@ 2017.11.19 , 21:00
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姆彭巴效应:热水会比冷水更快结冰

姆彭巴效应:热水会比冷水更快结冰
Credit 123RF

这个谜题或许可以追溯到亚里士多德的时代:在合适的环境下,热水竟然比冷水更快地结冰。现在,一群来自西班牙物理学家首次从理论上解答了这种看似矛盾现象——姆彭巴(Mpemba)效应——是怎么发生的。

正如马德里查尔斯三世大学(Charles III University Madrid)的Antonio Lasanta发表在《物理评论通讯》(Physical Review Letters)上的一篇论文所描述的,答案取决于个体水分子的速度,因为它们像蚁穴中的蚂蚁一样在四面八方漫无目的地奔跑。

在几个世纪以来,许多科学家和自然哲学家都已经注意到了姆彭巴效应,其中包括勒内·笛卡尔和弗朗西斯·培根,但是直到20世纪60年代才真正对其用现代的手段进行了研究。当时一个名叫Erasto Mpemba的坦桑尼亚少年发现一种冰淇淋的混合物比一杯冷水更容易结冰时,事情就发生了变化。 Mpemba向一位正在他的高中演讲的物理学家做咨询,然后他们一同在高中的实验室里证实了这个效应的存在性。

从那以后,人们对姆彭巴效应提出了可能的各种解释:温水蒸发时更高效地带走热量,或者在流体内发生异常流动,甚至过度冷却,在水转化成冰之前,水温远低于零度。

没有一个解释是能令大多数人信服的。事实上,最近的一项研究“有些伤感地”推断,其实并没有证明姆彭巴效应存在的真实证据。

为了探究这个问题,西班牙研究人员首先进行了更清晰的定义。想象两个放在冰箱里的烧杯,一杯是热水,另一个是冷的。如果按照Mpemba效应,则较热的一个将比较冷的一个更早达到零度。

在每个烧杯里面,组成水的分子始终做着不规则运动。如果水温升高,它们会移动得更快。如果它们冷却下来,就会步履蹒跚;如果冻结成冰,水分子就会卡在一个位置,无力地颤抖。

Lasanta的团队分析了这种情况的简化版本,其中液体中的微粒是微小的球体,彼此之间每次碰撞时都会失去一点能量。

传统观点认为,每个烧杯结冰的时间只取决于其初始温度。热水中的分子移动得更快,这意味着减慢它们的速度需要更多的时间 ——因此液体越热,冷却的时间越长。

想必读者也能猜到,事情不会完全如同传统的理论的预言——研究人员发现,温度不是唯一的决定性因素。

如果分子像蚂蚁一样围绕巢穴运动,则液体的温度对应于它们的平均速度。所以如果所有的蚂蚁都以每小时50米的速度行走,则对温度而言,实际效果相当于一半的蚂蚁以50米/每小时的速度前进,剩下的四分之一的一小时行走75米,其余的则是是25米。

然而,偏离常值的蚂蚁数量——磨磨蹭蹭的落后者和活力四射的超前者——在液体冷却速度方面起着关键作用。这种偏离平均值的程度(统计学家称之为“峰度”)的性质在早期的研究中被忽略,这可能是造成姆彭巴效应可重复性差的原因。

在方程中插入峰度等于重新定下了游戏规则。 Lasanta说:“我们现在可以进行定量的分析计算,以了解Mpemba效应如何以及何时发生。”

当条件恰到好处时——如果热烧杯的温度比冷烧杯的温度要高,而且分子的速度足以产生很高的峰度,那么数值模拟显示,较热的样品会比冷的样品冷却得更快。

“实际上,我们发现,热水可以更快地冷却,同时也有相反的效果:冷水也可以更快达到地沸点,这将被称为逆姆彭巴效应。”Lasanta说。

下一步?尝试用实验证明数值计算的模拟结果——首先在实验室环境里,然后在开放的现实世界中。如果全部成功,这一发现可能会应用在改进制冷和冷藏技术方面。

本文译自 cosmosmagazine,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 3618865

    水在相变这个领域比较特殊,主要是因为氢键的存在,使得冰比水体积大,所以有很多性质是和其他东西相反的

  2. 3618896

    大火烧的水和小火慢慢烧的水口感不一样?
    天然气烧水有一种漂浮感,核电火电风电混合起来烧水是一种强劲的感觉,使用太阳能烧水则更具有活力感,最好则是使用融岩浆浸泡容器,这样烧出的水会更加入味!

