科普 | 熱水和冷水一起放進冰箱，為什么熱水先結(jié)冰？

一杯熱水和一杯冷水同時放進冰箱里，哪杯水會先結(jié)冰？

1963年，還在上中學的坦桑尼亞少年埃拉斯托·姆潘巴和同學一起做冰淇淋。為搶占有限的冰箱空間，姆潘巴沒有像其他同學一樣等牛奶冷卻到室溫，而是直接把剛煮好的熱牛奶放進了冰箱。一個半小時后，他發(fā)現(xiàn)自己的熱牛奶已經(jīng)凍成了冰淇淋，但和熱牛奶一起放進冰箱的冷牛奶仍然是濃稠奶漿的狀態(tài)。熱牛奶怎么會比冷牛奶更快凍結(jié)呢？姆潘巴非常困惑，便去詢問自己中學的物理老師，卻被告知：“你一定是弄錯了，那不可能發(fā)生?！?/p>

姆潘巴懷著這個疑問，一直等到物理學家丹尼斯·奧斯本來到姆潘巴的高中旁聽物理課程。奧斯本一直記得，那個少年舉手問道：“如果你拿兩個燒杯，分別裝等量的水，但一杯水是35°C，另一杯是100°C。然后將兩杯水一起放進冰箱，你會發(fā)現(xiàn)100°C的這杯水更先凍結(jié)，這是為什么？”奧斯本乍聽之下也并不相信，但出于好奇，他做了實驗。而后奧斯本邀請姆潘巴到坦桑尼亞達累斯薩拉姆大學共同研究這個現(xiàn)象，并將其命名為“姆潘巴效應”。

1969年，由姆潘巴和奧斯玻恩兩人撰寫的一篇文章發(fā)表在英國《物理教師》雜志上，文章對“姆潘巴的物理問題”做了詳細的實驗記錄，并對問題的原因作了第一次嘗試性的解釋。

他們做了一系列的實驗。實驗用品是直徑4.5厘米，容積100毫升的硼硅酸玻璃燒杯，內(nèi)放70毫升沸騰過的各種不同溫度的水。通過對實驗結(jié)果的定量分析得出了這樣的結(jié)論：冷卻主要取決于液體表面；冷卻速率決定于液體表面的溫度而不是它整體的平均溫度；液體內(nèi)部的對流使液面溫度維持得比體內(nèi)溫度高（假定溫度高于4℃）；即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度，原來熱的系統(tǒng)其熱量仍要比原來冷的系統(tǒng)損失得多；液體在凍結(jié)之前必然經(jīng)過一系列的過渡溫度，所以用單一的溫度來描述系統(tǒng)的狀態(tài)顯然是不夠的，還要取決于初始條件的溫度梯度。

問題遠比想象的要復雜

后來許多人也在這方面做了大量的實驗和研究，人們發(fā)現(xiàn)，這個看來似乎簡單的問題實際上要比我們的設想復雜得多，它是一個地地道道的“多變量問題”。

(1) 物理原因

從物理方面來說，致冷有四種并存的機制：輻射、傳導、汽化、對流。通過實驗觀察并對結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)引起熱水比冷水先結(jié)冰的原因主要是傳導、汽化、對流三者相互作用的綜合效果。如果把熱水和冷水結(jié)冰的過程敘述出來并分析其原因就更能說明問題了：盛有初溫4℃冷水的杯，結(jié)冰要很長時間，因為水和玻璃都是熱傳導不良的材料，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導而有效地傳遞到表面。薩格勒布大學化學系克羅地亞研究員尼古拉·布雷戈維奇認為對流是解釋姆潘巴效應的驅(qū)動力--溫暖水中的對流使熱量分布均勻。杯子里的水由于溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結(jié)在表面。所以水在表面處最先結(jié)冰，其次是向底部和四周延伸，進而形成了一個密閉的“冰殼”。這時，內(nèi)層的水與外界的空氣隔絕，只能依靠傳導和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內(nèi)層水溫繼續(xù)下降的正常進行。另外由于水結(jié)冰時體積要膨脹，已經(jīng)形成的“冰殼”也對進一步結(jié)冰起著某種約束或抑制作用。

盛有初溫100℃熱水的杯，冷凍的時間相對來說要少得多，看到的現(xiàn)象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到“冰殼”形成的現(xiàn)象，只是沿冰水的界面向液體內(nèi)生 長出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時，看不到這種現(xiàn)象）。隨著時間的流逝，冰晶由細變粗，這是因為初溫高的熱水，上層水冷卻后密度變大向下流動，形成了液體內(nèi)部的對流，使水分子圍繞著各自的“結(jié)晶中心”結(jié)成冰。初溫越高，這種對流越劇烈，能量的損耗也越大，正是這種對流，使上層的水不易結(jié)成冰蓋。由于熱傳遞和相變潛熱，在單位時間內(nèi)的內(nèi)能損耗較大，冷卻速率較大。當水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫時，水面就開始出現(xiàn)冰晶。初溫較高的水，生長冰晶的速度較大，這是由于冰蓋未形成和對流劇烈的緣故，最后可以觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由于水內(nèi)部冰晶已經(jīng)生長而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長速率與單位表面能成正比，所以生長速度仍然要比初溫低的水快得多

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(2)化學原因

新加坡南洋理工大學的物理學家發(fā)現(xiàn)，姆潘巴效應的原因在于水分子之間的化學鍵。一個水分子有一個氧原子和兩個氫原子，它們有共價鍵。水分子也通過較弱的氫鍵與其他水分子結(jié)合在一起。當一個氫原子靠近另一個水分子的氧原子時，就會發(fā)生這種情況。人們認為，這些較弱的氫鍵才是導致姆潘巴效應的根本原因。

冷水和溫水之間化學鍵的變化正如你在上圖中所看到的，在水被加熱之前，水分子緊密地聚集在一起，互相“推動”。每個水分子的氫共價鍵被拉伸，使它們儲存能量。當水被加熱時，水的密度降低，水分子開始分離。這使得分子間較弱的氫鍵得到拉伸。這種拉伸，或者說水分子之間的分離，使得共價鍵得以放松并釋放能量。同雨滴的形成需要“凝結(jié)核”一樣，水要結(jié)成冰，需要水中有許許多多的“結(jié)晶中心”。

生物實驗發(fā)現(xiàn)，水中的微生物往往是結(jié)晶中心。某些微生物在熱水（水溫在 100℃以下一點）中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的“結(jié)晶中心”就要比冷水中的“結(jié)晶中心”多得多，加速了熱水結(jié)冰的協(xié)同作用：圍繞“結(jié)晶中心”生長出子晶，子晶是外延結(jié)晶的晶核。對流又使各種取向的分子流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延生長出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中。結(jié)晶釋放的能量則通過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結(jié)成冰，直到水全部凍結(jié)為止。以上是科學家對觀察到的現(xiàn)象進行綜合分析所得出的一些結(jié)論和提出的一些解釋。但要真正解開“姆潘巴問題”的謎，對其做出全面定量而令人滿意的結(jié)論，還有待于進一步的探索

現(xiàn)在有的學者提出用高錳酸鉀作液體示蹤劑，用雙層通電玻璃觀察窗來進一步觀察，有興趣的讀者不妨一試，或許揭開這個歷時二十多年奧秘的人將是你。

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