加载中…热水会比冷水结冰更快吗？
(2013-02-07 14:45:46)
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姆彭巴英国皇家化学学会热水冷水结冰 |
分类： 数学物理 |
1、引子
看到标题，您会认为这是一个白痴问的问题，肯定热水比冷水结冰慢呀！如果您这样认为的话，那是您把问题看简单了。因为大量的实验表明，热水会比冷水更快结冰。这个现象称为姆彭巴效应，然而人们一直不知道为什么会产生这个种现象，为此英国皇家化学学会，还于1012年面向全世界悬赏征集问题解答。2013年1月10日，英国皇家化学学会宣布克罗地亚萨格勒布大学化学系物理化学专业的研究助理尼古拉比勒格维奇获得问题最佳解答奖。
一句话： 热水比冷水结冰快的现象称为姆彭巴效应。
2、问题的提出和历史沿革
现代提出这个问题的是一位坦桑尼亚中学生姆彭巴。1968年他向达累斯萨拉姆大学教授奥斯本博士提出下面这个问题时，奥斯本教授吃了一惊。
“用两个相似的容器装上等量的水，一个水温35摄氏度，另一个100摄氏度，然后把它们放到冰箱里，结果100摄氏度的热水先结冰。这是为什么？”
但是，奥斯本教授显然没有直接否定这个问题，而是自己做了实验验证了这个现象，并与姆彭巴合作正式发表了关于姆彭巴效应的科学论文。从那以后又有许多人发表论文姆彭巴效应的存在想，但是没有任何人给出发生这个违背常识现象的原由的令人信服的解释。
其实这个现象的最早的发现，可以上溯到2500年前的公元前4世纪，亚里士多德在其描述了地震和冰雹和气象的专著《气象学》中记载道：“在冰上捕鱼（在冰层上凿洞捕鱼）的人，在冰上搭建临时棚屋时，在立杆周围浇热水，可以加快冻结”
到了18世纪，法国数学家笛卡尔指出：“在火上加热过的水会比没加热过的水更快结冰。原因在于，那些阻止水保持液态能力最低的水粒子在水被加热的过程中蒸发了”。这实际上是提出姆彭巴效应机制解释的先驱。
1968年以后，因为奥斯本和姆彭巴的论文引来的研究则难以计数。
3. 为什么姆彭巴效应出人意料？
首先，我们看1kg100摄氏度的水和1kg35摄氏度的水，要结冰后达到-5摄氏度各自放出多少热量。
100摄氏度的水结为-5摄氏度的冰放出热量=（100-0）X4190+333000+（0-（-5））X2220=763100焦耳
35摄氏度的水结为-5摄氏度的冰放出热量=（35-0）X4190+333000+（0-（-5））X2220=490750焦耳
前者比后者要多50%以上， 因此，常识是放出热量多的要比放出热量少的要花更长的时间，即冷水先结冰。 这当然与实验是背离的！
其次，我们进行一下理想实验。
基于常识，100摄氏度的水，要结为-5度的冰，迟早温度先要降为35摄氏度以后，再接着降温才合乎情理，如果这个想法成立的话，显然100摄氏度的水无论如何都不能比35度的水更快结冰。因为，当100度的水花很长时间降温到-35度时，那35度的水的温度也要降低到很低了。然而，事情不是这么简单，一盒水，在降温过程中，并不是到处都保持相同温度，不能用上述理想实验简单推理。
与以上两个常识背离，正是姆彭巴效应出人意料的根本原因，也是大千世界的奇妙之处。
4、让我们利用假期做一下姆彭巴效应的实验吧！
如果您是学生的家长或者是中学生，不妨在春节假期做做这个有意义的物理实验吧。
第一个实验，姆彭巴现象的存在性。
准备两个相同大小的饭盒，一个倒入500克开水，一个倒入500克自来水，不要盖盖，同时放入冰箱冷冻室（设定温度为-10摄氏度），观测那个饭盒中的水先完全结冰。
第二组实验，姆彭效应的可能机制。
实验A、重复第一个实验，但是盖上盖子，观察姆彭巴现象是否存在，如果 不存在，则可以说明与外界热对流交换的作用。
实验B、重复第一实验和第二A实验，但是用纯洁水替代自来水，观察姆彭巴现象是否存在或者有什么变化，用来说明矿物离子的作用。
实验C、这个实验比较难，有条件的可以做。重复第一实验，但是把饭盒放入冰箱时，都同时放在一个可以不停左右摇晃（但水不会流出）的装置上，以便使饭盒中的水的温度保持各处相等。观察姆彭巴现象。如果没有姆彭巴效应，说明容器中水温梯度导致姆彭效应。
实验D、您自己还可以设计各种实验用于探索可能机制。
5、问题还没有最后解决
让我们回到开头吧。尼古拉虽然获得了英国皇家化学学会的设立的姆彭巴效应悬赏。其基本结论是，对流作用是主要原因（注意实验中饭盒盖盖，姆彭巴效应会消失）。但是，问题实际上只解决了部分，完全解答还需要进一步研究。有关细节，请链接http://www.rsc.org/mpemba-competition/
3. 为什么姆彭巴效应出人意料？
4、让我们利用假期做一下姆彭巴效应的实验吧！
5、问题还没有最后解决
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