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举个栗子:热水为何结冻快?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 270次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:热水为何结冻快?

热水比冷水结冰的速度更快?这个事实听上去与我们所了解的物理定律似乎正相反。一般来说,不同温度、同等质量的物质,其温度要降低到一个更低的点显然高温者需要释放更多的热量。在同等环境下,通常物质释放热量的速度是均匀的,然而神奇的水却展现了与其他物质所不同的一面——热水在冰箱这个寒冷环境下释放热量的速度会比冷水更快,从而导致热水“更容易”结冰。

这一现象被称为“姆佩巴效应”或“姆潘巴现象”,是根据一位坦桑尼亚的名叫姆佩巴的学生命名的。1963 年,当姆佩巴还是个初三学生时,他在与同学们一起制作冰激凌时发现,他自己用热牛奶制作的冰激凌比他同学用冷牛奶制作的冰激凌结冰的速度更快。他对此疑惑不解,然而问遍了周围的人都得不到解释,却反而遭到了嘲笑。他并没有死心,并将这个问题带到了他的高中时代。一次偶然的机会,学校请来了达累斯萨拉姆大学的物理学教授丹尼斯.奥斯博恩(Denis G. Osborne)博士来做物理学的演讲,姆佩巴抓住了这次机会向奥斯博恩提出了这个问题。博士回到实验室成功地重复了这个现象,但也不知道其原因,于是他们决定共同来研究这个问题的答案。1969 年,姆佩巴和奥斯博恩博士共同发表了关于这个现象的论文,论文被广为流传,成为全世界科学爱好者们共同的谜题,而这一现象也因此被命名为“姆佩巴效应”。

事实上,姆佩巴并不是发现这个现象的第一人。历史上,早至古希腊的亚里士多德,后至文艺复兴时期的培根及被称为“近代科学始祖”的笛卡尔都曾发现过这个现象。亚里士多德曾经写到:“之前被加热的水冻结速度更快。因此,在希望快速冷却热水的时候,很多人会首先将它放在阳光下加热。”培根则在 1620 年写道:“与温度极低的水相比,温度稍高的水更容易冻结。”而笛卡尔在 1637 年指出:“经验告诉我们,在火上长时间加热的水冻结速度超过其他水。” 然而限于过去的时代局限性和实验水平,这一现象并没有被细致的研究过。而姆佩巴效应也并没能以这几位伟人来命名。

一直以来,关于水的这个特殊现象仍然是个谜,难倒了无数物理学家。目前有很多对姆佩巴现象进行解释的假设。有一种理论认为,热水由于蒸发较多导致需结冻的液态水变少,从而使结冻速度更快;另一种理论认为,热水中溶解的气体被加速释放,导致了水变得更粘稠,从而容易结冻。这些假设虽然听上去有些道理,但大多都存在一些致命之处,都没能很好的解答姆佩巴效应的原理。

于是有的人甚至认为,姆佩巴效应是根本不存在的,导致这个结果产生的原因不过是由于科学实验过程的不严谨。然而这是不正确的,尽管有很多因不严谨而导致失败的实验存在,例如有人用 99°C 的水和 1°C 的水来做实验试图证明冷水结冰就是比热水快,但来自科学家们的实验过程却是严密而可控的。尽管在不同条件下热水不是每次都比冷水结冰块,但只要实验条件和温度合适,姆佩巴效应的确存在。

英国王家化学学会 2012 年曾经对姆佩巴效应的解答提供了 1000 英镑的悬赏,希望能借此激发青年人对科学的爱好和追求。在这一过程中,他们收到了近 22000 份解答,最后获得了“最佳解答”及奖金的,是克罗地亚萨格勒布大学一位名叫尼古拉?布雷高维克(Nikola Bregovic)的的化学助理研究员。他在实验室里用装满水的烧杯进行了实验,他的解答认为,水中的对流效应导致了姆佩巴效应的产生,热水中的对流更快,从而导致了其冷却速度比冷水更快。

尽管布雷高维克获得了英国王家化学学会的悬赏奖金,但这并不意味着姆佩巴效应已经得到了圆满的解答。不久前,新加坡南洋理工大学的孙长庆博士与张熙博士组织了物理学家团队来研究姆佩巴效应,他们尝试从分子水平的角度检验姆佩巴效应的过程。研究的结论是,水分子中共价键的作用,是导致姆佩巴效应产生的原因。

举个栗子:热水为何结冻快?

单个水分子中氢原子与氧原子之间共用电子对,其中产生的化学键被称为“共价键”。它比不同水分子之间的“氢键”的作用力更强。科学家们发现,液态水在加热的状况下,其共价键更短,即氢原子与氧原子间的距离更近,这同时也意味着单个水分子具有更多的能量。水分子之间由于有氢键的存在,使得相邻水分子之间的距离更近,而这反过来增加了单个水分子中氧原子与氢原子的斥力,使共价键被“拉长”。在热水中,氢键变得比冷水中更长,水分子之间的距离被拉大,这也会使得共价键变得更短。

当液态水被放进冰箱后,水分子中的共价键被渐渐“拉长”,而这导致水中的能量被释放出来。科学家们发现,共价键中能量释放的速度是呈指数形式变化的,也就是说,随着时间的增加,释放能量的速度会不断加快。冷水和热水由于初始状态不同,经过一段相同长度的时间后,热水放出能量的速度会远超冷水,并且继续以更快的“加速度”放热。当实验条件和参与对照的水温都刚好合适时,放进冰箱的热水恰好在到达 0°C 冰点之前超越了冷水,则就会出现姆佩巴效应。这一结果也很好的解释了,两杯处于同样环境、具有同样质量和同样温度的看起来都很“稳定”的水,其内部状况却有可能是完全不同的——这想想也很不可思议!

新加坡南洋理工大学的团队根据他们的研究成果,在 Nature 旗下的期刊《科学报告》发表了一篇论文,展示了水分子在结冰过程中的变化。同时,他们还在《化学物理》杂志上发表了另一篇论文用来解释姆佩巴效应。

至此,姆佩巴效应也许已经离正确和完备的解答更加接近了,但故事还没有结束,对于神奇的水分子,还有更多的谜团等待我们去发掘。


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