。”看来诗人对公子调制的“冰水”和歌妓亲手做的用雪拌和的藕丝印象很深。唐代且生产了著名的冰镇饮料“槐叶冷陶”。

宋代冷饮更为丰富,夏日大量冷饮冷食进入市场。宋孟元老《东京梦华录》写道:“夏月……(夜市上销售有)冰糖冰雪冷元子……沙糖绿豆甘草冰雪凉水。”提到“巷陌杂卖”时说:“是月时物,巷陌路口,桥门市井皆卖……冰雪凉水……”冰雪已被列在小吃、水果一类中,成为“时物”“杂卖”的一种。宋周密《武林旧事·凉水》描述南宋京都临安(现杭州)避暑的情景,市售清凉饮料中有“雪泡缩脾饮”“白醪凉水”及“冰雪爽口之物”。《西湖老人繁盛录》记载六月初六西湖庙会盛况,仅冷饮就有近20种。书中列举的“诸般水名”有“漉梨浆、椰子酒、木瓜汁、皂儿水、甘豆糖、绿豆水”,还有“缩脾饮、卤梅水、江茶水、五苓散、大顺散、荔枝膏、白水、乳糖真雪”等(图3-3)。特别有趣的是最后一句说“富家散暑药冰水”,提到有钱人家免费发放暑药和冰水。能将冰水作为施舍之物,可见当时藏冰业有多发达。那么多种清凉饮料,就是现在去逛西湖恐怕也未必能有如此口福呢。

图3-3 夜市卖冰

《东京梦华录》中还记载食客在饭店中点菜的场景:“都人侈纵,百端呼索,或热或冷,或温或整,或绝冷、精浇、膘浇之类,人人索唤不同。”这些描写与唐诗中表现出的情景有很大区别,表明冷食至少在京都很普及。当时冷饮冷食的制作精美考究,有一种冷食是把果汁、牛奶、冰块等混合,调制成夏天的食品,名叫“冰酪”。冰酪甚至成为诗人墨客讴歌的对象。宋代诗人对冰酪的形状和颜色作过形象描绘:“似腻还成爽,如凝又似飘,玉来盘底碎,雪向日冰消。”冰酪与现在的冰激凌已很相似。

文人雅士小聚,冷食必不可少。宋人袁去华《红林檎近》词中描写,在幽雅园池中纳凉的夜晚,他们“坐待月侵廊”之时“调冰荐饮”,调冰水时还要加蜜作甜料。宋人李之仪《鹧鸪天》中也写道:“滤蜜调冰结绛霜”。

当时嚼冰块还被认为是醒酒解酒的好方法。如程颖有一首《食冰诗》道是:“车倦人烦渴思长,岩中冰片玉成方。”车旅劳烦,他嚼“成方”的“冰片”提神。徐昌图写得更直白:“红窗酒病嚼寒冰”,朱敦儒《春晓曲》中也有“玉人酒渴嚼春冰”的句子。嚼冰自然要把大块冰敲碎,敲冰也成为文人们的一种乐趣,宋人杨廷秀甚至专门以“敲冰”为题作过一首诗,说是“忽作玻璃碎地声”。

元朝时,意大利旅行家马可·波罗(Marco Polo)到中国,在京城大都(现北京)街头看到出售手工制作的冰棒,感到很惊奇。他在《东方见闻录》一书中写道:“在东方的黄金国(指中国)里,居民们喜欢吃奶冰。”也很有可能是马可·波罗1295年回到欧洲后,把中国制造冰棒、雪糕的技术带回意大利,从而传布海外。

清代藏冰业更为发达,冰价暴跌,“只须数文钱购一巨冰”。百姓喜冰食,冷饮种类也更多了,“京都夏日,宴客之筵必有四冰果,以冰拌食,凉沁心脾”。清富察敦在《燕京岁时记·酸梅汤》中说,清代有四大冰食佳品:一是酸梅汤,二是西瓜汁,三是杏仁豆腐,四是什锦果盘。他还专门写了酸梅汤饮料的制法:“酸梅汤,以酸梅合冰糖煮之,调以玫瑰木樨(桂花)冰水,其凉振齿。以前门九龙斋及西单牌楼邱家者为京都第一。”凉得连牙都晃动了,难怪文人要著文记之。

