英国皇家化学学会悬赏1000英镑求解:为何热水结冰比冷水快?有谁关注过这个“姆潘巴现象”么?

    温度较高的水冻结的速度要快于温度较低的水。这一反常的现象被称作“姆潘巴现象”。

  这个问题看似简单,但就是这样一个问题却已经至少困扰了世界上最聪明的科学家们至少长达2300年之久:公元前4世纪,亚里士多德曾试图解开这一谜团却无果而终,令他苦恼不已。到了13世纪,罗杰·贝肯(Roger Bacon)曾经在他的《大著作》(Opus Majus)一书中引用这一现象来作为自己支持科学方法的论据。

  而另一位贝肯(Francis Bacon),他在1620年出版的著作《新工具》(Novum Organum)中这样写道:“那些温度稍高的水比那些低温的水更加容易结冰。”这个问题还曾经让17世纪大名鼎鼎的数学家和物理学家笛卡尔败下阵来。甚至20世纪和21世纪的科学家们面对这样一个“简单”的问题仍旧是束手无策。

  现在英国皇家化学学会终于坐不住了,他们近日发布公告,悬赏1000英镑,奖励给任何能够对这一现象给出最佳解释的个人或团体。评审委员将会对这些提交上来的方案进行审核。除了常规要求之外,提交上来的解答还应当是那种充满创新性的,吸引眼球的。你可以以任何方式或媒介来提交自己的方案,你可以写成文字报告,做成演示文稿甚至拍录像。提交的方案可以是基于或引用现有的研究结果。最终胜出的方案首先应当在科学上是可靠的,并且还具备能够吸引人的呈现方式。

2 个回答

冷却主要取决于液体表面;
冷却速率决定于液体表面的温度而不是它整体的平均温度;
液体内部的对流使液面温度维持得比体内温度高(假定温度高于4℃);
即使两杯液体冷却到相同的平均温度,原来热的系统其热量仍要比原来冷的系统损失得多;
液体在冻结之前必然经过一系列的过渡温度,所以用单一的温度来描述系统的状态显然是不够的,还要取决于初始条件的温度梯度。
奥斯玻恩博士虽然没有最终解决姆潘巴的物理问题,但面对科学和事实,他给了小姆潘巴和我们一份科学求实的答卷。

  1. 问题远比想象的要复杂

后来许多人也在这方面做了大量的实验和研究,人们发现,这个看来似乎简单的问题实际上要比我们的设想复杂得多,它不但涉及到物理上的原因,而且还涉及到作为结晶中心的微生物的作用,是一
个地地道道的“多变量问题”。

(1). 物理原因

从物理方面来说,致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察并对结果进行比较,发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析其原因就更能说明问题了:

盛有初温4℃冷水的杯,结冰要很长时间,因为水和玻璃都是热传导不良的材料,液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降,体积膨胀,密度变小,集结在表面。所
以水在表面处最先结冰,其次是向底部和四周延伸,进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时,内层的水与外界的空气隔绝,只能依靠传导和辐射来散热,所以冷却的速率很小,阻止或延缓了内层水温
继续下降的正常进行。另外由于水结冰时体积要膨胀,已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。

盛有初温100℃热水的杯,冷冻的时间相对来说要少得多,看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖,看不到“冰壳”形成的现象,只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶(在初温低于12℃时,看不到这种现象)。随着时间的流逝,冰晶由细变粗,这是因为初温高的热水,上层水冷却后密度变大向下流动,形成了液体内部的对流,使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。初温越高,这种对流越剧烈,能量的损耗也越大,正是这种对流,使上层的水不易结成冰盖。由于热传递和相变潜热,在单位时间内的内能损耗较大,冷却速率较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时,
水面就开始出现冰晶。初温较高的水,生长冰晶的速度较大,这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故,最后可以观察到冰盖还是形成了,冷却速率变小了一些,但由于水内部冰晶已经生长而且粗大,
具有较大的表面能,冰晶的生长速率与单位表面能成正比,所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。

(2). 生物原因

同雨滴的形成需要“凝结核”一样,水要结成冰,需要水中有许许多多的“结晶中心”。生物实验发现,水中的微生物往往是结晶中心。某些微生物在热水(水温在100℃以下一点)中繁殖比冷水中快,这样一来,热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多,加速了热水结冰的协同作用:

围绕“结晶中心”生长出子晶,子晶是外延结晶的晶核。对流又使各种取向的分子流过子晶,依靠晶体表面的分子力,抓住合适取向的水分子,外延生长出分子作有序排列的许多晶粒,悬浮在水中。结晶释放的能量则通过对流放出,而各相邻的冰粒又连结成冰,直到水全部冻结为止。

以上是科学家对观察到的现象进行综合分析所得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜,对其做出全面定量而令人满意的结论,还有待于进一步的探索。

总而言之就是还没有完整的解释。。。

姆潘巴现象 成立 是有条件的!
科学家曾 做过实验 挑选的 热水和冷水 凝固点(冰点)不同,某些情况下,热水真的比冷水结冰快

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