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為什麼熱水比冷水結冰得更快?

多年來,許多科學家對不符合我們生活常識的現象感到困惑:由於某種原因,熱水似乎比冷水凍結得更快。後來由張曦領導的物理學家團隊發現,這種效應背後的原因是由於水中存在的共價鍵。每個水分子由兩個與單個氧原子共價鍵合的氫原子組成。這些涉及原子共用電子的鍵。如下圖所示:

为什么热水比冷水结冰得更快?

當來自一個水分子的氫原子靠近水的氧原子時,單獨的水分子也被氫鍵產生的較弱力結合在一起。 它們會產生許多水的有趣特性,如奇怪的高沸點。如果讓水分子緊密接觸,分子之間的自然排斥導致共價鍵伸展並儲存能量。隨著液體升溫,氫鍵當水變得不那麼密集並且分子進一步分開時伸展。氫鍵中的額外拉伸使得共價鍵鬆弛和收縮一點,放棄它們的能量。共價鍵釋放能量的過程相當於冷卻,因此理論上冷水應該冷卻更快。

一般人的理解是假設最初較冷的水從30°C開始並需要10分鐘冷凍,而最初較溫暖的水從70°C開始。現在,最初溫暖的水必須花一些時間冷卻才能降至30°C,之後,需要再花10多分鐘才能結冰。因此,由於最初較溫暖的水必須完成最初較冷的水必須做的所有事情,再多一點,它至少需要一點時間,對吧?這個理解有什麼不對?

为什么热水比冷水结冰得更快?

這個證理解有什麼問題,它隱含地假設水的特徵僅僅是一個數位 – 它的平均溫度。但是,如果除了平均溫度之外的其他因素很重要,那麼當最初較暖的水已經冷卻到30°C的平均溫度時,它可能看起來與最初較冷的水(均勻的30°C)在開始時的情況非常不同。為什麼?原因可能是因為當水從均勻的70°C冷卻到平均30°C時,水可能已經發生變化。它可以具有較少的品質,較少的溶解氣體或產生了對流,從而產生不均勻的溫度分佈。或者它可能改變了冰箱內容器周圍的環境溫度。
事實上,在許多對照實驗中已觀察到姆潘巴現象(Mpemba effect)的3種表述:

  • 游隆洲:在同等品質和同等冷卻環境下,溫度略高的液體在其與該冷卻環境直接接觸的分子將比溫度略低的溫度下降的快,若其冷卻環境能始終維持一致(溫度不變)的冷卻能力,則溫度高的液體將先降至冷卻環境溫度,若溫度低於該液體冰點則高溫液體先結冰。
  • 指在同等品質和同等冷卻環境下,溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。
  • 亞里斯多德:“先前被加熱過的水,有助於它更快地結冰。”可理解為“先前加過熱的水與先前未加過熱的水在同溫下比較加熱過的水更快結冰”

 

為什麼溫水會先結冰呢?

  • 蒸發由於最初較暖的水冷卻到最初較冷的水的初始溫度,它可能會損失大量的水來蒸發。品質減少將使水更容易冷卻和凍結。然後,最初較暖的水可以在最初較冷的水之前凍結,但會產生較少的冰。理論計算表明,如果假設水僅通過蒸發損失熱量,蒸發可以解釋姆潘巴現象。這種解釋直觀的,在大多數情況下蒸發無疑是重要的。但是,它不是唯一的機制。蒸發不能解釋在密閉容器中進行的實驗,其中蒸發沒有損失品質。許多科學家聲稱單靠蒸發不足以解釋他們的結果。
  • 溶解氣體– 熱水可以比冷水容納更少的溶解氣體,並且沸騰時會有大量氣體逸出。因此,最初較溫暖的水可能比最初較冷的水具有更少的溶解氣體。據推測,這會以某種方式改變水的性質,可能更容易產生對流(從而使其更容易冷卻),或減少冷凍單位品質水所需的熱量,或者改變沸點。有一些實驗支持這種解釋,但沒有支持理論計算。
  • 對流– 隨著水的冷卻,它最終會產生對流和不均勻的溫度分佈。在大多數溫度下,密度隨著溫度的升高而降低,因此水的表面將比底部溫暖:這被稱為“熱頂”。現在,如果水主要通過表面失去熱量,那麼具有“熱頂”的水將比我們根據其平均溫度所預期的更快地失去熱量。當最初較暖的水冷卻到與最初較冷的水的初始溫度相同的平均溫度時,它將具有“熱頂”,因此其冷卻速率將比最初冷卻器的冷卻速度快。然實驗已經看到了“熱頂”和相關的對流,但是對流是否可以解釋姆潘巴現象尚不清楚。
  • 環境 – 兩個容器的冷卻溫度之間的最終差異不是與水本身有關,而是與周圍環境有關。最初較溫暖的水可能以某種複雜的方式改變其周圍的環境溫度,從而影響冷卻過程。例如,如果容器位於一層導熱不良的霜層上,熱水可能會熔化該層霜,從而冷卻得更快。顯然,這樣的解釋並不是很普遍,因為大多數實驗都不是用容器放在霜層上完成的。
为什么热水比冷水结冰得更快?

簡而言之,在各種情況下,熱水比冷水更快凍結。這不是不可能的,並且已經被發現在許多實驗中發生。然而對於這種現象如何發生並沒有得到很好的解釋。雖然已經提出了不同的假設,但實驗證據尚無結論。

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