我來回答個最全面的~!
這是一個物理學上的難題。起源於一個事實:在坦尚尼亞的某一個學校,允許生活困難的學生在課間買自制的冰激凌,這些學生到校的第一件事就是做冰激凌,因為誰做的快,誰就能早一些賣出。有一天,一位學生遲到了,她把熱的冰激凌原料放入了冰箱,結果她的冰激凌最先完成。
於是就有了許多物理上的解釋,都不滿意。
一、姆佩巴效應
1963年的一天,在地處非洲熱帶的坦尚尼亞一所中學裡,一群學生想做一點冰凍食品降溫。一個名叫埃拉斯托·姆佩巴的學生在熱牛奶里加了糖後,準備放進冰箱裡做冰淇淋。
他想,如果等熱牛奶涼後放入冰箱,那麼別的同學將會把冰箱佔滿,於是就將熱牛奶放進了冰箱。過了不久,他開啟冰箱一看,令人驚奇的是,自己的那杯冰淇淋已經變成了一杯可口的冰淇淋,而其他同學用冷水做的冰淇淋還沒有結冰。姆佩巴把這特殊現象告訴了達累薩拉姆大學的物理學教授奧斯博爾內博士。
奧斯博爾內聽了姆佩巴的敘述後也感到有點驚奇,但他相信姆佩巴講的一定是事實。尊重科學的奧斯博爾內又進行了實驗,其結果也姆佩巴的敘述完全相符。這就確切地肯定了在低溫環境中,熱水比冷水結冰快。此後,世界上許多科學雜誌載文介紹了這種自然現象,還將這種現象命名為"姆佩巴效應"(Mpemba Effect)。
二、姆佩巴效應的歷史
熱水比冷水更快結冰的事實已被知道了很多個世紀。最早提到並記載此一現象的資料,可追溯到公元前300年的亞里斯多德,他寫道:
"先前被加熱過的水,有助於它更快地結冰。
因此當人們想去冷卻熱水,他們會先放它在太陽下。。。"
但在 20 世紀前,此現象只被視為民間傳說。直到1969年,才由Mpemba再次在科學界提出。自此之後,很多實驗證實了 Mpemba 效應的存在,但沒有一個唯一的解釋。
大約在1461年,物理學家 Giovanni Marliani 在一個關於物體怎樣冷卻的辯論上,說他已經證實了熱水比冷水更快結冰。他說他用了四盎司沸水,和四盎司未加熱過的水,分別放在兩個小容器內,置於一個寒冷冬天的屋外,發現沸水首先結冰。
但他沒能力解釋此一現象。
到了十七世紀初,此現象似乎成為一種常識。1620年培根寫道"水輕微加熱後,比冷水更容易結冰。"不久之後,笛卡兒說"經驗顯示,放在火上一段時間的水,比其它水更快地結冰。"
直至1969年,那已是Marliani實驗500年之後,坦尚尼亞中學的一個命叫Mpemba的中學生再發現此現象的故事,被刊登在《新科家》(New Scientist)雜誌。
這個故事告訴科學家和老師們,不要忽視非科學家的觀察,和不要過早下判斷。
後來,Mpemba學到牛頓冷卻定律,它描述熱的物體怎樣變冷(在某些簡化了的假設下)。Mpemba 問他的老師為什麼熱牛奶比冷牛奶先結冰。這位老師同樣回答是一定Mpemba混淆了。
當Mpemba繼續爭辯時,這位老師說:"所有我能夠說的是,這是你Mpemba的物理,而不是普遍的物理。"從那以後,這位老師和其它同學就用"那是Mpemba的數學"或"那是Mpemba的物理"來批評他的錯誤。但後來,當Mpemba在學校納?鍤笛槭遙?⑹雜萌人?屠淥?鍪笛槭保??僖淮畏⑾鄭喝人?紫冉岜??BR> 更早時,有一位物理教授Osborne博士訪問Mpemba的那間中學。
Mpemba問他這個問題。Osborne博士說他想不到任何解釋,但他遲些會嘗試做這個實驗。當他回到他的實驗室,便叫一個年輕的技術員去測試Mpemba的實驗。這位技術員之後報告說,是熱水首先結冰,又說:"但我們將會繼續重複這個實驗,直至得出正確的結果。
"然而,實驗報告給出同樣的結果。在1969年,Mpemba和Osborne報導他們的結果。
同一年,科學上很常見的巧合之一,Kell博士獨立地寫了一篇文章,是關於熱水比冷水先結冰的。Kell 顯示,如果假設了水最初是透過蒸發冷卻,和維持均勻的溫度,這樣,熱水就會失去足的質量而首先結冰。
Kell因此表明這種現象是真的(當時,這現象在加拿大城市是一個傳聞。),而且能夠用蒸發來解釋。然而,他不知道Osborne的實驗。Osborne測量那失去的質量,發現蒸發不足以解釋此現象。後來的實驗採用密封的容器,排除了蒸發的影響,仍然發現熱水首先結冰。
三、對姆佩巴效應的各種解釋
什麼是Mpemba效應?有兩個形狀一樣的杯,裝著相同體積的水,唯一的分別是水的溫度。現在將兩杯水在相同的環境下冷卻。在某些條件下,初溫較高的水會先結冰,但並不是在任何情況下,都會這樣。
例如,99。9℃的熱水和0。01℃的冷水,這樣,冷水會先結冰。Mpemba效應並不是在任何的初始溫度、容器形狀、和冷卻條件下,都可看到。
一般人會認為這似乎是不可能的,還有人會試圖去證明它不可能。這種證明通常是這樣的:30℃的水降溫至結冰要花10分鐘,70℃的水必須先花一段時間,降至30℃,然後再花 10分鐘降溫至結冰。
由於冷水必須做過的事,熱水也必須做,所以熱水結冰慢。這種證明有錯嗎?