清朝宫廷里冷食自然更是花样繁多。金易所著《宫女谈往录》中,宫女何氏透露了慈禧太后消暑的细节:“宫里头出名的是零碎小吃,秋冬的蜜饯、果脯,夏天的‘甜碗子’。‘甜碗子’是消暑小吃,……把新采上来的果藕芽切成薄片,用甜瓜里面的瓤,把籽去掉和果藕配在一起,用冰镇了吃。……把青胡桃砸开,把里头带涩的一层嫩皮剥去,浇上葡萄汁,冰镇了吃。”

冰雪也用于食物的长期冷藏和长途运输。明代于慎在一首诗里写道:“六月鲥鱼带雪寒,三千里路到长安。”鲥鱼产于江南,运到长安,三千里长途运输而不腐,靠的是冰雪冷藏。另一首诗也可佐证,同是明代的何景云诗:“白日风尘驰驿路,炎天冰雪护江船。”船上已用冰保鲜,这可能是最早的冷藏船的记载。我国沿海渔民也很早在渔船上用冰保鲜,称为“冰鲜船”。

明代以后,冰的运销还发展成为国际贸易。日本在明治维新以前,医疗等用的冰曾从我国天津输入。

奢侈的“空调”

冰雪除用于制作冷食和冷藏食品外,也用于防暑降温。皇宫内避暑自然更为豪华,“长松修竹,浓翠蔽日,层峦奇岫,静窈萦深,寒瀑飞空,下注大池可十亩。……御笐(活竹篱笆)两旁,各设金盆数十架,积雪如山。”在当时条件下,用储存或运输来的冰雪给皇宫庭院降温,显然储冰能力已非常强大。

人们也利用河水、井水给环境降温,平民百姓可能洒水足矣,皇家就大不一样了。中央电视台无锡唐城影视拍摄基地再现了也许是世界上最奢侈的古代“空调”。在青山绿水掩映之间,“沉香亭”“演乐台”“华清池”三组建筑相映成趣。沉香亭,又称“凉殿”,是唐代长安兴庆宫中供唐明皇与杨贵妃消夏纳凉的所在地。亭边有一直径达18m、自重10t的大水车。这是工程师们依据各种史料记载,艺术地再现了这一中国仅有、世界无双的历史景观。大水车运用机械原理,由60名男子推动轴承,带动河水从24只龙头水斗里喷洒到屋顶,使亭内清凉如秋。

隆重的帝王“颁冰”

值得一提的是,很长一段历史时期,冰块有着非常特殊的身份,并深深浸入到中国社会政治生活中。封建帝王通过制度化的“颁冰”,把定期赏赐臣属冰块作为维系君臣关系的一种手段。

从先秦文献中可以看到,修建冰窖、凿冰、储冰的活动,是在国家官吏的领导下进行,费用也由国库承担,是一种国家行为。“凌人”是当时掌管冰的政府官员。以后历代王朝也都一直设有管理冰政的部门和官吏,足见对储冰的重视。《宋史·职官》记载:“膳部郎中员外郎,掌牲牢、酒礼、膳羞之事。……季冬命藏冰,春分启之,以待供赐。”这位官吏主管的主要业务之一就是储冰。在清朝储冰的业务则由工部都水司负责。

对于“泠”这一珍贵的享受,君主也要与臣同乐。从《夏小正》就开始规定,天热以后要“颁冰”,也就是“分冰以授大夫也”。《周礼》规定“夏颁冰”。《宋史·礼志》载有当时更细致的明文规定:“仆射、御史大夫、中丞、节度、留后、观察、内客省使、权知开封府,……三伏日,又五日一赐冰。”虽然藏冰的所有权在帝王,但通过制度化的赏赐——“颁冰”,夏季用冰成为最高统治者与他的一部分高级官吏共享的一种特权。这一特权用一定的规章“礼”加以明确,根据官爵高低,与君主的亲疏远近而有不同的待遇。

