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为什么“姆潘巴效应”难以解释? 精选

已有 15988 次阅读 2012-7-3 10:32 |个人分类:科普文章|系统分类:观点评述| 姆潘巴效应, 热水比冷水先结冰


[Image source: mail online]

“姆潘巴效应”,Mpemba Effect, 即热水比冷水结冰快。科学网的杨国力童鞋看了英国皇家化学会的悬赏后,写了一篇博文介绍(杨国力:悬赏), 随后他亲自动手做了这个实验,却发现实验不能重复这个传说中的现象(杨国力:不能重复),因此引来很多对姆潘巴效应是伪科学的质疑,认为是“以讹传讹”,或者“违反物理规则”。无独有偶,前一段上海的几个中学生在老师的带领下也做过这个实验,重复不出来,媒体大肆报道“新民晚报:上海三女中学生破解姆潘巴现象”,实际上说她们否定了姆潘巴现象。

1. 姆潘巴效应重复不出来吗?

很多人并不是重复不出了姆潘巴现象,而是错误理解了姆潘巴效应。姆潘巴现象中初始温度和结冰时间关系的一个典型特征是U形相关,即高温热水和特别低温的水都会先结冰,而中等温度的水结冰慢。热水一般要大于25度才会有比较明显的姆潘巴现象。比如,杨同学的实验就看到了100度的水比75度和50度的水先结冰的现象;并且同时看到10度的水比75度和50度水先结冰。符合典型的姆潘巴现象中的U形相关。

2. 其它人为什么重复不出来姆潘巴现象?—— 动力学过程与外部影响因素

那还有很多其它人声称姆潘巴是伪科学现象,实验根本重复不出来,是怎么回事呢?比如上海三名中学生。我没有看到他们的实验设计或者数据,因此难以判断。不过,历史上重复姆潘巴现象的不计其数,见最后一部分的文献。姆潘巴效应的存在时经过了长时间的考验的。

第五部分Jeng的文章讨论过姆潘巴效应为何有时重复不出来,认为原因主要是“姆潘巴现象”涉及的过程复杂,影响其动力学的外部因素太多,因此,这个现象并非在所有条件下都会出现。整个结冰现象过程包括了降温和结冰两个过程,降温涉及对流,传导,辐射三个同时过程;结冰包括“成核”和“扩散”两个相继过程。同时,这些过程受到多个外部因素影响,包括水的初始微观结构(凉开水/冷水),降温条件(急冻/慢冷),环境因素(加不加盖,用什么容器)等等外部条件有关。

3. 想解释姆潘巴现象应如何下手 —— 温度梯度分布与异相成核

很多人在通过只言片语的了解下试图解释姆潘巴效应,比如氢键啦,四面体结构啦等等,这是不可能真正解释姆潘巴效应的。我尝试之后发现,所有单独从均相结冰过程上去解释姆潘巴效应都是不可能的。解释姆潘巴效应,必须从一杯水开始,这杯水同时存在水和容器的接触和水的表面。(也有人做过无表面的降温,姆潘巴现象也存在),而且降温过程速度较快。如果降温过程无限慢,可以肯定,在结冰之前,所有容器的温度会趋于一致,因而肯定观测不到姆潘巴现象。也就是说,这个降温过程中水中温度分布是不均匀的,内部高,表面低,形成梯度;而且结冰是异相成核机理,即结冰时在表面或瓶壁开始的。结冰时间与初始温度的关系(降温速率),和结冰的形态(成核与扩散),是解释姆潘巴效应的2个关键。

4. 一个合理的解释 —— 谁更能有效把内部热量更快散发出去?

如下网页给出了一个合理的解释: huchao: 姆潘巴效应的奥秘

此文作者观察到初始冷水表面形成的是覆盖整个表面的“冰壳”,而初始热水中的结冰是先从“针状冰晶”开始进而逐步形成表面“冰壳”的。作者认为初始冷水会表面的冰壳,阻止了热传递,减慢了降温速度;而初始热水由于对流的关系,不易形成冰壳,而是在界面处随机生成冰核并向内生长,因此,未形成冰核的表面仍能有效向外界传递热量,因此大大加快了降温过程,快速达到全面的表层冰层。

