熱水和冷水哪個更容易結冰？

熱水更容易結冰

一、姆佩巴效應

人們通常都會認為，一杯冷水和一杯熱水同時放入冰箱時，冷水結冰快。事實并非如此。1963年的一天，在地處非洲熱帶的坦桑尼亞一所中學里，一群學生想做一點冰凍食品降溫。一個名叫埃拉斯托·姆佩巴的學生在熱牛奶里加了糖后，準備放進冰箱里做冰淇淋。他想，如果等熱牛奶涼后放入冰箱，那么別的同學將會把冰箱占滿，于是就將熱牛奶放進了冰箱。過了不久，他打開冰箱一看，令人驚奇的是，自己的那杯冰淇淋已經變成了一杯可口的冰淇淋，而其他同學用冷水做的冰淇淋還沒有結冰。他的這一發現并沒有引起老師和同學們的注意，相反在為他們的笑料。姆佩巴把這特殊現象告訴了達累薩拉姆大學的物理學教授奧斯博爾內博士。奧斯博爾內聽了姆佩巴的敘述后也感到有點驚奇，但他相信姆佩巴講的一定是事實。尊重科學的奧斯博爾內又進行了實驗，其結果也姆佩巴的敘述完全相符。這就確切地肯定了在低溫環境中，熱水比冷水結冰快。此后，世界上許多科學雜志載文介紹了這種自然現象，還將這種現象命名為"姆佩巴效應"(MpembaEffect)。

二、姆佩巴效應的歷史

熱水比冷水更快結冰的事實已被知道了很多個世紀。最早提到并記載此一現象的數據，可追溯到公元前300年的亞里斯多德，他寫道：

"先前被加熱過的水，有助于它更快地結冰。因此當人們想去冷卻熱水，他們會先放它在太陽下..."

但在20世紀前，此現象只被視為民間傳說。直到1969年，才由Mpemba再次在科學界提出。自此之后，很多實驗證實了Mpemba效應的存在，但沒有一個唯一的解釋。

大約在1461年，物理學家GiovanniMarliani在一個關于物體怎樣冷卻的辯論上，說他已經證實了熱水比冷水更快結冰。他說他用了四盎司沸水，和四盎司未加熱過的水，分別放在兩個小容器內，置于一個寒冷冬天的屋外，發現沸水首先結冰。但他沒能力解釋此一現象。

到了十七世紀初，此現象似乎成為一種常識。1620年培根寫道"水輕微加熱后，比冷水更容易結冰。"不久之后，笛卡兒說"經驗顯示，放在火上一段時間的水，比其它水更快地結冰。"

直至1969年，那已是Marliani實驗500年之后，坦桑尼亞中學的一個命叫Mpemba的中學生再發現此現象的故事，被刊登在《新科家》(NewScientist)雜志。這個故事告訴科學家和老師們，不要忽視非科學家的觀察，和不要過早下判斷。

1963年，Mpemba正在學校造雪糕，他混合沸騰的牛奶和糖。本來，他應該先等牛奶冷卻，之后再放入冰箱。但由于冰箱空間不足，他不等牛奶冷卻，就直接放入去。結果令他很驚訝，他發現他的熱牛奶竟然比其同學的更早凝固成冰。他問他的物理老師為什么，但老師說，他一定是和其它同學的雪糕混淆了，因為他的觀察是不可能的。

當時Mpemba相信他老師的說法。但那一年后期，他遇見他的一個朋友，他那朋友在Tanga鎮制造和售賣雪糕。他告訴Mpemba，當他制造雪糕時，他會放那些熱液體入冰箱，令他們更快結冰。Mpemba發覺，在Tanga鎮的其它雪糕銷售者也有相同的實踐經驗。

后來，Mpemba學到牛頓冷卻定律，它描述熱的物體怎樣變冷(在某些簡化了的假設下)。Mpemba問他的老師為什么熱牛奶比冷牛奶先結冰。這位老師同樣回答是一定Mpemba混淆了。當Mpemba繼續爭辯時，這位老師說："所有我能夠說的是，這是你Mpemba的物理，而不是普遍的物理。"從那以后，這位老師和其它同學就用"那是Mpemba的數學"或"那是Mpemba的物理"來批評他的錯誤。但后來，當Mpemba在學校的生物實驗室，嘗試用熱水和冷水做實驗時，他再一次發現：熱水首先結冰。

