水的姆佩巴效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

姜漱琪

【摘要】熱水比冷水結(jié)冰快是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常提起的有趣自然現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象又叫水的姆佩巴效應(yīng)。文章利用熱電偶溫度計(jì)對(duì)熱水和冷水的結(jié)冰過(guò)程開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)熱水比冷水的結(jié)冰時(shí)間可以縮短0～30%，很多環(huán)境因素對(duì)姆佩巴效應(yīng)有影響，但通常不會(huì)消失，這種現(xiàn)象應(yīng)該主要是由于加熱之后水分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的。

【關(guān)鍵詞】水；姆佩巴效應(yīng)；分子結(jié)構(gòu)

一、前言

熱水比冷水結(jié)冰快，人們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常提起這個(gè)有趣的自然現(xiàn)象。早在2300年前，古希臘思想家亞里士多德就發(fā)現(xiàn)，在室外寒冷的環(huán)境中，熱水比冷水先結(jié)冰，他寫(xiě)道：“先前被加熱過(guò)的水，有助于它更快地結(jié)冰。因此當(dāng)人們想去冷凍水，他們會(huì)先放它在太陽(yáng)下曬過(guò)?！倍笈喔偷芽▋旱热艘步榻B過(guò)這個(gè)現(xiàn)象。直至1969年，才由坦桑尼亞一間中學(xué)一個(gè)名叫姆佩巴（Mpemba）的學(xué)生引入現(xiàn)代科學(xué)。這個(gè)學(xué)生把很熱的牛奶直接放到冰箱中，結(jié)果他的牛奶比先冷卻后再放到冰箱中的牛奶更快地結(jié)了冰。

這種怪異的現(xiàn)象困擾了幾代科學(xué)家，人們的解釋主要有熱水蒸發(fā)導(dǎo)致水量減小，熱水對(duì)流促進(jìn)了向外散熱，冷水里溶解了氣體導(dǎo)致結(jié)冰慢等，還有不少人由于通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有觀測(cè)到這種現(xiàn)象，于是否定它的存在。2012年，英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)還懸賞1000英鎊征求這個(gè)問(wèn)題的答案。

從科學(xué)的眼光來(lái)看，這個(gè)問(wèn)題則要復(fù)雜得多，新的研究仍然沒(méi)有能夠充分解釋姆佩巴現(xiàn)象。最近，科學(xué)家們?cè)噲D從微觀分子結(jié)構(gòu)的角度解釋姆佩巴效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)化學(xué)鍵可以解釋姆佩巴現(xiàn)象，氫鍵的存在使得水分子之間的距離更近，這也會(huì)使得分子間的排斥力更大，從而使得氧原子和氫原子之間的化學(xué)鍵發(fā)生了延展并貯存能量。當(dāng)液體的溫度升高時(shí)，由于氫鍵發(fā)生延展，水分子之間的距離也就增大了；當(dāng)液體溫度變低時(shí)，水分子之間的距離也會(huì)收縮，從而釋放出能量，加快了液體的溫度下降從而結(jié)冰。不過(guò)這種解釋還沒(méi)有獲得廣泛認(rèn)可。

熱水一定比冷水結(jié)冰快嗎？究竟快多少？又受到哪些因素的影響呢？本文利用所學(xué)的物理學(xué)知識(shí)對(duì)姆佩巴效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，以加深人們對(duì)這個(gè)有趣現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

二、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，設(shè)計(jì)了兩個(gè)完全一樣的不銹鋼杯子，容量300ml，上面有杯蓋，杯蓋中間穿孔，將熱電偶穿過(guò)杯蓋并固定在用鐵絲做的支架上。熱電偶的另一端連到溫度采集日志上。實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)谝粋€(gè)杯子中注入冷水，另一個(gè)杯子注入熱水，熱水先用電磁爐加熱到沸騰，注入水量用電子秤稱量，誤差為±0.1g，兩個(gè)杯子內(nèi)注入的水量相同。先把杯子蓋上杯蓋，放置在室溫環(huán)境下自然冷卻到某一個(gè)溫度，然后一起放入冷柜。

結(jié)冰過(guò)程很難用肉眼觀察，如果用探針探測(cè)硬度，又會(huì)對(duì)結(jié)冰過(guò)程造成影響，因此決定采用測(cè)溫的方式觀察。因?yàn)榻Y(jié)冰過(guò)程中溫度始終是零度，只要測(cè)得溫度保持在零度的起始和結(jié)束時(shí)刻，就能算出結(jié)冰過(guò)程經(jīng)過(guò)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中用的是K型熱電偶測(cè)溫，測(cè)量誤差是±0.1℃，每個(gè)杯子里用兩根熱電偶，還有一根熱電偶測(cè)量冷凍環(huán)境溫度，熱電偶的采樣頻率是5sec/次。由于熱電偶的測(cè)溫誤差，結(jié)冰過(guò)程中測(cè)得溫度并不是嚴(yán)格地為0℃，總是有很微小的波動(dòng)，因此我們?cè)谒疁亟档?.5℃時(shí)記做結(jié)冰開(kāi)始，降到-0.5℃時(shí)記做結(jié)冰結(jié)束。

