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热水结冰快于冷水问题答案水落石出?

已有 14046 次阅读 2013-2-23 05:44 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| style, 冷水

姆潘巴现象热水冻结快于冷水

故事要回到五十年前的坦桑尼亚,姆潘巴的孩提时代。

1963年,在坦干伊卡湖畔(Lake Tanganyika)一所中学读书的姆潘巴在家里制作冰淇淋时,偶然错将滚沸的牛奶与常温的牛奶一起放入了冰箱冷冻。结果,他发现,热牛奶结冰速度快过冷牛奶。再用沸水与温水对比试验,出现了同样不可思议的结果。

第二天,他问学校的物理老师这是为什么。老师回答说,道理很简单:不可能!

姆潘巴没有被老师的不屑吓住。第二年转到另一所中学,他向老师提出了同样的问题。

不同的老师一样的回答。老师说,看来牛顿的冷却定律你还没有学会呀。

姆潘巴只能坚持说,实践结果与理论不一样。

老师讥讽说,看来有两种物理,一种是放置四海皆准的物理,一种是“姆潘巴物理”。

姆潘巴的机会终于来了。1968年的一天,一位著名的物理学教授来到学校访问,这位“尊贵的客人”,就是在首都达累斯萨拉姆大学讲学的英国物理学家奥斯伯恩教授(Prof. Denis Osborne)。

物理老师说,大家有什么问题要问尊贵的物理学家?

姆潘巴高举着手,不顾同学们的起哄,一脸倔强的问:“如果将两个盛着相同体积的水的容器,一个水温35摄氏度,另一个100摄氏度,将两个容器放入冰箱,100摄氏度的水先结冰”,“为什么”?

同学哄堂大笑,老师一脸尴尬,奥斯伯恩教授无言以对。但他没有否定姆潘巴,只是问,你自己动手实验了吗?姆潘巴说,反反复复很多次。

奥斯伯恩教授回到实验室,立刻动手实验,反反复复很多次,结果都一样:有时候热水结冰速度快于冷水。

1969年,奥斯伯恩教授与姆潘巴联合发表了一份报告,论述这一现象。“姆潘巴现象”(Mpemba effect)诞生了。

姆潘巴现象”

最好的解释

50年后,对“姆潘巴”现象仍然没有一个令人信服的解释。于是,英国皇家化学学会在2012年夏天搞了一个有奖竞征活动,悬赏1000英镑,破解“姆潘巴现象”。

科学网上顿时一片沸腾:

杨国力“为什么热水冻结速度快于冷水?”——悬赏1000英镑! 

杨国力为什么热水冻结速度快于冷水”——实验重复不了!

郑波尽我来解释——为什么热水比冷水结冰快

龚明热水冻结速度快于冷水?

本来只是个科普活动,搞个把月就结束,没想到一石激起千层浪,来自122国家的应征者寄来了22000份答案其中,来自中国的就有880份。科学网的功劳巨大!

经过半年多的评选,日前终于确定了获胜答案,由姆潘巴亲自颁奖,于是,年逾花甲的姆潘巴(Erasto Mpemba)千里迢迢也从坦桑尼亚赶来。姆潘巴是个森林管理员,说白了就是一个看林子老头儿。

提供最佳答案的是来自克罗地亚的一位叫布勒格维克(Nikola Bregovic)的年轻人、萨格勒布大学的助理研究员。他的解释是,“姆潘巴”现象是由于对流和超级冷却导致的(convection currents and supercooling)。

姆潘巴


答案早就出来了?

