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每日科普|熱水和冷水哪個先結冰?

同樣體積的冷水跟熱水一起放冰箱里,哪個更容易結冰?

你可能會覺得,肯定是冷水,因為要結冰,熱水得先變成冷水才可以。

但其實,熱水反而會先結冰。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冰。

這個現象,早在兩千年多年前就被人發(fā)現了。

最早把它記錄下來的人,是亞里士多德。他發(fā)現:“被燒過的水更容易結冰。”而且他記錄道:“在黑海南岸一個叫本都的地方,人們在冬天去冰上釣魚的時候,會把溫水澆在蘆葦上,好讓蘆葦快速結冰。”

弗朗西斯培根也記錄過:“有點溫熱的水比冷水更容易結冰”。笛卡爾在他的《方法論》里面同樣提到了類似的現象。笛卡爾還給出了一個解釋;有一些阻止水結冰的小粒子在加熱的時候就蒸發(fā)掉了,所以更容易結冰。

但是當時,人們并沒有深入去研究這個現象。一方面是因為當時人們對微觀世界的了解還不夠,要知道當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生再次注意到了這個現象,還跟它死磕了下去,發(fā)表了一篇論文。

發(fā)現這個現象的學生,叫做姆潘巴。

當時,他跟同學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冰箱,不然可能會把冰箱搞壞的。要知道在當時的坦桑尼亞,冰箱可不像現在這么常見,而且也不便宜,老師自然會把冰箱看作“高級設備”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一點被占據,姆潘巴就豁出去了,直接把熱牛奶放進了冰箱里。過了一個半小時之后,打開冰箱一看,冰箱不但沒壞,甚至他的牛奶已經凍成冰了。但跟他同時放進來的其他冷牛奶卻沒有結冰,這個現象很反直覺。

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。”聽老師這么說,姆潘巴也就沒再追問,也認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,又聽到了類似的現象。

朋友告訴他,自己的哥哥是一家冰淇淋店鋪的“制冰達人”,做冰淇淋比別人都快。他的秘訣就是把熱牛奶放進冰箱里。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象。

這時候,姆潘巴認為,說不定是初中物理老師搞錯了呢?

于是,在進入高中之后,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,這個現象不是我們這個宇宙的物理學,而是姆潘巴宇宙的物理學。”

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

他跑去找學校廚房的負責人,借了高級實驗設備(冰箱)的一個星期使用權,還拉上幾個小伙伴一起做實驗。實驗結果也確實證實了姆潘巴說的。

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

這個現象,后來也被稱作姆潘巴現象。

那姆潘巴效應到底是怎么回事呢?

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

有人認為,這跟冷水里的溶解氣體比熱水里的多有關;

有人認為,加熱之后的水,氫鍵能量變高了,這對形成冰塊的過程有利;

還有些科學家認為,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現象。科學探索的道路也遠遠沒有到盡頭,如果你也發(fā)現了什么反直覺的現象,多多留心,說不定,你就是下一個姆潘巴。

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