水蒸气作怪可导致热水比冷水先结冰

　　摘要：当冷冻速度适中时，水蒸气作怪可导致浅薄的热水比浅薄的冷水先结冰。薄层的热水比薄层的冷水先结冰，是生活中常见的反常现象，而姆潘巴现象是指在特定实验条件下，等体积的浅层热水比浅层冷水先结冰的怪异现象，在冷却阶段，热水水蒸气团对冷水保温，热水经快速冷却后温度低于冷水；在冷冻之初，低温的热水表面获得冷水水蒸气凝结成的部分冰晶，冰晶作为冰核又诱发热水结晶。加速热水结冰和提高热水冰点，使得热水的冰点高于冷水。 　　关键词：热水比冷水先结冰；姆潘巴现象；特定实验条件；水蒸气作怪；冰点 　　中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2013）1（s）-0078-3 　　1、生活中的难题 　　在一般情况下，冷水比热水先结冰。但在我们的生活中，却有很多热水比冷水先结冰的怪异现象。如：存严寒的冬天，用热水洗的衣服比用冷水洗的衣服更容易冰冻，热水管比冷水管更容易发生冻结，热豆腐比冷豆腐更容易冻制成冰豆腐。这些生活中的难题让人们困惑，科学家们也无法解释是什么原因导致了这些反常现象。 　　我们的基本观点是，水蒸气作怪导致了热水可能比冷水先结冰。 　　我们注意到，在上面这些现象中，冷水温度在正常室温左有，除了冷、热水有一定的温差外。还有一个显著的特点就是水层比较薄。便于热水快速冷却。 　　我们把这一类水结冰的反常现象称为水结冰的自然类怪异现象。对于水结冰的自然类怪异现象，有其产生的几个前提条件：（1）冷冻速度适中；（2）薄层水；（3）正常室温左右的冷水，且冷、热水有一定的温差；（4）水层表面基本无风。 　　几百年来，亚里士多德、培根和笛卡尔等人曾先后描述过热水比冷水先结冰的怪异现象。他们所描述的怪异现象都应属于水结冰的自然类怪异现象。对于水结冰的自然类怪异现象，人们是普遍认可的和加以利用的。如：有经验的驾驶员都知道，在寒冷的冬天洗车最好用冷水而不用温水，否则温水一沾到车厢便会马上结冰。 　　由于水蒸气作怪，导致热水可能比冷水先结冰。这样的怪异现象在我们的生活中有很多，但一直没有引起人们的广泛注意，直到另一类水结冰的反常现象——姆潘巴现象的出现。 　　2、姆潘巴现象 　　1963年的某一天，坦桑尼亚（地处非洲热带，室温35℃左右）中学生姆潘巴与同学们一起在学校做冰淇淋吃。同学们先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒人冰格中，再放进冰箱冷冻。姆潘巴为了抢占冰箱中所剩无几的空位，直接把刚煮沸的滚烫牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热牛奶已经结成冰，而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。按理说，水温越低越先结冰，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶先结冰才对，但事实怎么会颠倒过来了呢？坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学物理系系主任丹尼斯-奥斯伯恩（Denis C.Osborne）博士按照姆潘巴的陈述做了冷、热牛奶实验和冷、热水物理实验，结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆水结冰常识的怪现象。 　　人们把在同等冷冻环境下，等体积的高温水比低温水先结冰的这一怪异现象称为姆潘巴现象。姆潘巴现象之所以被称为世界物理难题，是因为四十多年来世界物理界的专家学者们都无法完成姆潘巴现象的证明，更甚者近几年来国内有人竟否定姆潘巴现象的存在性。对于姆潘巴现象，物理学家已从蒸发、对流和过冷等因素来考虑其成因，也对姆潘巴现象作出了很多种似设。但口前所有的解释都很难让人信服，所以姆潘巴现象产生的原因至今还没有定论。 　　