天天看热讯：科普 | 热水和冷水一起放进冰箱，为什么热水先结冰？

2022-09-09 09:58:57 来源：科普中国

一杯热水和一杯冷水同时放进冰箱里，哪杯水会先结冰？

1963年，还在上中学的坦桑尼亚少年埃拉斯托·姆潘巴和同学一起做冰淇淋。为抢占有限的冰箱空间，姆潘巴没有像其他同学一样等牛奶冷却到室温，而是直接把刚煮好的热牛奶放进了冰箱。一个半小时后，他发现自己的热牛奶已经冻成了冰淇淋，但和热牛奶一起放进冰箱的冷牛奶仍然是浓稠奶浆的状态。热牛奶怎么会比冷牛奶更快冻结呢？姆潘巴非常困惑，便去询问自己中学的物理老师，却被告知：“你一定是弄错了，那不可能发生。”

姆潘巴怀着这个疑问，一直等到物理学家丹尼斯·奥斯本来到姆潘巴的高中旁听物理课程。奥斯本一直记得，那个少年举手问道：“如果你拿两个烧杯，分别装等量的水，但一杯水是35°C，另一杯是100°C。然后将两杯水一起放进冰箱，你会发现100°C的这杯水更先冻结，这是为什么？”奥斯本乍听之下也并不相信，但出于好奇，他做了实验。而后奥斯本邀请姆潘巴到坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学共同研究这个现象，并将其命名为“姆潘巴效应”。

(资料图片仅供参考)

1969年，由姆潘巴和奥斯玻恩两人撰写的一篇文章发表在英国《物理教师》杂志上，文章对“姆潘巴的物理问题”做了详细的实验记录，并对问题的原因作了第一次尝试性的解释。

他们做了一系列的实验。实验用品是直径4.5厘米，容积100毫升的硼硅酸玻璃烧杯，内放70毫升沸腾过的各种不同温度的水。通过对实验结果的定量分析得出了这样的结论：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。

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。萨格勒布大学化学系克罗地亚研究员尼古拉·布雷戈维奇认为对流是解释姆潘巴效应的驱动力--温暖水中的对流使热量分布均匀。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

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(2)化学原因

新加坡南洋理工大学的物理学家发现，姆潘巴效应的原因在于水分子之间的化学键。一个水分子有一个氧原子和两个氢原子，它们有共价键。水分子也通过较弱的氢键与其他水分子结合在一起。当一个氢原子靠近另一个水分子的氧原子时，就会发生这种情况。人们认为，这些较弱的氢键才是导致姆潘巴效应的根本原因。

冷水和温水之间化学键的变化正如你在上图中所看到的，在水被加热之前，水分子紧密地聚集在一起，互相“推动”。每个水分子的氢共价键被拉伸，使它们储存能量。当水被加热时，水的密度降低，水分子开始分离。这使得分子间较弱的氢键得到拉伸。这种拉伸，或者说水分子之间的分离，使得共价键得以放松并释放能量。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

现在有的学者提出用高锰酸钾作液体示踪剂，用双层通电玻璃观察窗来进一步观察，有兴趣的读者不妨一试，或许揭开这个历时二十多年奥秘的人将是你。

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关键词：冷却速率坦桑尼亚物理学家