設(shè)為首頁
加入收藏- 科技文摘
中心簡介更多>>
首頁 > 科技文摘
熱水、冷水誰先結(jié)冰， 科學(xué)家也很懵
來源： 科技日報
作者：南皮縣產(chǎn)學(xué)研科技成果中服務(wù)中心
日期：
2017-09-10
如果有人問你：“冷水和熱水哪個先結(jié)冰？”相信你一定會覺得這個提問的人是不是傻了，當(dāng)然是冷水先結(jié)冰了。然而，事實上有時候還真未必。特定條件下可能熱水結(jié)冰比冷水還要快，這是怎么回事呢？
其實，歷史上諸多學(xué)者如亞里士多德、培根和笛卡爾等都曾對類似現(xiàn)象有所描述但是均未能給出完美的解釋。甚至現(xiàn)代科學(xué)家們面對這樣一個“簡單”的問題也仍然存在爭議。
顛覆常識的姆潘巴現(xiàn)象
說起來，這個既簡單又復(fù)雜的物理現(xiàn)象還有一個有趣的故事。
1963年的一天，坦桑尼亞的一個初中生姆潘巴和小伙伴們一起用牛奶制作冰激凌。當(dāng)他還在煮牛奶時，身旁的小伙伴已經(jīng)陸續(xù)把牛奶晾涼開始往冰箱里塞了，眼看就要沒有位置了，一時心急，姆潘巴就把煮熱的牛奶直接放進(jìn)了冰箱。一個半小時后，他驚奇的發(fā)現(xiàn)，他的冰激凌已經(jīng)凍結(jié)成塊，而其他小伙伴的冰激凌卻還是黏稠狀。這與我們對熱現(xiàn)象的直觀理解以及經(jīng)驗直覺完全相反。但為什么相反呢？姆潘巴帶著這個疑惑從初中直到高中，先后請教了多位物理老師都沒有答案，甚至有位老師譏諷地說：“看來有兩種物理，一種是放置四海皆準(zhǔn)的物理，一種是‘姆潘巴物理’。”
倔強(qiáng)的姆潘巴仍不停地尋找答案，直到他抓住達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系主任奧斯波恩博士到他們學(xué)校訪問的機(jī)會，又提出了自己的疑問。博士并沒有對姆潘巴的問題嗤之以鼻，而是回到實驗室按照姆潘巴的陳述進(jìn)行了冷熱牛奶實驗和冷熱水實驗，結(jié)果都觀察到了姆潘巴提到的奇怪現(xiàn)象，于是，博士邀請姆潘巴和他一起對這個現(xiàn)象進(jìn)行研究，并于1969年共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，引起學(xué)界廣泛關(guān)注。于是人們將這個在同等體積和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體（非純水）先結(jié)冰的現(xiàn)象，命名為“姆潘巴現(xiàn)象”。
姆潘巴現(xiàn)象背后的幾種解釋
為了解釋為什么有時候熱水結(jié)冰比冷水快，50多年來，許多物理學(xué)研究者先后對此現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，嘗試著從不同的角度去解釋。
冰霜融化說----據(jù)了解，為了研究姆潘巴現(xiàn)象，很多學(xué)者進(jìn)行了實驗觀察。液體表面凝結(jié)的冰霜會影響其向周圍導(dǎo)熱的速率。冰霜導(dǎo)熱性比水差，熱水使得冰霜融化，減少了其阻礙作用，優(yōu)化傳熱。不過有充分的證據(jù)證明，在試驗過程中全部排除冰霜的干擾或抑制冰霜的融化，姆潘巴現(xiàn)象依然存在。因此，這種說法并不成立。
水汽蒸發(fā)說----一些學(xué)者相信，熱水溫度較高導(dǎo)致水蒸發(fā)的速率變快是造成姆潘巴現(xiàn)象的首要原因，因為蒸發(fā)使得水分子減少，要凍結(jié)的水分子也相應(yīng)變少，所以加速了熱水結(jié)冰速度。不過，一些科學(xué)家對結(jié)冰前后水的質(zhì)量進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量差從未超過3%，盡管蒸發(fā)后的水減少了，但是這3%的水分子并不能夠顯著影響水結(jié)冰需要的時間。與此同時，水汽蒸發(fā)過程中消耗的熱量也不能夠忽視，可惜的是，對于熱量消耗的對照試驗并不容易實現(xiàn)，因為它需要對開放容器和密閉容器進(jìn)行測量，但是在密閉環(huán)境下，水汽蒸發(fā)和熱量的傳導(dǎo)都會受到阻礙，無法測量單一變量的影響。
可溶解氣體說----溫度越高，氣體在水中的溶解度就越小，因此熱水里溶解的氣體要少于冷水，由于水在溶解一些氣體后凝固點(diǎn)會降低，而熱水的氣體含量更低，凝固點(diǎn)也相應(yīng)變高，這可能是熱水結(jié)冰較快的一個原因，同時也有實驗發(fā)現(xiàn)脫氣水比非脫氣水結(jié)冰更快。
