如果你有一杯熱水和一杯冷水,把它們同時放入冰箱,你覺得哪個會先結冰?大多人都覺得這不是很簡單,肯定是冷水。
No,這可能就會顛覆你的想像了
因為這也是讓許多科學家都驚訝的事情,熱水比冷水先結冰,而違反直覺的現象被稱為彭巴效應,為什麼會出現這種熱水比冷水還先結冰的反常理現象呢?
說到就要先講一個非常有趣的故事了
1963年在坦尚尼亞也就是非洲東部的一個國家,有一位叫彭八的中學生在學校裡,他經常會與同學一起做冰淇淋吃。他們的做法很簡單,先把生牛奶煮沸,然後加入一些糖等煮沸的牛奶,降溫後,接著再放入冰箱裡冷凍成冰淇淋。由於當時的冰箱不大,能容下的冰淇淋,位置自然也不多,所以誰先放入冰箱誰就有冰淇淋吃。然後事情就發生在一直做冰淇淋的時候,他看到一個同學將生牛奶加糖後直接就放入冰箱裡冷凍,眼看冰箱裡的位置剩下不多了,而他的牛奶才剛煮沸不久,如果再多幾位像剛才那樣偷雞的同學,那他的冰淇淋豈不是沒有位置了,所以他只好急急忙忙地加入一些糖,不等冷卻了就直接把滾燙的牛奶放入了冰箱裡凍。就這樣過了一個半小時,同學們回來打開冰箱一看,發現了奇怪的情況,所有的牛奶還是半夜擠撞,而我有、盆巴放入了熱牛奶已經結冰了。當然他向老師提問,這驚人的發現為什麼熱牛奶反而會比冷牛奶先結冰?然後老師告訴彭巴,因為是我用超能力凍結他的,沒有了,這就是我亂講的,最後老師沒有回應,可能是回答不了,或者是覺得他在開玩笑。
之後彭巴依然沒有放棄,不久學校來了一位大學教授進行物理講座,演講結束後彭巴鼓起勇氣發問,兩個相同的杯子,相同的水量,一個溫度在35度,另一個則是100度把兩杯水同時放入冰箱,最後為什麼100度的會先結冰?教授雖然對這部尋常的現象難以置信,可還是對此問題非常感興趣?於是教授回去後立即與他的助手親自做實驗,結果也和彭巴說的一樣,熱水比冷水先結冰,之後在1969年,教授與正在讀研究院的彭巴一起發表了研究結果。
事實上彭巴並不是第1個發現奇怪現象的人,在早期也有一些科學家也發現了此現象,包括亞里斯多德、弗朗西斯·培根、勒內·笛卡爾、和約瑟夫·布萊克,至於他們的論文我就不在這裡一一講解了。
熱水會比冷水先結冰嗎?
有人說自己做個實驗不就知道了嗎?所以陸陸續續也就有許多人做了實驗,我也做了實驗,最後我會告訴大家結果,所以記得看到最後了。在眾多實驗中發現不一定都是熱水先結冰,有人是冷水先結冰,有人的確是熱水先結冰,而以我們常理來說,同樣容器、同樣水量、同樣水質,當然是冷水先結冰才是正常的。
為什麼會有人做出熱水?先結冰?背後的物理機制是什麼?我們來看看。目前來說有5種可能性,蒸發、溶解氣體、對流、環境和過冷水。
蒸發
兩杯同樣的容器、同樣水量、一杯熱水、一杯冷水,他們不同之處是一個氣體一直往上冒,一個靜止不動,熱水會因為蒸發而損失掉更多的水分子。然而少量的水分子就會比多的更快結冰了,可這個原理還不能完全解釋得通,因為也有實驗室在密封的杯子下,熱水還是比冷水先結冰的情況,況且蒸發的水分也許只是採納及percent而已。
溶解的氣體
溶解的氣體指的是水裡面的氣體,比如氧氣、氮氣等。相對冷水熱水會不斷排出氣體,有人就認為溶解氣體會影響水的質量,比如導熱能力、冰的凝固點、降溫等。
對流
所謂對流就是一般水,主要是從杯壁和接觸外部的水面開始冷卻,中間溫度會比較高,這是冷水墜下沉,熱水就上升取代冷水,形成一個對流。而熱水的對流會比冷水來的活躍,當冷卻下來後,熱水的對流相對冷水還是比較高的,所以就冷卻的比較快。大家都知道吧,有時結冰時間不足時就會結成半水半冰的狀態,我們可以看到頂部和底部還有背壁成了冰的形狀,而中間還是液體的狀態,而這個就可以說明對流的狀態。
環境
我們可以看到,如果我們將一冷一熱的水放到冰箱裡,這時熱水的溫度很可能會改變它周圍的環境。如杯子底下的一層冰霜,由於熱水的溫度會使冰霜融化成水,而一段時間後水又會重新結回成冰,那樣這層冰霜和杯子就會形成一個小小的冰橋,導致散熱的更快一些。而冷水就沒那回事了,還是讓邊緣的什麼都沒有。
最後一個也是最有利的說辭
過冷水。我們一般知道水到達零度的時候會結冰,但在現實中水在零度以下都還可能保持在液體的形態。你可以想像為什麼有些0度以下的地方還有水,過冷水現象是因為水結冰的時候需要一種叫凝結核的東西,它可以是一些水中的雜質或是氣體等,而熱水和冷水的過冷水現象在許多實驗中都可以發現,熱水的過冷水凝結點比冷水高。舉例說,熱水的凝結點也許是-5度,而冷水的凝結點也許是-15度。
當他們慢慢冷卻時,熱水就先比冷水先結冰了。另外前陣子網上瘋傳的水倒出來會結冰,礦泉水搖一搖就結冰的神奇現象,也就是過冷水的表現。
總結來說,彭巴效應還不能說是絕對的
因為目前還沒有一個完美的解釋和證據,也就是不能說熱水一定比冷水先結冰,亦或是說冷水一定比熱水先結冰。事實上水結冰牽扯的變因比人們想像的還要複雜,很難確保所有條件都相同。因為有實驗就是在相同的容器、相同的水量、相同的水源、相同的冰箱等等,在做第2次時卻是不同結果,所以這裡沒有一定的答案,而有些人說彭巴效應是科學家愚人節開的玩笑是不存在的,而我就不這麼認為。
有些人實驗是冷水先結冰,有的人實驗是熱水先結冰,大家不妨可以自己實驗一下,結果是什麼都可以在下面留言分享。對了,剛才提到熱水放冰箱會不會弄壞冰箱?如果只是小小實驗是沒有問題的,而彭巴納什這樣做就會有問題。因為早期的時候科技還不發達,冰箱容量小,壓縮機功率也很小,如果放進一大碗中,冰箱裡就馬上變熱了,就會造成壓縮機在高負荷下工作。然後現在冰箱容量大,壓縮機功率也大、製冷系統也快,所以只放一小杯熱水,並不會造成冰箱的負擔,除非你說放一大桶廢水進冰箱了,不然這一小杯熱水是不可能使冰箱溫度提高的。
當然如果是媽媽不給弄,你還是聽媽媽的話!