为什么热水结冰的速度要比冷水快？

Question

如题所述

Answer 1

据英国《新科学家》杂志报道，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摄氏度的自来水——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摄氏度，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摄氏度，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摄氏度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摄氏度作为起步点，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摄氏度这一冻结点前，热水样首先达到零下2摄氏度这一冻结点，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�6�1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。”

姆佩巴效应得名由来

这种怪异的现象拥有很长的历史。公元前4世纪，亚里斯多德首次发现姆佩巴效应。他这样写道：“之前被加热的水冻结速度更快。因此，在希望快速冷却热水的时候，很多人会首先将它放在阳光下加热。”

弗朗西斯�6�1培根也曾发现这种现象。他在1620年写道：“与温度极低的水相比，温度稍高的水更容易冻结。”莱恩�6�1笛卡尔在1637年指出：“经验告诉我们，在火上长时间加热的水冻结速度超过其他水。”

上世纪60年代，这种效应开始走进现代科学界的视线。当时，坦桑尼亚学生姆佩巴对他的老师说，通过将一种加热过的混合物放入冰箱，他能够以比正常情况更快的速度制作冰激凌。这种观点一度让姆佩巴成为同学们的笑柄，直到学校的一名督学在达累斯萨拉姆重复这项实验证明他的话所言非虚，姆佩巴才得到“平反”。

Answer 2

从物理方面来说，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、对流，通过实验观察，对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果，如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析原因就更能说明问题了：盛有4℃冷水的结冰要很长时间，因为水和玻璃都是热的不良导体，液体内部的热量很难依靠传导有效地传递到表面，杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面，所以在水表面处最先结冰，其次是底部和四周，形成了一个密闭的“冰壳”，这时内层的水与空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止内层水温继续下降的正常进行，另外由于水结冰时体积要膨胀，“冰壳”起着一种抑制作用。盛有100℃热水那一杯冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”的现象，沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成液体内部的对流，使水分子围绕各自的结晶中心结成冰，初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大。正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖，由于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大，当水面温度降到0℃以下并有足够的低温，水面就开始出现冰晶。初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后我们观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的表面能，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比较初温低的水快得多。
从生物作用方面来看，水要结成冰，水中需要许多结晶的中心，生物实验发现，水中的微生物往往是“结晶中心”。而某些微生物在热水（水温在100℃以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”比冷水中的多得多，加速了热水结冰的协同作用，围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核，对流使各种取向的分子都流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中，结晶释放的能量通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部结冰为止。

Answer 3

四个因素:
1.
蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中，热水由于蒸发会失去一部分水。质量较少，令水较容易冷却和结冰。这样热水就可能较冷水早结冰，但冰量较少。如果我们假设水只透过蒸发去失热，理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应。这个解释是可信的和很直觉的，蒸发的确是很重要的一个因素。然而，这不是唯一的机制。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验，在封闭的容器，没有水蒸气能离开。很多科学家声称，单是蒸发，不足以解释他们所做的实验。
2.
溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体，随着沸腾，大量气体会逃出水面。溶解气体会改变水的性质。或者令它较易形成对流（因而较易冷却），或减少单位质量的水结冰所需的热量，或者改变沸点。有一些实验支持这种解释，但没有理论计算的支持。
3.
对流——由于冷却，水会形成对流，和不均匀的温度分布。温度上升，水的密度就会下降，所以水的表面比水底部热—叫"热顶"。如果水主要透过表面失热，那么，"热顶"的水失热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时，它会有一热顶，因此与平均温度相同，但温度均匀的水相比，它的冷却速率会较快。虽然在实验中，能看到热顶和相关的对流，但对流能否解释Mpemba效应，仍是未知。
4.
周围的事物——两杯水的最后的一个分别，与它们自己无关，而与它们周围的环境有关。初温较高的水可能会以复杂的方式，改变它周围的环境，从而影响到冷却过程。例如，如果这杯水是放在一层霜上面，霜的导热性能很差。热水可能会熔化这层霜，从而为自己创立了一个较好的冷却系统。明显地，这样的解释不够一般性，很多实验都不会将容器放在霜层上。
最后，过冷在此效应上，可能是重要的。过冷现象是水在低于0℃时才结冰的现象。有一个实验发现，热水比冷水较少会过冷。这意味着热水会先结冰，因为它在较高的温度下结冰。

