为什么热水冷却后比冷水更凉

冰,水为之而寒于水 。
一、姆佩巴效应
人们通常都会认为,一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时,冷水结冰快 。事实并非如此 。1963年的一天,在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品降温 。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后,准备放进冰箱里做冰淇淋 。他想,如果等热牛奶凉后放入冰箱,那么别的同学将会把冰箱占满,于是就将热牛奶放进了冰箱 。过了不久,他打开冰箱一看,令人惊奇的是,自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋,而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰 。他的这一发现并没有引起老师和同学们的注意,相反在为他们的笑料 。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士 。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇,但他相信姆佩巴讲的一定是事实 。尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验,其结果也姆佩巴的叙述完全相符 。这就确切地肯定了在低温环境中,热水比冷水结冰快 。此后,世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象,还将这种现象命名为"姆佩巴效应"(MpembaEffect) 。
二、姆佩巴效应的历史
热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪 。最早提到并记载此一现象的数据,可追溯到公元前300年的亚里斯多德,他写道:
"先前被加热过的水,有助于它更快地结冰 。因此当人们想去冷却热水,他们会先放它在太阳下..."
但在20世纪前,此现象只被视为民间传说 。直到1969年,才由Mpemba再次在科学界提出 。自此之后,很多实验证实了Mpemba效应的存在,但没有一个唯一的解释 。
大约在1461年,物理学家GiovanniMarliani在一个关于物体怎样冷却的辩论上,说他已经证实了热水比冷水更快结冰 。他说他用了四盎司沸水,和四盎司未加热过的水,分别放在两个小容器内,置于一个寒冷冬天的屋外,发现沸水首先结冰 。但他没能力解释此一现象 。
到了十七世纪初,此现象似乎成为一种常识 。1620年培根写道"水轻微加热后,比冷水更容易结冰 。"不久之后,笛卡儿说"经验显示,放在火上一段时间的水,比其它水更快地结冰 。"
直至1969年,那已是Marliani实验500年之后,坦桑尼亚中学的一个命叫Mpemba的中学生再发现此现象的故事,被刊登在《新科家》(NewScientist)杂志 。这个故事告诉科学家和老师们,不要忽视非科学家的观察,和不要过早下判断 。
1963年,Mpemba正在学校造雪糕,他混合沸腾的牛奶和糖 。本来,他应该先等牛奶冷却,之后再放入冰箱 。但由于冰箱空间不足,他不等牛奶冷却,就直接放入去 。结果令他很惊讶,他发现他的热牛奶竟然比其同学的更早凝固成冰 。他问他的物理老师为什么,但老师说,他一定是和其它同学的雪糕混淆了,因为他的观察是不可能的 。
当时Mpemba相信他老师的说法 。但那一年后期,他遇见他的一个朋友,他那朋友在Tanga镇制造和售卖雪糕 。他告诉Mpemba,当他制造雪糕时,他会放那些热液体入冰箱,令他们更快结冰 。Mpemba发觉,在Tanga镇的其它雪糕销售者也有相同的实践经验 。
后来,Mpemba学到牛顿冷却定律,它描述热的物体怎样变冷(在某些简化了的假设下) 。Mpemba问他的老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰 。这位老师同样解答是一定Mpemba混淆了 。当Mpemba继续争辩时,这位老师说:"所有我能够说的是,这是你Mpemba的物理,而不是普遍的物理 。"从那以后,这位老师和其它同学就用"那是Mpemba的数学"或"那是Mpemba的物理"来批评他的错误 。但后来,当Mpemba在学校的生物实验室,尝试用热水和冷水做实验时,他再一次发现:热水首先结冰 。

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