《旧唐书·礼仪志》记载,唐代人存冰、取冰是一件很郑重的事情。冬天藏冰,仲春开启冰窖,都要在冰室举行特别的仪式,用黑牡羊、秬黍祭司寒之神。开启冰窖的仪式叫“开冰”,因为冰是要献给皇上的,为了辟邪,仪式中在神座上还要摆上弓、矢。开冰后的第一件事是“荐冰”,即在太庙举行仪式,把冰块首先献给先人,以示“慎重追远”之意,中国人的“孝道”处处显现出来。这以后,天子自己享受这份“寒冷”外,就开始“颁冰”,用冰赏赐大臣。

文人墨客的词赋中不乏赐冰的描述,有的还专门拿赐冰说事(图3-4)。唐代杨巨源《和人与人分惠赐冰》中写道:“天水藏来玉堕空,先颁密署几人同。”看来赐冰数量较大,当时不举行集中的赏赐仪式,而是由掌冰官直接将冰送到受赐官员的官府,颁冰也是高官和重要部门优先。诗人的语气显然颇为得意,他的部门“密署”(学士院)当属机要部门,可能是中央直属机构吧,得到“先颁”的待遇。然后就是“几人同”,一帮要员当场分冰块,赶紧回家。四时八节,赐冰也要有些特别的节目。《宋史·礼志》记载,伏日这一天皇上要赏赐臣子“蜜沙冰”,蜜沙冰显然已经是一种成品冰食。后人考据,“沙”当指豆沙,“蜜沙冰”可能就是浇上蜜、放上豆沙的冰。这东西与今天的“红豆刨冰”大概差不多,皇上拿它来赏赐贵戚重臣,能得到这种恩赐是多么荣耀。

图3-4 赐冰

皇上有时为臣下考虑得还挺周到,把冰直接送到王公大臣的府邸中。韦应物专有一篇《冰赋》中说,“夏六月,白日当午,火云四至”的日子,陈王大会亲友,韦先生也在其中,“睹颁冰之适至”,正好碰上天子赏冰送来,众宾客雀跃。宋人孔仲武有一首《食冰诗》,就把宫中赐冰的方式写得十分生动:“休论中使押金盘,荷叶裹来深宫里。”冰块是用荷叶裹着,放在盘中,专门由太监送到受赏官员府上。

冰是如此珍贵,韦应物的《冰赋》中就说,冰“实大王樽俎之常品,非小民造次之所致”,赐冰当然要“尊卑有等,颁命有度”,只有王公贵胄达官显贵才能享有这份殊荣。刘禹锡《翠微寺有感》写道:“吾王昔游幸,离宫云际开。朱旗迎夏早,凉轩避暑来。汤饼赐都尉,寒冰颁上才。”白居易曾有幸得到这份赏赐,他还专门写表谢恩。在《谢赐冰状》中他先说了解皇上的苦心,“以非常之物,用表特异之恩”,然后倾诉自己受赐后“常倾受命之心”“永怀履薄之戒”的一片忠君之情。杜甫就倒霉得多,年迈多病,又赶上天气酷热,在《多病执热奉怀李尚书(之芳)》中写道:“思沾道暍黄霉雨,敢望宫恩玉井冰”。诗人已经中暑,还在巴望得到皇上赐冰的恩宠,这份“冷遇”得不到,只有发牢骚了。

