在冰箱中为什么热水比冷水结冰快?
在热水中,分子的能量(热量)高,所以相对冷水中的水分子来说,更不稳定,更活跃,更容易发生能量转换 。在外界环境发生变化后,稳定的分子(冷水)发生能量转化,要比活跃的分子慢很多,当热水的温度下降后(结冰前),虽然分子的活动能力下降了,但依靠先前能量流动的惯性依然要快于冷水,当然,这些的前提是相同质量的水 。
为什么在冰箱中热水比冷水先结冰?
人们通常都会认为,一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时,冷水结冰快 。事实并非如此 。1963年的一天,在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品降温 。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后,准备放进冰箱里做冰淇淋 。
他想,如果等热牛奶凉后放入冰箱,那么别的同学将会把冰箱占满,于是就将热牛奶放进了冰箱 。过了不久,他打开冰箱一看,令人惊奇的是,自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋,而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰 。
他的这一发现并没有引起老师和同学们的注意,相反在为他们的笑料 。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士 。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇,但他相信姆佩巴讲的一定是事实 。
尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验,其结果也姆佩巴的叙述完全相符 。这就确切地肯定了在低温环境中,热水比冷水结冰快 。此后,世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象,还将这种现象命名为"姆佩巴效应"(MpembaEffect) 。
对姆佩巴效应的各种解释 什么是Mpemba效应?有两个形状一样的杯,装着相同体积的水,唯一的分别是水的温度 。现在将两杯水在相同的环境下冷却 。在某些条件下,初温较高的水会先结冰,但并不是在任何情况下,都会这样 。
例如,99 。9℃的热水和0 。01℃的冷水,这样,冷水会先结冰 。Mpemba效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下,都可看到 。一般人会认为这似乎是不可能的,还有人会试图去证明它不可能 。
这种证明通常是这样的:30℃的水降温至结冰要花10分钟,70℃的水必须先花一段时间,降至30℃,然后再花10分钟降温至结冰 。由于冷水必须做过的事,热水也必须做,所以热水结冰慢 。
这种证明有错吗? 这种证明错在,它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响 。但事实上,除了平均温度,其它因素也很重要 。一杯初始温度均匀,70℃的水,冷却到平均温度为30℃的水,水已发生了改变,不同于那杯初始温度均匀,30℃的水 。
前者有较少质量,溶解气体和对流,造成温度分布不均 。这些因素会改变冰箱内,容器周围的环境 。下面会分别考虑这四个因素 。1 。蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中,热水由于蒸发会失去一部分水 。
质量较少,令水较容易冷却和结冰 。这样热水就可能较冷水早结冰,但冰量较少 。如果我们假设水只透过蒸发去失热,理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应 。这个解释是可信的和很直觉的,蒸发的确是很重要的一个因素 。
然而,这不是唯一的机制 。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验,在封闭的容器,没有水蒸气能离开 。很多科学家声称,单是蒸发,不足以解释他们所做的实验 。2 。溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体,随着沸腾,大量气体会逃出水面 。
溶解气体会改变水的性质 。或者令它较易形成对流(因而较易冷却),或减少单位质量的水结冰所需的热量,或者改变沸点 。有一些实验支持这种解释,但没有理论计算的支持 。3 。对流——由于冷却,水会形成对流,和不均匀的温度分布 。
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