热水可能比冷水先结冰，在我们生活中已是不争的事实。我们本着尊重客观事实的科学态度，尊重姆潘巴现象的存在性和前人的研究成果认为，姆潘巴现象的出现定有其自身的物理原因，需要我们从姆潘巴实验的条件和过程来分析和探究。 　　下面我们在前人研究的基础上，从水蒸气的作用和冰点的温差两方面来提出自己的见解，以诠释姆潘巴现象产生的主要原因。 　　3、水结冰常识 　　我们认为，姆潘巴现象的产生遵循水结冰的常识。在分析姆潘巴现象产生的物理原因之前，先给出相关的水结冰常识理论，以便与大家形成共同的视点： 　　（1）在同等冷却条件下，热水比冷水以更高的速度冷却。 　　（2）在同等冷冻条件下，同温度的水蒸气比水更容易冻结成冰。 　　（3）在同等冷冻条件下，冰水混合物比同温度的冷水更容易结冰。 　　（4）在适中的冷冻速度下，水结冰一般是从水表面的水蒸气凝华开始的。水蒸气遇冷凝结成冰品，部分冰品落到液面成为冰核，冰核诱发水结品。冰核的大量存在不仅会加速水的结冰，而且还会提高水的冰点。 　　4、实验条件分析 　　如果把一热一冷两盘炒菜一起放进冰箱冷冻，我们都知道热菜会比冷菜先结冰，这是一个水结冰的自然类怪异现象。 　　那么姆潘巴现象与水结冰的自然类怪异现象有何本质差异？为什么姆潘巴实验的重复性实验很难完成？南于姆潘巴现象是实验中的产物，我们把这一类在实验特定条件下产生的水结冰反常现象称为水结冰的实验类怿异现象。水结冰的这两类怪异现象的本质差异在于它们的水层深度不同。自然类的对象是薄层水，而实验类的对象是浅层水。由于姆潘巴实验的条件非常特殊，而人们对姆潘巴实验的认识义有所偏差，从而导致姆潘巴实验的重复性实验经常失败。 　　姆潘巴现象是在特定实验条件下产生的水结冰反常现象，特定的实验条件是否满足决定着姆潘巴实验的重复性实验能否成功。我们以冷、热水的物理实验为例，来分析姆潘巴实验中的四个重要条件： 　　（1）100%左右的沸水与35℃左右的冷水。 　　（2）冰箱冷冻室与冰格。 　　（3）一个冰格热水与多个冰格冷水（刚好放满冷冻室）。 　　（4）从室温开始以适中的速度冷冻。 　　其中，选用100%左右的沸水，目的是让热水剧烈蒸发能产生大量的水蒸气，以便在冷却之初，热水产生的水蒸气能抑制冷水的蒸发。热水宜高温，采用沸水比用高温热水的实验效果要明显。 　　选用35℃左右的室温冷水，原因有三：一是室温冷水不与外界发生热量交换，冷水表面的蒸发现象几乎不存在：二是35℃左右的冷水与100℃左右的沸水存在较大的温差。使得在冷却之初热水产生的水蒸气能抑制冷水的蒸发，对冷水保温；三是35℃左右的冷水与水的冰点也有较大的温差，使得在冷冻之初保温后的冷水产生的水蒸气能反过来作用于低温的热水，水蒸气遇冷凝结成冰晶，给热水带来大量的冰核，提高热水的冰点并加速热水结冰。为了保证实验成功，室温应调控在35℃左右为官。 　　选用冰箱冷冻，有三个原因：一是冰箱冷冻室窄间较小而且封闭，热水与冷水产生的水蒸气能相互影响和作用：二是冰箱的冷冻速度比较适中；三是冰箱的制冷功率不恒定。冰箱的制冷功能与冰箱中的水温有关，水温越高，制冷功能越强，反之越弱。冰箱中的水温越高，水蒸气的压强就越大，空气的传热功能就越强，冰箱的制冷功率也就越大，因此高温热水能在冰箱的强力制冷下快速冷却而迅速降温。当冰箱中的水温接近于O℃，水蒸气的压强变得很小，空气的传热功能变得很差，冰箱的制冷功能也就变得微弱。因此当热水在冰点处结冰时，热水缓慢结冰，温度却保持不变；而冷水因冰点较低，基本上处于保温状态，从而冷水可能在热水全部结冰后才开始结冰。在整个冷冻过程中，冰箱的制冷功能南强到弱，满足了热水快速降温和缓慢结冰的散热需要，并对冷水进行有效保温，是姆潘巴现象出现的一个重要保障。如果实验中冷冻速度恒定，那么姆潘巴实验肯定失败。姆潘巴实验中的冷冻速度先快后慢，是实验中最为隐秘的条件。冰箱的冷冻室空间越小，实验效果越明显。 　　选用冰格盛水，是冈为冰格中的水层比较浅，便于热水快速冷却和结冰。被冷冻水层越浅，实验效果越明显。 　　