唐宋天子赐冰数量如此巨大,皇家必定建有大规模的冰窖,史载北宋时京城不仅有皇家专用冰窖,地方上也设有属于国家的官用冰窖。随着生产力的提高,唐代起已开始出现民间储冰和买卖冰雪的记录。《迷楼记》中说,隋炀帝的宫人为了邀宠,“各市冰为盘”,以致“京师冰为之踊贵,藏冰之家,皆获千金”。“市冰”就是买冰,皇上的嫔妃出手阔绰,促使冰价飞涨,自然肥了民间经售冰雪的商人(藏冰之家)。不过至少在唐朝,夏日冰雪还是相当昂贵的,《云仙杂记》记载“长安冰雪,至夏日则价等金璧。”到了宋代,民间经营冰雪已相当普遍,窖藏冰雪的数量一定相当庞大,也出现一些经营冰雪的大商户。《东京梦华录》写道:“冰雪惟旧宋门外两家最盛,悉用银器”。说有两家经销冰雪的商人买卖最好,兴旺到连盛冰雪都用银器。两宋京城中,夏天市面上买卖冰雪成为平常的事情,各种消暑食物、饮料往往是用冰雪冷镇的,或者直接用冰雪制作,冰雪的身价大为下降。

明清时代,普通市民也可用冰,关于皇帝赐臣下冰块的记录就很鲜见了。皇家另选花样来作为操练君臣关系的手段,冰块不再承载皇恩沐浴臣属,才从特权标志逐渐变为一种普通商品。

也从《圣经》中的制冷传说说起

在古代文明的其他发源地,也很早就应用藏冰制冷技术。古犹太人、埃及人、罗马人、希腊人都不乏储冰冷藏和冷饮冷食的记录,在《圣经》中也能找到有关制冷的记载,世界各民族为了更好地生存,都在不懈地追寻“冷”。

古代外国储冰冷藏

国外最早关于人工制冷的记载可能要数《圣经》了。《旧约》的箴言篇里写道:“忠信的使者叫差他的人心里舒畅,就如在收割时有冰雪的凉气。”《旧约》成书于公元前5世纪,许多箴言作品是根植于人民生活土壤的民间口头创作。《圣经》虽是一部宗教典籍,其中仍向我们提供了大量古希伯来人形象生动的生活画图。透过迷离的宗教外衣,我们可以看到,当时古希伯来人已经能把冰雪储存到收获季节,冰雪的凉气使他们多么惬意。

在东西方许多古代典籍中也常可见到有关天然冰制冷和冷藏的记述。古罗马哲学家和著作家塞涅卡(L. A. Seneca,公元前4至公元65年)描写过罗马人的存冰储雪技术。罗马人按一定的规格砌筑雪窖,雪窖也是一个大坑,用禾糠、草荐、树枝或土覆盖。因为有时要远至阿尔卑斯山的高寒处运取雪,所以入窖前一定要把雪压实,压成人造的冰块。这样既便于长途运输,也能更有效地利用雪窖的空间。他们用冰雪在运输新鲜水果时作雪藏冷却。古罗马的烹调书中还建议用雪盖上装食物的盘子,特别是覆盖盛龙虾的盘子,用来防止易腐食品变质。冰雪往往来自远方,运输车队有时需要从亚平宁山脉长途跋涉为古罗马享有特权的人供雪。

古希腊历史学家普鲁塔克(Plooutarchos,公元46—120年)详细讨论过用禾糠隔热防止冰雪融化的问题。从他的著作中易于推断,那时雪包在厚厚的织物中长期储存,雪融化后,透过织物或筛网滤出的冷水就直接加到饮料里。罗马雄辩家普林尼(G. Plinius Secundus,公元23—79年)提到,喝这种很冷的却不太干净的饮料,虽然显示了富贵,却常常引起各种疾病。后来人们就改为把盛饮料的容器放在雪中冷却。据说这个发明还要归功于古罗马有名的暴君尼禄(C. C. Nero,公元37—68年),人们至今视这位帝王为冰镇香槟酒的发明人。尼禄还观察到,预先加热的水比未加热的水冷得更快。在尼禄之前,亚里士多德(Aristot-le,公元前384—322年)在他的《气象学》一书中也提到过这个现象。

