水蒸氣作怪可導(dǎo)致熱水比冷水先結(jié)冰

摘要：當(dāng)冷凍速度適中時(shí)，水蒸氣作怪可導(dǎo)致淺薄的熱水比淺薄的冷水先結(jié)冰。薄層的熱水比薄層的冷水先結(jié)冰，是生活中常見的反?，F(xiàn)象，而姆潘巴現(xiàn)象是指在特定實(shí)驗(yàn)條件下，等體積的淺層熱水比淺層冷水先結(jié)冰的怪異現(xiàn)象，在冷卻階段，熱水水蒸氣團(tuán)對(duì)冷水保溫，熱水經(jīng)快速冷卻后溫度低于冷水；在冷凍之初，低溫的熱水表面獲得冷水水蒸氣凝結(jié)成的部分冰晶，冰晶作為冰核又誘發(fā)熱水結(jié)晶。加速熱水結(jié)冰和提高熱水冰點(diǎn)，使得熱水的冰點(diǎn)高于冷水。

關(guān)鍵詞：熱水比冷水先結(jié)冰；姆潘巴現(xiàn)象；特定實(shí)驗(yàn)條件；水蒸氣作怪；冰點(diǎn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2013）1（s）-0078-3

1、生活中的難題

在一般情況下，冷水比熱水先結(jié)冰。但在我們的生活中，卻有很多熱水比冷水先結(jié)冰的怪異現(xiàn)象。如：存嚴(yán)寒的冬天，用熱水洗的衣服比用冷水洗的衣服更容易冰凍，熱水管比冷水管更容易發(fā)生凍結(jié)，熱豆腐比冷豆腐更容易凍制成冰豆腐。這些生活中的難題讓人們困惑，科學(xué)家們也無(wú)法解釋是什么原因?qū)е铝诉@些反常現(xiàn)象。

我們的基本觀點(diǎn)是，水蒸氣作怪導(dǎo)致了熱水可能比冷水先結(jié)冰。

我們注意到，在上面這些現(xiàn)象中，冷水溫度在正常室溫左有，除了冷、熱水有一定的溫差外。還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是水層比較薄。便于熱水快速冷卻。

我們把這一類水結(jié)冰的反?，F(xiàn)象稱為水結(jié)冰的自然類怪異現(xiàn)象。對(duì)于水結(jié)冰的自然類怪異現(xiàn)象，有其產(chǎn)生的幾個(gè)前提條件：（1）冷凍速度適中；（2）薄層水；（3）正常室溫左右的冷水，且冷、熱水有一定的溫差；（4）水層表面基本無(wú)風(fēng)。

幾百年來(lái)，亞里士多德、培根和笛卡爾等人曾先后描述過(guò)熱水比冷水先結(jié)冰的怪異現(xiàn)象。他們所描述的怪異現(xiàn)象都應(yīng)屬于水結(jié)冰的自然類怪異現(xiàn)象。對(duì)于水結(jié)冰的自然類怪異現(xiàn)象，人們是普遍認(rèn)可的和加以利用的。如：有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員都知道，在寒冷的冬天洗車最好用冷水而不用溫水，否則溫水一沾到車廂便會(huì)馬上結(jié)冰。

由于水蒸氣作怪，導(dǎo)致熱水可能比冷水先結(jié)冰。這樣的怪異現(xiàn)象在我們的生活中有很多，但一直沒有引起人們的廣泛注意，直到另一類水結(jié)冰的反常現(xiàn)象——姆潘巴現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2、姆潘巴現(xiàn)象

