有時(shí)熱水結(jié)冰比冷水快

1963年，坦桑尼亞的初中生姆潘巴和小伙伴們一起用牛奶制作冰激凌。當(dāng)他還在煮牛奶時(shí)，身旁的小伙伴已經(jīng)陸續(xù)把牛奶晾涼開始往冰箱里塞了，眼看就要沒有位置了，一時(shí)心急，姆潘巴就把煮熱的牛奶直接放進(jìn)了冰箱。一個(gè)半小時(shí)后，他驚奇地發(fā)現(xiàn)，他的冰激凌已經(jīng)凍結(jié)成塊，而其他小伙伴的冰激凌卻還是黏稠狀。這就是后來人們說的“姆潘巴現(xiàn)象”。

關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象背后的解釋，直到今天仍眾說紛紜。

大家都怎么解釋？

冰霜融化說 部分學(xué)者認(rèn)為，熱水溫度較高導(dǎo)致水蒸發(fā)的速率變快是造成姆潘巴現(xiàn)象的首要原因，因?yàn)檎舭l(fā)使得水分子減少，要凍結(jié)的水分子也相應(yīng)變少，所以加快了熱水結(jié)冰速度。不過，一些科學(xué)家對結(jié)冰前后水的質(zhì)量進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量差從未超過3%，盡管蒸發(fā)后的水減少了，但是這3%的水分子并不能夠顯著影響水結(jié)冰需要的時(shí)間。與此同時(shí)，水汽蒸發(fā)過程中消耗的熱量也不能夠忽視，可惜的是，對于熱量消耗的對照試驗(yàn)并不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰獙﹂_放容器和密閉容器進(jìn)行測量，但是在密閉環(huán)境下，水汽蒸發(fā)和熱量的傳導(dǎo)都會受到阻礙，無法測量單一變量的影響。

可溶解氣體說 溫度越高，氣體在水中的溶解度就越小，因此熱水里溶解的氣體要少于冷水，由于水在溶解一些氣體后凝固點(diǎn)會降低，而熱水的氣體含量更低，凝固點(diǎn)也相應(yīng)變高，這可能是熱水結(jié)冰較快的一個(gè)原因，同時(shí)也有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脫氣水比非脫氣水結(jié)冰更快。

熱梯度對流說 熱梯度對流觀點(diǎn)認(rèn)為，熱水比冷水結(jié)冰更快是因?yàn)閷α鞯脑黾?。由于水的冷卻是從容器的表面以及側(cè)面開始，使得冷水下沉，熱水上升，因此產(chǎn)生對流。當(dāng)熱水放入低溫環(huán)境中，靠近容器的水迅速降溫，而內(nèi)部水溫不變，這樣就產(chǎn)生了溫度差并引起熱對流。在冷卻的過程中，這個(gè)熱對流一直存在，溫差越大對流就越激烈，水冷卻就越快。

過冷現(xiàn)象說 2013年初，英國皇家化學(xué)會特意舉辦了一場比賽，評選姆潘巴現(xiàn)象的最佳原理解釋。而比賽獲勝者提出的解釋就是過冷現(xiàn)象。過冷現(xiàn)象指液體或氣體的溫度低于其凝固點(diǎn)以下，但沒有凝固的現(xiàn)象，而原本溫度較低的水比原本溫度較高的水更易發(fā)生過冷，那么它的確可能比熱水結(jié)冰更慢。

意義何在

水有著非常豐富的物理現(xiàn)象，且在工業(yè)生產(chǎn)和生命科學(xué)中扮演極其重要的角色，所以搞懂姆潘巴現(xiàn)象對人類意義非凡。

許多物理量和物理現(xiàn)象不僅取決于物質(zhì)所處的狀態(tài)，而且與其歷經(jīng)過程密切相關(guān)，最終結(jié)果是否一樣還是需要實(shí)驗(yàn)研究來確認(rèn)。例如，由于冶金技術(shù)在工業(yè)上的價(jià)值，人類對鋼鐵的研究非常詳細(xì)。眾所周知，不同初始溫度、不同降溫速率處理過的鋼鐵，性質(zhì)有很大不同，其中晶粒的特點(diǎn)和形成過程也有所不同。類似地，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同過程和條件下產(chǎn)生的冰，晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)也有很大不同。因此，如果能將“姆潘巴現(xiàn)象”研究透徹，這將為工業(yè)節(jié)省更多的成本，為人類科學(xué)帶來巨大的突破。（編輯/有慶）