热⽔⽐冷⽔结冰更快吗?

作者: Martin Bier

来源: 返朴

发布日期: 2023-07-17 08:02:14

热⽔⽐冷⽔结冰更快的现象被称为姆潘巴效应,这个观点的历史可以追溯到亚⾥⼠多德时代。尽管有许多实验和观察支持这一现象,但其背后的科学原理至今仍无完美答案。近年来,科学家们通过实验试图解释这一现象,但结果并不一致,姆潘巴效应的谬误持续了很长时间。

⻓久以来,⼀直流传着热⽔⽐冷⽔结冰更快的⾔论,甚⾄也有许多⼈⽤⽣活经验、实验证实了这⼀结论。此现象被称为姆潘巴效应,源⾃1963年坦桑尼亚的⼀位重新发现这⼀现象的中学⽣姆潘巴。⽽关于这⼀效应最早有记录的观察可以追溯⾄亚⾥⼠多德时代。然⽽,基本的姆潘巴效应是违反热⼒学第⼀定律的,那么⼜是什么原因让⼈们观察到了这种神奇的现象?从系统研究这⼀现象开始,已经过去60年,⾄今仍⽆完美答案。

13岁的伊拉斯托·姆潘巴 (Erasto Mpemba) 在⾼中时观察到,如果把⽜奶和糖的混合物在热的时候放在冰箱⾥,它凝固得更快。这是发⽣在1963年坦桑尼亚的故事。当姆潘巴继续研究他的发现时,他的物理⽼师告诉他这是⽆稽之谈。另⼀⽅⾯,当地街头的冰激凌摊贩对姆潘巴的观察结果⾮常熟悉。

⼏年后,著名的英国物理学教授和外交官丹尼斯·奥斯本(Denis Osborne)访问了姆潘巴的学校并做了演讲。

在讲座后的问答环节中,年轻的姆潘巴再次提到了他的发现,但依然受到他的⽼师和周围同学们的嘲笑。然⽽这位杰出的外交官对此产⽣了兴趣,在返回达累斯萨拉姆(Dar es Salam,编者注:坦桑尼亚最⼤城市)后进⾏了实验——他没有⽤冰激凌,⽽是⽤⽔。最终,他们⼆⼈于1969年(Mpemba and Osborne,1969)在《物理教育》(Physics Education)杂志上发表了⽂章。

姆潘巴最终被证明是正确的!这篇⽂章由姆潘巴和奥斯本共同撰写,⾮常易读,已经成为经典之作。

如今,热⽔⽐冷⽔更快冻结的现象被称为姆潘巴效应(Mpemba Effect)。然⽽,这个观点的历史可以追溯到⽐1960年代更久远的时期。公元前四世纪,亚⾥⼠多德(Aristotle)在他的⽓象学著作中写道:如果⽔事先被加热,这有助于它快速冻结的过程:因为它冷却得更快(Aristotle 1952)。

17世纪初,弗朗⻄斯·培根(Francis Bacon)⾸次阐述了通过观察和推理来获得科学知识和洞察⼒的⽅法。在他的《新⼯具论》(Novum Organum)著作中,他写道:“稍微加热的⽔⽐完全冷却的⽔更容易冻结”(Bacon,1902)。姆潘巴和奥斯本的《物理教育》⽂章中并没有提及这些历史。

在1969年姆潘巴和奥斯本的⽂章发表之后的⼏⼗年⾥,⼈们对姆潘巴效应进⾏了很多实验。有时观察到了这个效应,有时则没有。不同的研究者使⽤不同的实验设置,很少有⼈试图完全重现别⼈的结果。在⽔的冷冻过程中涉及了许多变量,报告中缺乏适当的细节以及对可重复性的严肃强调,最终导致姆潘巴效应的谬误持续了很⻓时间,⽐它本来应该流⾏的时间更⻓。

2012年,英国皇家化学学会组织了⼀场竞赛,奖⾦为1000英镑,⽤于寻找最佳的姆潘巴效应解释。学会共收到了22,000份参赛作品,并且姆潘巴本⼈也出席了颁奖典礼。扎格勒布⼤学(University of Zagreb)的尼古拉·布雷⼽维奇(Nikola Bregovic?)最终获胜。在得奖的⽂章中,布雷⼽维奇描述了⾃⼰的实验,并将分析范围限制在基本热⼒学框架内(Bregovic?,2012)。

他指出四个可能有重要意义的因素:蒸发、溶解⽓体(dissolved gases)、对流(convection)和过冷。布雷⼽维奇认为过冷是最重要的因素,并在结论中引⽤了布朗⾥奇的⽂章:“只有当较冷的⽔过冷时,较热的⽔才会在较冷的⽔之前结冰,⽽且只有当较冷⽔的成核温度⽐较热⽔低⼏度时才会发⽣。加热⽔可能降低、升⾼或不改变⾃然的结冰温度”(Bregovic?,2012)。

在剑桥⼤学的亨利·伯利奇(Henry Burridge)和保罗·林登(Paul Linden)于2016年发表在Scientific Reports上的⼀篇⻓⽂中,对从1969年以来围绕该主题的讨论中出现的困惑和结果缺乏可重复性进⾏了详细的综述。作者进⾏了⾃⼰的实验,并通过测量⽔冷却到0°C所需的时间来排除了过冷现象的因素。姆潘巴效应不会发⽣。

⽂章的标题很好地概括了问题:“质疑姆潘巴效应:热⽔并不⽐冷⽔更快冷却。”(Questioning the Mpemba Effect: Hot Water Does Not Cool More Quickly Than Cold)

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