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千年谜题:热水冷水哪个冻结快?

一杯热牛奶(水)和一杯冷牛奶(水)同时放进冰箱,哪杯会先结冰呢?很多人会不假思索地回答:冷牛奶(水)!

结果是这样吗?1963年,坦桑尼亚的初三学生姆潘巴同时把一杯热牛奶和一杯冷牛奶放进冰箱,结果发现是热牛奶先结了冰。

姆潘巴很奇怪,就去请教他的物理老师,老师回答说:“不会吧?一定是你弄错了。”姆潘巴又重新试验了几次,结果总是热奶先结冰,老师对此也是迷惑不解。

有一天,一名大学物理博士来到他们学校,姆潘巴又向他提出了这个问题。该博士认为:冷牛奶受冷时,它的表面很快就结了冰,进而影响了冷的传导。而热牛奶遇冷后,液体内外的冷热会不断交流,反而会很快结冰。

看似“骗局”的“真相”

事实上,在许多不同的实验条件下,热水可以比冷水更快冻结。早在几个世纪之前,科学家就已经知道这种现象,只是一直没有重视它,直到姆潘巴重新发现这个现象并对此发表论文。

最早描述“热水冻结快”的是亚里士多德,他写道,“事实上,水被加热的过程将会导致其更快结冰,因为它能更迅速地冷却。因此当人们想要冷冻水的时候应该先将其置于阳光下”。

十五六世纪的科学家完全无法解释亚里士多德所说的现象。那时,曾有物理学家声称自己证实了热水比冷水结冰更快――将同体积的开水和常温水放在室外(冬天),并观察到开水首先冻结。但是,为什么会这样,他无法理解。

到了17世纪,即使人们没有亲眼目睹,但普遍都知道了“热水会比冷水冷冻更快”。1620年,培根写道,“温暖的水比冷的更容易冷冻”。不久,笛卡尔也声称,“经验表明,冬天里在火上长时间保存的水比其它水更早冻结”。

现在,人们将“热水可能比冷水冷冻更快的现象”定义为姆潘巴效应。

有漏洞的定义

但是,这个定义是不严谨的,它应该这样:先有个前提条件,即“两个形状、材质完全相同的容器承装等量、均匀的水……”然后“一个容器中的水处于更高(均匀)的温度;然后对每个容器施以完全相同的冷却过程。在某些条件下,最初温度较高的水首先冻结”。

有的人很聪敏,一眼就看出了这不符合“常识”:假如有两杯水,一杯80℃,一杯30℃。80℃水在结冰前肯定要先花费一段冷却到30℃,然后再进行30℃水冷却的过程。所以,不可能热水结冰快,对吧?

但这个推理是有问题的,因为它隐含了一个假设――水的特征仅仅由水的平均温度所决定。事实上,除了平均温度外,其它因素(如溶解物、温度分布)也很重要。当80℃水降温到30℃时,可能与一开始就处于30℃的水(温度均匀)的状态截然不同。例如,当水从80℃冷却到30℃时,它可能会(蒸发)变少;又或者在降温过程中,溶解在水中的气体减少,温度变得不均匀……所以,上面所说的“不可能”并不正确。

矛盾重重的解释

到目前为止,关于为什么会出现姆潘巴效应,有许多解释。而每一种解释都有相应的实验来证明,而同时又可以被另外的实验来“推翻”。

一种是“蒸发说”。它认为,当热水冷却时,会因蒸发失去部分质量,冷却速度也就更快,所以,热水会先冻结。1969年,就有人通过计算发现,如果水仅通过蒸发冷却并保持均匀的温度,则热水将在冷水之前冻结。因此在大多数情况下,加快蒸发毫无疑问都有助于得到姆潘巴效应。但是,后来又有人实际测量了蒸发损失量,发现它大大低于原计算预测的量。此外,另一项实验在密闭容器中也观察到姆潘巴效应,而其中并没有蒸发。

“溶解气体说”认为,溶解于水的气体会在最初温度较高时析出,尤其是沸水中所含的气体极少,而溶解气体会改变水的性质,从而改变水降温的速度。在使用脱气水时,实验人员观察到了姆潘巴效应,而使用未脱气水则没有观察到现象。但是,这种解释没有理论支持。此外,人们发现沸水跟未煮沸的水都出现了姆潘巴效应,而且改变溶解气体的量对姆潘巴效应也没有实质性影响。