  3. 桑吉尔夫
    @8 months ago
    3618899

    初中物理课本上说过……

  4. 你妹他哥
    @8 months ago
    3618911

    爱笑的妹子,更容易哭泣

  5. 晶晶静静
    @8 months ago
    3618920

    一个实验就能搞定的事情,非要打几十年的嘴炮

  6. 3618953

    @晶晶静静: 你真以为搞物理的都傻到只会打嘴炮不去做个实验?
    早就有无数实验验证过了,问题在于原理

  7. 那不拉
    @8 months ago
    3618973

    前两年煎蛋至少有过两篇文章,一个是某大学出奖金求证明,一个人问题被解决的。

  8. compete
    @8 months ago
    3618975

    这个解释就是说有些分子温度高有些温度低,他们的平均温度可能较高,但由于温度高的部分散热极快,所以总体降温速度快。

    这个解释没说明如何制造一杯水,它里面的快分子与慢分子速率相差巨大。

    这个效应可能只是实验误差导致的,冰箱不同的地方冷却速率是不一样的。

  9. 大帅b
    @8 months ago
    3619027

    都散了吧,那是谣言。你们自己做一下就知道,热水比冷水结冰快再没有被重复出来。

  10. 3619034

    看这意思是说那杯热水内部温度差异巨大,然后温度计刚好测的高温的那个部位

  11. 3619054

    我们也能从理论上解释地球为何是方的, 入手点可以是各种晶体结构, 地磁偏向, 量子理论, 等等, 借助合适的参数和假定, 我们甚至能模拟出方的地球

    然而至今还没有实验能重现地球是方的这个现象.

  12. 物理白痴
    @8 months ago
    3619063

    1℃的冷水比99℃热水快结冰吧?能不能说出大概热水和冷水范围值?例如65℃的热水比30℃的冷水快结冰。
    99℃的热水比1℃的冷水 冷得快 我可以接受,为什么每次看到都是说热水比冷水快结冰

  13. 3619094

    我曾经在冬天用两个杯子扣在脸盆里做过实验,这样防止冰箱里冷热不均,并没有明显观察到该现象

  14. 3619096

    在冬天室外做过,没观察到该现象

  15. 阿特拉斯
    @8 months ago
    3619112

    @大帅b: 呵呵,初中我们班就做过,成功。不过物理老师说过,这个实验的可重复性差,不一定每次都成功,一定是有某个变量所有人都没有注意到。

  16. 蓝色的Michael
    @8 months ago
    3619131

    @你妹他哥: 爱哭的汉子,更容易微笑

  17. 什么鬼
    @8 months ago
    3619179

    话说当年走进科学做过这个实验诶,结果失败了

  18. 3619297

    这是著名的伪科学题目,文中的解释也是外行得很,最后一个‘逆xx效应’更是荒唐。认真研究这个课题的可算是二把刀的科学品味。波尔兹曼统计不会让液体分子动能出现什么奇怪的分布。

    一定要说某次不严谨的实验怎么产生了热水冷的早的结果的话,那特定条件会很特定。一种可能是冰箱内不同位置温度不一样,冰箱侧面埋着冷凝管,表面不一定能看到,箱内空气对流把冷凝管的冷量传导到其它位置,靠近冷凝管并且对流无碍的地方会更冷。另一种有限玄的解释也是关于对流的,热水在杯壁冷却强的条件下,会对流起来,这个宏观流动如果能保持到低温的话,对流将会有助冷却速度。第三种解释会很搞笑,因为热杯在气流上游,加热的空气会把热量优先传给下游的,结果当然是热杯冷的快了。

  19. thomaszhu
    @8 months ago
    3619338

    我总觉得不太对。假定目前有一杯热水和一杯冷水在同样的环境温度下冷却直至结冰。那如果要热水比冷水先结冰的话,必定存在一个特定时间点。热水和冷水是同样温度。以那个时间点作为观测参考的话,不是可以认为两杯同样温度的水,在同样的温度环境下,会不同时间结冰?

  20. 卡拉大狗
    @8 months ago
    3619353

    已经被证实是假的了

  21. 3619368

    总结一下:以前的实验重复性差、传统理论认为不存在该现象-> 提出一种新的理论解释->认为存在特定的情况才会出现(所以重复性差)->打算做个模拟->模拟成功就做个实验->那就等消息呗 谁没开过题似的

  22. 一只鸡
    @8 months ago
    3619408

    你好,我是一只球星鸡

  23. 3619460

    标题并没有指明条件。所以特定条件下成立也对论点起不了什么支持作用。

  24. 3619518

    @===: 液体分子运动速率什么时候也能用玻尔兹曼统计了

  25. 3619961

    水降温过程是不是连续的?水降温到零度之前会不会结冰?热水降温到0度和冷水降温到零度哪个需要的时间长一些?

  26. 3620061

    温度高的水 水分子运动较快 更容易带走热量。

  27. 高高狗
    @8 months ago
    3620144

    假设有一杯100度和60度的水同时冻。
    难道100度的热水会跳过60度这个层级直接到达0度?

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