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科普 | 熱水和冷水哪個先結(jié)冰?

發(fā)布日期:2022-12-18??來源:科普中國??瀏覽次數(shù):1228
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核心提示:同樣體積的冷水跟熱水一起放冰箱里,哪個更容易結(jié)冰?你可能會覺得,肯定是冷水,因?yàn)橐Y(jié)冰,熱水得先變成冷水才可以。但其實(shí),熱水反而會先結(jié)冰。這個反直覺的情況,在生活里并不難見到。比如,你肯定看到過下面這張潑水成冰的圖片。圖片來源:視覺中國能夠潑水成冰,首先天氣得足夠冷,第二點(diǎn)就很重要了,潑出去的得是熱水。如果潑一瓢冷水,那你可能會把自己

同樣體積的冷水跟熱水一起放冰箱里,哪個更容易結(jié)冰?

你可能會覺得,肯定是冷水,因?yàn)橐Y(jié)冰,熱水得先變成冷水才可以。

但其實(shí),熱水反而會先結(jié)冰。這個反直覺的情況,在生活里并不難見到。

比如,你肯定看到過下面這張潑水成冰的圖片。

圖片來源:視覺中國

能夠潑水成冰,首先天氣得足夠冷,第二點(diǎn)就很重要了,潑出去的得是熱水。如果潑一瓢冷水,那你可能會把自己澆成落湯雞,或者潑別人一腦袋水。

這背后一個很重要的原因是,熱水揮發(fā)會形成大量水蒸氣和小液滴,和冷空氣接觸比表面積大,能夠快速凍成冰塊,另外還有一個你可能想不到的影響因素,那就是熱水本身就比冷水更容易結(jié)冰。

這個現(xiàn)象,早在兩千年多年前就被人發(fā)現(xiàn)了。

最早把它記錄下來的人,是亞里士多德。他發(fā)現(xiàn):“被燒過的水更容易結(jié)冰?!倍宜涗浀溃骸霸诤诤D习兑粋€叫本都的地方,人們在冬天去冰上釣魚的時候,會把溫水澆在蘆葦上,好讓蘆葦快速結(jié)冰?!?/p>

弗朗西斯培根也記錄過:“有點(diǎn)溫?zé)岬乃壤渌菀捉Y(jié)冰”。笛卡爾在他的《方法論》里面同樣提到了類似的現(xiàn)象。笛卡爾還給出了一個解釋;有一些阻止水結(jié)冰的小粒子在加熱的時候就蒸發(fā)掉了,所以更容易結(jié)冰。

但是當(dāng)時,人們并沒有深入去研究這個現(xiàn)象。一方面是因?yàn)楫?dāng)時人們對微觀世界的了解還不夠,要知道當(dāng)時可是連水分子的這樣的概念都沒有。另一方面,可能大家也不覺得這是什么了不起的現(xiàn)象,頂多作為一個業(yè)余愛好研究研究罷了。

終于在1963年的時候,一位坦桑尼亞的中學(xué)生再次注意到了這個現(xiàn)象,還跟它死磕了下去,發(fā)表了一篇論文。

發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象的學(xué)生,叫做姆潘巴。

當(dāng)時,他跟同學(xué)們正在一起做牛奶冰淇淋。老師叮囑他們,牛奶必須得涼了之后才能放進(jìn)冰箱,不然可能會把冰箱搞壞的。要知道在當(dāng)時的坦桑尼亞,冰箱可不像現(xiàn)在這么常見,而且也不便宜,老師自然會把冰箱看作“高級設(shè)備”了。

但是,姆潘巴班上做冰淇淋的人太多了,而冰箱里的空間是有限的。

眼看著冰箱的位置一點(diǎn)一點(diǎn)被占據(jù),姆潘巴就豁出去了,直接把熱牛奶放進(jìn)了冰箱里。過了一個半小時之后,打開冰箱一看,冰箱不但沒壞,甚至他的牛奶已經(jīng)凍成冰了。但跟他同時放進(jìn)來的其他冷牛奶卻沒有結(jié)冰,這個現(xiàn)象很反直覺。

姆潘巴就跑去問物理老師。物理老師想都沒想,就告訴他:“這不可能,一定是你自己搞錯了?!甭犂蠋熯@么說,姆潘巴也就沒再追問,也認(rèn)為可能是自己弄錯了。

這事本來就這么過去了。但很快,姆潘巴在跟朋友聊天時,又聽到了類似的現(xiàn)象。

朋友告訴他,自己的哥哥是一家冰淇淋店鋪的“制冰達(dá)人”,做冰淇淋比別人都快。他的秘訣就是把熱牛奶放進(jìn)冰箱里。后來在和另一位賣冰淇淋的朋友聊天時,姆潘巴又聽他提到了這個現(xiàn)象。

這時候,姆潘巴認(rèn)為,說不定是初中物理老師搞錯了呢?

于是,在進(jìn)入高中之后,姆潘巴又向高中物理老師提出了這個問題。得到的答案還是一樣的:“你搞錯了,這是不可能的,這個現(xiàn)象不是我們這個宇宙的物理學(xué),而是姆潘巴宇宙的物理學(xué)?!?/p>

玩笑越開越大,人們在數(shù)學(xué)題做錯了想找理由的時候,就說,這是“姆潘巴的數(shù)學(xué)”。姆潘巴這下可生氣了。你們不信,我親自做給你們看。

他跑去找學(xué)校廚房的負(fù)責(zé)人,借了高級實(shí)驗(yàn)設(shè)備(冰箱)的一個星期使用權(quán),還拉上幾個小伙伴一起做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也確實(shí)證實(shí)了姆潘巴說的。

這件事越鬧越大,最后校長也知道了。校長非常負(fù)責(zé),他專門去請教了一位物理學(xué)博士丹尼斯·奧斯本。奧斯本聽完當(dāng)然是不信的,但是他也非常有責(zé)任心,親自做了實(shí)驗(yàn),測了不同水溫下水的結(jié)冰時間,結(jié)果發(fā)現(xiàn),還真是這樣(見下圖)。這可是個有意思的現(xiàn)象,于是1969年,奧斯本拉著姆潘巴一起發(fā)表了一份論文,描述這個現(xiàn)象。

這個現(xiàn)象,后來也被稱作姆潘巴現(xiàn)象。

那姆潘巴效應(yīng)到底是怎么回事呢?

其實(shí)直到今天,科學(xué)家們并沒有得出一個統(tǒng)一的結(jié)論,但有許許多多猜測。

有人認(rèn)為,這跟冷水里的溶解氣體比熱水里的多有關(guān);

有人認(rèn)為,加熱之后的水,氫鍵能量變高了,這對形成冰塊的過程有利;

還有些科學(xué)家認(rèn)為,在冷凍時候,熱水的對流比冷水的劇烈,所以整體降溫更快。

…………

想找到真正的答案,可能還需要很長一段時間。

但姆潘巴現(xiàn)象說明,即便在今天,我們身邊依然有很多神奇的未被破解的科學(xué)現(xiàn)象??茖W(xué)探索的道路也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到盡頭,如果你也發(fā)現(xiàn)了什么反直覺的現(xiàn)象,多多留心,說不定,你就是下一個姆潘巴。

責(zé)任編輯:胡惠雯

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