“对流说”则是通过水的温度不均匀来进行解释。随着水的冷却,温度分布出现不均,从而导致“对流”。由于4℃以上时,水的密度随温度升高而变小。因此,随着热水冷却(温度仍高于4℃时),水表面会形成“热盖”,这时水在表面的热量流失速度就高于平均温度的水平。热水内部产生的对流速度比冷水更快,因此具有更快的冷却速度。换句话说,当80℃的热水冷却至30℃时,表面温度可能比原先30℃的水高得多,因此比原先30℃的水散热更快。而当研究了冷水对流问题时,人们发现对流对冷冻速度的影响并不明确(有快有慢)。4℃以下水的密度会随温度降低而变大,那怎么办?这个时候水就会形成“冷盖”,那是更加复杂的问题。

还有一种“周边环境说”,它能够解释大多数家庭实验中得到的姆潘巴效应。首先,在冰箱中,热水会改变杯体周围的温度而导致更快的对流散热(水结冰的速度与冰箱容积有明显关系)。其次,把杯子放进冰箱时,它往往是直接和冰霜接触的。装热水的杯子会融化霜,这样热水杯子能够更好地和冷却系统接触。如果融化的霜冻又刚好和杯子形成冰桥,那么热接触将更加充分。但是,我们列举的实验都是在绝热体上或者完全相同的冷却过程下进行的。

神奇的“过冷”

北方人也许见过这样的现象:寒冷的冬天,突然将一桶矿泉水倒扣在净水器上,这时,不可思议的事情发生了――本来清澈的矿泉水突然由一点开始结冰,并瞬间扩散开去,不到两秒,一桶水竟成了冰坨!

为什么会这样?其实水结冰是一个寻找结晶核的过程,水的凝点代表“以此温度为分界线,水倾向于形成固体而非液体”,但并不是说达到凝固点就一定会结冰。通常情况下,当水中有杂质时,它就会围绕凝结核开始产生冰晶。但是,有些水太纯净,容器也非常干净平滑,缺少晶核,冰晶因无处依附而不能形成。即使水温低于凝固点(过冷),水依然会保持液态很长一段时间,直至均匀的结晶核形成。

过冷导致热水迅速结冰的现象经常发生。有的实验发现,热水只会稍微过冷约到约-2℃,而冷水会过冷到约-8℃。

但显然,用它来解释“姆潘巴效应”也很难服众。即使“过冷说”是真的,那么“溶解气体说”刚好与其相反:热水中的气体更少,因此更加缺少晶核。那么,应该更难达到过冷才对。

此外,还有一种解释:热水冷却时,整个容器的温度变化差异更大,对流更快,所以更快引起冻结。但这也只是猜想,缺乏理论推导。

用微玻璃珠代替水?

考虑到水的性质及其结冰过程的复杂性,在最近一项研究中,加拿大的几名物理学家用微玻璃珠来代替水进行实验,被认为是简洁地、更好地证明(阐释)了姆潘巴效应。只不过,他们认为,热水可能比冷水“冷却”(而不是“冷冻”)更快。

在实验中,一颗珠子(需要用显微镜观察)相当于一个水分子,研究人员在某种特定的条件下通过1000次测量后得到了一组“分子”。他们用激光照射在这些珠子上,珠子产生了一种“能量景观”。与之同时,用水来冷却这些珠子。这样,从这些珠子穿越“能量景观”、响应激光所施加的力中就得到了珠子的温度。

这些珠子最初分别处在两种不同的温度(记为“热”和“冷”),接着让它们冷却到水的温度。结果发现,热珠子有时比冷珠子冷却得更快。例如,在有次测量中热珠子冷却用了2毫秒,而冷珠子则用了10倍的时间。

只凭直觉,我们都会觉得:热物体首先必须达到冷物体的初始温度,这意味着较高的温度只会增加冷却时间。但是,这种逻辑对于不处于热平衡状态的系统是错误的,对于不处于热平衡状态的系统,“冷却”可以有多个路径,而不必须直接“从热到冷”,可以走“捷径”。对于珠子来说,根据“能量景观”的形状,从较高的温度开始,意味着它们可以更容易地重新排列成与较低温度相匹配的结构。

其他物理学家对此表示怀疑,他们不知道这种效应在水中是否也是如此,因为水更复杂,水会蒸发并且含有杂质。但也有不少物理学家非常支持这个实验,认为它形象地展示了姆潘巴效应。他们表示,该效应可能超出玻璃珠或水的范围。

如此看来,到目前为止,姆潘巴效应还是没有让所有人都满意的解释。