熱梯度對流說----熱梯度對流觀點(diǎn)認(rèn)為，熱水比冷水結(jié)冰更快是因為對流的增加。由于水的冷卻是從容器的表面以及側(cè)面開始，使得冷水下沉，熱水上升，因此產(chǎn)生對流。當(dāng)熱水放入低溫環(huán)境中，靠近容器的水迅速降溫，而內(nèi)部水溫不變，這樣就產(chǎn)生了溫度差并引起熱對流。在冷卻的過程中，這個熱對流一直存在，溫差越大對流就越激烈，水冷卻就越快。
過冷現(xiàn)象說----在2013年初，英國皇家化學(xué)會特意舉辦了一場比賽，評選姆潘巴現(xiàn)象的最佳原理解釋。而比賽獲勝者提出的解釋就是過冷現(xiàn)象。過冷現(xiàn)象指液體或氣體的溫度到其凝固點(diǎn)以下，但沒有凝固的現(xiàn)象，而原本溫度較低的水比原本溫度較高的水更易發(fā)生過冷，那么它的確可能比熱水結(jié)冰更慢。
目前，盡管對于姆潘巴現(xiàn)象并沒有一個令所有人都信服的完美解釋，但是科學(xué)家仍然在不斷提出各種理論來解釋這一現(xiàn)象。
并非所有時候熱水結(jié)冰都比冷水快
正如開頭所申明的，熱水結(jié)冰比冷水快只是“有時候”，也就是說這并不是一個必然現(xiàn)象?！段锢硗▓蟆冯s志社所屬的《中學(xué)生物理》雜志曾對這一現(xiàn)象進(jìn)行過歷時1年的討論，其中有12篇“實驗報告”，偶有成功之例。這說明姆潘巴現(xiàn)象確實存在，但控制條件難尋，復(fù)現(xiàn)不易。這也就意味著，姆潘巴現(xiàn)象只是在特定條件下出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，而不能一般性地得出“熱水比冷水先結(jié)冰”的物理結(jié)論。
針對這一問題，9月4日，科技日報記者采訪了中國科學(xué)院物理研究所李治林博士。他指出，因為水中不同的雜質(zhì)離子可能帶來實驗上的干擾，甚至有一種說法認(rèn)為，通常環(huán)境下，普通水中不可避免地有一些微生物，它們在熱水中繁殖得更快，這些大小在微米量級的微生物恰好可以充當(dāng)水結(jié)冰所需要的凝結(jié)核，成為其優(yōu)先結(jié)冰的優(yōu)勢條件。而一些研究者用更加純凈的水進(jìn)行實驗時，常常不能重復(fù)這樣的結(jié)果。此外，水本身因氫鍵的存在，性質(zhì)復(fù)雜多變；而水降溫結(jié)冰更是多因素且動態(tài)的過程。因此，李治林表示，姆潘巴效應(yīng)并不普遍成立，應(yīng)當(dāng)以更加審慎的態(tài)度對待和研究這一現(xiàn)象。
相關(guān)鏈接
研究姆潘巴現(xiàn)象有啥意義
那么對姆潘巴現(xiàn)象的研究有意義嗎？李治林認(rèn)為，有意義，而且很重要。水是一種性質(zhì)獨(dú)特的物質(zhì)，有著非常豐富的物理現(xiàn)象，且在工業(yè)生產(chǎn)和生命科學(xué)中扮演極其重要的角色，然而人類目前對水的研究還很不透徹。
“30攝氏度的水”與“從100攝氏度冷卻到30攝氏度的水”一樣嗎？這個問題看上去毫無意義，似乎理所當(dāng)然，但事實可能并非如此。實際上，許多物理量和物理現(xiàn)象不僅取決于物質(zhì)所處的狀態(tài)，而且與其歷經(jīng)過程密切相關(guān)，最終結(jié)果是否一樣還是需要實驗研究來確認(rèn)。例如，由于冶金技術(shù)在工業(yè)上的價值，人類對鋼鐵的研究非常詳細(xì)。眾所周知，不同初始溫度、不同降溫速率處理過的鋼鐵，性質(zhì)有很大不同，其中晶粒的特點(diǎn)和形成過程也有所不同。類似地，實驗研究發(fā)現(xiàn)，不同過程和條件下產(chǎn)生的冰，晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)也有很大不同。
盡管我們很早就知道“常壓下水在0攝氏度結(jié)冰”但這個溫度其實只是一個范圍，冰也有各種不同的冰。
然而，對于水，很遺憾，由于微觀上太復(fù)雜，我們對其更細(xì)節(jié)的性質(zhì)還知之甚少。但有一點(diǎn)是肯定的，科學(xué)不能“想當(dāng)然”，實驗才是檢驗真理的最終標(biāo)準(zhǔn)。正是科學(xué)家們看似無聊的“較真”、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)疑、嚴(yán)格的檢驗、不斷的追求，才促進(jìn)科學(xué)不斷地接近真理。
關(guān)于本站| 設(shè)為首頁| 加入收藏| 聯(lián)系我們
電話：0317-8851134 傳真:0317-8851134 郵編：061500 冀ICP備05028085號-2 滄公備：13090002001073
您是本站第105010位來訪者