热水比冷水先结冰的奥秘

热水比冷水先结冰的奥秘上海市市三女初初二（6） 陈嘉韵准考证号码 联系电话姆潘巴现象实验目的：证明在同等体积、同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体（热水）比温度略低的液体（冷水）先结冰的现象。实验构想：冬天在饮水间里倒水时，我常常会看见在热水出水处会有薄冰，但冷水出水处却不会结冰。实验步骤：1）同时各取 300ml 的热水和冷水（不能正好满到杯口）2）将两个杯子同时放进冰箱3）每隔十分钟观察两个杯子是否有结冰的迹象4）记录实验结果实验结论：在同等体积、同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体（热水）比温度略低的液体（冷水）先结冰。附件 1：实验结果的数据：第一次（-10） 第二次（-15） 第三次（19）热水（85） 4 小时 25 小时 1 小时冷水（25） 5 小时 325 小时 1.75 小时附件 2：实验过程的图片：参考文献：1 姆潘巴现象 科学的原理起源于实验的世界和观察的领域， 观察是第一步，没有观察就不会有接踵而来的前进。 门捷列夫（俄）中学生姆潘巴的精心观察对权威的牛顿冷却定律提出挑战我（姆潘巴）在坦桑尼亚的马干巴中学读三年级时，校中的孩子们做冰淇淋总是先煮沸牛奶，待到冷却后再倒入冰盘，放进电冰箱。为了争得电冰箱的最后一只冰盘，我决心冒着弄坏电冰箱的风险而把热牛奶放进去了。一个多小 时以后，我们打开电冰箱，里面出现了惊人的奇迹：我的冰盘里的热牛奶已结成坚硬的冰块，而他 们的冰里 还是稠稠的液体。我 飞快地跑去问物理老师，他淡淡地回答 说：“ 这样的事一定不会发生。”进入高中后，在学习牛顿 冷却定律时，我又 问物理老师 ，他同样轻率地否定了我的观察。我继续述说我的理由，可老师 不愿意听，在一旁的同学 们也帮着老 师质问我：“ 你究竟相不相信牛顿冷却定律？”我只好为自己辩解：“可定律与我观察的事实不符嘛！”在同学们的讪笑声中，老师带着无可奈何的神情 说道：“ 你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧！”从此以后，“姆潘巴的物理”便成了我的绰号，只要我做错一点，同学 们就 马上说“这是姆潘巴的什么。 ”尽管如此，我仍然坚信我的观 察是正确的，其中可能包含着更为深刻的道理。就在这一年，坦桑尼亚最高学府达累斯 萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来我校访问，我决心求助于博士，我向他讲述了我的奇遇。他先是笑了一下，然后认真地听取了我的复述，博士回校后亲自动手并 观察到了同一事实。他高度评价了我的观察，他说：“姆潘巴的观察，事实上提出了权威物理学家可能遇到的危 险，同 时 也对物理教师提出了一个感兴趣的问题。”博士邀请我联名发表一篇论文，登 载于英国教育， 对热 牛奶在电冰箱中先行冻结的现象作了介绍和解释。其主要内容是：1把牛奶换成水以后再进 行观察， 发现电冰箱中的热 水仍在冷水之前冻结成冰。2把热水放入电冰箱冷却 时，水的上表面（ S）与底部（B）之间存在着显著的温度差。缓慢冷却时的温度差几乎是观察不到的。 图 1-1 是初始温度分别为 70（实线）和 47（虚线）的水的 S-B 温度差随时间变化的观测记录图。从 图中可看出，初始时，上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为 70的水内产生的最高温度差接近14,而初温 为 47的水内产 生的最高温度差只有 10左右，这就是我们所观察到的冷、热水在急剧冷却时的重大差别。在以上定量观测的基础上，我 们对热牛奶（或热水）先 冻结的现象作出如下解释：1冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的，而是由液体上表面与底部的温度差决定的，热牛奶急剧冷却时，这种温度差较大，而且在整个冻结前的降温过程中，热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。2上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。基于以上两方面的理由， 热牛奶以更高的速度冷却着，这便是热牛奶先冻结的秘密。除了作出热牛奶先冻结的解释外，我 们还大胆地类推出一个有趣的 “猜想”：在发生严重冰冻的日子里，热水管应该先于冷水管 发生冻结，是不是 这样 呢？由于我们生活在赤道附近的坦桑尼亚，这里气候四季炎 热， 难以观察到这十分有趣的 现象，欢迎能观察到这一现象的中学朋友们，为我们提供信息，共同讨论。自从我们的文章发表后，世界上很多科学 杂志都刊登了 这一自然现象， 认为这是对牛顿冷却定律的严峻挑战。而且还 以我的名字把这一自然现象命名 为“姆潘巴效应”。这真叫人不好意思呀！2 问题远比想象的要复杂后来许 多人也在这方面做了大量的实验和研究，人们发现，这个看来似乎简单的问题实际上要比我 们的设想复杂得多，它不但涉及到物理上的原因，而且还涉及到作为结晶中心的微生物的作用，是一 个地地道道的“ 多变量问题”。 (1). 物理原因 从物理方面来说，致冷有四种并存的机制： 辐射、 传导、汽化、对流。通 过实验观察并对结果进行比较，发现引起热水比冷水先 结冰的原因主要是传导 、汽化、对流三者相互作用的综合效果。如果把热水和冷水结冰的 过程叙述出来并分析其原因就更能 说明问题了： 盛有初温 4冷水的杯，结冰要很长时间，因 为水和玻璃都是 热传导不良的材料，液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面。所 以水在表面处最先结冰，其次是向底部和四周延伸，进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时，内层的水与外界的空气隔绝，只能依靠 传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止或延 缓了内层水温 继续下降的正常进行。另外由于水 结冰时体积要膨胀，已 经 形成的“ 冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。 盛有初温 100热水的杯，冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“ 冰壳”形成的现象，只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于 12时 ，看不到这种现象）。随着 时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成了液体内部的 对流，使水分子围绕着各自的“ 结晶中心”结成冰。初温越高， 这种对 流越剧烈，能量的损耗也越大，正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖。由于热传递和相 变潜热，在 单位时间内的内能 损耗较大，冷却速率较大。当水面温度降到 0以下并有足够的低温时， 水面就开始出现冰晶。初温较 高的水，生 长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后可以观察到冰盖 还是形成了，冷却速率 变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大， 具有较大的表面能，冰晶的生 长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。 (2). 生物原因 同雨滴的形成需要“凝结核” 一样，水要结成冰，需要水中有许许多多的“结晶中心”。生物实验发现，水中的微生物往往是 结晶中心。某些微生物在 热水（水温在 100以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多，加速了热水结冰的协同作用： 围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核。对流又使各种取向的分子流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延生长出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中。结晶释放的能量则通过对 流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部冻结为止。 以上是科学家对观察到的现象进行综合分析所得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题” 的谜，对其做出全面定量而令人满意的结论，还有待于进一步的探索。