热水结冰更快?

PROTON

热水结冰更快?
      1963年，坦桑尼亚的马干 巴中学三年级的学 生姆潘 巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的
过程 中，他们总是先把生牛奶煮沸 ，加入糖 ，等冷却后倒入冰格 中，再放进冰箱冷冻。有一天 ，当姆 潘巴做冰淇淋时 ，冰箱冷冻室内放冰格的空位 已 经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位，姆潘巴只
得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖 ，等不及冷却 ，就把滚烫的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小
时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热牛奶已经结成冰，而其他同学放的冷牛
奶还是很稠的液体。照理说 ，水温越低，结冰的速度越快，而牛奶 中含有大量的水，应该是冷牛奶 比
热牛奶结冰速度快才对 ，但事实怎么会颠倒过来了?
姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师 ，都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐 ，就用嘲讽的口吻说 ：你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧!但执着 的姆潘 巴并没有认为自己的问题很荒唐 ，他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博上到他们学校访问的机会 ，又提出了 自己的疑问。 这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后 ，博士按照姆潘 巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验 ，结果都观察到了姆潘 巴所描述的颠覆常识的怪现。于是，他邀请姆潘巴和他起对这个现象进行了深入研究 ，并共同撰写 了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以姆潘 巴 的名字命 名。
“姆潘巴现象”真的能颠覆我们以往关于水结冰的常识吗?
难以解释的现象
      最先肯定“姆潘巴现象”存在的那位博士在对其进行细致研究过程中发现，当把热水放入电冰箱冷却的最初时刻 ，热水水体的上表面与底部不存在温度差 ，但一经急剧冷却，温度差就立 即出现 ，其中初温为 70℃的热水内产生的高低温度差接近 l4℃，而初温为 47℃的热水内产生的高低温度差只有 l0℃。这说 明在冻结前的降温过程中，较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差。但为什么温差大的水要先冻结呢?这只能有一种解释比较合理，那就是水体上表面的温度愈高 ，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快 ，冻结也就愈快。这便是热牛奶 比冷牛奶先结冰的秘密。
     但后来其他研究人员的实验和上面的实验结果就不大相同了。有研究人员用纯净水反复做了类似实验 ，结果始终没有发现“姆潘巴现象”。还有对此感兴趣的研究者通过实验证实，只有当冰箱内有显著温差 、或牛奶含糖量不 同、或糖没有溶解 、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时，“姆潘 巴现象”才会出现。这就是说“姆潘巴现象”是个别现象 ，其所包含的物理现象并不能否定我们的常识。
为什么同样的实验其结果差异很大呢?“姆潘巴现象”究竟是不是真实的物理现象?如果是 ，为什么我们找不到其中隐藏的秘密?
在很长一段时间里，“姆潘巴现象”都是一个不大不小的很有知名度的物理难题 ，因为古希腊哲学家亚里士多德就曾记载过这个怪异现象 ，由于姆潘巴提问和求解事迹的广泛传扬，使得这一现象更加吸引人们的眼球 了。