Answer 4

姆潘巴问题的奥秘

1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃，他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中放进冰箱的冷冻室内冷冻。因为学校里做的同学多，所以冷冻室放冰格的位置一直比较紧张。有一天，当姆潘巴来做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几了，一位同学为了抢在他前面，竟把生牛奶放入糖后立即放在冰格中送进了冰箱的冷冻室，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不得冷却，立即把滚烫的牛奶倒入冰格里，送入冰箱的冷冻室内，过了一个半小时后，姆潘巴发现他的热牛奶已经结成冰而其他同学冷牛奶还是很稠的液体，没有冻结，这个现象使姆潘巴惊愕不已！

他去请教物理老师，为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结？老师的回答是：“你一定弄错了，这样的事是不可能发生的。”后来姆潘巴进了伊林加的姆克瓦高中，他向物理老师请教：“为什么热牛奶和冷牛奶同时放进冰箱，热牛奶先冻结？”老师的回答是：“我所能给你的回答是：你肯定错了。”当他继续提出问题与老师辩论时，老师讥讽他：“这是姆潘巴的物理问题。”姆潘巴想不通，但又不敢顶撞老师。一个极好的机会终于来到了，达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问该校，作完学术报告后回答同学的问题。姆潘巴鼓足勇气向他提出问题：如果你取两个相似的容器，放入等容积的水，一个处于35℃，另一个处于100℃，把它们同时放进冰箱，100℃的水先结冰，为什么？奥斯玻恩博士的回答是：“我不知道，不过我保证在我回到达累斯萨拉姆之后亲自做这个实验。”结果他和他的助手做了这个实验，证明姆潘巴说的现象是事实！这究竟是怎么一回事呢？

发表在1969年英国《物理教师》杂志上的由姆潘巴和奥斯玻恩两个撰写的一篇文章中作了第一次尝试性的解释：他们做了一系列的实验，实验用的是直径4.5厘米容积100毫升的硼硅酸玻璃烧杯，同放70毫升沸腾过的各种不同温度的水。通过对实验结果的定量分析得出的结论是：冷却主要在于液体表面，冷却速率决定于液体表面的温度而不是它的整体的平均温度，液体内部的对流使得液面温度维持比体内温度高（假定温度高于4℃），即使两杯液体冷却到相同的平均温度，原来热的系统的热量损失仍要比原来冷的系统来得多，液体在冻结之前必须经过一系列的过渡温度，所以用单一的温度来描述系统显然是不够的，还要取决于初始条件的温度梯度。

后来许多人在这方面进行了大量的研究，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，而且还涉及到微生物作为结晶中心的生物作用问题。

从物理方面来说，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、对流，通过实验观察，对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果，如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析原因就更能说明问题了：盛有4℃冷水的结冰要很长时间，因为水和玻璃都是热的不良导体，液体内部的热量很难依靠传导有效地传递到表面，杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面，所以在水表面处最先结冰，其次是底部和四周，形成了一个密闭的“冰壳”，这时内层的水与空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止内层水温继续下降的正常进行，另外由于水结冰时体积要膨胀，“冰壳”起着一种抑制作用。盛有100℃热水那一杯冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”的现象，沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成液体内部的对流，使水分子围绕各自的结晶中心结成冰，初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大。正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖，由于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大，当水面温度降到0℃以下并有足够的低温，水面就开始出现冰晶。初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后我们观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的表面能，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比较初温低的水快得多。

从生物作用方面来看，水要结成冰，水中需要许多结晶的中心，生物实验发现，水中的微生物往往是“结晶中心”。而某些微生物在热水（水温在100℃以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”比冷水中的多得多，加速了热水结冰的协同作用，围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核，对流使各种取向的分子都流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中，结晶释放的能量通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部结冰为止。

以上是对观察到的现象进行分析，得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜，对其作出全面定量的令人满意的结论，还有待进一步探索。

Answer 5

如果这个理论是真的（因为我们做过实验，也没见过），我倒是对此有些想法：1.热水的水分子比冷水的水分子活跃，活跃的分子传热快，我想反过来传冷也快，热水比冷水传冷快就可能比冷水先结冰 2盛热水的容器也会热，同理它会比盛冷水的容器传冷快，这样也可能导致热水比冷水先结冰 3盛热水的容器受热会膨胀，它的受冷面相对来说也会大一点，膨胀后还会使得容器分子间距扩大，从而冷分子更容易侵入 4热水和冷水在同质量的情况下放到冰箱，但过不多大会，可以肯定热水的质量就比冷水少了，哲学上有句话“最难的都在最后一步呢”也许就是冷水比热水结冰多了那么一点点而没能像热水那样先完成结冰……不知道你是怎么认为的，有什么想法也分享一下嘛