古埃及人冰镇饮料的方法则要更巧妙一些。法老王们用银制的双层酒杯,内层填满雪,冷却盛在杯子外层的果汁,招待尊贵的宾客。

除了储冰,人们也知道用热辐射和水蒸发的原理制冷。希腊作家普罗塔哥拉(Protagoras,公元前481—411年)在他的著作中描写过古埃及的情景:“他们把陶冶的蒸发罐露天放置在房子的最高处,让两名奴隶整夜用水淋洒这个多孔的壶。到了早晨,水变得很冷,不用雪就可以把它降到结冰的温度。”古埃及流传下来的绘画中有这样的画面,晴朗的夜晚,高高的屋顶上,奴隶在用水淋洒盛水的陶罐。这里描绘的就是利用向空中辐射热和加速蒸发来制冰的场面(图3-5)。

图3-5 古埃及人制冰

类似的方法,印度人、日本人和美国佐治亚州海边的黑人,都在相当古老的年代使用过。日本流传“伏天制冰秘法”,是在一个钢罐中盛水,烧沸后将其密封,放入井中,次日早晨取出,罐中会有一层薄冰。可以这样解释,沸腾的水在密封的罐中冷却,如果蒸汽很快冷凝,则因罐内压力变低,一部分水就要在低温下蒸发,此时带走蒸发热,使水冷却结冰。如果把罐的形状、大小、装水量、冷却温度和时间诸因素适当调整,也许确有可能制出冰来。

古埃及人还利用热传导降温纳凉,不过方法煞是可怕。人们把一些冷血动物放在自己周围,再围上一些冷的石块,通过人的身体与这些动物和矿物接触来散热。公元前5世纪埃及的贵妇就是用这种方式度夏。她们在棚屋里放一张躺椅,铺上很厚的绿叶和花草,舒展身子躺在上边,身上披一件薄薄的亚麻袍子。拉上窗帘,用水淋湿。再在脖子上和胳膊上绕两三条活蛇,每只手拿一个水晶球。如此消暑是贵妇才能享受的特权。

把水灌入大理石管中,通过一个喷头形成喷泉,古代也普遍用这种方法冷却空气,为房屋和庭院降温。这同样是利用水的蒸发制冷,也是早期的空调了。

冰雪食物同样在许多国家的宫廷和王室生活中扮演重要角色。也许,在气候温暖的地方或炎热的夏季,吃上移季或移地而来的冰冻食物,更能显示食用者的奢华与高贵。如日本平安时期,皇室食谱中对各种人物的用冰量有明确规定。天子4—9月用冰,皇后和太子5—8月用冰,亲王、妃子等仅6—7月用冰。用冰量也不一样,在6—7月,天子每日用冰3驮(每驮相当于132kg);皇后每日用冰4颗(8颗为1驮);太子每日用冰6颗;亲王、妃子、夫人、尚侍每日用冰1颗。在用冰量上,尊卑等级森严。

从中世纪起,骆驼队从黎巴嫩运雪到大马士革哈里发的王宫,更远的要运到现在伊拉克的巴格达和埃及的开罗。

清凉饮料成为王公贵胄宴席上的珍品,有关的记载史不绝书。1533年,法兰西王位的继承人亨利二世与意大利佛罗伦萨的美第奇家族联姻。举行婚礼时,意大利人借此机会向西欧人显示他们名不虚传的美味佳肴。据说,在连续34天庆祝结婚狂欢的日子里,每日都造出一些与柠檬、橙及野莓香味不同的冰水饮料,还向宾客提供奶油做的冰糕,方法则绝对保密。

对天然冰的经营,许多国家在财政和管理上作出特别的规定。法国的气候较适合天然冰的采集,17世纪天然冰贸易已形成一定规模,一段时期经营冰是国王特许的专营事业,显然卖冰获利颇丰。那时巴黎的“工业促进会”还曾提供2000法郎的奖金悬赏为利用天然冰的家用冰箱发明长期储冰法的人。

