把热水与冷水放进冰箱,哪种先结冰
热水
1963年,坦桑尼亚的马干巴中学初三学生姆潘巴意外发现一个现象,至今无人能揭开其
中的奥秘。事情的经过是这样的:一天,学校里供学生做冰淇淋的冰箱内放冰格的空位
所剩无几了,他见同学个个抢着把煮沸后冷却的牛奶放入其中,便急急忙忙地把牛奶煮
沸,等不得冷却就倒入冰格送入冰箱。 过了一个半小时后,他惊谔地发现,他的热牛奶
已结成冰而其他同学的冷牛奶却还是很稠的液体!为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结呢
?他去请教物理老师,得到的回答是:“你一定弄错了,这种事是不会发生的”。 后来
,他升入高中,仍念念不忘这个问题,再次去问老师,老师说:“我所能给你的回答是
,你肯定弄错了。”当他继续提问与...全部
热水
1963年,坦桑尼亚的马干巴中学初三学生姆潘巴意外发现一个现象,至今无人能揭开其
中的奥秘。事情的经过是这样的:一天,学校里供学生做冰淇淋的冰箱内放冰格的空位
所剩无几了,他见同学个个抢着把煮沸后冷却的牛奶放入其中,便急急忙忙地把牛奶煮
沸,等不得冷却就倒入冰格送入冰箱。
过了一个半小时后,他惊谔地发现,他的热牛奶
已结成冰而其他同学的冷牛奶却还是很稠的液体!为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结呢
?他去请教物理老师,得到的回答是:“你一定弄错了,这种事是不会发生的”。
后来
,他升入高中,仍念念不忘这个问题,再次去问老师,老师说:“我所能给你的回答是
,你肯定弄错了。”当他继续提问与老师争辩时,老师讥讽他“这是姆潘巴的物理问题
”。一天,达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士来他们学校做报告,会后,姆潘
巴鼓足勇气向这位博士提问:“如果您取两个相似的容器,放入等量的水,一个是30℃
,一个是100℃,同时放入冰箱冷冻室,100℃的先结冰,为什么?”博士回答:“我不
知道,不过我保证回去后立即亲手做这个实验。
”博士回到大学与他的助手马上动手做
了这个实验,证明姆潘巴讲的现象确是事实。这究竟是怎么一回事呢,博士百思不解,
他一直在探求这个问题的答案。
1969年,奥斯玻恩博士和姆潘巴两人撰写了一篇文章,发表在英国《物理教师》杂志上
,对姆潘巴的问题作了第一次尝试性的解释。
他们做了一系列实验,实验用的是直径
4。5厘米容积100毫升的硼硅酸玻璃烧杯,内盛70毫升沸腾过的各种不同温度的水。通过
对实验结果的定量分析得出的结论是:冷却主要在液体表面,冷却速率决定于液体表面
的温度而不是它的整体的平均温度,液体内部的对流使得液面温度维持比体内温度高(
假定温度高于4℃),即使两杯液体冷却到相同的平均温度,原来热的系统的热量损失
要比原来冷的系统来得多,液体在冻结之前必须经过一系列的过渡温度,所以用单一的
温度来描述系统显然是不够的,还要取决于初始条件的温度梯度。
后来,许多人在这方面进行了大量的研究,发现这个看来似乎很简单的问题,实际上要
比设想的复杂得多,它不但涉及物理原因,而且还涉及到微生物作为结晶中心的生物学
问题。
从物理学角度看,致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流,通过实验观察发
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结果。
玻璃杯内盛有4℃冷水结冰时,因为水和玻璃都是热的不良导体,液体内部的热量很难
靠传导传递到表面,杯中水由于温度下降,体积膨胀,密度变小而集结在表面,所以在
水表面处最先结冰,其次是底部和四周,从而形成一个密闭的“冰壳”。
这时内层的水
便与空气隔绝,只能靠传导和辐射来散热,冷却得很慢,另外,这个“冰壳”对水结冰
时体积膨胀起了“抑制”作用,这也延缓了内部结冰的速率。而盛有100℃热水那一杯
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”,看到的却是沿冰水界面向液体内生长出针状冰晶(在初温低于12℃时看不到此现
象),且逐渐变粗,这是因为初温度的热水,上层水冷却密度变大向下流动,形成液体
内部对流,使水分子围绕各自的结晶中心结成冰,初温越高,这种对流越激烈,能量损
耗也越大,冷却的速率也越快,尽管最后“冰盖”还是形成了,冷却速率变小,但由于
水内冰晶已经生长且粗大,具有较大的表面能,所以冰晶生长的速率仍然比初温低的水
快得多。
从生物作用方面看,水中的微生物往往是水得以结冰的“结晶中心”。而某些微生物在
热水(100℃以下)中繁殖比冷水中快,这一来,热水中的“结晶中心”比冷水中多得
多,从而加速了热水结冰的协同作用。
姆潘巴发现并提出的这个问题,至今仍停留在对现象观察的定性分析上,真正解开“姆
潘巴问题”之谜,对其做出全面的定量的理论解释还有待进一步探索。收起