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熱水和冷水一起放進冰箱,誰先結冰?

作者:現代實體知識

一望無際的雪原上,當極寒遇上熱水,空中便盛開出絢爛的冰煙花,在陽光的照耀下,構成了一幅絕美畫卷,這便是每年美哭南方人的“潑水成冰”現象。當我們被各大社交平台上的“潑水成冰”視訊震撼的同時,也許會産生這樣的疑惑:為什麼要潑熱水?熱水真能在空中就結成冰嗎?

熱水和冷水一起放進冰箱,誰先結冰?

有經驗的小夥伴會知道,如果我們在冬日裡潑一瓢冷水,那出現的場景往往是把自己澆成落湯雞或者潑别人一腦袋水。這說明在寒冷條件下,熱水比冷水結冰要快。其實早在兩千多年前,亞裡士多德就宣稱觀測到了這一現象。到了1960年代,在坦尚尼亞的一名叫做姆潘巴(Erasto Mpemba)的學生在制作冰淇淋時,為了搶占有限的冰箱空間,姆潘巴沒有像其他同學一樣等牛奶冷卻到室溫,而是直接把剛煮好的熱牛奶放進了冰箱。一個半小時後,他發現自己的熱牛奶已經凍成了冰淇淋,但和熱牛奶一起放進冰箱的冷牛奶仍然是濃稠奶漿的狀态。姆潘巴非常困惑,便去詢問自己中學的實體老師,卻被告知:“你一定是弄錯了,那不可能發生。”

熱水和冷水一起放進冰箱,誰先結冰?

直到1968年,英國實體學家奧斯博恩(Denis Osborne)來到姆潘巴的高中旁聽實體課程,姆潘巴立即向教授提問。奧斯博恩乍聽之下也并不相信,但也沒有否定姆潘巴,而是回到實驗室後,立刻開展實驗。而後奧斯博恩邀請姆潘巴到坦尚尼亞達累斯薩拉姆大學(University of Dares Salaam)共同研究這個現象,并将其命名為“姆潘巴效應”(Mpemba effect)。姆潘巴和奧斯博恩于1969年在《實體教育》(Physics Education)雜志上發表了文章,首次展示了姆潘巴效應。

熱水和冷水一起放進冰箱,誰先結冰?

姆潘巴和奧斯博恩1969年在《實體教育》上發表的論文中的一幅圖,提供了熱水比冷水結冰更快的證據

然而奇怪的是,他們無法在後續實驗中穩定地重複最初的實驗結果。由此引發了巨大的争議:實驗失敗究竟代表着姆潘巴效應不存在?還是由于實驗過于粗糙,沒考慮到未知變量的影響?

2012年,英國皇家化學學會組織了一場競賽,獎金為1000英鎊,用于尋找最佳的姆潘巴效應解釋。最終來自紮格勒布大學的尼古拉·布雷戈維奇獲勝,他在得獎的文章中描述了自己的實驗,并将分析範圍限制在基本熱力學架構内。他指出四個可能有重要意義的因素:蒸發、溶解氣體、對流和過冷。并且他認為過冷是最重要的因素,并在結論中引用了布朗裡奇的文章:“隻有當較冷的水過冷時,較熱的水才會在較冷的水之前結冰,而且隻有當較冷水的成核溫度比較熱水低幾度時才會發生。加熱水可能降低、升高或不改變自然的結冰溫度”

2016年,倫敦帝國理工學院的實體學家亨利·伯裡奇(Henry Burridge)和劍橋大學的數學家保羅·林登(Paul Linden)進行了一項實驗,顯示了這種效應對測量細節的敏感程度。由于無法直接觀測當機過程,伯裡奇和林登轉而測量水溫從初始溫度降至0℃所需的時間。他們驚訝地發現,這個結果取決于溫度計在水中放置的位置:如果溫度計放置在相同深度,那麼冷熱水間不會出現姆潘巴效應;但如果溫度計放置的深度哪怕有1厘米的偏差,就可能會錯誤地“證明”姆潘巴效應。他們由此對從1969年以來圍繞該主題的讨論中出現的困惑和結果缺乏可重複性進行了詳細的綜述,并将其發表在Scientific Reports上,并通過測量水冷卻到0°C所需的時間來排除了過冷現象的因素。文章的标題很好地概括了這一問題:“質疑姆潘巴效應:熱水并不比冷水更快冷卻。”

熱水和冷水一起放進冰箱,誰先結冰?

到目前為止,姆潘巴效應還是沒有讓所有人都滿意的解釋。但從亞裡士多德到姆潘巴,再到亨利·伯裡奇,兩千多年裡,正是在一次次探索和質疑中,人類對自然的認識愈加深刻。而之是以這個謎底還未徹底揭開,也是因為人類認識自然的路還很漫長,唯有上下求索,繼續前行。

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