三、結(jié)果分析

（一）典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先用蒸餾水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，冷熱水量都是200ml，圖2顯示了兩個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。說(shuō)起熱水比冷水結(jié)冰快，起初我們以為把熱水和冷水放到冰柜里，熱水會(huì)先結(jié)冰，其實(shí)這是一種誤解。如圖2（a）所示，由于熱水從80℃冷卻到0℃需要的時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致熱水開(kāi)始結(jié)冰的時(shí)間比冷水晚。但是，通過(guò)測(cè)量熱水結(jié)冰的過(guò)程發(fā)現(xiàn)，冷水從3925秒開(kāi)始結(jié)冰，到23950秒結(jié)束，耗時(shí)19980秒，而熱水從6680秒開(kāi)始結(jié)冰，到24955秒結(jié)束，耗時(shí)18320秒，比冷水結(jié)冰過(guò)程短1660秒，約縮短8.3%。從結(jié)冰過(guò)程的長(zhǎng)短來(lái)說(shuō)，確實(shí)驗(yàn)證了熱水比冷水結(jié)冰快的說(shuō)法，因此對(duì)姆佩巴效應(yīng)更準(zhǔn)確的描述是熱水比冷水的結(jié)冰過(guò)程更“短”。

于是，我們將水沸騰后在室溫下冷卻一段時(shí)間，然后在放入冷柜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果把熱水冷卻到30～35℃再放入冷柜，冷熱水就會(huì)幾乎同時(shí)開(kāi)始結(jié)冰，這時(shí)就能更加直觀地觀察到熱水比冷水結(jié)冰時(shí)間短的現(xiàn)象。如圖2（b）所示，在熱水降到34℃時(shí)放入冷柜，這時(shí)冷柜溫度是-20℃，冷熱水幾乎同時(shí)開(kāi)始結(jié)冰，熱水結(jié)冰過(guò)程時(shí)長(zhǎng)6790秒，而冷水為9660秒，熱水比冷水的結(jié)冰過(guò)程縮短大約29.7%。

另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有時(shí)熱水在結(jié)冰之前會(huì)出現(xiàn)溫度低于0℃的情況，如圖2（b）所示，據(jù)信這是水的過(guò)冷現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，冷熱水在冷卻到大約3～4℃時(shí)，溫度曲線總會(huì)有一些局部波動(dòng)，有時(shí)明顯，有時(shí)不明顯。查閱物理書(shū)發(fā)現(xiàn)水在4℃時(shí)密度最大，溫度再往下就會(huì)變輕，可能是水溫降到4℃以下時(shí)水的對(duì)流效果改變了，降溫效果也隨之改變?？傊?，水是一種很奇妙的物質(zhì)。

（二）對(duì)各種影響的分析

前述典型結(jié)果表明，在-10℃冰柜中冷卻時(shí)熱水結(jié)冰過(guò)程縮短8.3%，而在-20℃時(shí)卻縮短29.7%，那么各種環(huán)境因素會(huì)不會(huì)對(duì)縮短幅度造成影響呢？于是，我們通過(guò)改變水量、水質(zhì)、冷凍溫度、蒸發(fā)、對(duì)流等各種條件，做了40多次的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖3和表1中列出的是其中12個(gè)代表性結(jié)果。

圖3表示的是每一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)下結(jié)冰過(guò)程時(shí)長(zhǎng)的相對(duì)比例。首先，從圖中可以看出除了極個(gè)別的情況，熱水的結(jié)冰時(shí)間總是比冷水短一些。我們?cè)?0多次實(shí)驗(yàn)中只有兩次沒(méi)有發(fā)現(xiàn)測(cè)量到姆佩巴效應(yīng)，可見(jiàn)這種現(xiàn)象是大概率存在的。其次，熱水比冷水的結(jié)冰過(guò)程縮短0～30%，具體縮短比例和水量多少、冰柜溫度、對(duì)流、蒸發(fā)等沒(méi)有明顯的依存關(guān)系。同樣條件下做實(shí)驗(yàn)，每次測(cè)得的結(jié)冰過(guò)程縮短時(shí)間會(huì)有波動(dòng)，基本上是隨機(jī)的。這說(shuō)明姆佩巴效應(yīng)確實(shí)不是外在環(huán)境因素導(dǎo)致的結(jié)果，應(yīng)該有分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的原因。再次，我們還發(fā)現(xiàn)自來(lái)水和蒸餾水的結(jié)冰時(shí)間大約相等（編號(hào)#5），而且通過(guò)自來(lái)水也能觀測(cè)到姆佩巴現(xiàn)象（編號(hào)#9），表明水中的電解質(zhì)等雜質(zhì)不會(huì)造成姆佩巴效應(yīng)的消失。

四、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)定量測(cè)量了水的姆佩巴效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)姆佩巴效應(yīng)普遍存在，熱水比冷水的結(jié)冰過(guò)程時(shí)長(zhǎng)可以縮短0～30%，很多環(huán)境因素對(duì)姆佩巴效應(yīng)有影響，但通常不會(huì)消失。要研究姆佩巴效應(yīng)的物理機(jī)理，需要從加熱導(dǎo)致的水分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化著手。

【參考文獻(xiàn)】

[1]佚名.姆佩巴物理競(jìng)賽[M].Mpemba Competition， Royal Society of Chemistry， 2012.