這種證明錯在,它暗中假設了水的結冰只受平均溫度影響。但事實上,除了平均溫度,其它因素也很重要。一杯初始溫度均勻,70℃的水,冷卻到平均溫度為30℃的水,水已發生了改變,不同於那杯初始溫度均勻,30℃的水。
前者有較少質量,溶解氣體和對流,造成溫度分佈不均。這些因素會改變冰箱內,容器周圍的環境。下面會分別考慮這四個因素。
1。 蒸發──在熱水冷卻到冷水的初溫的過程中,熱水由於蒸發會失去一部分水。質量較少,令水較容易冷卻和結冰。
這樣熱水就可能較冷水早結冰,但冰量較少。如果我們假設水只透過蒸發去失熱,理論計算能顯示蒸發能解釋Mpemba效應。 這個解釋是可信的和很直覺的,蒸發的確是很重要的一個因素。然而,這不是唯一的機制。蒸發不能解釋在一個封閉容器內做的實驗,在封閉的容器,沒有水蒸氣能離開。
很多科學家聲稱,單是蒸發,不足以解釋他們所做的實驗。
2。 溶解氣體──熱水比冷水能夠留住較少溶解氣體,隨著沸騰,大量氣體會逃出水面。溶解氣體會改變水的性質。或者令它較易形成對流(因而較易冷卻),或減少單位質量的水結冰所需的熱量,或者改變沸點。
有一些實驗支援這種解釋,但沒有理論計算的支援。
3。 對流──由於冷卻,水會形成對流,和不均勻的溫度分佈。溫度上升,水的密度就會下降,所以水的表面比水底部熱─叫"熱頂"。如果水主要透過表面失熱,那麼,"熱頂"的水失熱會比溫度均勻的快。
當熱水冷卻到冷水的初溫時,它會有一熱頂,因此與平均溫度相同,但溫度均勻的水相比,它的冷卻速率會較快。雖然在實驗中,能看到熱頂和相關的對流,但對流能否解釋Mpemba效應,仍是未知。
4。 周圍的事物──兩杯水的最後的一個分別,與它們自己無關,而與它們周圍的環境有關。
初溫較高的水可能會以複雜的方式,改變它周圍的環境,從而影響到冷卻過程。例如,如果這杯水是放在一層霜上面,霜的導熱效能很差。熱水可能會熔化這層霜,從而為自己創立了一個較好的冷卻系統。明顯地,這樣的解釋不夠一般性,很多實驗都不會將容器放在霜層上。
最後,過冷在此效應上,可能是重要的。過冷現象是水在低於0℃時才結冰的現象。有一個實驗發現,熱水比冷水較少會過冷。這意味著熱水會先結冰,因為它在較高的溫度下結冰。但這也不能完成解釋Mpemba效應,因為我們仍需解釋為什麼熱水較少會過冷。
在很多情況下,熱水較冷水先結冰,但並不是在所有實驗中都能觀察到這種現象。而且,儘管有很多解釋,但仍沒有一種完美的解釋。所以,姆佩巴效應仍然是一個謎。
除了這個迷之外,現時中還有一個原因,一般直冷式電冰箱的溫控器是根據冰箱內的溫度來啟動壓縮機工作,進行致冷的。
在箱內溫度升高到設定的溫度時,致冷壓縮機開始工作,當放進溫度較高的物品時,箱內溫度較快升高,壓縮機也就提早開始工作,要降到設定的溫度,工作的時間也較長,所以溫度高的物品要冷得快一些。根據電冰箱控溫器的這種工作方式,所以在冬天,環境溫度本來就較低,冰箱內的溫度也不會高,如果將控溫器的值調得過低,冰箱就會長時間不啟動,放在冰箱內的物品反而會解凍,這是使用電冰箱溫控器要注意的一點,當然,對現代的全自動溫控的電腦型的電冰箱,不存在這個問題。
古希臘哲學家亞里士多德曾最先記載過這樣一個奇特現象——在同等低溫條件下,溫度高的水結冰速度快於冷水。坦尚尼亞學生姆潘巴1969年使這一現象變得更為人知曉,他發現加糖的牛奶加熱後比未加熱的牛奶結冰速度快。這種現象也被稱為“姆潘巴現象”。
但箇中原因是什麼呢?