更早時，有一位物理教授Osborne博士訪問Mpemba的那間中學。Mpemba問他這個問題。Osborne博士說他想不到任何解釋，但他遲些會嘗試做這個實驗。當他回到他的實驗室，便叫一個年輕的技術員去測試Mpemba的實驗。這位技術員之后報告說，是熱水首先結冰，又說："但我們將會繼續重復這個實驗，直至得出正確的結果。"然而，實驗報告給出同樣的結果。在1969年，Mpemba和Osborne報導他們的結果。

同一年，科學上很常見的巧合之一，Kell博士獨立地寫了一篇文章，是關于熱水比冷水先結冰的。Kell顯示，如果假設了水最初是透過蒸發冷卻，和維持均勻的溫度，這樣，熱水就會失去足的質量而首先結冰。Kell因此表明這種現象是真的(當時，這現象在加拿大城市是一個傳聞。)，而且能夠用蒸發來解釋。然而，他不知道Osborne的實驗。Osborne測量那失去的質量，發現蒸發不足以解釋此現象。后來的實驗采用密封的容器，排除了蒸發的影響，仍然發現熱水首先結冰。

三、對姆佩巴效應的各種解釋

什么是Mpemba效應?有兩個形狀一樣的杯，裝著相同體積的水，唯一的分別是水的溫度�，F在將兩杯水在相同的環境下冷卻。在某些條件下，初溫較高的水會先結冰，但并不是在任何情況下，都會這樣。例如，99.9℃的熱水和0.01℃的冷水，這樣，冷水會先結冰。Mpemba效應并不是在任何的初始溫度、容器形狀、和冷卻條件下，都可看到。

一般人會認為這似乎是不可能的，還有人會試圖去證明它不可能。這種證明通常是這樣的：30℃的水降溫至結冰要花10分鐘，70℃的水必須先花一段時間，降至30℃，然后再花10分鐘降溫至結冰。由于冷水必須做過的事，熱水也必須做，所以熱水結冰慢。這種證明有錯嗎?

這種證明錯在，它暗中假設了水的結冰只受平均溫度影響。但事實上，除了平均溫度，其它因素也很重要。一杯初始溫度均勻，70℃的水，冷卻到平均溫度為30℃的水，水已發生了改變，不同于那杯初始溫度均勻，30℃的水。前者有較少質量，溶解氣體和對流，造成溫度分布不均。這些因素會改變冰箱內，容器周圍的環境。下面會分別考慮這四個因素。

1.蒸發——在熱水冷卻到冷水的初溫的過程中，熱水由于蒸發會失去一部分水。質量較少，令水較容易冷卻和結冰。這樣熱水就可能較冷水早結冰，但冰量較少。如果我們假設水只透過蒸發去失熱，理論計算能顯示蒸發能解釋Mpemba效應。這個解釋是可信的和很直覺的，蒸發的確是很重要的一個因素。然而，這不是唯一的機制。蒸發不能解釋在一個封閉容器內做的實驗，在封閉的容器，沒有水蒸氣能離開。很多科學家聲稱，單是蒸發，不足以解釋他們所做的實驗。

2.溶解氣體——熱水比冷水能夠留住較少溶解氣體，隨著沸騰，大量氣體會逃出水面。溶解氣體會改變水的性質�；蛘吡钏�較易形成對流(因而較易冷卻)，或減少單位質量的水結冰所需的熱量，或者改變沸點。有一些實驗支持這種解釋，但沒有理論計算的支持。

3.對流——由于冷卻，水會形成對流，和不均勻的溫度分布。溫度上升，水的密度就會下降，所以水的表面比水底部熱—叫"熱頂"。如果水主要透過表面失熱，那么，"熱頂"的水失熱會比溫度均勻的快。當熱水冷卻到冷水的初溫時，它會有一熱頂，因此與平均溫度相同，但溫度均勻的水相比，它的冷卻速率會較快。雖然在實驗中，能看到熱頂和相關的對流，但對流能否解釋Mpemba效應，仍是未知。

4.周圍的事物——兩杯水的最后的一個分別，與它們自己無關，而與它們周圍的環境有關。初溫較高的水可能會以復雜的方式，改變它周圍的環境，從而影響到冷卻過程。例如，如果這杯水是放在一層霜上面，霜的導熱性能很差。熱水可能會熔化這層霜，從而為自己創立了一個較好的冷卻系統。明顯地，這樣的解釋不夠一般性，很多實驗都不會將容器放在霜層上。

最后，過冷在此效應上，可能是重要的。過冷現象是水在低于0℃時才結冰的現象。有一個實驗發現，熱水比冷水較少會過冷。這意味著熱水會先結冰，因為它在較高的溫度下結冰。但這也不能完成解釋Mpemba效應，因為我們仍需解釋為什么熱水較少會過冷。

在很多情況下，熱水較冷水先結冰