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知乎-06:为何热水结冰比冷水快? 精选

已有 6977 次阅读 2018-4-15 22:51 |个人分类:水之魂|系统分类:科普集锦

 -      表皮超固态 氢键强记忆

Temp - Mpemba paradox.pdf

PCCP-Mpemba.pdf


- 与张希/深圳大学共同提供解答


【事实陈述】自公元前350年阿里斯多德(Aristotle)最先发现并于1960年以母潘巴(Mpemba)命名的热水先结冰现象是物理学领域的十大谜题/佯谬/骗局之一。数十种唯象解释众说纷纭,甚至连这一现象是否真正存在,尚未明确定论。

 

【释疑原理】氢键(O:H-O)是水的基本结构和储能单元。H-O键因温升收缩存储能量而其逆过程释放能量;O:H的协同弛豫主导分子间相互运动及能量耗散;水表皮超固态的低密度提升热扩散系数(正比于热导率/定压比热/密度);热对流速率10-4米/秒甚微可略。

 

【定量证明】傅立叶热传导方程数值解证明表皮超固态的必要性。只有引入已经证明的表皮密度值(3/4标准值),数值解与实测数据才能吻合。实验证明,H-O释放能量速率与其初始存储(热变形)量正相关。热源-冷库界面必须严格非绝热。其它诸如杂质,挥发,过冷,对流等贡献均可忽略。

 

【结论拓展】

【1】  孤对电子的存在和O:H-O的非对称强耦合特性决定姆潘巴过程可能发生但更难控制。

【2】  热水速冷只能在氢键存在以确保升温储能和表皮高热扩散率的系统中发生。

【3】  氢键能量的任一“存储-释放-传导-耗散”环节不可或缺;更不可以偏代全。

【4】  姆潘巴效应超越经典热力学(牛顿热传导定律)和分子动力学(热耗散)范畴。

【5】  试图回避O:H-O键受激协同弛豫和缺乏有关能量输运足够证据而轻易作出的直觉论断,似乎偏离科学精神。

 

参考文献[1-3]

 

1.            X. Zhang, Y. Huang, Z. Ma, Y. Zhou, J. Zhou, W. Zheng, Q. Jiang, and C.Q. Sun, Hydrogen-bond memory and water-skin supersolidity resolving the Mpemba paradox. PCCP, 16(42): 22995-23002, (2014).

2.            C.Q. Sun, X. Zhang, X. Fu, W. Zheng, J.-l. Kuo, Y. Zhou, Z. Shen, and J. Zhou, Density and phonon-stiffness anomalies of water and ice in the full temperature range. J Phys Chem Lett, 4: 3238-3244, (2013).

3.            C.Q. Sun, X. Zhang, J. Zhou, Y. Huang, Y. Zhou, and W. Zheng, Density, Elasticity, and Stability Anomalies of Water Molecules with Fewer than Four Neighbors. J Phys Chem Lett, 4: 2565-2570, (2013).

 




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