據將於6月3日出版的英國《新科學家》雜誌報道,美國華盛頓大學的喬納森·卡茨在對“姆潘巴現象”深入研究後認為,這一現象實際上與水中的溶解物有關。水在加熱過程中,一些通常會使水變“硬”的溶解物,主要是碳酸鈣和碳酸鎂等碳酸鹽,會被“驅逐”出來形成固體沉澱,這就是日常生活中常見的附在水壺內壁上的水垢。
卡茨說,未經加熱的水中仍含有這些溶解物,在水結冰過程中隨著冰晶的形成,尚未結冰的水中這些物質的濃度會進一步升高,甚至可達正常水平時的50倍。這種情況會降低水的冰點,這也就減緩了冷水結冰的速度。
這一原理就如同下雪後向路面撒鹽防止結冰一樣。
卡茨認為,姆潘巴在牛奶中加糖實際上是使水變得“更硬”,進一步擴大了只含少量碳酸鹽的熱牛奶與富含碳酸鹽的冷牛奶之間結冰速度的差距。
美國加利福尼亞大學伯克利分校的理查德·穆勒認為,卡茨對“姆潘巴現象”的分析是迄今對這一現象做出的最深入、最嚴謹的解釋,並認為卡茨找到了“簡單但對頭”的方式解決這一問題。
實際上如果將兩壺水都燒開後,自然冷卻不同的溫度,再放入冰箱,一定是溫度低的先結冰。
冷熱水結冰速度家庭實驗報告
關於冷熱水結冰的實驗,我以前做過,不過也許只是簡單地把水碗放進冰箱去等時間確實不夠嚴謹,因此今晚做個嚴謹一些的實驗再次加以驗證
以下是實驗前的思考、實驗過程和資料記錄分析,敬請各位指正:
《冷水、熱水降溫結冰速度比較實驗報告》
【實驗人】beager
【實驗時間】2006。
07。26
【實驗地點】郭村村辦冷凍處理責任有限公司食品加工車間
【實驗目的】
據稱,某國外學生在上實驗課製取冰塊時使用的是熱水,而比使用冷水的同學更快地得到了冰塊,從而提出“熱水結冰比冷水快”的結論。
特進行部分實驗檢驗這一現象。
【實驗前的疑問】
1、考慮“熱水結冰比冷水快”這一命題如果成立,隱含了哪些前提?
做為科學的結論,應當有實驗現象成立的前提條件,諸如“在真空中,光速為30萬Km”、“一個大氣壓下,水在攝氏100℃時沸騰”、“標準狀況下,一摩爾氣體為22。
4升”……
而溫度變化與物體的比熱有關、液體的凝固與熔解熱有關;這兩者都與實驗中的水的質量有關;同時冷水和熱水在降溫過程中所受冷源的影響應當是一致的
因此對結論補充完全的說法應該是“在同樣的製冷環境下,相同質量的冷水和熱水相比,熱水的結冰速度快。
”這也正是本實驗所需要驗證的,因此實驗需要控制的重點在於水的質量和製冷環境相同
同時,考慮水的質量大小對實驗的影響
降溫、結冰的整個過程都和水的放熱有關,而水需要放出熱量的多少與水的質量成正比;因此如果需要更多地觀察出降溫速度的差異,就需要儘量大地拉開冷熱水所需要放出的熱(想像這樣的情況:在同樣的製冷情況下,冷水和熱水都各只採用0。
1克,結冰的時間差異肯定較難在家庭環境中分辯出來;而如果各都採用100克或更多的500克來進行,就比較容易觀察出差別)
同樣的製冷環境除了指冰箱的冷源一致,也要考慮盛水容器的材質與表面積、水面的面積得到一致等
2、對已有的一些推論,如何考慮?
