冷水和熱水，誰(shuí)的結(jié)冰速度更快,？把一杯冷水和一杯熱水同時(shí)放進(jìn)冷凍室,，哪杯水會(huì)先結(jié)冰？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,，我們的直覺(jué)告訴我們,，冷水的結(jié)冰速度更快，因此必定是冷的那杯水先結(jié)冰,。然而實(shí)際情況卻并非這么簡(jiǎn)單,，早在1461年，物理學(xué)家喬瓦尼.馬利亞尼（Giovanni Marliani）就已經(jīng)明確地指出,，在有些時(shí)候,，熱水會(huì)比冷水更快地結(jié)冰，但這在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到重視,。

讓科學(xué)界真正注意到這個(gè)現(xiàn)象的,，是一位名為伊拉斯特.姆潘巴（Erasto Mpemba）的學(xué)生，1963年,，姆潘巴在自制冰淇淋的時(shí)候,，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，但當(dāng)他將這個(gè)發(fā)現(xiàn)告訴了他的老師和同學(xué)時(shí)，卻沒(méi)有人相信他,。

不甘心的姆潘巴又想辦法找到了物理學(xué)家丹尼斯.奧斯本（Denis Osborne）,，后者雖然也不大相信，但為了鼓勵(lì)姆潘巴的求知精神,，他還是為此精心設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn),，令他感到驚訝的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了姆潘巴觀測(cè)到的現(xiàn)象真的存在,，確實(shí)是在有些時(shí)候,，熱水的結(jié)冰速度更快。

（兩人在2013年的合影,，右邊是姆潘巴）

1969年,，丹尼斯.奧斯本和伊拉斯特.姆潘巴共同發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)地描述了這種有違常理的現(xiàn)象,，不久以后,，人們從實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這種現(xiàn)象的存在，于是正式將這種現(xiàn)象命名為“姆潘巴現(xiàn)象”（Mpemba Effect）,。這就意味著,，在我們把一杯冷水和一杯熱水同時(shí)放進(jìn)冷凍室之后，有可能是熱的那杯水先結(jié)冰,。

那么這到底是怎么回事呢,？事實(shí)上，這是一個(gè)還未完全解開的科學(xué)謎題,，不過(guò)人們還是提出了多種解釋,，下面我們就來(lái)介紹幾個(gè)比較主流的解釋。

水里溶解的氣體

在相同的外部條件下,，較冷的水總是會(huì)溶解更多的氣體,，而溶解在水中的氣體分子會(huì)使它周圍的水分子排列得更加緊密，這就抑制了水的對(duì)流,，進(jìn)而使冷水的結(jié)冰速度比比熱水更慢,。

蒸發(fā)的影響

熱水會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)而損失質(zhì)量，并且在蒸發(fā)過(guò)程中熱水的熱量將會(huì)更快地散發(fā)出去,，更小的質(zhì)量加上更快的散熱速度,，就可能導(dǎo)致熱水的結(jié)冰速度更快一些。

熱梯度問(wèn)題

在我們把一杯水放進(jìn)冷凍室之后,，杯子里的水的降溫幅度并不是均勻的,，具體表現(xiàn)在靠近杯壁的水將會(huì)迅速降溫，但其內(nèi)部的水溫下降幅度卻很小,，于是這兩者之間的溫度將產(chǎn)生了差異,，從而形成了一個(gè)熱梯度，這有利于水的對(duì)流。

在不斷冷卻的過(guò)程中,，這種熱梯度將會(huì)一直存在,，并且溫度越高的水熱梯度就越大，其內(nèi)部的對(duì)流就會(huì)更強(qiáng),，所以熱水就比冷水冷卻得要快一些,，而當(dāng)熱水的溫度降到與同時(shí)放入的冷水一致時(shí),，其內(nèi)部的對(duì)流依然比冷水激烈（類似慣性效果）,，并因此而比冷水更快地結(jié)冰。