科学家揭开有时热水冻结速度超过冷水之谜2010-3-29

据英国《新科学家》杂志报道,有时候,热水的冻结速度反而会超过冷水,这是为什么呢?这种怪异的现象困扰了几代科学家。经过数百次实验,纽约州立大学宾厄姆顿分校负责辐射安全的官员詹姆斯·布朗里奇最终发现证据,证明这种现象可能与水中杂乱无章的杂质有关

对于姆佩巴效应,物理学家曾提出几种可能的假设,其中包括水分更快蒸发导致热水体积变小,一层霜隔绝了温度更低的水以及溶质浓度存在差异。但任何一种解释都很难让人信服,因为这种效应并不可靠,冷水冻结速度往往还是超过热水。
 
布朗里奇认为,杂乱无章的杂质才是导致热水更快速冻结的关键因素过去10年时间里,他利用空闲时间进行了数百次有关姆佩巴效应的实验,最终发现这种效应基于不稳定过度冷却现象的证据
 
布朗里奇说:“水几乎从不在温度降到零度时冻结,通常是在更低温度下才开始冻结,也就是所说的过度冷却现象。冻结点取决于水中与冰晶形成有关的杂质。通常情况下,水可能含有几种类型杂质,其中包括尘粒、被溶解的盐类以及细菌,每一种杂质都能在特定温度下触发冻结机关。核化温度最高的杂质决定了水的冻结温度。”
 
布朗里奇对两个同样温度的水样——20摄氏度的自来水——进行了实验。他把水样装入试管,而后放入冰箱中冷冻。由于杂质的随机混合导致其拥有更高冻结点,其中一个水样将首先冻结。如果这种差异足够大,姆佩巴效应便会出现。布朗里奇选择自然冻结点更高的水样,并将其加热到80摄氏度,另一个则只加热到室温,而后将试管放回冰箱。他表示,如果热水冻结点至少高出5摄氏度,其冻结速度往往会超过冷水。
 
可能让人感到惊讶的是,区区5摄氏度就是一个足够大的差异,帮助温度更高的水首先“冲过终点线”。而如果以60摄氏度作为起步点,它们在这场冻结较量中便要以失败告终。物体与周围环境——具体到这项实验,指的就是冰箱——的温差越大,其冻结的速度就越快。也就是说,在温度较低的水样达到零下7摄氏度这一冻结点前,热水样首先达到零下2摄氏度这一冻结点,进而以更快的速度冻结,

 但是,布朗里奇所做的工作不可能终结有关姆佩巴效应的争论。
美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学的乔纳森·卡特兹便持怀疑态度。
 根据卡特兹的理论,加热能够驱除二氧化碳等杂质,进而提高水的冻结点。这也就意味着,加热实际上提高了水首先冻结的机会,而不是布朗里奇所说的与杂乱无章的杂质有关。他说:“他可能发现了一种与姆佩巴类似的过度冷却效应。”

“姆潘巴”现象最大的价值

实际上,评选委员会对他的解释也不尽满意,只是在认为在收到的所有答案中,最可能接近实事的解释罢了。

其实这并不重要。在22000份答案中,有351份的答案竟然都是以同样的一句话开头:“我不是搞科学的,但是…”

负责评审的奥斯伯恩教授说,这个活动如此吸引人,正因为它是身边的科学,人们家里都有冰箱,人人可以动手一试,而且结果出人意料。

“姆潘巴”现象最大的价值,奥斯伯恩教授50年后的今天总结说,是“它鼓励人们跳出圈子思考,敢于挑战权威”。

当然,如果能对“姆潘巴”现象作出一锤定音的、无可辩驳的解释,也同样有价值。


博主简短总结:

其实这个现象,本博主认为关键点在于结冰的1. 成核过程和 2. 过冷现象(超冷现象)。

正常情况下,必然是凉水结冰快于热水结冰。

异常情况下:1. 比较干净的水,比如一些商场中的蒸馏水,放在冰箱中不结冰,但是只要稍微一晃动就立刻在几秒钟内结冰,这就是过冷现象。相信大家都遇到过。

2. 水经过加热变成热水以后,可能其中的某些杂质被活化了,这样在冷却的过程中,成核作用加强,所以可以先结冰。这有点象家用铝锅:使用铁丝团刷洗过的铝锅,表面的保护层被去掉,因此化学活性增加,更容易生锈,所以铝锅不能用铁丝团刷洗。家用炒菜的铁锅也完全是这样,要保留一层油保护,如果洗干净了就会生锈。



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