热水是否比冷水冻得更快呢


热水是否比冷水冻得更快呢

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物理界有一个最简单的实验之一就是:拿两杯水,一杯是热的,一杯是冷的 。把这两杯水放在冰箱里,注意哪一杯先结冰 。常识表明,较冷的水会 。但包括亚里士多德、笛卡尔和弗朗西斯·培根爵士在内的名人都观察到,热水实际上可能冷却得更快 。同样,水管工报告说,在零度以下的天气里,热水管会爆裂,而冷水管则保持完好 。然而,半个多世纪以来,物理学家一直在争论这样的事情是否真的发生 。
热水比冷水冻结得更快的现代术语是 姆潘巴效应(Mpemba effect),以埃拉斯托·姆潘巴(Erasto Mpemba)命名,他是一名坦桑尼亚少年,与物理学家丹尼斯·奥斯本(Denis Osborne)一起,在20世纪60年代对其进行了首次系统的科学研究 。虽然他们能够观察到这种效应,但后续的实验却未能持续复制这一结果 。调查冷冻的精密实验会受到许多微妙细节的影响,研究人员往往难以确定他们是否已经考虑了所有混杂的变量 。
在过去的几年里,随着关于姆潘巴效应是否发生在水中的争议不断,这一现象已经在其他物质中被发现:结晶聚合物、被称为凝结水合物的冰状固体,以及在磁场中冷却的锰矿物质 。这些新的方向正在帮助研究人员窥探脱离热力学平衡的系统的复杂动态 。一批对失去平衡的系统进行建模的物理学家预测,姆潘巴效应应该出现在各种各样的材料中(以及它的反面,即冷的物质比热的物质升温更快) 。最近的实验似乎证实了这些想法 。
然而最熟悉的物质,水,被证明是最明显的 。
加拿大西蒙弗雷泽大学的物理学家约翰·贝希赫费尔(John Bechhoefer)说:"一杯卡在冰箱里的水似乎很简单,他最近的实验是迄今为止对姆潘巴效应(Mpemba effect)最可靠的观察 。"但是一旦你开始思考它,它实际上并不是那么简单 。"
那是不可能发生的
"我的名字是埃拉斯托·姆潘巴(Erasto Mpemba),我将告诉你们我的发现,这是因为误用了一台冰箱 。" 这是1969年《物理教育》杂志上一篇论文的开头,其中姆彭巴描述了在坦桑尼亚马甘巴中学发生的一件事,当时他和他的同学们正在制作冰淇淋 。
热水是否比冷水冻得更快呢

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学生们的冰箱空间有限,在急于抢夺最后一个可用的冰盘时,姆潘巴选择了不像其他学生那样等待他的煮沸的牛奶和糖的混合物冷却到室温 。一个半小时后,他的混合物冻成了冰激凌,而他那些更有耐心的同学的混合物仍然是浓稠的液体浆液 。当姆彭巴问他的物理老师为什么会出现这种情况时,他被告知:"你被迷惑了 。这不可能发生 。"
【热水是否比冷水冻得更快呢】后来,奥斯本来到姆潘巴的高中物理班参观 。他记得这个少年举手问道:"如果你把两个装有等量水的烧杯,一个在35°C,另一个在100°C,然后把它们放进冰箱,开始时在100°C的那个会先结冰 。为什么?" 由于好奇,奥斯本邀请姆潘巴到达累斯萨拉姆的大学学院,在那里他们与一名技术人员合作,发现了以姆潘巴的名字命名的效应的证据 。不过,奥斯本的结论是,这些测试很粗糙,需要进行更复杂的实验来弄清可能发生的事情 。
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几十年来,科学家们提出了各种各样的理论解释来解释姆潘巴效应 。水是一种奇怪的物质,固态时的密度比液态小,而且固态和液态可以在同一温度下共存 。一些人认为,加热水可能会破坏样品中水分子之间松散的弱极性氢键网络,增加其无序性,然后降低冷却样品所需的能量 。一个更平凡的解释是,热水比冷水蒸发得更快,减少了它的体积,从而减少了结冰的时间 。冷水也可能含有更多的溶解气体,从而降低其冰点 。也可能是外部因素在起作用 。冰箱中的一层冰霜可以作为一个绝缘体,防止热量从冷杯中泄漏出来,而热杯会融化冰霜并更快冷却 。

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