這些推論是:
『a、熱水的放熱速度比冷水快』
溫差大的兩個物體之間傳遞熱能是會比較快,但沒有理論指出降溫速度也存在“慣性”一說,參看附圖:如果認為降溫速度存在“慣性”,則熱水與冷水的降溫速度如同圖中的兩道紅線,V(H)永遠高高在上
如果把“降溫速度”定義為每單位時間放出的熱能(即V=ΔW/t),那麼很顯然這條速度線下所圍的平面面積就是它放出的熱能。
這樣,當熱水圍成的平面面積扣除其比冷水將要多放出的熱能面積後,還大於同一時刻下冷水圍成的平面面積時,熱水就比冷水更快地降溫了,甚至於結冰
但是這將導致一個看上去很奇怪的結論:如果照此理論,40℃的水將比10℃降溫快,結冰所用時間短;而70℃的水又比40℃的水結冰所用時間短……最後,我們將面對這樣一個情況:100℃的沸水,結冰所需要的時間也會比1℃甚至0℃的水短,因此,如果在夏天的午後我們想盡快吃一份自制冰淇淋的話就應該把原料先煮開後再拿去冰凍
——如果這一顯然違背生活常理的結論確實不會發生的話(我在這裡說確實,是指在還沒有實驗的情況下的設想,也許這種情況真的會讓人大吃一驚地在實驗中發生),那麼可能這條降溫曲線是如圖中紫色線條所示,當到很熱的熱水達某個臨界點後,降溫速度會大大下降;而相對“涼”的熱水則在還沒有到達這一臨界點的時候就更快地比冷水先結冰了。
這一期望曲線至少打破了“熱水存在降溫慣性”這種思考,指出熱水的降溫速度是可變的。
因此,也不排除熱水的降溫速度會像圖中的藍線所示,呈線形下降的趨勢
而最可能的情況也許如圖中綠線所示,隨著溫度的降低,熱水降溫速度也越來越慢,最後當它所多圍出的平面面積與它需要放出的熱能相同時,它正好達到冷水的初始溫度,然後其順接著冷水的降溫曲線結冰——這樣,它就比冷水的結冰速度慢了
『b、熱水的蒸發導致質量減少,從而使熱水結冰速度更快』
如果確實是由質量減少造成的,就已經違背實驗思考第一條中申明的隱含條件“相同質量”,那麼“熱水結冰比冷水快”就已經沒有成立的基礎了
但是:水蒸發出氣體後體積將會膨脹一千多倍——即使是一克水,蒸發出來也要有一升多的氣體,很難想像家庭冰箱裡會容納這麼多多出來的氣體,而如果它不蒸發,老老實實地做為水來降溫,也只不過多放出4。
2焦耳的熱能,難道熱水會因少釋放4。2焦耳的熱就在速度上佔到更多的便宜嗎?(蒸發也會帶走大量的熱,但這時粗略地看來水溫是不降低的)
需要對此加以注意的倒是另外一個問題:蒸發出來的水如果在放冷水的器壁上凝結,反而將會放熱影響冷水的降溫。
所以在實驗中,需要給熱水和冷水容器蓋上蓋子。
同樣,為了防止熱水放熱對冷水降溫的影響,容器之間不可有直接接觸或透過熱良導體的接觸;還需要採用白色容器來防止熱水的輻射影響
【實驗器材】
家用冰箱、材質相同的白瓷碗三個(含碗蓋)、測量範圍為-4℃~102℃水銀溫度計一支、時鐘、木墊板、小杯子(做為量杯)
【實驗過程】
1、在三個瓷碗底貼上標籤,放涼水的貼綠色紙籤、放溫水的貼黃色紙籤、放熱水的貼紅色紙籤
2、配置不同溫度的水,用小杯量取同樣體積的水,分別倒入三個碗中(約300克)
(水在不同溫度下的密度是不同的,熱水的密度比冷水的小,但差別不大。
家庭中無法用天平進行稱量,所以近似地使用相同體積的水做為實驗物件進行研究)
使得
綠標籤碗中的水:22℃
黃標籤碗中的水:52℃
紅標籤碗中的水:81℃
3、在冰箱冷凍室中鋪墊木板,將三個碗蓋上碗蓋,放入冷凍室。
注意勿使瓷碗相互接觸
4、每隔十分鐘,記錄碗中水溫,注意測量時溫度計不應接觸容器壁
5、直到水結成冰塊,統計記錄資料,進行分析和結論
【實驗資料】
時間?綠籤碗?黃籤碗?紅籤碗
23:11??22??52???81??(初始溫度℃)
23:22??17??30???48
23:36??12??22???37
23:48?? 9。
5?16???30??
00:00?? 8??13???24
00:10?? 7??12???20
00:22?? 6。5?10。5??18??
