神奇的姆潘巴現(xiàn)象

臧玥昕

生活中，水結成冰是一種非常常見的自然現(xiàn)象，但是如此簡單的現(xiàn)象也有很多神奇之處，姆潘巴現(xiàn)象就是一個典型的例子。

一、什么是姆潘巴現(xiàn)象

姆潘巴現(xiàn)象（Mpemba effect）是指在同等質量和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現(xiàn)象。

故事發(fā)生在1963年，坦桑尼亞馬干巴中學的三年級學生埃拉斯托·姆潘巴與同學們一起做冰激凌，他們先把鮮牛奶煮沸，然后加糖冷卻至室溫，再放進冰箱冷凍室。由于冷凍室的空位所剩無幾，姆潘巴沒等牛奶冷卻至室溫，就將熱牛奶放入冷凍室內。不久后，姆潘巴驚訝地發(fā)現(xiàn)他的熱牛奶已結成冰塊，而其他同學的冷牛奶還是很稠的液體。后來，他將發(fā)現(xiàn)的問題告訴了奧斯波恩教授。這位教授經過大量的實驗研究，證實了姆潘巴所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，并于1969年在英國《物理教師》雜志上發(fā)表了由姆潘巴和他共同撰寫的論文，對這種現(xiàn)象作出嘗試性解釋，這就是“姆潘巴效應”，也被稱為“姆潘巴物理問題”。

二、如何解釋姆潘巴現(xiàn)象

根據姆潘巴現(xiàn)象所述，將同等質量的一杯熱水和一杯冷水同時放入冰箱，在一段時間后，可以觀察到熱水開始結冰，而冷水仍未結冰。對于這種熱水比冷水更快結冰的現(xiàn)象，目前有幾種流行的解釋。

（一）熱梯度對流影響

在熱水冷卻過程中，上層水的溫度相對較高，熱量流失后因密度變大而下沉，而下面的熱水上升，形成液體內部對流，使得水分子圍繞各自的結晶中心結成冰。溫差越大，對流越激烈，能量損耗越大，冷卻速率也就越快。盡管最后表層結冰，冷卻速率變慢，但由于水內的冰晶已經生長，具有較大的表面能，所以初溫高的水的冰晶生長速率仍比初溫低的水快得多。

（二）硬水論

美國華盛頓大學的喬納森·卡茨博士對姆潘巴現(xiàn)象進行深入研究后，用“硬水論”解釋了這一現(xiàn)象。水中含有較多的鈣、鎂化合物的溶解物，在水被加熱的過程中，這些溶解物會分解成難溶的碳酸鈣和碳酸鎂，也就是我們生活中常見的水垢?？ù牟┦空J為，未經加熱的水中仍含有鈣、鎂化合物的溶解物，在水結成冰的過程中，隨著冰晶的形成，尚未結冰的水中這些溶解物的濃度會進一步增大，這種情況會降低水的冰點，其冰點會低于加熱后水的冰點，從而減緩了冷水結冰的過程。

（三）分子理論說

有研究者認為，水分子中的共價鍵的作用是導致姆潘巴現(xiàn)象的重要原因。在水被加熱的過程中，水分子間的氫鍵會拉伸，同時分子內O-H共價鍵會縮短，進而存儲更多的能量。當熱水放入冰箱冷卻時，O-H共價鍵會逐漸被拉長，并以與最初儲存的能量呈指數(shù)關系的速率釋放能量。由于冷水和熱水的初始狀態(tài)不同（即O-H共價鍵存儲的能量不同），在冷卻時，熱水釋放能量的速度會明顯大于冷水，且會以更大的“加速度”放熱，因此熱水比冷水更快地到達冰點。

（四）水中溶解氣體論

在水被加熱的過程中，氣體會逸出水面，在水中的溶解度就變小，因此熱水相較于冷水含有較少的氣體。有實驗研究發(fā)現(xiàn)，溶解在水中的氣體會直接影響水的結冰速率，水中含氣量越高，結冰速率越低。同時，氣體溶解在水中會降低凝固點，熱水比冷水的含氣量更低，因此熱水的凝固點高于冷水，從而可以解釋姆潘巴現(xiàn)象。

三、姆潘巴現(xiàn)象在生活中的應用

人們已經將姆潘巴現(xiàn)象應用于日常生產、生活中。例如，速凍米面制品在生活中非常常見，其制作過程就應用了姆潘巴現(xiàn)象，主要是有效縮短了速凍制品通過冰晶生成帶的時間。包子在蒸制后，可以不通過預冷降溫或者通過不同預冷后再進行速凍，這樣不僅能減少速凍過程的時間投入，還能降低速凍過程的干耗率。

人們還應該進一步挖掘姆潘巴現(xiàn)象的潛在應用，更好地指導實際的生產、生活，并深入探索姆潘巴現(xiàn)象背后的深層科學問題。

（責任編輯：白玉磊）