過(guò)冷水

水結(jié)冰需要兩個(gè)條件,，第一是溫度低于零攝氏度,，第二是必須存在晶核。這個(gè)晶核是指水在開始結(jié)晶時(shí)所必需的固體微粒,，它可以是水中的雜質(zhì),，也可以依靠外部能量在水中自發(fā)生成。因此可以說(shuō),，在水中不存在雜質(zhì),，并且沒(méi)有受到外部能量影響的情況下，水就可以在零攝氏度以下保持液態(tài),，這種水就被稱為過(guò)冷水,。

（圖為過(guò)冷水受外部能量影響后迅速結(jié)冰）

需要注意的是，在水中雜質(zhì)極少的情況下,，依然可以形成過(guò)冷水,，這種過(guò)冷水需要在更低的溫度下才能結(jié)冰，有實(shí)驗(yàn)表明,，在這種情況下,，冷水的過(guò)冷溫度總是比熱水的低。

比如說(shuō)如果冷水需要零下8攝氏度才能結(jié)冰,，而熱水只需要零下2攝氏度,，那么當(dāng)冷水和熱水的溫度都降到零下2攝氏度的時(shí)候，熱水就算結(jié)冰,，而冷則會(huì)繼續(xù)保持液態(tài),。甚至在相同時(shí)間內(nèi)，冷的溫度已降至零下7攝氏度,，而熱水才剛剛降到零下2度,，在這種情況下，盡管冷水的溫度更低,，但熱水的結(jié)冰速度還是更快,。

分子層面的解釋

單個(gè)的水分子是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子通過(guò)“共價(jià)鍵”組成，簡(jiǎn)單地講，“共價(jià)鍵”就是兩個(gè)或多個(gè)的原子之間通過(guò)共用外層電子而形成的化學(xué)結(jié)構(gòu),，而由于共用電子呆在氧原子的這一頭的時(shí)間,，要比呆在氫原子這一頭的要多很多，因此總體上水分子的氧原子這一頭表現(xiàn)為帶負(fù)電荷,，而氫原子這一頭則帶正電荷,。

在這種情況下，多個(gè)水分子之間就會(huì)相互吸引,，這種相互作用被稱為“氫鍵”,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)溫度的高低會(huì)影響液態(tài)水中的“共價(jià)鍵”和“氫鍵”的長(zhǎng)度，即熱水的“氫鍵”比冷水的更長(zhǎng),，而“共價(jià)鍵”則會(huì)比冷水更短,。

也就是說(shuō)，水分子內(nèi)的“共價(jià)鍵”會(huì)隨著溫度的下降而變長(zhǎng),，同時(shí)水分子間的“氫鍵”則會(huì)變短,，需要注意的是，這是其實(shí)是一個(gè)釋放能量的過(guò)程,，并且隨著降溫過(guò)程的持續(xù),，這個(gè)放能的速度將以指數(shù)級(jí)的形式增加。

在我們把一杯冷水和一杯熱水同時(shí)放進(jìn)冷凍室之后,，由于熱水的“氫鍵”更長(zhǎng),、“共價(jià)鍵”更短，因此這杯熱水放能的初始值就比冷水高,，所以說(shuō)在相同的時(shí)間里,，熱水釋放能量的速度會(huì)超過(guò)冷水，結(jié)冰的速度也就更快,。

需要指出的是,，“姆潘巴現(xiàn)象”并不是每次都會(huì)發(fā)生，而上述的對(duì)“姆潘巴現(xiàn)象”的解釋都有一定的局限性,，它們要么不能解釋所有已觀測(cè)到的“姆潘巴現(xiàn)象”,，要么就是沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。就目前來(lái)看,，關(guān)于“冷水和熱水,，誰(shuí)的結(jié)冰速度更快？”這個(gè)問(wèn)題,，仍然是一個(gè)還未完全解開的科學(xué)謎題,。

好了，今天我們就先講到這里,，歡迎大家關(guān)注我們,，我們下次再見`