神奇的水物理

方解石

水是這個(gè)世界上最平凡的東西了，它隨處可見：你看那樹葉上晶瑩的露珠、山腳下涓涓流淌的小溪、草原上平靜的湖水。水占據(jù)了我們身體三分之二的重量，還覆蓋了地球四分之三的表面積。

然而平凡的水卻又不總是表現(xiàn)得很平凡，它有著眾多你所不知道的奇妙特性……

熱水居然比冷水結(jié)冰快！

1963年某一天，在坦桑尼亞的一堂小學(xué)科學(xué)課上，小學(xué)生們在相互分享科學(xué)知識，課堂上充滿了歡聲笑語。此時(shí)有一名叫姆潘巴的小學(xué)生向老師和同學(xué)們說道：我發(fā)現(xiàn)熱牛奶比冷牛奶更容易結(jié)冰！老師和同學(xué)們頓時(shí)哈哈大笑，認(rèn)為姆潘巴同學(xué)一定是在開玩笑，熱的牛奶怎么會(huì)比冷的牛奶先結(jié)冰呢？這件事傳到了學(xué)校督察員的耳朵里，督察員親自實(shí)驗(yàn)后居然發(fā)現(xiàn)，姆潘巴同學(xué)說的沒錯(cuò)！人們把熱液體有時(shí)比冷液體更容易結(jié)冰的現(xiàn)象稱為姆潘巴效應(yīng)。

冰是水凝固成的，最能體現(xiàn)姆潘巴效應(yīng)的液體便是水本身了。想象下，當(dāng)你把水量相同的一杯冷水和一杯熱水一起放到0℃的冰箱里，你再一次打開冰箱后，你發(fā)現(xiàn)熱水會(huì)比冷水先結(jié)冰了！不要說在上個(gè)世紀(jì)60年代，至今我們見到這種情況都會(huì)覺得出乎意料！當(dāng)然，一般情況下還是冷水先結(jié)冰。

為什么熱水有時(shí)會(huì)先結(jié)冰？其實(shí)直到現(xiàn)在這個(gè)現(xiàn)象也還沒有權(quán)威的解釋。有人認(rèn)為熱水更快結(jié)冰的原因是熱水降溫的速度比冷水快。但熱水需要降溫的幅度也比冷水大，所以這種說法有點(diǎn)想當(dāng)然;有人認(rèn)為較熱的水較容易蒸發(fā)，蒸發(fā)后水量變少，少量水更容易結(jié)冰。但有人在密閉容器下做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱水仍很有可能先于冷水結(jié)冰，顯然這個(gè)解釋也不成立;還有的人認(rèn)為溫度較高時(shí)水中的氫鍵更強(qiáng)，這些強(qiáng)氫鍵在低溫時(shí)能促進(jìn)冰晶核的形成，而冰晶核的快速形成有利于更快結(jié)冰，但這種說法卻得不到實(shí)驗(yàn)證實(shí)……

為什么冰很滑？

我國在短道速度滑冰領(lǐng)域?qū)嵙?qiáng)勁，國家隊(duì)的運(yùn)動(dòng)員們頻頻在此項(xiàng)目摘金奪銀。雖然最后的勝利總令人振奮，但我們在電視上看短道速滑直播的過程中，心始終是緊繃著的。因?yàn)橘惖捞?，運(yùn)動(dòng)員們速度太快，極易摔倒受傷！那么，為什么冰會(huì)這么滑呢？

有兩種廣泛被接受的傳統(tǒng)解釋。工程師約翰·喬利于1886年提出第一種解釋：在冰上活動(dòng)的人的體重會(huì)對冰產(chǎn)生壓力，這個(gè)壓力可以將冰的熔點(diǎn)降低到環(huán)境溫度以下（環(huán)境溫度高于熔點(diǎn)，物體會(huì)融化），從而使冰表面融化成一層薄水，而水能極大地減少摩擦。但有科學(xué)家指出：無論人施加多大的壓力，都不能將冰的熔點(diǎn)降低到零下22攝氏度以下，所以你無法解釋嚴(yán)寒地區(qū)的人為什么會(huì)在冰上滑倒。弗蘭克和休斯于1939年提出了另一種解釋，這種解釋也是從水的產(chǎn)生能減少摩擦的角度出發(fā)，但不同的是他們認(rèn)為水是由物體與冰之間的摩擦力導(dǎo)致冰融化形成的。然而這個(gè)解釋也站不住腳——因?yàn)榧词鼓阏驹诒喜粍?dòng)，你仍然會(huì)滑倒。