1963年的某一天，坦桑尼亞（地處非洲熱帶，室溫35℃左右）中學(xué)生姆潘巴與同學(xué)們一起在學(xué)校做冰淇淋吃。同學(xué)們先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后倒人冰格中，再放進(jìn)冰箱冷凍。姆潘巴為了搶占冰箱中所剩無(wú)幾的空位，直接把剛煮沸的滾燙牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一個(gè)半小時(shí)后，姆潘巴發(fā)現(xiàn)了一個(gè)讓他十分困惑的現(xiàn)象：他放入的熱牛奶已經(jīng)結(jié)成冰，而其他同學(xué)放的冷牛奶還是很稠的液體。按理說(shuō)，水溫越低越先結(jié)冰，而牛奶中含有大量的水，應(yīng)該是冷牛奶比熱牛奶先結(jié)冰才對(duì)，但事實(shí)怎么會(huì)顛倒過(guò)來(lái)了呢？坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系系主任丹尼斯-奧斯伯恩（Denis C.Osborne）博士按照姆潘巴的陳述做了冷、熱牛奶實(shí)驗(yàn)和冷、熱水物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都觀察到了姆潘巴所描述的顛覆水結(jié)冰常識(shí)的怪現(xiàn)象。

人們把在同等冷凍環(huán)境下，等體積的高溫水比低溫水先結(jié)冰的這一怪異現(xiàn)象稱為姆潘巴現(xiàn)象。姆潘巴現(xiàn)象之所以被稱為世界物理難題，是因?yàn)樗氖嗄陙?lái)世界物理界的專家學(xué)者們都無(wú)法完成姆潘巴現(xiàn)象的證明，更甚者近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)有人竟否定姆潘巴現(xiàn)象的存在性。對(duì)于姆潘巴現(xiàn)象，物理學(xué)家已從蒸發(fā)、對(duì)流和過(guò)冷等因素來(lái)考慮其成因，也對(duì)姆潘巴現(xiàn)象作出了很多種似設(shè)。但口前所有的解釋都很難讓人信服，所以姆潘巴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因至今還沒有定論。

熱水可能比冷水先結(jié)冰，在我們生活中已是不爭(zhēng)的事實(shí)。我們本著尊重客觀事實(shí)的科學(xué)態(tài)度，尊重姆潘巴現(xiàn)象的存在性和前人的研究成果認(rèn)為，姆潘巴現(xiàn)象的出現(xiàn)定有其自身的物理原因，需要我們從姆潘巴實(shí)驗(yàn)的條件和過(guò)程來(lái)分析和探究。

下面我們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，從水蒸氣的作用和冰點(diǎn)的溫差兩方面來(lái)提出自己的見解，以詮釋姆潘巴現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。

3、水結(jié)冰常識(shí)

我們認(rèn)為，姆潘巴現(xiàn)象的產(chǎn)生遵循水結(jié)冰的常識(shí)。在分析姆潘巴現(xiàn)象產(chǎn)生的物理原因之前，先給出相關(guān)的水結(jié)冰常識(shí)理論，以便與大家形成共同的視點(diǎn)：

（1）在同等冷卻條件下，熱水比冷水以更高的速度冷卻。

（2）在同等冷凍條件下，同溫度的水蒸氣比水更容易凍結(jié)成冰。

（3）在同等冷凍條件下，冰水混合物比同溫度的冷水更容易結(jié)冰。

（4）在適中的冷凍速度下，水結(jié)冰一般是從水表面的水蒸氣凝華開始的。水蒸氣遇冷凝結(jié)成冰品，部分冰品落到液面成為冰核，冰核誘發(fā)水結(jié)品。冰核的大量存在不僅會(huì)加速水的結(jié)冰，而且還會(huì)提高水的冰點(diǎn)。

4、實(shí)驗(yàn)條件分析

如果把一熱一冷兩盤炒菜一起放進(jìn)冰箱冷凍，我們都知道熱菜會(huì)比冷菜先結(jié)冰，這是一個(gè)水結(jié)冰的自然類怪異現(xiàn)象。