00:35?? 6?? 9???14。
5
00:50?? 4?? 6???10
01:05?? 1。5? 4???6。5
01:20?? 1?? 2???4。5? (綠籤碗的邊緣出現細碎冰渣)
01:35?? 0。
5? 1。5??4
01:50?? 0?? 1???3?? (綠籤碗邊緣冰面加寬,呈現輻射狀冰晶;黃籤碗邊緣出現冰渣)
02:10?? 0?? 0???1?? (綠籤黃籤碗表面為薄冰覆蓋,紅籤碗邊緣出現冰渣)
02:35?? 0?? 0???0?? (綠籤碗邊緣冰厚5mm;黃籤碗邊緣冰厚2mm,紅籤碗表面為薄冰覆蓋)
【實驗圖片】
1、這是溫度-時間曲線,能在一定程度上反映出水的放熱變化(嚴格地說,水在不同溫度時的比熱也是不同的,如果要精確計算的話,需要考慮這些因素)與上文提到的“降溫速度-時間曲線”並不相同。
2、這個圖的橫座標是不準確的,最後幾個測量點的時間間隔比一開始大,但是受制圖軟體的侷限,時間刻度變成均勻的了,如果嚴格作圖的話,後半截曲線應該更加平緩。
【實驗結論】
儘管家庭實驗的條件有限,也基本可以看出在同樣製冷環境下,質量相同的冷水比熱水先結冰。
但總之是違反“質量相同”或“製冷環境相同”這些前提
【實驗的不足以及有待擴充套件的內容】
1、由於家庭器材條件有限,無法對實驗物件的水施以相對嚴格的質量控制,所以實驗中靠量取同體積實驗用水的做法,實際導致熱水的質量是略少於冷水質量的
2、如果人手器材足夠,在每次測量水溫時能做到儘量的快,可以減少因測量溫度時水與室溫的熱交換,讓實驗資料更加準確。
同樣,在獲得從結冰大概時間後,也可考慮多進行幾次實驗,直接到時間點上才取出觀察
3、本次實驗中,水的降溫主要依靠冰箱中的氣體與水的傳導方式,由於時間有限,未能多進行幾組對照實驗,考察水的質量增加是否如預期的對結冰時間呈現更大差別;考察對流和輻射占主導地位時的結冰情況;考察不同溶液、懸濁液、乳濁液、膠體等的結冰情況;考察嚴冬時自然冷凍環境下與冰箱中人工冷凍環境下的差別等多種情況
4、如果需要精確實驗,需要考慮以下資料:
『在標準大氣壓下不同溫度時水的密度』
溫度t(℃)密度?┃溫度t(℃)?密度?┃溫度t(℃)?密度
????(kg/m3)?┃?????(kg/m3)?┃??????(kg/m3)
━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━
0???999。
841?┃?16???998。943?┃?32???995。025
1???999。9??┃?17???998。774?┃?33???994。702
2???999。941?┃?18???998。595?┃?34???994。
371
3???999。965?┃?19???998。405?┃?35???994。031
4???999。973?┃?20???998。203?┃?36???993。68
5???999。
965?┃?21???997。992?┃?37???993。33
6???999。941?┃?22???997。77 ?┃?38???992。96
7???999。902?┃?23???997。538?┃?39???992。
59
8???999。849?┃?24???997。296?┃?40???992。21
9???999。781?┃?25???997。044?┃?50???988。04
10???999。
7??┃?26???996。783?┃?60???983。21
11???999。605?┃?27???996。512?┃?70???977。78
12???999。498?┃?28???996。232?┃?80???971。
8
13???999。377?┃?29???995。944?┃?90???965。31
14???999。244?┃?30???995。646?┃?100?? 958。35
15???999。
099?┃?31???995。
34 ?┃
『不同溫度時水的比熱容』
溫度(℃)?0??5? 10? 15? 20? 25 ?30? 40? 50? 60? 70? 80 ?90? 99
比熱容? 4217 4202 4192 4186 4182 4179 4178 4178 4180 4184 4189 4196 4205 4215
(J·kg-1·K-1)
給俺一個支點,俺可以撬起地球儀!。
我來回答個最全面的~!
這是一個物理學上的難題。起源於一個事實:在坦尚尼亞的某一個學校,允許生活困難的學生在課間買自制的冰激凌,這些學生到校的第一件事就是做冰激凌,因為誰做的快,誰就能早一些賣出。有一天,一位學生遲到了,她把熱的冰激凌原料放入了冰箱,結果她的冰激凌最先完成。
