科学!这就是为什么热水比冷水结冰更快

上周，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的研究人员提出了可能的答案这是迄今为止对姆潘巴效应最合理的解释[PDF]。

你可能听说过热水比冷水结冰更快，这就是姆潘巴效应。我记得当我们还是孩子的时候，我姐姐告诉我。我当时不相信她的话，多年来一直不相信她的话。这是一种听起来像老妇人的故事的事情。

但让我们把一件事弄清楚:对于姆潘巴效应的存在这一事实，没有任何争议。这是在许多对照实验中观察到的。*亚里士多德第一次注意到冰的存在是在两千年前，他写了一篇关于捕冰者如何将水加热以使其更快结冰的文章。这一现象是以坦桑尼亚人伊拉斯托·姆潘巴的名字命名的。1963年，他还是一名中学生时，就注意到热冰淇淋比冷冰淇淋冻得更快。他向客座讲师丹尼斯·g·奥斯本(Denis G. Osborne)博士提出的问题是:“如果你拿两个体积相等的容器，一个是35°C(95°F)，另一个是100°C(212°F)，然后把它们放进冰箱，开始时温度为100°C(212°F)的容器首先结冰。为什么?一开始被嘲笑，但奥斯本后来复制了姆潘巴的结果，并在1969年与他共同撰写了一篇论文，解释了这些观察结果。

*不，你的朋友说，“一次我在一个冰块托盘里装满热水，另一次装满冷水，冷水冻得更快。”这不能算作一个对照实验。

这完全是违反直觉的，似乎违反了热力学的基本定律。明确一点，我们这里说的是在一定条件下，一定体积的温水结冰所需的总时间是小比同等体积的冷水在完全相同的外部温度下冻结所需的总时间还要长。这真的很奇怪。我的意思是，在这个过程中的某个时刻，温水不是和冷水达到了完全相同的初始状态吗?如果是这样的话，为什么刚刚变热的冷水比刚开始变冷的水冻结得更快呢?几十年来，它让人们摸不着头脑，或者干脆否认它的存在。

从那以后，人们提出了许多解释，试图解释这一现象，但没有一个比听起来合理的理论更有说服力。以下是其中的一些:

理论:由巨大的温差引起的温水中的对流会使其冷却得更快，即使在水温下降到与冷水相同的温度后，这些对流仍会继续，从而使其在结冰时超过冷水

*问题:水是非常粘稠的东西，像这样的对流在冷却水的时间内不会继续流动。

理论:热水会蒸发。留下更少的水意味着更少的水可以结冰

问题:即使考虑到蒸发，热水也比冷水结冰得快。

理论:热水在冷冻机内的空气中产生对流模式，从而提高其冷却效率

***问题:你可以在同一个冰箱里用热的和冷的托盘做实验，仍然观察到热的比冷的冷冻得快。

理论:冷水在顶部结冰，形成绝缘层，防止其他部分快速冷却。****

****问题:热水也会形成这层霜。

实验问题很大，因为有很多变量需要控制——除了起始温度，还有冷冻室的形状，容器的体积和形状，容器的绝缘性能，水中溶解的固体，等等。在上周的论文发表之前，最可信的工作是由感兴趣的外行人完成的詹姆斯Brownridge他提出，加热水会改变水中杂质的性质，从而改变水的冰点(他观察到，大多数水实际上在0°C以上过冷，直到明显低于这个温度才开始结晶)。

这篇新论文声称，这种效应实际上有一种化学解释，而且在数学上符合观察到的数据——据我所知，这是第一个能够做到这一点的解释。

水分子由两个氢分子和一个氧分子主要通过强共价键连接而成。通常情况下，共价键在受热时会变软变长。但在水中，由于氢键的独特性质——一个水分子中的氢原子与邻近分子中的氧分子之间的相互作用——会发生相反的效果。当一团水吸收能量时，氢键会拉伸(导致单个水分子彼此分开)，但每个分子内的共价键会变得更短更硬——这与水结冰时发生的情况相同。

所以在单个分子水平上，加热的水比最初的冷水更接近于冷冻的水。更重要的是，这些缩小的共价键释放能量的速率与最初储存的能量呈指数关系。实际上，热水像泉水一样有能量，当你开始冷却它时，它就会释放出来，让它更快地冷却和冻结。

整洁的,是吧?

你可以仔细研究一下细节全文在这里，附有完全看不懂的图表。