那么姆潘巴現(xiàn)象與水結(jié)冰的自然類怪異現(xiàn)象有何本質(zhì)差異？為什么姆潘巴實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)很難完成？南于姆潘巴現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)物，我們把這一類在實(shí)驗(yàn)特定條件下產(chǎn)生的水結(jié)冰反?，F(xiàn)象稱為水結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)類懌異現(xiàn)象。水結(jié)冰的這兩類怪異現(xiàn)象的本質(zhì)差異在于它們的水層深度不同。自然類的對(duì)象是薄層水，而實(shí)驗(yàn)類的對(duì)象是淺層水。由于姆潘巴實(shí)驗(yàn)的條件非常特殊，而人們對(duì)姆潘巴實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)義有所偏差，從而導(dǎo)致姆潘巴實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)經(jīng)常失敗。

姆潘巴現(xiàn)象是在特定實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)生的水結(jié)冰反?，F(xiàn)象，特定的實(shí)驗(yàn)條件是否滿足決定著姆潘巴實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒ΑＮ覀円岳?、熱水的物理?shí)驗(yàn)為例，來(lái)分析姆潘巴實(shí)驗(yàn)中的四個(gè)重要條件：

（1）100%左右的沸水與35℃左右的冷水。

（2）冰箱冷凍室與冰格。

（3）一個(gè)冰格熱水與多個(gè)冰格冷水（剛好放滿冷凍室）。

（4）從室溫開始以適中的速度冷凍。

其中，選用100%左右的沸水，目的是讓熱水劇烈蒸發(fā)能產(chǎn)生大量的水蒸氣，以便在冷卻之初，熱水產(chǎn)生的水蒸氣能抑制冷水的蒸發(fā)。熱水宜高溫，采用沸水比用高溫?zé)崴膶?shí)驗(yàn)效果要明顯。

選用35℃左右的室溫冷水，原因有三：一是室溫冷水不與外界發(fā)生熱量交換，冷水表面的蒸發(fā)現(xiàn)象幾乎不存在：二是35℃左右的冷水與100℃左右的沸水存在較大的溫差。使得在冷卻之初熱水產(chǎn)生的水蒸氣能抑制冷水的蒸發(fā)，對(duì)冷水保溫；三是35℃左右的冷水與水的冰點(diǎn)也有較大的溫差，使得在冷凍之初保溫后的冷水產(chǎn)生的水蒸氣能反過(guò)來(lái)作用于低溫的熱水，水蒸氣遇冷凝結(jié)成冰晶，給熱水帶來(lái)大量的冰核，提高熱水的冰點(diǎn)并加速熱水結(jié)冰。為了保證實(shí)驗(yàn)成功，室溫應(yīng)調(diào)控在35℃左右為官。

選用冰箱冷凍，有三個(gè)原因：一是冰箱冷凍室窄間較小而且封閉，熱水與冷水產(chǎn)生的水蒸氣能相互影響和作用：二是冰箱的冷凍速度比較適中；三是冰箱的制冷功率不恒定。冰箱的制冷功能與冰箱中的水溫有關(guān)，水溫越高，制冷功能越強(qiáng)，反之越弱。冰箱中的水溫越高，水蒸氣的壓強(qiáng)就越大，空氣的傳熱功能就越強(qiáng)，冰箱的制冷功率也就越大，因此高溫?zé)崴茉诒涞膹?qiáng)力制冷下快速冷卻而迅速降溫。當(dāng)冰箱中的水溫接近于O℃，水蒸氣的壓強(qiáng)變得很小，空氣的傳熱功能變得很差，冰箱的制冷功能也就變得微弱。因此當(dāng)熱水在冰點(diǎn)處結(jié)冰時(shí)，熱水緩慢結(jié)冰，溫度卻保持不變；而冷水因冰點(diǎn)較低，基本上處于保溫狀態(tài)，從而冷水可能在熱水全部結(jié)冰后才開始結(jié)冰。在整個(gè)冷凍過(guò)程中，冰箱的制冷功能南強(qiáng)到弱，滿足了熱水快速降溫和緩慢結(jié)冰的散熱需要，并對(duì)冷水進(jìn)行有效保溫，是姆潘巴現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)重要保障。如果實(shí)驗(yàn)中冷凍速度恒定，那么姆潘巴實(shí)驗(yàn)肯定失敗。姆潘巴實(shí)驗(yàn)中的冷凍速度先快后慢，是實(shí)驗(yàn)中最為隱秘的條件。冰箱的冷凍室空間越小，實(shí)驗(yàn)效果越明顯。