17世纪在西班牙已形成正规天然雪贸易,根据城市的地理位置选择适合的产雪地,雪压成块后用驮重牲畜运输并存在专用的冰窖里。冰窖有私人的,也有公用的,有的建在山区,有的建在城市消费区,天然雪的销售形成网络。18世纪天然雪在西班牙的使用已较普遍,销售量的增大使对天然雪的征税成为政府财政的一个重要来源。

大规模的天然冰产业

天然冰的采集、储存和运销在19世纪末达到了它最辉煌的时期,在美洲大陆成为一项巨大的产业。美国立国未久,但经济迅速发展,富于创新精神和追求高品质生活的美国人以惊人的速度实现了天然冰收集和运输的工业化,并形成完善的销售网络。

18世纪末,天然冰的应用在美国已相当普及,几乎各地的农场主都建有冰库,大量用冰冷藏农产品和肉、奶制品。天然冰还用在运输工具上,用于长途运送易腐食品。19世纪,用天然冰制冷的家用冰箱兴起。当时的冰箱其实只是一个衬有镀锡或镀锌铁皮的木箱,用海草、木屑等各种物料作保冷材料,隔层中装入冰块冷藏主箱中的食品。箱下有一个水盘专门收集融化而成的水,家庭主妇每天要记着清空积水。“售冰人”定期来为各家添冰,他们的四轮马车巡行在城市的街道上,成为城市的一道奇特景观。1880年左右,美国大城市已有35%~50%的天然冰销售给个人,其余部分销售给咖啡厅、餐馆和其他工业用户。

天然冰的大量使用带来采集、装卸的机械化和储存的大型化。开始人们是用手锯作业,1825年韦思(N. J. Wyeth)发明了用一匹马拉的切割锯,后来又采用机械圆锯。采集的天然冰用机械堆码在大型冰库里,冰库通常设有双层木板墙,中间用木屑隔热。有些冰库可存冰6万t以上,最好的冰库存冰可长达2年,损耗为10%~25%,性能已相当优越。1855年左右,人们采用了用蒸汽机驱动的提升机堆码冰块,其工作能力达到600t/h。

在美国东部,天然冰的主要来源是缅因河和赫德森河。20世纪初,赫德森河流域的天然冰储存能力达到400万t。纽约城的大部分冰的供应靠由6~12条驳船组成一列的拖驳船队(每条船可装载400~1000t冰)。在西部,旧金山首先接收从阿拉斯加运来的天然冰,后来接收用铁路运来的内华达山脉的冰。

1880年,天然冰已成为一项巨大的产业,并形成一些大的经营天然冰的公司,公司每年销售的天然冰可达数百万吨。高效率的采冰业使冰价降低,甚至在美国南部,1827年每千克冰的价格为5~6美分,1830年更降到1~3美分。

1843年,仅纽约城就消费了12000t天然冰,1856年达10万t,1879年达100万t。美国南部的新奥尔良,冰的长途运输比较困难,1860年消费天然冰也达24000t。1880年美国采集了500万t天然冰,1899年为2500万t,创下了采集天然冰的最高纪录。这一切显示了冰在美国人生活中的重要性,1855年就有英国人在他的通信中惊呼:“冰是美国的一项公共事业!”

天然冰在美国也形成大规模的国际贸易,甚至天然冰工业的兴起首先也是得益于天然冰的国际贸易。1806年,后来被称作“冰王”的图德(Frederic Tudor)率先从波士顿向马提尼克岛发运了130t冰,后来又向牙买加出口冰,那里需要用冰治疗黄热病。他的运冰路线不断拓展,除了通过沿海航线向美国南部城市运冰外,还向古巴哈瓦那运冰。到1832年,27年间他一共海运了4500t冰。此后,他的公司更为大胆,1833年向印度的加尔各答发运了180t冰(卸货时仅剩下120t),1834年运冰到南美巴西的里约热内卢,1840年又开辟英国航线。经过众多美国企业家的努力开拓,1872年美国天然冰的出口达到顶峰的225000t。当时美国的天然冰也偶尔跨越半个地球来到过中国。图3-6所示为1870年英国南安普顿的冰库,内有巨大的地窖。

