为什么热水结冰的速度要比冷水快?

Question

为什么热水结冰的速度要比冷水快?

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据英国《新科学家》杂志报道,有时候,热水的冻结速度反而会超过冷水,这是为什么呢?这种怪异的现象困扰了几代科学家.经过数百次实验,纽约州立大学宾厄姆顿分校负责辐射安全的官员詹姆斯·布朗里奇最终发现证据,证明这种现象可能与水中杂乱无章的杂质有关.
热水快速冻结现象被称之为“姆佩巴效应”,以坦桑尼亚学生埃拉斯托·姆佩巴的名字命名.对于姆佩巴效应,物理学家曾提出几种可能的假设,其中包括水分更快蒸发导致热水体积变小,一层霜隔绝了温度更低的水以及溶质浓度存在差异.但任何一种解释都很难让人信服,因为这种效应并不可靠,冷水冻结速度往往还是超过热水.
布朗里奇认为,杂乱无章的杂质才是导致热水更快速冻结的关键因素.过去10年时间里,他利用空闲时间进行了数百次有关姆佩巴效应的实验,最终发现这种效应基于不稳定过度冷却现象的证据.
布朗里奇说：“水几乎从不在温度降到零度时冻结,通常是在更低温度下才开始冻结,也就是所说的过度冷却现象.冻结点取决于水中与冰晶形成有关的杂质.通常情况下,水可能含有几种类型杂质,其中包括尘粒、被溶解的盐类以及细菌,每一种杂质都能在特定温度下触发冻结机关.核化温度最高的杂质决定了水的冻结温度.”
布朗里奇对两个同样温度的水样——20摄氏度的自来水——进行了实验.他把水样装入试管,而后放入冰箱中冷冻.由于杂质的随机混合导致其拥有更高冻结点,其中一个水样将首先冻结.如果这种差异足够大,姆佩巴效应便会出现.布朗里奇选择自然冻结点更高的水样,并将其加热到80摄氏度,另一个则只加热到室温,而后将试管放回冰箱.他表示,如果热水冻结点至少高出5摄氏度,其冻结速度往往会超过冷水.
可能让人感到惊讶的是,区区5摄氏度就是一个足够大的差异,帮助温度更高的水首先“冲过终点线”.而如果以60摄氏度作为起步点,它们在这场冻结较量中便要以失败告终.物体与周围环境——具体到这项实验,指的就是冰箱——的温差越大,其冻结的速度就越快.也就是说,在温度较低的水样达到零下7摄氏度这一冻结点前,热水样首先达到零下2摄氏度这一冻结点,进而以更快的速度冻结,
为什么其他人没有注意到这一点?布朗里奇表示,其他人在一次研究一个因素时并没有很好地控制实验环境,例如必须控制容器的类型以及水样在冰箱中的位置.但布朗里奇所做的工作不可能终结有关姆佩巴效应的争论.美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学的乔纳森?卡特兹便持怀疑态度.
根据卡特兹的理论,加热能够驱除二氧化碳等杂质,进而提高水的冻结点.这也就意味着,加热实际上提高了水首先冻结的机会,而不是布朗里奇所说的与杂乱无章的杂质有关.他说：“他可能发现了一种与姆佩巴类似的过度冷却效应.”
姆佩巴效应得名由来
这种怪异的现象拥有很长的历史.公元前4世纪,亚里斯多德首次发现姆佩巴效应.他这样写道：“之前被加热的水冻结速度更快.因此,在希望快速冷却热水的时候,很多人会首先将它放在阳光下加热.”
弗朗西斯?培根也曾发现这种现象.他在1620年写道：“与温度极低的水相比,温度稍高的水更容易冻结.”莱恩?笛卡尔在1637年指出：“经验告诉我们,在火上长时间加热的水冻结速度超过其他水.”
上世纪60年代,这种效应开始走进现代科学界的视线.当时,坦桑尼亚学生姆佩巴对他的老师说,通过将一种加热过的混合物放入冰箱,他能够以比正常情况更快的速度制作冰激凌.这种观点一度让姆佩巴成为同学们的笑柄,直到学校的一名督学在达累斯萨拉姆重复这项实验证明他的话所言非虚,姆佩巴才得到“平反”.