科學(xué)家揭開(kāi)熱水凍結(jié)速度超過(guò)冷水之謎
- 在線投稿 投稿信箱:tougao@qdn.cn 新聞熱線:8222000 投稿QQ:449315
- 時(shí)間:2010-3-29 10:13:15 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)
- 手機(jī)訪問(wèn) WAP網(wǎng)址 http://wap.qdn.cn
新浪科技 北京時(shí)間3月29日消息，據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，有時(shí)候，熱水的凍結(jié)速度反而會(huì)超過(guò)冷水，這是為什么呢？這種怪異的現(xiàn)象困擾了幾代科學(xué)家。經(jīng)過(guò)數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，紐約州立大學(xué)賓厄姆頓分校負(fù)責(zé)輻射安全的官員詹姆斯·布朗里奇最終發(fā)現(xiàn)證據(jù)，證明這種現(xiàn)象可能與水中雜亂無(wú)章的雜質(zhì)有關(guān)。
熱水快速凍結(jié)現(xiàn)象被稱之為“姆佩巴效應(yīng)”，以坦桑尼亞學(xué)生埃拉斯托·姆佩巴的名字命名。對(duì)于姆佩巴效應(yīng)，物理學(xué)家曾提出幾種可能的假設(shè)，其中包括水分更快蒸發(fā)導(dǎo)致熱水體積變小，一層霜隔絕了溫度更低的水以及溶質(zhì)濃度存在差異。但任何一種解釋都很難讓人信服，因?yàn)檫@種效應(yīng)并不可靠，冷水凍結(jié)速度往往還是超過(guò)熱水。
布朗里奇認(rèn)為，雜亂無(wú)章的雜質(zhì)才是導(dǎo)致熱水更快速凍結(jié)的關(guān)鍵因素。過(guò)去10年時(shí)間里，他利用空閑時(shí)間進(jìn)行了數(shù)百次有關(guān)姆佩巴效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)基于不穩(wěn)定過(guò)度冷卻現(xiàn)象的證據(jù)。
布朗里奇說(shuō)：“水幾乎從不在溫度降到零度時(shí)凍結(jié)，通常是在更低溫度下才開(kāi)始凍結(jié)，也就是所說(shuō)的過(guò)度冷卻現(xiàn)象。凍結(jié)點(diǎn)取決于水中與冰晶形成有關(guān)的雜質(zhì)。通常情況下，水可能含有幾種類型雜質(zhì)，其中包括塵粒、被溶解的鹽類以及細(xì)菌，每一種雜質(zhì)都能在特定溫度下觸發(fā)凍結(jié)機(jī)關(guān)。核化溫度最高的雜質(zhì)決定了水的凍結(jié)溫度。”
布朗里奇對(duì)兩個(gè)同樣溫度的水樣——20攝氏度的自來(lái)水——進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他把水樣裝入試管，而后放入冰箱中冷凍。由于雜質(zhì)的隨機(jī)混合導(dǎo)致其擁有更高凍結(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)水樣將首先凍結(jié)。如果這種差異足夠大，姆佩巴效應(yīng)便會(huì)出現(xiàn)。布朗里奇選擇自然凍結(jié)點(diǎn)更高的水樣，并將其加熱到80攝氏度，另一個(gè)則只加熱到室溫，而后將試管放回冰箱。他表示，如果熱水凍結(jié)點(diǎn)至少高出5攝氏度，其凍結(jié)速度往往會(huì)超過(guò)冷水。
可能讓人感到驚訝的是，區(qū)區(qū)5攝氏度就是一個(gè)足夠大的差異，幫助溫度更高的水首先“沖過(guò)終點(diǎn)線”。而如果以60攝氏度作為起步點(diǎn)，它們?cè)谶@場(chǎng)凍結(jié)較量中便要以失敗告終。物體與周圍環(huán)境——具體到這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，指的就是冰箱——的溫差越大，其凍結(jié)的速度就越快。也就是說(shuō)，在溫度較低的水樣達(dá)到零下7攝氏度這一凍結(jié)點(diǎn)前，熱水樣首先達(dá)到零下2攝氏度這一凍結(jié)點(diǎn)，進(jìn)而以更快的速度凍結(jié)，
為什么其他人沒(méi)有注意到這一點(diǎn)？布朗里奇表示，其他人在一次研究一個(gè)因素時(shí)并沒(méi)有很好地控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境，例如必須控制容器的類型以及水樣在冰箱中的位置。但布朗里奇所做的工作不可能終結(jié)有關(guān)姆佩巴效應(yīng)的爭(zhēng)論。美國(guó)密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)的喬納森·卡特茲便持懷疑態(tài)度。
根據(jù)卡特茲的理論，加熱能夠驅(qū)除二氧化碳等雜質(zhì)，進(jìn)而提高水的凍結(jié)點(diǎn)。這也就意味著，加熱實(shí)際上提高了水首先凍結(jié)的機(jī)會(huì)，而不是布朗里奇所說(shuō)的與雜亂無(wú)章的雜質(zhì)有關(guān)。他說(shuō)：“他可能發(fā)現(xiàn)了一種與姆佩巴類似的過(guò)度冷卻效應(yīng)。”
姆佩巴效應(yīng)得名由來(lái)
這種怪異的現(xiàn)象擁有很長(zhǎng)的歷史。公元前4世紀(jì)，亞里斯多德首次發(fā)現(xiàn)姆佩巴效應(yīng)。他這樣寫(xiě)道：“之前被加熱的水凍結(jié)速度更快。因此，在希望快速冷卻熱水的時(shí)候，很多人會(huì)首先將它放在陽(yáng)光下加熱。”
弗朗西斯·培根也曾發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。他在1620年寫(xiě)道：“與溫度極低的水相比，溫度稍高的水更容易凍結(jié)。”萊恩·笛卡爾在1637年指出：“經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在火上長(zhǎng)時(shí)間加熱的水凍結(jié)速度超過(guò)其他水。”
上世紀(jì)60年代，這種效應(yīng)開(kāi)始走進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)界的視線。當(dāng)時(shí)，坦桑尼亞學(xué)生姆佩巴對(duì)他的老師說(shuō)，通過(guò)將一種加熱過(guò)的混合物放入冰箱，他能夠以比正常情況更快的速度制作冰激凌。這種觀點(diǎn)一度讓姆佩巴成為同學(xué)們的笑柄，直到學(xué)校的一名督學(xué)在達(dá)累斯薩拉姆重復(fù)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明他的話所言非虛，姆佩巴才得到“平反”。