图3-6 1870年英国南安普顿的冰库,内有巨大的地窖

这一时期,其他国家的天然冰产业比美国小得多,但仍起着不可忽视的作用。挪威以其天然冰的出口而闻名,特别是向英国出口,挪威天然冰的特点是透明洁净。1899年挪威向英国出口天然冰达到顶峰,约为50万t(其中40%用于伦敦),同年向德国出口35万t天然冰。而俄罗斯则在1939年才达到采集天然冰的顶峰,那年共采集了1400万t的天然冰,数量也非常惊人。

随着机械制冷的兴起,20世纪初天然冰的采集逐渐衰退。然而天然冰工业已经培育起一个庞大的用“冷”市场,为机械制冷技术的发展奠定了基础。

跨越冰点

用天然冰制冷,最低只能达到0℃。人们还没有办法制造出人造的冰来,充其量只能冰镇饮料或直接食用天然冰。天然冰用于冷藏,同样无法使被冷藏物冻结。

人工制冰,必须达到比0℃更低的温度,这最初是利用冰盐混合物实现的(表3-1)。这种冷却混合物的出现可以视为已进入天然制冷向人工制冷的过渡阶段。

表3-1 几种冰盐混合物的温度

人们很早就发现,在水中加盐,特别是加芒硝(硝酸钠),可以降温。我们并不知道这一发现的具体日期,但在公元4世纪的印度典籍中已经提到“有盐时水更冷”。中国古代医书中也有用冰盐水袋冷敷治病的记载。

1550年,居住在罗马的西班牙籍医生乌拉加宽(Blas Villafranca)发明了将奶油和水、果汁等混合冷冻的方法。他在雪中加硝石(硝酸钾),冰点降到0℃以下,后来发现在雪中加盐可以得到更低的温度,可用它来冻结奶油混合物。1589年那不勒斯的波塔(Battista Porta)、1607年那不勒斯医生坦克雷多(Tancredo)都提到这一方法。1644年卡博斯(Cabeus)做实验,用100份水和35份硝酸钾混在一起,用力搅动形成了冰。冰盐混合物制冷使人类跨越了0℃,并开始可以人工制冰。

从17世纪开始,冰盐混合物已用于科学研究,意大利西门图科学院的院士们和英国物理学家波义耳都用这种冷却混合物做实验。1760年布劳(Braun)在彼得堡用雪和氯化钙的混合物冻结了水银(-39℃),华氏温标的发明人华伦海特也是用雪和硝酸铵的混合物确定了他的温度计的零位点。

冰盐混合物制冷得到商业应用,意大利中部佛罗伦萨的市民利用这种快速冷冻的方法,正式地大规模生产出雪糕。后来,许多意大利移民涌入英国,带去了雪糕的制作方法。那些年里,伦敦街头满是小孩手捧意大利人制作的雪糕向行人兜售,到处都是他们的叫卖声:“试吃一杯如何?”

18世纪,人们已经发现5~10种盐和冰的混合物能显著降低温度,并对支配冷却混合物的规律进行了多方面研究。在机械制冷未普及之前,这也是制取人造冰的唯一方法,冰和氯化钠的混合物是冻结食品最常用的混合物。1869年采用硝酸铵溶液制冷制作的20kg重的冰块曾从巴黎出口到阿尔及尔。19世纪末,在伦敦还曾建立过用冰盐混合物制冰和进行冷藏的工厂。然而,机械制冷技术异军突起,很快就使冰盐混合物制冷法销声匿迹。现在已很少用冰盐混合物制冷,不过盐水用作一种冷载体,仍广泛用在工业生产中。