配置一个冰格热水与多个冰格冷水（刚好放满冷冻室），这是姆潘巴实验中最容易令人忽视的条件，也是人们对姆潘巴实验误解最多的地方。正是因为冷水的量远多于热水，才使得保温后的冷水能产生足够的水蒸气来反作用于低温的热水，从而导致热水比冷水先结冰。如果在姆潘巴实验的重复性实验中采用等体积的冷、热水。则必须要求水层非常浅。 　　从室温开始以适中的速度冷冻，有两个目的：一是为了在冷却之初能让热水有足够的时间产生大量水蒸气，以抑制冷水的蒸发，使得热水快速冷却而冷水保温，达到冷却后的热水温度能低于冷水温度的目的；二是为了在冷冻之初能让热水在冰点处缓慢结冰，而冷水保温，从而达到冷水可能在热水全部结冰后才开始结冰的目的。 　　由于姆潘巴实验的条件非常特殊，要求我们在做模拟性重复实验时，最好满足以下实验条件：（1）采用100℃左右的沸水与35℃左右的室温冷水；（2）采用小空间的冷冻室；（3）从室温开始以适中的、先快后慢的速度冷冻。如果我们采用等体积的冷、热水来进行实验，则必须要求水层非常浅，才能保证实验效果明显。 　　5、实验过程分析 　　我们认为，在姆潘巴实验中，主要由于冷、热水所产生的水蒸气相互影响和作用，才导致出现了等体积的浅层热水比浅层冷水先结冰的怪异现象。按冷、热水所产生的水蒸气在冷冻过程中所发生的作用，我们将姆潘巴实验的过程分成三个阶段： 　　第一阶段：热水快速冷却，冷水保温。 　　同室温的冷水（35℃左右）由于不与外界发生热量交换，冷水表面的水蒸气处于饱和状态，蒸发现象几乎不存在；而滚烫的沸水（100℃左右）因剧烈蒸发，产生大量的水蒸气。在冷却的第一阶段，热水产生的大量水蒸气在冰箱冷冻室里四处扩散，形成一个强大的热水水蒸气团。 　　由于热水水蒸气团的存在，使得冷水表面的水蒸气处于超饱和状态或饱和状态，冷水的蒸发不能形成，此时热水水蒸气团对冷水起着一个隔热保温的作用。 　　同时，南于热水所产生的水蒸气受冷凝华或液化，使得热水水蒸气团的压强减小。根据平衡移动原理，热水会强力蒸发以减缓水蒸气压强的减小。在这一阶段，冰箱强力制冷，冷水被保温，热水由于剧烈蒸发或强力蒸发而处于快速冷却过程、直到热水所产生的水蒸气不足以使冷水表面的水蒸气处于饱和状态，而此时热水温度已低于冷水温度（35℃左右）。 　　第二阶段：热水由中速冷却变慢速冷却，而冷水南缓慢冷却变中速冷却。 　　当热水所产生的水蒸气不足以使冷水表面的水蒸气维持饱和状态时，冷水开始微弱蒸发，缓慢冷却，而热水却依旧强力蒸发，以减缓热水水蒸气团压强的减小。此时，热水水蒸气团慢慢退缩，而冷水水蒸气团却慢慢扩大。在这一阶段，热水由中速冷却变为慢速冷却，冷水由开始缓慢冷却变为中速冷却，热水温度一直低于冷水。 　　第三阶段：热水开始结冰，冷水慢速冷却。 　　当热水的温度接近于0℃时，热水表面的蒸发基本停止，此时热水被冷水水蒸气团覆盖。由于热水温度接近于0℃，而其表面的水蒸气压强却不小，导致热水的冰点升高，于是热水在0℃以上就开始结冰。同时，热水表面的水蒸气受冷凝结成冰品，部分冰品落到液面成为冰核，冰核又诱发热水结晶。大量冰核的存在不仅会加速热水的结冰，而且还会提高热水的冰点。 　　当冷水冷却到温度很低时，冷水产生的水蒸气已不足以影响到热水，热水继续在0℃以上结冰，冷水却慢速降温。 　　当冷水的温度降到热水的冰点处时，由于冷水表面的水蒸气压强非常小，冷水不可能在热水的冰点处结冰。而此时，热水冰格中已是冰水混合物，热水在冰点处遇冷继续结冰，同时释放热量，温度却保持不变。在这一阶段，冰箱制冷功能微弱，冷水基本上处于保温状态。因此，在热水结冰的过程中，热水的冰点一直都比冷水的冰点高。在冷冻速度适中的前提下。冷水可能在热水全部结冰后才开始结冰。 　　在姆潘巴实验中，主要由于冷、热水产生的水蒸气相互影响和作用，导敏热水经快速降温后的温度低于冷水，而且热水结冰时的冰点也高丁冷水的冰点，这就是姆潘巴现象产生的主要原因。于是，我们就看到了十分怪异的姆潘巴现象等体积的浅层热水比浅层冷水先结冰。可见，姆潘巴现象遵循水结冰的常识。