於是就有了許多物理上的解釋,都不滿意。
一、姆佩巴效應
1963年的一天,在地處非洲熱帶的坦尚尼亞一所中學裡,一群學生想做一點冰凍食品降溫。一個名叫埃拉斯托·姆佩巴的學生在熱牛奶里加了糖後,準備放進冰箱裡做冰淇淋。
他想,如果等熱牛奶涼後放入冰箱,那麼別的同學將會把冰箱佔滿,於是就將熱牛奶放進了冰箱。過了不久,他開啟冰箱一看,令人驚奇的是,自己的那杯冰淇淋已經變成了一杯可口的冰淇淋,而其他同學用冷水做的冰淇淋還沒有結冰。姆佩巴把這特殊現象告訴了達累薩拉姆大學的物理學教授奧斯博爾內博士。
奧斯博爾內聽了姆佩巴的敘述後也感到有點驚奇,但他相信姆佩巴講的一定是事實。尊重科學的奧斯博爾內又進行了實驗,其結果也姆佩巴的敘述完全相符。這就確切地肯定了在低溫環境中,熱水比冷水結冰快。此後,世界上許多科學雜誌載文介紹了這種自然現象,還將這種現象命名為"姆佩巴效應"(Mpemba Effect)。
二、姆佩巴效應的歷史
熱水比冷水更快結冰的事實已被知道了很多個世紀。最早提到並記載此一現象的資料,可追溯到公元前300年的亞里斯多德,他寫道:
"先前被加熱過的水,有助於它更快地結冰。
因此當人們想去冷卻熱水,他們會先放它在太陽下。。。"
但在 20 世紀前,此現象只被視為民間傳說。直到1969年,才由Mpemba再次在科學界提出。自此之後,很多實驗證實了 Mpemba 效應的存在,但沒有一個唯一的解釋。
大約在1461年,物理學家 Giovanni Marliani 在一個關於物體怎樣冷卻的辯論上,說他已經證實了熱水比冷水更快結冰。他說他用了四盎司沸水,和四盎司未加熱過的水,分別放在兩個小容器內,置於一個寒冷冬天的屋外,發現沸水首先結冰。
但他沒能力解釋此一現象。
到了十七世紀初,此現象似乎成為一種常識。1620年培根寫道"水輕微加熱後,比冷水更容易結冰。"不久之後,笛卡兒說"經驗顯示,放在火上一段時間的水,比其它水更快地結冰。"
直至1969年,那已是Marliani實驗500年之後,坦尚尼亞中學的一個命叫Mpemba的中學生再發現此現象的故事,被刊登在《新科家》(New Scientist)雜誌。
這個故事告訴科學家和老師們,不要忽視非科學家的觀察,和不要過早下判斷。
後來,Mpemba學到牛頓冷卻定律,它描述熱的物體怎樣變冷(在某些簡化了的假設下)。Mpemba 問他的老師為什麼熱牛奶比冷牛奶先結冰。這位老師同樣回答是一定Mpemba混淆了。
當Mpemba繼續爭辯時,這位老師說:"所有我能夠說的是,這是你Mpemba的物理,而不是普遍的物理。"從那以後,這位老師和其它同學就用"那是Mpemba的數學"或"那是Mpemba的物理"來批評他的錯誤。但後來,當Mpemba在學校納?鍤笛槭遙?⑹雜萌人?屠淥?鍪笛槭保??僖淮畏⑾鄭喝人?紫冉岜??BR> 更早時,有一位物理教授Osborne博士訪問Mpemba的那間中學。
Mpemba問他這個問題。Osborne博士說他想不到任何解釋,但他遲些會嘗試做這個實驗。當他回到他的實驗室,便叫一個年輕的技術員去測試Mpemba的實驗。這位技術員之後報告說,是熱水首先結冰,又說:"但我們將會繼續重複這個實驗,直至得出正確的結果。
"然而,實驗報告給出同樣的結果。在1969年,Mpemba和Osborne報導他們的結果。
同一年,科學上很常見的巧合之一,Kell博士獨立地寫了一篇文章,是關於熱水比冷水先結冰的。Kell 顯示,如果假設了水最初是透過蒸發冷卻,和維持均勻的溫度,這樣,熱水就會失去足的質量而首先結冰。
Kell因此表明這種現象是真的(當時,這現象在加拿大城市是一個傳聞。),而且能夠用蒸發來解釋。然而,他不知道Osborne的實驗。Osborne測量那失去的質量,發現蒸發不足以解釋此現象。後來的實驗採用密封的容器,排除了蒸發的影響,仍然發現熱水首先結冰。
三、對姆佩巴效應的各種解釋
什麼是Mpemba效應?有兩個形狀一樣的杯,裝著相同體積的水,唯一的分別是水的溫度。現在將兩杯水在相同的環境下冷卻。在某些條件下,初溫較高的水會先結冰,但並不是在任何情況下,都會這樣。
例如,99。9℃的熱水和0。01℃的冷水,這樣,冷水會先結冰。Mpemba效應並不是在任何的初始溫度、容器形狀、和冷卻條件下,都可看到。
一般人會認為這似乎是不可能的,還有人會試圖去證明它不可能。這種證明通常是這樣的:30℃的水降溫至結冰要花10分鐘,70℃的水必須先花一段時間,降至30℃,然後再花 10分鐘降溫至結冰。
由於冷水必須做過的事,熱水也必須做,所以熱水結冰慢。這種證明有錯嗎?
