【科讯】有时候热水结冰比冷水快，科学家也不能解释为啥

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本报记者陆成宽

有人问:“冷水和热水哪个先结冰？ ”如果你问。 我想你一定会觉得这个问题的人是否笨，当然冷水是否先结冰。 但是，实际上有时并非总是如此。 特定条件下热水结冰可能比冷水早，这是怎么回事？

实际上，历史上很多学者如亚里士多德、培根、笛卡尔等解释了类似现象，但无法完美地解释。 现代科学家面对这样“简单”的问题依然有争议。

常识性的姆潘巴现象

这么说来，对这种简单又多又杂的物理现象还有一个感兴趣的故事。

1963年的一天，坦桑尼亚中学生姆潘巴和朋友们一起用牛奶做冰淇淋。 他还在煮牛奶的时候，旁边的伙伴开始陆续把牛奶晾在冰箱里。 位置快没了，赶紧，姆潘巴把热牛奶直接放在冰箱里。 一个半小时后，他吃惊地发现他的冰淇淋冻结成块，但其他小伙伴的冰淇淋还很有粘性。 这与我们对热现象的直观理解和经验直觉完全相反。 但是为什么相反呢？ 姆潘巴带着这个疑惑从中学到高中，咨询了很多物理学老师也没有回答。 一位老师讽刺地说:“好像有世界上正确的物理学和《姆潘巴物理学》两个物理学。”

顽固的姆潘巴一直在寻找答案，直到达累斯萨拉姆大学物理学部长奥斯本博士抓住访问他们学校的机会，提出了自己的疑问。 博士没有对姆潘巴的问题嗤之以鼻，而是回到实验室按照姆潘巴的陈述进行冷热牛奶实验和冷热水实验，结果都注意到了姆潘巴提到的奇怪现象，所以博士邀请姆潘巴和他一起研究，1969年共同研究这个现象 因此，将其在与同等体积同等的冷却环境下，温度稍高的液体比温度稍低的液体(非纯水)先结冰的现象称为“姆潘巴现象”。

姆巴现象背后的几点解释

为了解释为什么热水结冰比冷水快，50多年来，很多物理学研究者对这种现象进行了很多研究，尝试着从不同的立场进行了说明。

冰霜融化地说

研究姆潘巴现象，很多学者都注意了实验。 液体表面凝结的冰霜影响向周围的热传导率。 冰霜的热传导性比水差，热水溶解冰霜，减少其阻碍作用，优化传热。 但是，有充分的证据表明在实验过程中排除冰霜的干扰和抑制冰霜的融化依然存在。 因此，这个说法不成立。

水蒸气蒸发地说

一位学者相信温水温度高则水蒸发速度快是姆潘巴现象的主要原因。 由于蒸发，水分子减少，要冻结的水分子也减少，所以温水的冻结速度会加快。 但是，一位科学家测量了冻结前后的水的质量，质量差没有超过3%，尽管蒸发后的水减少了，但这3%的水分子在冻结水方面不能花费时间。 另外，水蒸气蒸发过程中消耗的热量也不能忽视，但遗憾的是，对于热量消耗的对照试验并不容易实现。 由于需要测量开放容器和密闭容器，因此在密闭环境下水蒸气的蒸发和热传导受到阻碍，无法测量单一变量的影响。

可溶性气体说

温度越高，气体在水中的溶解度越小。 因为溶解在这种热水中的气体比冷水少。 水溶解一点气体就会降低凝固点

热水的气体含量低，凝固点也相应升高。 这可能是热水冻结快的原因之一。 另外，也有实验发现脱气水比非脱气水冻结快。

热勾配対流说

从热梯度对流的观点来看，温水比冷水冻结得快是由于对流的增加。 因为水的冷却是从容器的表面和侧面开始的，冷水下沉，热水上升，产生对流。 如果把热水放入低温环境，靠近容器的水会迅速降低温度，但内部的水温不变。 这样会产生温差，产生热对流。 在冷却过程中，这种热对流一直存在，温差越大对流越激烈，水的冷却越快。

过冷却现象说

年初，英国皇家化学会特意举办了比赛，选出了姆潘巴现象的最佳原理说明。 优胜者提出的解释是过冷现象。 过冷却现象是液体或气体的温度在凝固点以下，但不凝固的现象，因为本来温度低的水就比温度高的水容易过冷却，所以可能确实比温水的冻结慢。

现在，关于姆潘巴现象没有令人信服的完美说明，但科学家继续提出各种理论来说明这种现象。

不是所有时候热水结冰都比冷水快

如开头所述，热水结冰比冷水快是“有时”，这不是必然的现象。 《物理通报》杂志社所属的《中学生物理》杂志对这一现象进行了一年的讨论，其中有12份“实验报告”，有成功的例子。 这证明了姆潘巴现象确实存在，但控制条件很难找到，不容易再现。 也就是说，姆潘巴现象是在特定条件下出现的物理现象，通常不能得出“温水比冷水先结冰”的物理结论。

针对这个问题，9月4日科技日报记者采访了中国科学院物理研究所的李治林博士。 他认为水中不同的杂质离子可能会带来实验性干扰，因此在一般环境下不能在普通水中少量放置微生物而在温水中繁殖，这些大小的微米级微生物正好作为水冻结所需的凝结核发挥作用，优先 某研究者用更纯净的水进行实验时，往往不能重复这样的结果。 另外，水本身由于氢键的存在，性质多、杂多的水冷却结冰是一个更多因素动态的过程。 因此，李治林说，姆潘巴效应普遍不成立，必须以更谨慎的态度处理和研究这一现象。

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研究姆潘巴现象有什么意义呢

那么对姆潘巴现象的研究有意义吗？ 李治林认为有意义，非常重要。 水是性质独特的物质，具有非常丰富的物理现象，在工业生产和生命科学中起着极其重要的作用，但人类目前对水的研究还没有彻底。

“30的水”和“从100冷却到30℃的水”一样吗？ 这个问题看起来毫无意义似乎是理所当然的，但事实可能并非如此。 实际上，多个物理量和物理现象不仅与物质所处的状态密切相关，最终结果是否相同还需要通过实验研究确认。 例如，从冶金技术的工业价值出发，人类对钢铁的研究非常详细。 根据初期温度、降温速度解决的钢铁性质有很大不同，其中已知晶粒的优势和形成过程不同。 同样，实验研究表明，根据工艺和条件产生的冰的不同，晶体结构和物理性质有很大差异。

自古以来就知道“常压下水在0℃结冰”，但这个温度其实在一个范围内，冰也有各种各样的冰。

但是，关于水，很遗憾，因为微观上太多太杂了，所以我们对其更详细的性质不太了解。 但是有些是肯定的，科学不能“认为是当然的”，实验才是检验真理的最终标准。 科学家们似乎无聊的“比较真”，严格的疑问，严格的检查，不断的追求，才能促进科学不断地接近真理。