一個常見的事實是,如果你有一杯熱水和一杯冷水,然後把這兩種水都放在冰箱裡,那杯熱水就會先結冰。這個看似違反直覺的說法有什麼道理嗎?沸水真的比冷水凍得快嗎?
對於這個問題很多人認為冷的一杯會先結冰,因為它會很快到達冰點。然而,答案比這稍微複雜一些,因為僅僅是加熱水的行為就會化學地改變樣品的含量。由於這兩種樣品不再是相同的,所以兩者都會有不同的冰點。這類似於在道路上撒鹽會使冰融化,以及為什麼淡水比海水更快地凍結,礦物、化學物質和其他汙染物的增減會減少或增加冰點的降低。
冰點下降是在溶劑中加入溶質以降低其冰點的行為。這是我們一直在利用的現象。一個常見的例子是汽車的散熱器。散熱器內的水用來保持汽車發動機的涼爽,但在冬天,當水幾乎肯定會結冰時,我們該怎麼辦呢?我們添加防凍劑(通常是乙二醇),以降低冰點下降的水,並防止它在死的冬天凍結。甚至動物也會利用冰點下降。春季偷窺蛙能夠在低溫下生存下來,這要歸功於青蛙在檢測到冰點溫度時會釋放出大量的葡萄糖進入它的血液中。由於青蛙血液中含有額外的葡萄糖,冰點要比水低得多,這使得青蛙能夠在嚴冬中存活下來。幾種北極魚也利用這一現象。
當水被煮沸或加熱時,同樣的事情也會發生。碳酸鎂和碳酸鈣從水中沉澱出來,自由氧就會逸出。由於這些成分的去除,提高了水的冰點。如果你從硬水(礦質含量高的水)開始,這種效果就更明顯了。當試圖凍結熱水時,第一批開始形成的冰晶排除了溶質,從而導致剩餘液體的離子濃度增加,導致剩餘水的冰點下降更大(如果樣品中存在離子)。較冷的水可能會開始更快地出現結冰的跡象,但最終,熱水會首先結冰。請記住,由於缺乏溶質和汙染物,蒸餾水或經反滲透過濾的水不會受到這種影響。當熱水贏得比賽,在類似的冷水樣本之前完全結冰,這就是所謂的。Mpemba效應.
這種效應是以坦尚尼亞人ErastoMpemba的名字命名的。1963年,Mpemba在注意到他的更溫暖的冰激凌混合物在變冷之前結冰後,描述了這種不同尋常的現象。幾年後,在一次講座中,Mpemba先生問講師:「如果你有兩個相同體積的容器,一個在95°F,另一個在212°F,然後把它們放在一個冰箱裡,溫度更高的容器首先結冰。這一切為什麼要發生?」他不但沒有得到答案或解釋,反而遭到同學和老師的嘲笑。講師(Denis G.Osborne)決定進行一項實驗來驗證Mpemba的說法,並最終證實了Mpemba的觀點。Mpemba和Osborne在1969年發表了他們的發現。
簡單地說,如果冷水樣品含有溶質(汙染或微量礦物質),熱水將首先凍結。溶質增加了冰點下降,這意味著水將需要更長的時間來凍結。加熱或煮沸水的行為移除了許多這些溶質,汙染並降低了冰點,導致熱水首先結冰。