這種證明錯在,它暗中假設了水的結冰只受平均溫度影響。但事實上,除了平均溫度,其它因素也很重要。一杯初始溫度均勻,70℃的水,冷卻到平均溫度為30℃的水,水已發生了改變,不同於那杯初始溫度均勻,30℃的水。
前者有較少質量,溶解氣體和對流,造成溫度分佈不均。這些因素會改變冰箱內,容器周圍的環境。下面會分別考慮這四個因素。
1。 蒸發──在熱水冷卻到冷水的初溫的過程中,熱水由於蒸發會失去一部分水。質量較少,令水較容易冷卻和結冰。
這樣熱水就可能較冷水早結冰,但冰量較少。如果我們假設水只透過蒸發去失熱,理論計算能顯示蒸發能解釋Mpemba效應。 這個解釋是可信的和很直覺的,蒸發的確是很重要的一個因素。然而,這不是唯一的機制。蒸發不能解釋在一個封閉容器內做的實驗,在封閉的容器,沒有水蒸氣能離開。
很多科學家聲稱,單是蒸發,不足以解釋他們所做的實驗。
2。 溶解氣體──熱水比冷水能夠留住較少溶解氣體,隨著沸騰,大量氣體會逃出水面。溶解氣體會改變水的性質。或者令它較易形成對流(因而較易冷卻),或減少單位質量的水結冰所需的熱量,或者改變沸點。
有一些實驗支援這種解釋,但沒有理論計算的支援。
3。 對流──由於冷卻,水會形成對流,和不均勻的溫度分佈。溫度上升,水的密度就會下降,所以水的表面比水底部熱─叫"熱頂"。如果水主要透過表面失熱,那麼,"熱頂"的水失熱會比溫度均勻的快。
當熱水冷卻到冷水的初溫時,它會有一熱頂,因此與平均溫度相同,但溫度均勻的水相比,它的冷卻速率會較快。雖然在實驗中,能看到熱頂和相關的對流,但對流能否解釋Mpemba效應,仍是未知。
4。 周圍的事物──兩杯水的最後的一個分別,與它們自己無關,而與它們周圍的環境有關。
初溫較高的水可能會以複雜的方式,改變它周圍的環境,從而影響到冷卻過程。例如,如果這杯水是放在一層霜上面,霜的導熱效能很差。熱水可能會熔化這層霜,從而為自己創立了一個較好的冷卻系統。明顯地,這樣的解釋不夠一般性,很多實驗都不會將容器放在霜層上。
最後,過冷在此效應上,可能是重要的。過冷現象是水在低於0℃時才結冰的現象。有一個實驗發現,熱水比冷水較少會過冷。這意味著熱水會先結冰,因為它在較高的溫度下結冰。但這也不能完成解釋Mpemba效應,因為我們仍需解釋為什麼熱水較少會過冷。
在很多情況下,熱水較冷水先結冰,但並不是在所有實驗中都能觀察到這種現象。而且,儘管有很多解釋,但仍沒有一種完美的解釋。所以,姆佩巴效應仍然是一個謎。
除了這個迷之外,現時中還有一個原因,一般直冷式電冰箱的溫控器是根據冰箱內的溫度來啟動壓縮機工作,進行致冷的。
在箱內溫度升高到設定的溫度時,致冷壓縮機開始工作,當放進溫度較高的物品時,箱內溫度較快升高,壓縮機也就提早開始工作,要降到設定的溫度,工作的時間也較長,所以溫度高的物品要冷得快一些。根據電冰箱控溫器的這種工作方式,所以在冬天,環境溫度本來就較低,冰箱內的溫度也不會高,如果將控溫器的值調得過低,冰箱就會長時間不啟動,放在冰箱內的物品反而會解凍,這是使用電冰箱溫控器要注意的一點,當然,對現代的全自動溫控的電腦型的電冰箱,不存在這個問題。
古希臘哲學家亞里士多德曾最先記載過這樣一個奇特現象——在同等低溫條件下,溫度高的水結冰速度快於冷水。坦尚尼亞學生姆潘巴1969年使這一現象變得更為人知曉,他發現加糖的牛奶加熱後比未加熱的牛奶結冰速度快。這種現象也被稱為“姆潘巴現象”。
但箇中原因是什麼呢?
據將於6月3日出版的英國《新科學家》雜誌報道,美國華盛頓大學的喬納森·卡茨在對“姆潘巴現象”深入研究後認為,這一現象實際上與水中的溶解物有關。水在加熱過程中,一些通常會使水變“硬”的溶解物,主要是碳酸鈣和碳酸鎂等碳酸鹽,會被“驅逐”出來形成固體沉澱,這就是日常生活中常見的附在水壺內壁上的水垢。
卡茨說,未經加熱的水中仍含有這些溶解物,在水結冰過程中隨著冰晶的形成,尚未結冰的水中這些物質的濃度會進一步升高,甚至可達正常水平時的50倍。這種情況會降低水的冰點,這也就減緩了冷水結冰的速度。
這一原理就如同下雪後向路面撒鹽防止結冰一樣。
卡茨認為,姆潘巴在牛奶中加糖實際上是使水變得“更硬”,進一步擴大了只含少量碳酸鹽的熱牛奶與富含碳酸鹽的冷牛奶之間結冰速度的差距。
美國加利福尼亞大學伯克利分校的理查德·穆勒認為,卡茨對“姆潘巴現象”的分析是迄今對這一現象做出的最深入、最嚴謹的解釋,並認為卡茨找到了“簡單但對頭”的方式解決這一問題。
實際上如果將兩壺水都燒開後,自然冷卻不同的溫度,再放入冰箱,一定是溫度低的先結冰。
冷熱水結冰速度家庭實驗報告
關於冷熱水結冰的實驗,我以前做過,不過也許只是簡單地把水碗放進冰箱去等時間確實不夠嚴謹,因此今晚做個嚴謹一些的實驗再次加以驗證
以下是實驗前的思考、實驗過程和資料記錄分析,敬請各位指正:
《冷水、熱水降溫結冰速度比較實驗報告》
【實驗人】beager
【實驗時間】2006。
07。26
【實驗地點】郭村村辦冷凍處理責任有限公司食品加工車間
【實驗目的】
據稱,某國外學生在上實驗課製取冰塊時使用的是熱水,而比使用冷水的同學更快地得到了冰塊,從而提出“熱水結冰比冷水快”的結論。
特進行部分實驗檢驗這一現象。
【實驗前的疑問】
1、考慮“熱水結冰比冷水快”這一命題如果成立,隱含了哪些前提?