選用冰格盛水，是岡為冰格中的水層比較淺，便于熱水快速冷卻和結(jié)冰。被冷凍水層越淺，實(shí)驗(yàn)效果越明顯。

配置一個(gè)冰格熱水與多個(gè)冰格冷水（剛好放滿冷凍室），這是姆潘巴實(shí)驗(yàn)中最容易令人忽視的條件，也是人們對(duì)姆潘巴實(shí)驗(yàn)誤解最多的地方。正是因?yàn)槔渌牧窟h(yuǎn)多于熱水，才使得保溫后的冷水能產(chǎn)生足夠的水蒸氣來(lái)反作用于低溫的熱水，從而導(dǎo)致熱水比冷水先結(jié)冰。如果在姆潘巴實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中采用等體積的冷、熱水。則必須要求水層非常淺。

從室溫開始以適中的速度冷凍，有兩個(gè)目的：一是為了在冷卻之初能讓熱水有足夠的時(shí)間產(chǎn)生大量水蒸氣，以抑制冷水的蒸發(fā)，使得熱水快速冷卻而冷水保溫，達(dá)到冷卻后的熱水溫度能低于冷水溫度的目的；二是為了在冷凍之初能讓熱水在冰點(diǎn)處緩慢結(jié)冰，而冷水保溫，從而達(dá)到冷水可能在熱水全部結(jié)冰后才開始結(jié)冰的目的。

由于姆潘巴實(shí)驗(yàn)的條件非常特殊，要求我們?cè)谧瞿M性重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，最好滿足以下實(shí)驗(yàn)條件：（1）采用100℃左右的沸水與35℃左右的室溫冷水；（2）采用小空間的冷凍室；（3）從室溫開始以適中的、先快后慢的速度冷凍。如果我們采用等體積的冷、熱水來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則必須要求水層非常淺，才能保證實(shí)驗(yàn)效果明顯。

5、實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

我們認(rèn)為，在姆潘巴實(shí)驗(yàn)中，主要由于冷、熱水所產(chǎn)生的水蒸氣相互影響和作用，才導(dǎo)致出現(xiàn)了等體積的淺層熱水比淺層冷水先結(jié)冰的怪異現(xiàn)象。按冷、熱水所產(chǎn)生的水蒸氣在冷凍過(guò)程中所發(fā)生的作用，我們將姆潘巴實(shí)驗(yàn)的過(guò)程分成三個(gè)階段：

第一階段：熱水快速冷卻，冷水保溫。

同室溫的冷水（35℃左右）由于不與外界發(fā)生熱量交換，冷水表面的水蒸氣處于飽和狀態(tài)，蒸發(fā)現(xiàn)象幾乎不存在；而滾燙的沸水（100℃左右）因劇烈蒸發(fā)，產(chǎn)生大量的水蒸氣。在冷卻的第一階段，熱水產(chǎn)生的大量水蒸氣在冰箱冷凍室里四處擴(kuò)散，形成一個(gè)強(qiáng)大的熱水水蒸氣團(tuán)。

由于熱水水蒸氣團(tuán)的存在，使得冷水表面的水蒸氣處于超飽和狀態(tài)或飽和狀態(tài)，冷水的蒸發(fā)不能形成，此時(shí)熱水水蒸氣團(tuán)對(duì)冷水起著一個(gè)隔熱保溫的作用。

