为什么热水结冰会比冷水快?

作者:土豆同学/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-02-13

这个原因挺复杂。

热水结冰真的比冷水快吗?

  热水结冰会比冷水更快吗?答案看起来应该是否定的没错,毕竟在同等条件下,比起冷水,热水需要更多时间进行冷却,所以它不可能会更快结冰。

  但是几千年来的观察以及无数的现代实验表明,事实恰恰相反——在非常严格的条件控制下,有时候热水结冰比冷水更快。

  这怎么可能呢?当然,科学家对此还存有疑惑——事实上,他们仍要先努力证明这个现象是存在的,正如德里克·穆勒(Derek Muller)新的科学节目《化学科学》的第一个片段所阐述的。

  事实证明,冰水(未结冰的)比你想象中的要复杂的多。

  热水比冷水更快结冰的现象称作“姆潘巴效应(Mpemba effect)”,这个现象取名于一位坦桑尼亚学生埃拉斯托·姆潘巴(Erasto Mpemba),他在1963年的时候将冰淇淋制作作为一项校园项目。

  学生们需要将奶油和糖的混合物煮沸,冷却后将其放入冰箱。

  姆潘巴担心冰箱里的空位所剩无几,等不及冷却便将滚烫的牛奶放入冰箱。但是一个半小时以后,他的混合物已经冻结,而其他同学的并没有。

  他对这一现象产生了浓厚的兴趣,接下来便和物理教授丹尼斯·奥斯伯恩(Denis Osborne)一同研究,他们共同重现这一发现,并在1969年发表了一篇论文,结果表明温水比冷水更快结冰。

  这是对于现象的首次同行评审,但正如德里克在视频中所提到,最早的研究数据一路可以追溯到公元前四世纪的亚里士多德做的实验,经他观察发现,在实验中,比起冷水,热水冷却的速度更快。

  弗兰西斯·培根(Frances Bacon)爵士以及笛卡尔(Descartes )同样在他们的研究中提到这一现象。

  但这奇怪的现象背后又隐藏着什么样的物理原理呢?这一现象可能存在五种机理:

  冰霜融化:冰霜是绝缘体,所以比起温暖的烧杯,烧杯两旁有冰霜的冷水能更好的保持热量。

  可溶解气体:比起温水,冷水中有更多可溶解的气体,研究人员们预测,可溶解气体对冷却率有显著的影响,虽然这一点还不能确定。

  冷却过度:我们都知道,水会在摄氏零度的条件下结冰,但是有些时候,结冰往往是在温度更低的条件下形成——这个现象称为冷却过度。这是因为冰需要有成核位置才能最终形成,比如在水中出现气泡或者杂质。所以,也许温水比起冷水所要经历的冷却过度的程度更低。

  蒸发:在装有热水的烧杯中,因为蒸发从而失去了更多的水分子,因此减少了要冻结的水分子。

  对流:最后,有观点认为,温水比冷水冷却更快也许是因为对流的增加。对流发生的原因是,水的冷却主要是从烧杯的表面以及侧面开始,而这就导致冷水下沉,热水上升,从而产生对流。在温暖的烧杯中,对流更强,并可能影响到冷却率。

  以上的观点都颇有价值,但问题是这么多年以来,一直都在不同程度上控制着这些影响因素进行实验,结果却都是差强人意的不一致。

  一些实验室从未能证明姆潘巴现象的发生,而其他的实验室则表示它甚至发生在不同的条件下。

  那么答案究竟是什么?今年一项新研究表明,也许造成姆潘巴现象的是与以上完全不同的事物,并且热水能有多快冷却好像并没有什么大不了。

  

  蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 土豆同学,转载须授权

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