開水和涼水哪個(gè)先凍成冰塊？
在我們的直觀印象中 ， 如果把一杯熱水和一杯冷水同時(shí)放入冰箱 ， 那么應(yīng)該是冷水先結(jié)成冰 ， 我們的判斷依據(jù) ， 一方面是熱水要凍成冰塊 ， 其所釋放出來的熱量肯定要比冷水多 ， 在相同的制冷條件下 ， 熱水釋放能量的時(shí)間要比冷水長(zhǎng)；另一方面 ， 熱水在冷卻的過程中 ， 肯定要先到達(dá)冷水的溫度 ， 然后再繼續(xù)冷水的凝結(jié)過程 ， 因此所花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng) 。但是 ， 這僅是我們的直覺 ， 實(shí)際上在很早的時(shí)候 ， 亞里士多得、笛卡爾等科學(xué)家都曾經(jīng)描述過與直覺相反的水冷卻現(xiàn)象 ， 而在1963年的時(shí)候 ， 當(dāng)姆潘巴在做熱牛奶與涼牛奶冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí) ， 通過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比 ， 發(fā)現(xiàn)溫度略高的牛奶比溫度略低的牛奶要先凝固 ， 他的導(dǎo)師也通過多次實(shí)驗(yàn)印證了這一結(jié)論 ， 后來人們將這一現(xiàn)象稱為姆潘巴效應(yīng) 。
當(dāng)我們?cè)诩抑貜?fù)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候 ， 結(jié)果可能不一樣 ， 有時(shí)會(huì)熱水先凍結(jié) ， 有的時(shí)候冷水會(huì)凍結(jié) ， 之所以這樣 ， 是因?yàn)槟放税托?yīng)的出現(xiàn) ， 需要相對(duì)嚴(yán)格的條件 ， 比如熱水和冷水要來源于同一水源 ， 容器形狀要完全一致 ， 冷卻條件要完全相同 ， 更重要的是 ， 熱水和冷水的溫差不能太大 ， 如果你拿90攝氏度的熱水與1攝氏度的冷水相比 ， 那肯定是冷水先結(jié)成冰 。如果我們?cè)谙嗤膶?shí)驗(yàn)條件下 ， 拿50攝氏度的水與40攝氏度的水相比 ， 那極有可能是50攝氏度的水先結(jié)冰 。
為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？我們首先來看一下水結(jié)冰的過程 ， 水從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài) ， 實(shí)質(zhì)上是水分子在一定的溫度和壓強(qiáng)條件下 ， 其排列結(jié)構(gòu)的重新組合過程 。具體來說 ， 就是在水分子中 ， 除了氫和氧之間構(gòu)成的化學(xué)鍵之外 ， 還存在著水分子中的氫原子與另外水分子中的氧原子構(gòu)成的氫鍵 ， 這種氫鍵的作用力 ， 比分子內(nèi)部的化學(xué)鍵的強(qiáng)度要弱 ， 但要比水分子與水分子間的范德華力要大得多 ， 而決定著水相態(tài)的主要因素就在于氫鍵的作用力大小 ， 當(dāng)溫度降到冰點(diǎn)時(shí) ， 水分子之間的運(yùn)動(dòng)速度降低 ， 當(dāng)不能達(dá)到掙脫氫鍵的程度時(shí) ， 水分子與水分子之間就會(huì)通過氫鍵 ， 有規(guī)則地排列起來 ， 對(duì)外表現(xiàn)為固態(tài)的形式 。
而在水的結(jié)冰過程中 ， 并不是所有水分子所在區(qū)域 ， 都均勻出現(xiàn)這種排列的規(guī)律性組合 ， 而是先從一定的結(jié)晶核開始 ， 這是因?yàn)楫?dāng)溫度降低時(shí) ， 一杯水中的水分子 ， 其熱量散失、即運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化速率是不同的 ， 一旦結(jié)晶核形成 ， 那么在水分子運(yùn)動(dòng)過程中流經(jīng)結(jié)晶核的區(qū)域 ， 就會(huì)被氫鍵所俘獲 ， 從而使結(jié)晶核越長(zhǎng)越大 ， 直至整杯水都變?yōu)楣虘B(tài) 。因此 ， 決定著一杯水結(jié)冰速率的快慢 ， 在基本條件都相同的情況下 ， 主要由兩個(gè)方面的因素來決定 ， 一個(gè)是結(jié)晶核的數(shù)量 ， 第二個(gè)是熱量的散失效率 。
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