同時(shí)，南于熱水所產(chǎn)生的水蒸氣受冷凝華或液化，使得熱水水蒸氣團(tuán)的壓強(qiáng)減小。根據(jù)平衡移動(dòng)原理，熱水會(huì)強(qiáng)力蒸發(fā)以減緩水蒸氣壓強(qiáng)的減小。在這一階段，冰箱強(qiáng)力制冷，冷水被保溫，熱水由于劇烈蒸發(fā)或強(qiáng)力蒸發(fā)而處于快速冷卻過(guò)程、直到熱水所產(chǎn)生的水蒸氣不足以使冷水表面的水蒸氣處于飽和狀態(tài)，而此時(shí)熱水溫度已低于冷水溫度（35℃左右）。

第二階段：熱水由中速冷卻變慢速冷卻，而冷水南緩慢冷卻變中速冷卻。

當(dāng)熱水所產(chǎn)生的水蒸氣不足以使冷水表面的水蒸氣維持飽和狀態(tài)時(shí)，冷水開始微弱蒸發(fā)，緩慢冷卻，而熱水卻依舊強(qiáng)力蒸發(fā)，以減緩熱水水蒸氣團(tuán)壓強(qiáng)的減小。此時(shí)，熱水水蒸氣團(tuán)慢慢退縮，而冷水水蒸氣團(tuán)卻慢慢擴(kuò)大。在這一階段，熱水由中速冷卻變?yōu)槁倮鋮s，冷水由開始緩慢冷卻變?yōu)橹兴倮鋮s，熱水溫度一直低于冷水。

第三階段：熱水開始結(jié)冰，冷水慢速冷卻。

當(dāng)熱水的溫度接近于0℃時(shí)，熱水表面的蒸發(fā)基本停止，此時(shí)熱水被冷水水蒸氣團(tuán)覆蓋。由于熱水溫度接近于0℃，而其表面的水蒸氣壓強(qiáng)卻不小，導(dǎo)致熱水的冰點(diǎn)升高，于是熱水在0℃以上就開始結(jié)冰。同時(shí)，熱水表面的水蒸氣受冷凝結(jié)成冰品，部分冰品落到液面成為冰核，冰核又誘發(fā)熱水結(jié)晶。大量冰核的存在不僅會(huì)加速熱水的結(jié)冰，而且還會(huì)提高熱水的冰點(diǎn)。

當(dāng)冷水冷卻到溫度很低時(shí)，冷水產(chǎn)生的水蒸氣已不足以影響到熱水，熱水繼續(xù)在0℃以上結(jié)冰，冷水卻慢速降溫。

當(dāng)冷水的溫度降到熱水的冰點(diǎn)處時(shí)，由于冷水表面的水蒸氣壓強(qiáng)非常小，冷水不可能在熱水的冰點(diǎn)處結(jié)冰。而此時(shí)，熱水冰格中已是冰水混合物，熱水在冰點(diǎn)處遇冷繼續(xù)結(jié)冰，同時(shí)釋放熱量，溫度卻保持不變。在這一階段，冰箱制冷功能微弱，冷水基本上處于保溫狀態(tài)。因此，在熱水結(jié)冰的過(guò)程中，熱水的冰點(diǎn)一直都比冷水的冰點(diǎn)高。在冷凍速度適中的前提下。冷水可能在熱水全部結(jié)冰后才開始結(jié)冰。

在姆潘巴實(shí)驗(yàn)中，主要由于冷、熱水產(chǎn)生的水蒸氣相互影響和作用，導(dǎo)敏熱水經(jīng)快速降溫后的溫度低于冷水，而且熱水結(jié)冰時(shí)的冰點(diǎn)也高丁冷水的冰點(diǎn)，這就是姆潘巴現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。于是，我們就看到了十分怪異的姆潘巴現(xiàn)象等體積的淺層熱水比淺層冷水先結(jié)冰?？梢?，姆潘巴現(xiàn)象遵循水結(jié)冰的常識(shí)。