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热水比冷水结冰更快吗?姆潘巴效应的“前世今生”

气象术语 hjmeteor 1403浏览 0评论

公元前350年,科学家亚里士多德在其《气象学》一书中记录了黑海南岸古王国本都(Pontus)居民冬季捕鱼的场景。他们在冰上搭建临时棚屋时,为了让棚屋的立杆更好地固定在冰上,会在它们周围泼上热水,使其快速结冰固定。
亚里士多德分析认为,预先被加热的水结冰更快,因为它们温度降低的速度更快。所以,许多人为了将水尽快冷却,会把水先在太阳下晒一会儿。由此引发了从古典时代延续至现代科学的“未解之谜”:热水真的比冷水结冰更快吗?如果是真的,需要的条件和背后的原因又是什么?
13世纪,喜欢做试验的英国自然科学家罗杰·培根发现,瓶子里的热水并不比冷水更快结冰。因此,他得出结论,热水比冷水结冰更快这一现象需要某些特定的条件才能出现。17世纪,另一位提出“知识就是力量”的培根先生——弗朗西斯·培根,也对这一现象进行过描述。他说,只有略微暖和的水才比很冷的水更容易冻结。
同一时期,被誉为“近代科学始祖”的笛卡尔在其伟大的《方法论》中指出,一瓶水如果经过长时间加热,那么它比别的水冷却得更快,因为加热时其中最能抵抗温度变化的一些分子被蒸发掉了。他还进一步解释,他指的不是热水与冷水比,而是一瓶水经过长时间加热、再冷却到和普通水一样的温度,这时候再使之结冰的话,那么加热过的水冷得更快。
先贤的观察、研究展示了他们对自然细微的观察和深刻的思考。而这一现象从1960年开始迈出了走向理论的第一步。有一个名叫姆潘巴(Mpemba)的坦桑尼亚中学生,他在烹饪课上发现,热的牛奶混合物比凉的能更快凝结成冰激凌。这让他十分困惑:照理说,水温越低,结冰的速度越快,而牛奶中含有大量的水,应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对,但事实为何相反?
随后,在一个物理讲座上,他提出了自己的疑问,却被同班同学和老师嘲笑。然而,来自达累斯萨拉姆学院的教授丹尼斯·奥斯波恩(Denis Osborne)博士记住了这个问题。等回到实验室,他证实确有此事后,邀请姆潘巴对这个问题进行了深入研究。1969 年,二人共同在英国杂志《物理教师》上发表文章,详细介绍了这一现象,并称其为“姆潘巴现象(Mpemba Effect)”。
从那时起,全世界一直有人试图破解姆潘巴现象背后的奥秘。他们提出了各种各样的原因,包括蒸发、加速传热的对流、有绝缘效果的霜、溶质、导热性、溶解气体、氢键、结晶、熵等。其中最主流的解释是蒸发:热水在冷却过程中蒸发得更多,剩下的水更少,因此结冰更快。但所有解释都不能令人完全信服。
同时也有许多人提出,这个实验根本不能完成,怀疑或否定姆潘巴现象的真实性。我国上海向明中学一位老师和三名女高中生2005年初也在一百多次失败的试验后提出,在同质量同外部环境温度条件下不可能出现热的液体比冷的液体先结冰的现象。
有人质疑,试验失败只是试验条件不符合要求。2006年,Monwhea Jeng在《美国物理学期刊》上给出的解释是,参与比较的水体应该仅是初始温度不同。目前得到较多认可的姆潘巴现象定义是:在同等体积、同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。
纷繁复杂的说法,让姆潘巴现象变得愈加神秘,甚至成为全世界科研工作者的攻坚对象。2012年,英国皇家化学学会悬赏1000英镑,开展了一场为期六个月的比赛,评选姆潘巴现象的最佳解释。最终,尼古拉·布莱格威客脱颖而出,他提出的解释是过冷(Super Cooling)。过冷指液体或气体的温度低于凝固点温度但并没有凝固,而原本温度较低的水比更容易发生过冷的现象。
最近,关于这个谜题的研究又有了新的答案。西班牙马德里查尔斯三世大学的安东尼奥·拉桑塔在其发表在《物理评论快报》上的论文中说,姆潘巴现象是否出现主要取决于个体水分子的速度,因为它们像蚁穴中的蚂蚁一样在四面八方漫无目的地奔跑。
论文称,某些“成分”必须汇集在一起才能在某些特定的系统中发生这一效应。安东尼奥所在的研究小组选择了含有硬质的非弹性球体,用它们来模拟液体的粒状流体。这样一来就能模拟粒子之间的相互作用,并通过分析计算了解姆潘巴现象如何发生、何时发生。
这些粒子碰撞时会释放能量。较高温度意味着在分子水平上运动更多,因此暖和的液体比较低温度的液体更快结冰。中学生姆潘巴发现这一现象的牛奶中也的确悬浮着许多大颗粒。在非纯净水中,大溶质颗粒的存在可能对姆潘巴现象作出了贡献。去年,由以色列魏兹曼研究所和美国芝加哥大学专家提出还曾提出逆姆潘巴效应,即最冷的系统比最热的系统加热得更快。这也在该研究中得到了证实。
当然,对这项研究并非没有批评的声音,它因为模式太过简单受到质疑。但从亚里士多德到姆潘巴,再到安东尼奥,两千多年里,正是在一次次探索和质疑中,人类对自然的认识愈加深刻。而之所以这个谜底还未彻底揭开,也是因为人类认识自然的路还很漫长,唯有上下求索,继续前行。

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