把一杯冷水和一杯熱水同時放進冷凍室,哪杯水會先結冰?

2020-12-01 魅力科學君

冷水和熱水，誰的結冰速度更快？把一杯冷水和一杯熱水同時放進冷凍室，哪杯水會先結冰？對於這個問題，我們的直覺告訴我們，冷水的結冰速度更快，因此必定是冷的那杯水先結冰。然而實際情況卻並非這麼簡單，早在1461年，物理學家喬瓦尼.馬利亞尼（Giovanni Marliani）就已經明確地指出，在有些時候，熱水會比冷水更快地結冰，但這在當時並沒有得到重視。

讓科學界真正注意到這個現象的，是一位名為伊拉斯特.姆潘巴（Erasto Mpemba）的學生，1963年，姆潘巴在自製冰淇淋的時候，無意中發現了這種現象，但當他將這個發現告訴了他的老師和同學時，卻沒有人相信他。

不甘心的姆潘巴又想辦法找到了物理學家丹尼斯.奧斯本（Denis Osborne），後者雖然也不大相信，但為了鼓勵姆潘巴的求知精神，他還是為此精心設計了一系列的實驗，令他感到驚訝的是，實驗結果顯示了姆潘巴觀測到的現象真的存在，確實是在有些時候，熱水的結冰速度更快。

丹尼斯.奧斯本（左）和伊拉斯特.姆潘巴（右）在2013年的合影

1969年，丹尼斯.奧斯本和伊拉斯特.姆潘巴共同發表了一篇論文，詳細地描述了這種有違常理的現象，不久以後，人們從實驗中證實了這種現象的存在，於是正式將這種現象命名為「姆潘巴現象」（Mpemba Effect）。這就意味著，在我們把一杯冷水和一杯熱水同時放進冷凍室之後，有可能是熱的那杯水先結冰。

那麼這到底是怎麼回事呢？事實上，這是一個還未完全解開的科學謎題，不過人們還是提出了多種解釋，下面我們就來介紹幾個比較主流的解釋。

水裡溶解的氣體

在相同的外部條件下，較冷的水總是會溶解更多的氣體，而溶解在水中的氣體分子會使它周圍的水分子排列得更加緊密，這就抑制了水的對流，進而使冷水的結冰速度比比熱水更慢。

蒸發的影響

熱水會因為蒸發而損失質量，並且在蒸發過程中熱水的熱量將會更快地散發出去，更小的質量加上更快的散熱速度，就可能導致熱水的結冰速度更快一些。

熱梯度問題

在我們把一杯水放進冷凍室之後，杯子裡的水的降溫幅度並不是均勻的，具體表現在靠近杯壁的水將會迅速降溫，但其內部的水溫下降幅度卻很小，於是這兩者之間的溫度將產生了差異，從而形成了一個熱梯度，這有利於水的對流。

在不斷冷卻的過程中，這種熱梯度將會一直存在，並且溫度越高的水熱梯度就越大，其內部的對流就會更強，所以熱水就比冷水冷卻得要快一些，而當熱水的溫度降到與同時放入的冷水一致時，其內部的對流依然比冷水激烈（類似慣性效果），並因此而比冷水更快地結冰。

過冷水

水結冰需要兩個條件，第一是溫度低於零攝氏度，第二是必須存在晶核。這個晶核是指水在開始結晶時所必需的固體微粒，它可以是水中的雜質，也可以依靠外部能量在水中自發生成。因此可以說，在水中不存在雜質，並且沒有受到外部能量影響的情況下，水就可以在零攝氏度以下保持液態，這種水就被稱為過冷水。

過冷水受外部能量影響後迅速結冰

需要注意的是，在水中雜質極少的情況下，依然可以形成過冷水，這種過冷水需要在更低的溫度下才能結冰，有實驗表明，在這種情況下，冷水的過冷溫度總是比熱水的低。

比如說如果冷水需要零下8攝氏度才能結冰，而熱水只需要零下2攝氏度，那麼當冷水和熱水的溫度都降到零下2攝氏度的時候，熱水就算結冰，而冷則會繼續保持液態。甚至在相同時間內，冷的溫度已降至零下7攝氏度，而熱水才剛剛降到零下2度，在這種情況下，儘管冷水的溫度更低，但熱水的結冰速度還是更快。

分子層面的解釋

單個的水分子是由一個氧原子和兩個氫原子通過「共價鍵」組成，簡單地講，「共價鍵」就是兩個或多個的原子之間通過共用外層電子而形成的化學結構，而由於共用電子呆在氧原子的這一頭的時間，要比呆在氫原子這一頭的要多很多，因此總體上水分子的氧原子這一頭表現為帶負電荷，而氫原子這一頭則帶正電荷。

在這種情況下，多個水分子之間就會相互吸引，這種相互作用被稱為「氫鍵」，科學家發現溫度的高低會影響液態水中的「共價鍵」和「氫鍵」的長度，即熱水的「氫鍵」比冷水的更長，而「共價鍵」則會比冷水更短。

也就是說，水分子內的「共價鍵」會隨著溫度的下降而變長，同時水分子間的「氫鍵」則會變短，需要注意的是，這是其實是一個釋放能量的過程，並且隨著降溫過程的持續，這個放能的速度將以指數級的形式增加。

在我們把一杯冷水和一杯熱水同時放進冷凍室之後，由於熱水的「氫鍵」更長、「共價鍵」更短，因此這杯熱水放能的初始值就比冷水高，所以說在相同的時間裡，熱水釋放能量的速度會超過冷水，其結冰的速度也就更快。

需要指出的是，「姆潘巴現象」並不是每次都會發生，而上述的對「姆潘巴現象」的解釋都有一定的局限性，它們要麼不能解釋所有已觀測到的「姆潘巴現象」，要麼就是沒有直接的實驗證據。就目前來看，關於「冷水和熱水，誰的結冰速度更快？」這個問題，仍然是一個還未完全解開的科學謎題。

好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見`

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