热水的冻结速度比冷水快吗,为什么?

这个现象现在也被称为「姆潘巴现象」,这个现象最早是由非洲坦桑尼亚的一位中学生姆潘巴发现的,他在制作冰淇淋的时候发现,热牛奶经常比冷牛奶先结冰,于是就和物理学家合作写了一篇关于这一现象的现代意义上的论文(当然,在历史上,亚里士多德就已经开始讨论过这一问题)。

这看起来是一个简单的现象,可是在发现之后引起了很多争论,一方面有很多人重复这一实验,却无法稳定得到类似的现象,这个实验的重复控制条件相对比较复杂,并不是一个普遍性的结论;另一方面,即使重复了实验现象,不同的物理学家对此给出的解释也很不相同。现在的解释有很多,有的解释强调是由于水中的杂质导致的,有的解释认为是水中的氢键导致的,也有的解释认为这是由于温度差的梯度导致的,还有很多解释包括蒸发、对流等,也有的从结晶形成的角度来探讨的,总之,这些不同的理论都可以从一些侧面解释这个问题,但是仍然很难给出一个准确的预测,因此我们只能说,这个问题现在仍然是一个没有完整解决的问题。

题目中所说的现象还真的发生过,但并不是绝对的,关于它的解释还有一个很有趣的故事: 1963年的一天,坦桑尼亚的一个初中生姆潘巴和小伙伴们一起用牛奶制作冰激凌。当他还在煮牛奶时,身旁的小伙伴已经陆续把牛奶晾凉开始往冰箱里塞了,眼看就要没有位置了,一时心急,姆潘巴就把煮热的牛奶直接放进了冰箱。一个半小时后,他惊奇的发现,他的冰激凌已经冻结成块,而其他小伙伴的冰激凌却还是黏稠状。这与我们对热现象的直观理解以及经验直觉完全相反。但为什么相反呢?姆潘巴带着这个疑惑从初中直到高中,先后请教了多位物理老师都没有答案,甚至有位老师讥讽地说:“看来有两种物理,一种是放置四海皆准的物理,一种是‘姆潘巴物理’。”

而之后姆潘巴像一个博士提出了自己的疑问,博士邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行研究,并于1969年共同撰写了关于此现象的一篇论文,引起学界广泛关注。于是人们将这个在同等体积和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体(非纯水)先结冰的现象,命名为“姆潘巴现象”。在之后的实验中也发现,并不是每次都会有这个情况发生,所以这种现象并不是绝对的。

而究其原因也众说纷纭,而其中比较可靠的有:因为水中不同的杂质离子可能带来实验上的干扰,甚至有一种说法认为,通常环境下,普通水中不可避免地有一些微生物,它们在热水中繁殖得更快,这些大小在微米量级的微生物恰好可以充当水结冰所需要的凝结核,成为其优先结冰的优势条件。问题远比想象的要复杂 后来许多人也在这方面做了大量的实验和研究,人们发现,这个看来似乎简单的问题实际上要比我们的设想复杂得多,它不但涉及到物理上的原因,而且还涉及到作为结晶中心的微生物的作用,是一个地地道道的“多变量问题”。

目前,尽管对于姆潘巴现象并没有一个令所有人都信服的完美解释,但是科学家仍然在不断提出各种理论来解释这一现象。

(文中有引用,不喜勿喷)

这个问题真的很专业,不过确实有这么一回事,这种现象被称为“姆佩巴效应”,英国《新科学家》也曾报道过相关现象,据说可能与水中杂乱无章的杂质有关。具体原因可向专业人士咨询哈。

1.冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的,而是由液体上表面与底部的温度差决定的,热牛奶急剧冷却时,这种温度差较大,而且在整个冻结前的降温过程中,热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。

2.上表面的温度愈高,从上表面散发的热量就愈多,因而降温就愈快。

基于以上两方面的理由,热牛奶以更高的速度冷却着,这便是热牛奶先冻结的秘密。

为何热水冻结速度很快

有时候,热水的冻结速度反而会超过冷水,这是为什么呢?这种怪异的现象困扰了几代科学家。经过数百次实验,纽约州立大学宾厄姆顿分校负责辐射安全的官员詹姆斯·布朗里奇最终发现证据,证明这种现象可能与水中杂乱无章的杂质有关。

热水快速冻结现象被称之为“姆佩巴效应”,以坦桑尼亚学生埃拉斯托·姆佩巴的名字命名。对于姆佩巴效应,物理学家曾提出几种可能的假设,其中包括水分更快蒸发导致热水体积变小,一层霜隔绝了温度更低的水以及溶质浓度存在差异。但任何一种解释都很难让人信服,因为这种效应并不可靠,冷水冻结速度往往还是超过热水。

布朗里奇认为,杂乱无章的杂质才是导致热水更快速冻结的关键因素。过去10年时间里,他利用空闲时间进行了数百次有关姆佩巴效应的实验,最终发现这种效应基于不稳定过度冷却现象的证据。

布朗里奇说:“水几乎从不在温度降到零度时冻结,通常是在更低温度下才开始冻结,也就是所说的过度冷却现象。冻结点取决于水中与冰晶形成有关的杂质。通常情况下,水可能含有几种类型杂质,其中包括尘粒、被溶解的盐类以及细菌,每一种杂质都能在特定温度下触发冻结机关。核化温度最高的杂质决定了水的冻结温度。”

布朗里奇对两个同样温度的水样(20℃的自来水)进行了实验。他把水样装入试管,而后放入冰箱中冷冻。由于杂质的随机混合导致其拥有更高冻结点,其中一个水样将首先冻结。如果这种差异足够大,姆佩巴效应便会出现。布朗里奇选择自然冻结点更高的水样,并将其加热到80℃,另一个则只加热到室温,而后将试管放回冰箱。他表示,如果热水冻结点至少高出5℃,其冻结速度往往会超过冷水。

可能让人感到惊讶的是,区区5℃就是一个足够大的差异,帮助温度更高的水首先“冲过终点线”。而如果以60℃作为起步点,它们在这场冻结较量中便要以失败告终。物体与周围环境——具体到这项实验,指的就是冰箱——的温差越大,其冻结的速度就越快。也就是说,在温度较低的水样达到零下7℃这一冻结点前,热水样首先达到零下2℃这一冻结点,进而以更快的速度冻结,

为什么其他人没有注意到这一点?布朗里奇表示,其他人在一次研究一个因素时并没有很好地控制实验环境,例如必须控制容器的类型以及水样在冰箱中的位置。但布朗里奇所做的工作不可能终结有关姆佩巴效应的争论。美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学的乔纳森·卡特兹便持怀疑态度。

根据卡特兹的理论,加热能够驱除二氧化碳等杂质,进而提高水的冻结点。这也就意味着,加热实际上提高了水首先冻结的机会,而不是布朗里奇所说的与杂乱无章的杂质有关。他说:“他可能发现了一种与姆佩巴类似的过度冷却效应。”

这个事实听上去与我们所了解的物理定律似乎正相反。一般来说,不同温度、同等质量的物质,其温度要降低到一个更低的点显然高温者需要释放更多的热量。在同等环境下,通常物质释放热量的速度是均匀的,然而神奇的水却展现了与其他物质所不同的一面——热水在冰箱这个寒冷环境下释放热量的速度会比冷水更快,从而导致热水“更容易”结冰。

2022-03-07

2022-03-07