所以，過去幾十年間，我們對于冰為什么這么滑的理解錯(cuò)了！最新研究認(rèn)為冰滑和人沒有任何關(guān)系，完全歸咎于冰自身表面水分子的性質(zhì)：冰晶體內(nèi)部的每個(gè)水分子與其他三個(gè)水分子相連，水分子處于比較穩(wěn)定的位置。但冰表面上的水分子只能與兩個(gè)水分子連接，這個(gè)結(jié)合就比較弱了，以至于冰表面的水分子不能很好地被“束縛”住，它們甚至可以在冰的表面上來回滾動(dòng)。人踩在冰表面的滾動(dòng)的水分子上，就像踩在一個(gè)個(gè)小“滑輪”上一樣，極易滑倒！

有趣的萊頓弗羅斯特效應(yīng)

你聽說過冰桶挑戰(zhàn)，但你聽說過液氮挑戰(zhàn)嗎？冰水的溫度為0℃，一桶冰水潑到裸露皮膚的人的身上，簡直就是刺骨的寒冷。但是，對于一些習(xí)慣于冬季運(yùn)動(dòng)例如冬泳的人來說，冰桶挑戰(zhàn)并沒有什么大不了的。然而，液氮的溫度卻低于零下196攝氏度！這個(gè)溫度想必很多人想都沒想過。

液氮挑戰(zhàn)還能稱作是一項(xiàng)挑戰(zhàn)嗎？有人認(rèn)為簡直就是送命！而當(dāng)34歲的俄羅斯科學(xué)家安東·科諾瓦洛夫光著上衣，毫不猶豫將一桶液氮從頭上潑下后，在濃濃的白煙中，科諾瓦洛夫安然無恙地走出來時(shí)，人們驚愕了：他竟然沒事！這是怎么回事？

這就要提到一種叫作萊頓弗羅斯特效應(yīng)的物理現(xiàn)象了。1756年，一位名叫萊頓弗羅斯特的科學(xué)家將一把鐵勺燒得通紅，然后在鐵勺上滴了一滴水珠。奇怪的是，水珠竟然懸浮起來，持續(xù)了30秒才蒸發(fā)不見。萊頓弗羅斯特發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)樗谓佑|炙熱的鐵勺后，水滴底部立即汽化形成一層水蒸氣，把水滴與鐵勺隔開，并托起水滴使其懸浮。懸浮的水滴暫時(shí)不能吸收更多的熱量，減慢了剩余的水的汽化速度，因此懸浮可以持續(xù)30秒，這就是萊頓弗羅斯特效應(yīng)。通俗地講，萊頓弗羅斯特效應(yīng)就是在液體和物體之間出現(xiàn)了一層汽，這層汽使得液體汽化速度減慢。

當(dāng)液氮潑向科諾瓦洛夫的時(shí)候，最先與科諾瓦洛夫的皮膚接觸的液氮迅速汽化（皮膚的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液氮的沸點(diǎn)——零下196攝氏度），產(chǎn)生的氮?dú)飧糸_了科諾瓦洛夫的皮膚和余下的液氮，這保護(hù)了科諾瓦洛夫免受進(jìn)一步的凍傷。值得一提的是，物體的溫度必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體的沸點(diǎn)，液體與其接觸時(shí)才會(huì)發(fā)生萊頓弗羅斯特效應(yīng)。例如，一塊溫度為100℃的鐵板，滴上幾滴水珠，水珠馬上蒸發(fā)得無影無蹤。但是如果鐵板的溫度達(dá)到了三四百攝氏度，就會(huì)發(fā)生萊頓弗羅斯特效應(yīng)，水珠在鐵板上方漂浮滾動(dòng)。

萊頓弗羅斯特效應(yīng)在生活中其實(shí)有很多的應(yīng)用：廚師們往鍋里面滴幾滴水，根據(jù)水滴的狀態(tài)——沒有變化、沸騰、或者是漂浮滾動(dòng)，就能知道火候是否適合;某些地區(qū)有光腳走炭火的習(xí)俗，人們將炭火燒得通紅了以后，用水澆一下腳，走過便不會(huì)灼傷;還有些人用來做常人看來不可思議的神奇表演，例如徒手摸1500℃的鐵水……當(dāng)然，我們知道原理就好了，危險(xiǎn)的事情我們一定不要去嘗試。

（四月摘自《大科技》2020年第5期）