5. 更全面的回顾与分析

张伦勇老师推荐的 Monwhea Jeng:Can hot water freeze faster than cold water? 提供了更全面的回顾与分析,读后感觉到应该搜集更多的实验事实才能检验自己的想法是否正确。下面仅罗列其文后给出的参考文献,给想深入参与的同学一个大概印象吧:

Historical

    1.  Aristotle in E. W. Webster, "Meteorologica I", Oxford U. P., Oxford, 1923, pgs 348b—349a
    2.  Bacon F 1620 Novum Organum Vol VIII of "The Works of Francis Bacon" 1869 ed. J. Spedding, R. L. Ellis and D. D. Heath (New York) pp 235, 337, quoted in T.S. Kuhn 1970 "The Structure of Scientific Revolutions" 2nd edn (Chicago: University of Chicago Press), pg 16
    3.  Descartes R 1637, "Les Meteores" 164 published with "Discours de la Methode" (Leyden: Ian Marie) 1637, quoted in "Oeuvres de Descartes" Vol. VI 1902 ed. Adam and Tannery (Paris: Leopold Cerf) pg 238 (trans. F. C. Frank)
    4.  Clagett, Marshall, "Giovanni Marliani and Late Medieval Physics", AMS press, Inc., New York, 1967, pgs 72, 79, 94

Experiments on the Mpemba Effect

    5.  Mpemba and Osborne, "Cool", Physics Education 4, pgs 172—5 (1969)
    6.  Ahtee, "Investigation into the Freezing of Liquids", Phys. Educ. 4, pgs 379—80 (1969)
    7.  I. Firth, "Cooler?", Phys. Educ. 6, pgs 32—41 (1979)
    8.  E. Deeson, "Cooler—lower down", Phys. Educ. 6, pgs 42—44 (1971)
    9.  Osborne, "Mind on Ice", Phys. Educ. 14, pgs 414—17 (1979)
    10.  M. Freeman, "Cooler Still", Phys. Educ. 14, pgs 417—21 (1979)
    11.  G.S. Kell, "The Freezing of Hot and Cold Water", American Journal of Physics, 37, #5, pgs 564—5 (May 1969)
    12.  D. Auerbach, "Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold", American Journal of Physics, 63, #10, pgs 882—5 (Oct 1995)
    13.  J. Walker, "The Amateur Scientist", Scientific American, 237, #3, pgs 246—7 (Sept. 1971)
    14.  B. Wojciechowski, "Freezing of Aqueous Solutions Containing Gases", Cryst. Res. Technol., 23, #7, pgs 843—8 (1988)

General discussion on the Mpemba Effect

    15.  New Scientist, 42, #652, 5 June 1969, pg 515
    16.  New Scientist, 2 Dec. 1995, pg 22
    17.  New Scientist, 42, #654, 19 June 1969, pgs 655—6
    18.  New Scientist, 43, #657, 10 July 1969, pgs 88—9
    19.  New Scientist, 43, #658, 17 July 1969, pgs 158—9
    20.  New Scientist, 43, #658, 25 Sept. 1969, pg 662
    21.  New Scientist, 44, #672, 23 Oct. 1969, pg 205
    22.  New Scientist, 45, #684, 15 Jan. 1970, pgs 125—6
    23.  New Scientist, 45, #686, 29 Jan. 1970, pgs 225—6
    24.  New Scientist, 2 Dec. 1995, pg 57
    25.  New Scientist, 16 Mar. 1996, pg 58

Related Articles

    26.  J. Elsker, "The Freezing of Supercooled Water", Journal of Molecular Structure, 250, pgs 245—51 (1991)
    27.  R.A. Brewster and B. Gebhart, "An experimental study of natural convection effects on downward freezing of pure water", Int. J. Heat Mass Trans. 31, #2, pgs 331—48 (1988)
    28.  R.S. Tankin and R. Farhadieh, "Effects of Thermal Convection currents on Formation of Ice", Int. J. Heat Mass Trans., 14, pgs 953—61 (1971)



参考
1. wiki: Mpemba Effect, http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect
2. 一个比较好的中文介绍:http://hi.baidu.com/linyuxi1108/blog/item/b6a489d1fd0cfc86a0ec9cfa.html
3. 一些否定姆潘巴效应的观点:http://blog.sina.com.cn/s/blog_5fcc0f830100dsst.html
4. huchao: 姆潘巴效应的奥秘


http://blog.sciencenet.cn/blog-38740-588435.html

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