为什么热水冷却后比冷水更凉( 二 )


更早时,有一位物理教授Osborne博士访问Mpemba的那间中学 。Mpemba问他 。Osborne博士说他想不到任何解释,但他迟些会尝试做这个实验 。当他回到他的实验室,便叫一个年轻的技术员去测试Mpemba的实验 。这位技术员之后报告说,是热水首先结冰,又说:"但我们将会继续重复这个实验,直至得出正确的结果 。"然而,实验报告给出同样的结果 。在1969年,Mpemba和Osborne报导他们的结果 。
同一年,科学上很常见的巧合之一,Kell博士独立地写了一篇文章,是关于热水比冷水先结冰的 。Kell显示,如果假设了水最初是透过蒸发冷却,和维持均匀的温度,这样,热水就会失去足的质量而首先结冰 。Kell因此表明这种现象是真的(当时,这现象在加拿大城市是一个传闻 。),而且能够用蒸发来解释 。然而,他不知道Osborne的实验 。Osborne测量那失去的质量,发现蒸发不足以解释此现象 。后来的实验采用密封的容器,排除了蒸发的影响,仍然发现热水首先结冰 。
三、对姆佩巴效应的各种解释
什么是Mpemba效应?有两个形状一样的杯,装着相同体积的水,唯一的分别是水的温度 。现在将两杯水在相同的环境下冷却 。在某些条件下,初温较高的水会先结冰,但并不是在任何情况下,都会这样 。例如,99.9℃的热水和0.01℃的冷水,这样,冷水会先结冰 。Mpemba效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下,都可看到 。
一般人会认为这似乎是不可能的,还有人会试图去证明它不可能 。这种证明通常是这样的:30℃的水降温至结冰要花10分钟,70℃的水必须先花一段时间,降至30℃,然后再花10分钟降温至结冰 。由于冷水必须做过的事,热水也必须做,所以热水结冰慢 。这种证明有错吗?
这种证明错在,它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响 。但事实上,除了平均温度,其它因素也很重要 。一杯初始温度均匀,70℃的水,冷却到平均温度为30℃的水,水已发生了改变,不同于那杯初始温度均匀,30℃的水 。前者有较少质量,溶解气体和对流,造成温度分布不均 。这些因素会改变冰箱内,容器周围的环境 。下面会分别考虑这四个因素 。
1.蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中,热水由于蒸发会失去一部分水 。质量较少,令水较容易冷却和结冰 。这样热水就可能较冷水早结冰,但冰量较少 。如果我们假设水只透过蒸发去失热,理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应 。这个解释是可信的和很直觉的,蒸发的确是很重要的一个因素 。然而,这不是唯一的机制 。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验,在封闭的容器,没有水蒸气能离开 。很多科学家声称,单是蒸发,不足以解释他们所做的实验 。
2.溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体,随着沸腾,大量气体会逃出水面 。溶解气体会改变水的性质 。或者令它较易形成对流(因而较易冷却),或减少单位质量的水结冰所需的热量,或者改变沸点 。有一些实验支持这种解释,但没有理论计算的支持 。
3.对流——由于冷却,水会形成对流,和不均匀的温度分布 。温度上升,水的密度就会下降,所以水的表面比水底部热—叫"热顶" 。如果水主要透过表面失热,那么,"热顶"的水失热会比温度均匀的快 。当热水冷却到冷水的初温时,它会有一热顶,因此与平均温度相同,但温度均匀的水相比,它的冷却速率会较快 。虽然在实验中,能看到热顶和相关的对流,但对流能否解释Mpemba效应,仍是未知 。
4.周围的事物——两杯水的最后的一个分别,与它们自己无关,而与它们周围的环境有关 。初温较高的水可能会以复杂的方式,改变它周围的环境,从而影响到冷却过程 。例如,如果这杯水是放在一层霜上面,霜的导热性能很差 。热水可能会熔化这层霜,从而为自己创立了一个较好的冷却系统 。明显地,这样的解释不够一般性,很多实验都不会将容器放在霜层上 。

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