题目

水降温的规律

提问时间：2020-07-24

答案

姆潘巴现象.首先由坦桑尼亚的中学生姆潘巴在1963年发现,所以叫姆潘巴现象.他把一杯热牛奶和一杯冷牛奶同时放入冰箱,而发现热牛奶先结冰.
首先来看看姆潘巴现象的原理；液体降温速度的快慢不是由液体的平均温度决定的,而是由液体上表面与底部的温度差决定的,当热牛奶冷却时,这种温度差较大,而且在冻结前的降温过程中,热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差.这种情况是由于上表面的温度愈高,从上表面散发的热量就愈多,因而降温就愈快.
注意,这里说的是“降温速度”而不是谁先结冰.
如果一杯水要结冰,首先要达到冰点,即0摄氏度.热水在一开始的时候降温速度比冷水快,是因为其上层和下层温差比冷水大.但是如果用图像表示热水的降温过程,挥发现其图像是一条曲线,也就是说时间越长,降温速度越慢,因为其上下层的温差越来越小.
物体传热速度是由两个因素决定的,一个是温度差,另一个热阻,而热阻往往是由材料决定的,是一个常数.这样的话,列出微分方程,很容易解出,物体的温度随着时间按指数规律下降,就象电容器的放电规律一样.
从以上的结果上看,当然是冷水先结冰.
如果非要说热水比冷水先结冰,只能说有什么因素减小了热水的热阻,而且这种减小的热阻可以一直维持到温度和冷水一样的时候.
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事实上,在一般实验条件下,热水会比冷水更快结冰.这种现象违反直觉,甚至连很多科学家也感到惊讶.但它的确是真的,曾在很多实验观察和研究过.虽然在经过亚里斯多德、培根,和笛卡儿三人的介绍后,此现象已被发现了几个世纪,但却一直没有被引入现代科学.直至1969年,才由坦桑尼亚的一间中学的一个名叫 Mpemba 的学生引入现代科学.
热水比冷水更快结冰的现象通常叫「Mpemba 效应」.无疑地,很多读者对这一点很怀疑,因此,有必要先明确地指出,什么是 Mpemba 效应.有两个形状一样的杯,装着相同体积的水,唯一的分别是水的温度.现在将两杯水在相同的环境下冷却.在某些条件下,初温较高的水会先结冰,但并不是在任何情况下,都会这样.例如,99.9° C 的热水和 0.01° C 的冷水,这样,冷水会先结冰.Mpemba 效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下,都可看到的.
水的结冰不只受平均温度影响.事实上,除了平均温度,其它因素也很重要.一杯初始温度均匀,70° C 的水,冷却到平均温度为 30° C 的水,水已发生了改变,不同于那杯初始温度均匀,30° C 的水.前者有较少质量,溶解气体和对流,造成温度分布不均.这些因素亦会改变冰箱内,容器周围的环境.下面会分别考虑这四个因素.所以前面的那种证明是行不通的,事实上,Mpemba 效应已在很多受控实验中观察到.
这种现象的发生机制,仍然没有得确切的了解.虽然有很多可能的解释已被提出过,但到目前为止,还没有一个实验可以清晰地显示它的机制.
为什么现代科学不回答这个看起来很简单的结冰问题?主要的问题是,水结冰所花的时间的长短,对实验设计中的很多因素,都是很敏感的.例子容器的形状和大小、冰箱的形状和大小、水中气体和其它杂质、结冰时间的定义,等等.因为这种敏感性,即使有实验支持 Mpemba 效应的存在,但不能支持在这些条件之外,