冷水比热水更容易结冰是我们的认知常识,但是,据说在某些特定条件下,恰恰相反,这是真的吗?
论证

真相是:热水在一定条件下的确会比冷水更容易结冰,而这种现象称为姆潘巴(Mpemba)效应。

一、什么是姆潘巴现象?

姆潘巴现象(Mpemba)现象,又叫姆潘巴效应【1】,是指在同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。早在几百年前,亚里士多德、培根和笛卡儿均曾以不同的方式描述过该现象,但是直到姆潘巴在1963年,发现热牛奶放入冰箱会比冷牛奶放入冰箱更快制成冰淇淋才引起广泛注意,并惊动了物理学界,并以其名字命名了这一现象。而这种现象在水中同样也存在。但是,Mpemba 效应并不是在任何的初始温度、容器形状和冷却条件下,都可看到。例如,99.9° C 的热水和 0.01° C 的冷水,这样,冷水会先结冰。

姆潘巴(左)

二、结冰现象是什么?

结冰,简单来说就是一个液体在冷却过程中凝结成固态的过程,这个过程总是在局部优先产生,再扩展至整个区域。凝固是一个过程。无论是牛奶还是水,或者是其它液体在凝固时均可归结为一个结晶过程,从物理化学的角度来说就是一个新相(固相)形成而旧相(液相)消失的过程。结晶时固相开始形核,当达到临界形核尺寸后,就会开始长大,并进而凝固成整个固相。而要使结晶能得以顺利进行,得满足两个条件:一是要有足够的过冷度(我们把实际结晶温度低于平衡态时的结晶温度的现象称为过冷现象,而这两者的差值就称为过冷度),二是要有形核核心。冷却速度越大,过冷度越大,凝固越快;形核核心越多,尺寸越接近临界形核尺寸越易形核。

三、那么为什么热水在特定条件下会比冷水先结冰呢?

从上边我们知道,结冰得满足两个条件,一是达到临界形核尺寸的形核核心,二是要有足够的过冷度。只要满足上述两个条件,即使是热水也能比冷水先结冰!

对两杯完全一样的水(液体),我们可以认为未加热前完全一样,而经过加热后的水由于温度高,会使得其中生成大量的硅镁酸盐等溶质粒子,而这些溶质粒子会充当结晶过程中的形核点,并且相比于冷水,这些溶质粒子尺寸会更接近临界形核尺寸,这样,形核更易进行。而在冷水中这些形核点尺寸会小,更难达到临界形核尺寸,这也就是说形核过程会更难进行,更难结晶。这也就是为什么有人用纯净水反复做了类似实验,却始终没有发现“姆潘巴现象”的原因,因为纯净水中几乎没有能提供形核点的溶质粒子。

另外,还有别的研究者通过实验证实,只有当冰箱内有显著温差、或牛奶含糖量不同、或糖没有溶解、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时,“姆潘巴现象”才会出现【2,3】。

这也说明溶质粒子对结冰过程是很重要的,而要使结冰得以进行还得保证足够过冷度。

我们常说两杯水温度不同,指的是平均温度不同,并不是说水中各处温度都一样。由平均温度计算得到的过冷度并不能代表形核局部的实际过冷度。在凝固未开始前,水中各处温度相同,过冷度一样;但凝固一旦开始,那么这种状态就会被打破,溶液中各处温度就会不一样,过冷度也会呈现差异,过冷度大的地方就会开始优先形核并结晶;同时,由于水中各处温度不一样,水中就会形成一个各处温度梯度不同的温度场,并进而产生对流。我们知道,热量的传输方式有三种,传导传热、对流传热与辐射换热。对热水而言,热水的温度高,分子动能较冷水高,其能量交换会比冷水快,在传热速率上的表现即为热水的传导传热和辐射换热会比冷水强,散热更快;同时,在凝固过程中形成的对流、气泡冒出和不均匀的温度分布会使得水的对流换热速率比冷水快,使得水的表面比水底部热,形成一个"热顶"【4】,而"热顶"的水散热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时,便会形成一热顶。因此与平均温度相同,但温度均匀的冷水相比,它的冷却速率会更快,会更易过冷,从而使得结晶更易进行。

所以从以上两个角度来说,热水在一定条件下是会比冷水先结冰的!看到这儿,你明白了吗?

参考文献:

【1】杨三春. 姆潘巴效应[J]. 中学物理教学参考, 2007,(9):13

【2】黄景妹, 倪敏, 冯杰. “姆潘巴”现象分析述评. 物理通报, 2014,(8):103-106

【3】杨太华.从“姆潘巴效应”说物理逻辑思维.湖南民族职业学院学报, 2008, (4):01

【4】张明元. 姆潘巴效应的研究[J]. 物理教师, 2004,(9):27.

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