把一杯冷水和一杯热水同时放进冷冻室，哪杯水会先结冰？
魅力科学君2020-05-20 21:55
冷水和热水，谁的结冰速度更快？把一杯冷水和一杯热水同时放进冷冻室，哪杯水会先结冰？对于这个问题，我们的直觉告诉我们，冷水的结冰速度更快，因此必定是冷的那杯水先结冰。然而实际情况却并非这么简单，早在1461年，物理学家乔瓦尼.马利亚尼（Giovanni Marliani）就已经明确地指出，在有些时候，热水会比冷水更快地结冰，但这在当时并没有得到重视。
让科学界真正注意到这个现象的，是一位名为伊拉斯特.姆潘巴（Erasto Mpemba）的学生，1963年，姆潘巴在自制冰淇淋的时候，无意中发现了这种现象，但当他将这个发现告诉了他的老师和同学时，却没有人相信他。
不甘心的姆潘巴又想办法找到了物理学家丹尼斯.奥斯本（Denis Osborne），后者虽然也不大相信，但为了鼓励姆潘巴的求知精神，他还是为此精心设计了一系列的实验，令他感到惊讶的是，实验结果显示了姆潘巴观测到的现象真的存在，确实是在有些时候，热水的结冰速度更快。
丹尼斯.奥斯本（左）和伊拉斯特.姆潘巴（右）在2013年的合影
1969年，丹尼斯.奥斯本和伊拉斯特.姆潘巴共同发表了一篇论文，详细地描述了这种有违常理的现象，不久以后，人们从实验中证实了这种现象的存在，于是正式将这种现象命名为“姆潘巴现象”（Mpemba Effect）。这就意味着，在我们把一杯冷水和一杯热水同时放进冷冻室之后，有可能是热的那杯水先结冰。
那么这到底是怎么回事呢？事实上，这是一个还未完全解开的科学谜题，不过人们还是提出了多种解释，下面我们就来介绍几个比较主流的解释。
水里溶解的气体
在相同的外部条件下，较冷的水总是会溶解更多的气体，而溶解在水中的气体分子会使它周围的水分子排列得更加紧密，这就抑制了水的对流，进而使冷水的结冰速度比比热水更慢。
蒸发的影响
热水会因为蒸发而损失质量，并且在蒸发过程中热水的热量将会更快地散发出去，更小的质量加上更快的散热速度，就可能导致热水的结冰速度更快一些。
热梯度问题
在我们把一杯水放进冷冻室之后，杯子里的水的降温幅度并不是均匀的，具体表现在靠近杯壁的水将会迅速降温，但其内部的水温下降幅度却很小，于是这两者之间的温度将产生了差异，从而形成了一个热梯度，这有利于水的对流。
在不断冷却的过程中，这种热梯度将会一直存在，并且温度越高的水热梯度就越大，其内部的对流就会更强，所以热水就比冷水冷却得要快一些，而当热水的温度降到与同时放入的冷水一致时，其内部的对流依然比冷水激烈（类似惯性效果），并因此而比冷水更快地结冰。
过冷水
水结冰需要两个条件，第一是温度低于零摄氏度，第二是必须存在晶核。这个晶核是指水在开始结晶时所必需的固体微粒，它可以是水中的杂质，也可以依靠外部能量在水中自发生成。因此可以说，在水中不存在杂质，并且没有受到外部能量影响的情况下，水就可以在零摄氏度以下保持液态，这种水就被称为过冷水。
过冷水受外部能量影响后迅速结冰需要注意的是，在水中杂质极少的情况下，依然可以形成过冷水，这种过冷水需要在更低的温度下才能结冰，有实验表明，在这种情况下，冷水的过冷温度总是比热水的低。
比如说如果冷水需要零下8摄氏度才能结冰，而热水只需要零下2摄氏度，那么当冷水和热水的温度都降到零下2摄氏度的时候，热水就算结冰，而冷则会继续保持液态。甚至在相同时间内，冷的温度已降至零下7摄氏度，而热水才刚刚降到零下2度，在这种情况下，尽管冷水的温度更低，但热水的结冰速度还是更快。
分子层面的解释
单个的水分子是由一个氧原子和两个氢原子通过“共价键”组成，简单地讲，“共价键”就是两个或多个的原子之间通过共用外层电子而形成的化学结构，而由于共用电子呆在氧原子的这一头的时间，要比呆在氢原子这一头的要多很多，因此总体上水分子的氧原子这一头表现为带负电荷，而氢原子这一头则带正电荷。
在这种情况下，多个水分子之间就会相互吸引，这种相互作用被称为“氢键”，科学家发现温度的高低会影响液态水中的“共价键”和“氢键”的长度，即热水的“氢键”比冷水的更长，而“共价键”则会比冷水更短。
也就是说，水分子内的“共价键”会随着温度的下降而变长，同时水分子间的“氢键”则会变短，需要注意的是，这是其实是一个释放能量的过程，并且随着降温过程的持续，这个放能的速度将以指数级的形式增加。
在我们把一杯冷水和一杯热水同时放进冷冻室之后，由于热水的“氢键”更长、“共价键”更短，因此这杯热水放能的初始值就比冷水高，所以说在相同的时间里，热水释放能量的速度会超过冷水，其结冰的速度也就更快。
需要指出的是，“姆潘巴现象”并不是每次都会发生，而上述的对“姆潘巴现象”的解释都有一定的局限性，它们要么不能解释所有已观测到的“姆潘巴现象”，要么就是没有直接的实验证据。就目前来看，关于“冷水和热水，谁的结冰速度更快？”这个问题，仍然是一个还未完全解开的科学谜题。
好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见`
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