一杯冷水和一杯熱水，同時放冰箱，哪個先結冰？有何依據？

我們的直覺告訴我們，肯定是冷水先結冰。然而實際情況卻並非這麼簡單，早在1461年，物理學家喬瓦尼.馬利亞尼（Giovanni Marliani）就已經明確地指出，在有的時候，熱水可以比冷水更快地結冰，但這在當時並沒有得到重視。

讓科學界真正注意到這個現象的，是一位名為伊拉斯特.姆潘巴（Erasto Mpemba）的學生，1963年，姆潘巴在自制冰淇淋的時候，無意中發現了這種現象，但當他將這個發現告訴了他的老師和同學時，卻沒有人相信他。

不甘心的姆潘巴又想辦法找到了物理學家丹尼斯.奧斯本（Denis Osborne），後者雖然也不大相信，但為了鼓勵姆潘巴的求知精神，他還是為此精心設計了一系列的實驗，令他感到驚訝的是，實驗結果顯示了姆潘巴觀測到的現象真的存在，在有的時候，熱水可以比冷水更快地結冰。

（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.姆潘巴共同發表了一篇論文，詳細地描述了這種有違常理的現象，不久以後，科學界正式將這種現象命名為“姆潘巴現象”（Mpemba Effect）。這就意味著，在我們把一杯冷水和一杯熱水同時放進冰箱之後，有可能是熱的那杯水先結冰。那麼這是什麼原理呢？對此人們提出了多種解釋，下面我們就來介紹幾個比較主流的解釋。

在相同的外部條件下，較冷的水總是會溶解更多的氣體，而溶解在水中的氣體分子會使它周圍的水分子排列得更加緊密，這就抑制了水的對流，進而使較冷的水比熱水更慢地結冰。

熱水會因為蒸發而損失質量，並且在蒸發過程中熱水的熱量將會更快地散發出去，更小的質量加上更快的散熱速度，就可能讓熱水可以比冷水更快地結冰。

在我們把一杯水放進冰箱之後，杯子裡的水的降溫幅度並不是均勻的，具體表現在靠近杯壁的水將會迅速降溫，但其內部的水溫下降幅度卻很小，於是這兩者之間的溫度將產生了差異，從而形成了一個熱梯度，這有利於水的對流。

在不斷冷卻的過程中，這種熱梯度將會一直存在，並且溫度越高的水熱梯度就越大，其內部的對流就會更強，所以熱水就比冷水冷卻得要快一些，而當熱水的溫度降到與同時放入的冷水一致時，其內部的對流依然比冷水激烈（類似慣性效果），並因此而比冷水更快地結冰。

水結冰需要兩個條件，第一是溫度低於零攝氏度，第二是必須存在晶核。這個晶核是指水在開始結晶時所必需的固體微粒，它可以是水中的雜質，也可以依靠外部能量在水中自發生成。因此可以說，在水中不存在雜質，並且沒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，這種水就被稱為過冷水。

（圖為過冷水受外部能量影響後迅速結冰）

需要注意的是，在水中雜質極少的情況下，依然可以形成過冷水，這種過冷水需要在更低的溫度下才能結冰，有實驗表明，在這種情況下，冷水的過冷溫度總是比熱水的低。

比如說如果冷水需要零下8攝氏度才能結冰，而熱水只需要零下2攝氏度，那麼當冷水和熱水的溫度都降到零下2攝氏度的時候，熱水就算結冰，而冷則會繼續保持液態。甚至在相同時間內，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，儘管冷水的溫度更低，但熱水結冰的速度還是更快。

單個的水分子是由一個氧原子和兩個氫原子透過“共價鍵”組成，簡單地講，“共價鍵”就是兩個或多個的原子之間透過共用外層電子而形成的化學結構，而由於共用電子呆在氧原子的這一頭的時間，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為帶負電荷，而氫原子這一頭則帶正電荷。

在這種情況下，多個水分子之間就會相互吸引，這種相互作用被稱為“氫鍵”，科學家發現溫度的高低會影響液態水中的“共價鍵”和“氫鍵”的長度，即熱水的“氫鍵”比冷水的更長，而“共價鍵”則會比冷水更短。

也就是說，水分子內的“共價鍵”會隨著溫度的下降而變長，同時水分子間的“氫鍵”則會變短，需要注意的是，這是其實是一個釋放能量的過程，並且隨著降溫過程的持續，這個放能的速度將以指數級的形式增加。

在我們把一杯冷水和一杯熱水同時放進冰箱之後，由於熱水的“氫鍵”更長、“共價鍵”更短，因此這杯熱水放能的初始值就比冷水高，所以說在相同的時間裡，熱水釋放能量的速度會超過冷水，其結冰的速度也就更快。

需要指出的是，上述的所有的解釋都有一定的侷限性，它們要麼不能解釋所有已觀測到的“姆潘巴現象”，要麼就是沒有直接的實驗證據，因此可以說，就目前來看“姆潘巴現象”仍然是一個沒有完全解開的科學謎題。

熱水先結冰，原因如下：

第一個原因，傳熱有三種基本的方式，導熱、對流和輻射，三種傳熱方式的傳熱量（速率）均與其傳熱係數和冷熱源之間的溫差相關，有的傳熱方式甚至與溫度的4次方成正比，而熱水的絕對溫度以及與冷凍室環境溫度之間的溫差遠大於冷水，同時，傳熱係數亦會隨著溫度的升高而有一定的變大，所以，儘管熱水熱容量大，但綜合下來，熱水的傳熱速率遠遠大於冷水。

就象兩個賽跑能力相近的人賽跑，終點在同一地點，第一個人跑50米，另一人在60米外啟功，以正常速度跑到還有50米處時第一人再從0啟動，這時，兩人的終點相同、距離相同，同為50米，但顯而易見，第二個人佔有絕對優勢，會先到達終點，其實是贏在了起點。

第二個原因，傳熱具有熱慣性，當冷水和熱水與環境之間溫差縮小甚至消失後，冷水由於傳熱速率小，傳熱慣性小，其傳熱過程會很快終結，結冰的過程會相對較慢，而熱水由於傳熱速率高，傳熱慣性大，雖然與環境之間溫差已基本消失，仍會繼續高速傳熱，這個特性會讓結冰的時間相對於冷水要短很多。

就象一個速度快的人到達終點後一定會多跑過十幾甚至二十幾米才能停下來一樣，而一個速度慢的人會很快停下來。

以上兩方面就是熱水比冷水先結冰的主要原因。