硬物作怪
     最近，美国华盛顿大学的乔纳森 •卡茨通过对“姆潘巴现象”的深入研究，捉到了隐藏其中的“鬼怪”。他证实，这种现象不但真实存在，而且造成这种现象发生的“鬼怪”也是真实存在的。不过，这其中的“鬼怪”只是隐藏在水里面的一些寻常“硬物”。
     在破解“姆潘巴现象”的过程中，卡茨把 目光盯在了水上。我们知道，水在加热过程中，一些隐藏在水里的易溶“硬物”——碳酸钙和碳酸镁等碳酸盐会被“驱逐”出去，形成沉淀物。我们 日常生活中常见的附在水壶内壁上的水垢 ，就是它们被“驱逐”出去的证据。而水在达到沸点以后 ，就会因“硬物”被绝大部分清除而软化。卡茨发现 ，同样是冷冻结冰 ，未经加热 的硬水在结冰过程中，由于其内部“硬物”作祟 ，使得硬水 的冰点要 比被加热后的软水冰点低一些 ，这就减缓了硬水结冰的速度。这一原理就如同下雪后向路面撒盐会防止结冰一样，盐的混入 ，会使雪的冰点降低 ，这样 ，雪结冰的过程就拉长了。
     但仅凭这个发现还不能直接破解 “姆潘巴现象”，因为姆潘巴的同学们在做冰淇淋的过程 中，都先把生牛奶煮熟了。那为什么姆潘巴的热牛奶会先冻结呢?卡茨发现 ，原因还是出在水里的“硬物”上：为了吃到可口的冰淇淋，他们都在牛奶里加了糖 ，而糖实际上会使牛奶液体变“硬”。但同样是煮熟 、加糖的牛奶 ，热牛奶液体的硬度实际要 比冷牛奶 的硬度要低一点 ，这个硬度的差异造成了它们冰点的差异 ，硬度较高的冷牛奶其冰点相对要低些。这样，冰点略高的热牛奶 自然要 比冰点略低的冷牛奶要先结冰了。
      当然，还有另外一个原因能够降低低温水的结冰速度，因为实验证明，热量从水中流失的速度取决于温差，就是说在同样的低温环境里 ，温度相对较高的水比温度相对较低的水散热速度要快一些。换成牛奶 ，道理也是一样。那么为什么在众多实验 中，“姆潘巴现象”不会每次都出现?卡茨认为，原因就在于试验者一开始用的就是软水。用同样的软水来做冷热实验，由于水的冰点都一样 ，而且散热速度的快慢对结冰速度 的影响很微弱 ，所 以“姆潘巴现象”就不那么显而易见了。
     有科学家指  ，卡茨的发现很可能小是“姆潘巴现象”的终极答案，但和目前现有的各种答案相
比，这个答案还是最有说服力的。
摆脱常识束缚
     现在看来 ，“姆潘巴现象”作为一个 “结冰特例”并没有颠覆我们以往的有关常识，但它毕竟对我们 的常识进行 了一次激烈挑战，丰富了我们对水的认识。如果我们被常识束缚 ，硬把这个怪异现象当作荒唐现象来看待，那么我们就不会对水在特殊条件下的结冰特点有新发现。相反 ，如果我们在尊重常识的同时 ，还善于摆脱常识的束缚 ，我们才会有新发现。
     还是以水为例。美国研究人员发现 ，用水分子可以做成“水膜”，这种“水膜”像蜡那样能起到防水作丌j。他仃J在铂的表面铺 一层“水膜”，结果发现新泼上去的水就像雨点在打蜡的汽车上的表现一样 ，很快被“水膜”赶走了。
     还有，作为常识，人们都知道，水的凝固点是O~C。但韩国一个科研小组发现 ，水在 20℃时也可以凝结成冰。这些研究人员在使用扫描隧道显微镜观察电子如何穿过一层水膜 ，到达水膜下的电极的过程中，获得了这个意外发现。在观察过程中，他们通过检测仪器显示的异常数据得知，扫描隧道显微镜的带电金属尖端在水膜中上下震动时遭到阻碍。之所以会这样，原因是下降中的金属尖端下方的水分子瞬间凝固形成了对尖端的阻碍。后来经过反复实验证实 ，随着扫描隧道显微镜 的带电金属尖端不断下降，它与水膜下面电极的距离也就越近，而两者越近，两者之间形成的电场就越强。当达到大概 2个水分子距离的时候，在强电场作用下，水转化为了固体形态。如果研究人员固守“只有降温才能把水变成固体”的常识 ，他们就很难获得这个重大发现。
      此外，以往我们认为水分子形象是互相手拉手像金字塔那样的四面体，而科学家最近对水分子的研究表明，它们的形象并非是单一的四面体而是多种多样的。研究还发现，水还能冻结成 一种典型的结晶体。
仅仅是司空见惯的水 ，就有如此多怪异的特性 ，自然界中一定有无数的怪异现象，挑战着我们的常识 。