将一杯冷水和一杯热水同时放入冷冻室,先结冰的是哪杯?

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2020-11-21 · TA获得超过3738个赞
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冷水和热水,谁的结冰速度更快?把一杯冷水和一杯热水同时放进冷冻室,哪杯水会先结冰?对于这个问题,我们的直觉告诉我们,冷水的结冰速度更快,因此必定是冷的那杯水先结冰。然而实际情况却并非这么简单,早在1461年,物理学家乔瓦尼.马利亚尼(Giovanni Marliani)就已经明确地指出,在有些时候,热水会比冷水更快地结冰,但这在当时并没有得到重视。

让科学界真正注意到这个现象的,是一位名为伊拉斯特.姆潘巴(Erasto Mpemba)的学生,1963年,姆潘巴在自制冰淇淋的时候,无意中发现了这种现象,但当他将这个发现告诉了他的老师和同学时,却没有人相信他。

不甘心的姆潘巴又想办法找到了物理学家丹尼斯.奥斯本(Denis Osborne),后者虽然也不大相信,但为了鼓励姆潘巴的求知精神,他还是为此精心设计了一系列的实验,令他感到惊讶的是,实验结果显示了姆潘巴观测到的现象真的存在,确实是在有些时候,热水的结冰速度更快。

(两人在2013年的合影,右边是姆潘巴)

1969年,丹尼斯.奥斯本和伊拉斯特.姆潘巴共同发表了一篇论文,详细地描述了这种有违常理的现象,不久以后,人们从实验中证实了这种现象的存在,于是正式将这种现象命名为“姆潘巴现象”(Mpemba Effect)。这就意味着,在我们把一杯冷水和一杯热水同时放进冷冻室之后,有可能是热的那杯水先结冰。

那么这到底是怎么回事呢?事实上,这是一个还未完全解开的科学谜题,不过人们还是提出了多种解释,下面我们就来介绍几个比较主流的解释。

水里溶解的气体

在相同的外部条件下,较冷的水总是会溶解更多的气体,而溶解在水中的气体分子会使它周围的水分子排列得更加紧密,这就抑制了水的对流,进而使冷水的结冰速度比比热水更慢。

蒸发的影响

热水会因为蒸发而损失质量,并且在蒸发过程中热水的热量将会更快地散发出去,更小的质量加上更快的散热速度,就可能导致热水的结冰速度更快一些。

热梯度问题

在我们把一杯水放进冷冻室之后,杯子里的水的降温幅度并不是均匀的,具体表现在靠近杯壁的水将会迅速降温,但其内部的水温下降幅度却很小,于是这两者之间的温度将产生了差异,从而形成了一个热梯度,这有利于水的对流。

在不断冷却的过程中,这种热梯度将会一直存在,并且温度越高的水热梯度就越大,其内部的对流就会更强,所以热水就比冷水冷却得要快一些,而当热水的温度降到与同时放入的冷水一致时,其内部的对流依然比冷水激烈(类似惯性效果),并因此而比冷水更快地结冰。

过冷水

水结冰需要两个条件,第一是温度低于零摄氏度,第二是必须存在晶核。这个晶核是指水在开始结晶时所必需的固体微粒,它可以是水中的杂质,也可以依靠外部能量在水中自发生成。因此可以说,在水中不存在杂质,并且没有受到外部能量影响的情况下,水就可以在零摄氏度以下保持液态,这种水就被称为过冷水。

(图为过冷水受外部能量影响后迅速结冰)

需要注意的是,在水中杂质极少的情况下,依然可以形成过冷水,这种过冷水需要在更低的温度下才能结冰,有实验表明,在这种情况下,冷水的过冷温度总是比热水的低。

比如说如果冷水需要零下8摄氏度才能结冰,而热水只需要零下2摄氏度,那么当冷水和热水的温度都降到零下2摄氏度的时候,热水就算结冰,而冷则会继续保持液态。甚至在相同时间内,冷的温度已降至零下7摄氏度,而热水才刚刚降到零下2度,在这种情况下,尽管冷水的温度更低,但热水的结冰速度还是更快。

分子层面的解释

单个的水分子是由一个氧原子和两个氢原子通过“共价键”组成,简单地讲,“共价键”就是两个或多个的原子之间通过共用外层电子而形成的化学结构,而由于共用电子呆在氧原子的这一头的时间,要比呆在氢原子这一头的要多很多,因此总体上水分子的氧原子这一头表现为带负电荷,而氢原子这一头则带正电荷。

在这种情况下,多个水分子之间就会相互吸引,这种相互作用被称为“氢键”,科学家发现温度的高低会影响液态水中的“共价键”和“氢键”的长度,即热水的“氢键”比冷水的更长,而“共价键”则会比冷水更短。

也就是说,水分子内的“共价键”会随着温度的下降而变长,同时水分子间的“氢键”则会变短,需要注意的是,这是其实是一个释放能量的过程,并且随着降温过程的持续,这个放能的速度将以指数级的形式增加。

在我们把一杯冷水和一杯热水同时放进冷冻室之后,由于热水的“氢键”更长、“共价键”更短,因此这杯热水放能的初始值就比冷水高,所以说在相同的时间里,热水释放能量的速度会超过冷水,结冰的速度也就更快。

需要指出的是,“姆潘巴现象”并不是每次都会发生,而上述的对“姆潘巴现象”的解释都有一定的局限性,它们要么不能解释所有已观测到的“姆潘巴现象”,要么就是没有直接的实验证据。就目前来看,关于“冷水和热水,谁的结冰速度更快?”这个问题,仍然是一个还未完全解开的科学谜题。

情感蝶恋
2020-12-02
知道答主
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热水先结冰,因为热水分子运动更快,导致降温速度更快,就更容易结冰。
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范培仙仙仙
2020-12-02
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将一杯冷水同一杯热水同时放入冷冻室,经观察得出,有时候先结冰的会是热水,这种笑现象被称为姆潘巴现象,原理就是热水释放能量的速度比冷水快。
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新鲜妃子笑
2020-12-02 · 一个热爱历史的帅小伙
新鲜妃子笑
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将一杯冷水一杯热水同时放入冷冻室,先结冰的应该是热水,因为冷水中溶解的气体更多。热水会蒸发损失质量。因此先结冰的是热水。
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你到底敢不敢2
2020-12-02 · 三军可夺帅也,匹夫不可夺志也
你到底敢不敢2
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将一杯冷水和一杯热水同时放入冷冻室,先结冰的是那杯热水,因为物理学家已经做出了相应的实验,而且实验结果已经证明了有的时候热水的结冰速度更快一些。
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