为什么热水冻结速度快于冷水?现在,英国皇家化学学会悬赏1000英镑问答案。这个问题很符合英国人的形象,也很有意思。如果有超级中学可以动员全校的力量做这个事情,将会促进孩子们学习的兴趣。
显然,单从给出的说法还无法决定实验。需要有些界定。比如说:
在冰箱里,空气对流的冷却方式,水的量、容器的材料、封闭与否以及冰箱的冷冻的能力。如果使用其他的冷却方式,比如说热接触型的话,就会是低温的水先结冰。因为热接触(热传导)的边界条件比较明确。相比之下,空气对流的
热传递方式的边界条件就不那么容易确定了。条件不同,传递系数可以相差几十倍。这就意味着冷却速度可以相差很多。
之所以说是
误导,因为结冰与传热的速度有直接关系,而与温度的关系倒是次要的了。最简单的例子是一个小电灯,用两个电池来点亮。两个电池可以有并联和串联两种连接法,电池里的能量是相同的。问那一种连接法耗电快呢?显然那是串联的电池组,因为电压高。
水的温度高就意味着电池的电压高,温度差就是电位差。温差大的时候,传热的能力就大。从耗电的模式看,电压高的电池组要早耗完电能。因此,温差大的热水向外界传热能的能力大。此乃冷却过程中的第一因子。这个因子作用在水温到容器外壁的传(导)热过程。第二是冷却面的状态问题,温差大带来的空气对流速度就会高,界面上的冷却能力会变大。第三是冰箱空气中水份蒸发、凝聚的
热导管作用。这个效果主要作用在改善低温的热源一端的热交换效率。作用比较轻微。
结论是什么呢?温度、热容量与传热量的能力是三个事情,虽然他们之间有些关联。要论到达冰点的速度,取决于热容量与传热量的能力的比值和它对时间经过的积分。温度差决定了导热、传热的能力。因此如果温度差大带来的导热、传热的能力的“利益”大于由于温度高而导致的热容量大的“不利益”的话,热水会比凉水结冰快。会有这样的一个
分界线。这个
分界线,很明显,是个水量和冷却能力的函数。水量少,相对表面积大,热水会比凉水结冰快的效果会更显著。
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就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。