做為科學的結論,應當有實驗現象成立的前提條件,諸如“在真空中,光速為30萬Km”、“一個大氣壓下,水在攝氏100℃時沸騰”、“標準狀況下,一摩爾氣體為22。
4升”……
而溫度變化與物體的比熱有關、液體的凝固與熔解熱有關;這兩者都與實驗中的水的質量有關;同時冷水和熱水在降溫過程中所受冷源的影響應當是一致的
因此對結論補充完全的說法應該是“在同樣的製冷環境下,相同質量的冷水和熱水相比,熱水的結冰速度快。
”這也正是本實驗所需要驗證的,因此實驗需要控制的重點在於水的質量和製冷環境相同
同時,考慮水的質量大小對實驗的影響
降溫、結冰的整個過程都和水的放熱有關,而水需要放出熱量的多少與水的質量成正比;因此如果需要更多地觀察出降溫速度的差異,就需要儘量大地拉開冷熱水所需要放出的熱(想像這樣的情況:在同樣的製冷情況下,冷水和熱水都各只採用0。
1克,結冰的時間差異肯定較難在家庭環境中分辯出來;而如果各都採用100克或更多的500克來進行,就比較容易觀察出差別)
同樣的製冷環境除了指冰箱的冷源一致,也要考慮盛水容器的材質與表面積、水面的面積得到一致等
2、對已有的一些推論,如何考慮?
這些推論是:
『a、熱水的放熱速度比冷水快』
溫差大的兩個物體之間傳遞熱能是會比較快,但沒有理論指出降溫速度也存在“慣性”一說,參看附圖:如果認為降溫速度存在“慣性”,則熱水與冷水的降溫速度如同圖中的兩道紅線,V(H)永遠高高在上
如果把“降溫速度”定義為每單位時間放出的熱能(即V=ΔW/t),那麼很顯然這條速度線下所圍的平面面積就是它放出的熱能。
這樣,當熱水圍成的平面面積扣除其比冷水將要多放出的熱能面積後,還大於同一時刻下冷水圍成的平面面積時,熱水就比冷水更快地降溫了,甚至於結冰
但是這將導致一個看上去很奇怪的結論:如果照此理論,40℃的水將比10℃降溫快,結冰所用時間短;而70℃的水又比40℃的水結冰所用時間短……最後,我們將面對這樣一個情況:100℃的沸水,結冰所需要的時間也會比1℃甚至0℃的水短,因此,如果在夏天的午後我們想盡快吃一份自制冰淇淋的話就應該把原料先煮開後再拿去冰凍
——如果這一顯然違背生活常理的結論確實不會發生的話(我在這裡說確實,是指在還沒有實驗的情況下的設想,也許這種情況真的會讓人大吃一驚地在實驗中發生),那麼可能這條降溫曲線是如圖中紫色線條所示,當到很熱的熱水達某個臨界點後,降溫速度會大大下降;而相對“涼”的熱水則在還沒有到達這一臨界點的時候就更快地比冷水先結冰了。
這一期望曲線至少打破了“熱水存在降溫慣性”這種思考,指出熱水的降溫速度是可變的。
因此,也不排除熱水的降溫速度會像圖中的藍線所示,呈線形下降的趨勢
而最可能的情況也許如圖中綠線所示,隨著溫度的降低,熱水降溫速度也越來越慢,最後當它所多圍出的平面面積與它需要放出的熱能相同時,它正好達到冷水的初始溫度,然後其順接著冷水的降溫曲線結冰——這樣,它就比冷水的結冰速度慢了
『b、熱水的蒸發導致質量減少,從而使熱水結冰速度更快』
如果確實是由質量減少造成的,就已經違背實驗思考第一條中申明的隱含條件“相同質量”,那麼“熱水結冰比冷水快”就已經沒有成立的基礎了
但是:水蒸發出氣體後體積將會膨脹一千多倍——即使是一克水,蒸發出來也要有一升多的氣體,很難想像家庭冰箱裡會容納這麼多多出來的氣體,而如果它不蒸發,老老實實地做為水來降溫,也只不過多放出4。
2焦耳的熱能,難道熱水會因少釋放4。2焦耳的熱就在速度上佔到更多的便宜嗎?(蒸發也會帶走大量的熱,但這時粗略地看來水溫是不降低的)
需要對此加以注意的倒是另外一個問題:蒸發出來的水如果在放冷水的器壁上凝結,反而將會放熱影響冷水的降溫。
所以在實驗中,需要給熱水和冷水容器蓋上蓋子。
同樣,為了防止熱水放熱對冷水降溫的影響,容器之間不可有直接接觸或透過熱良導體的接觸;還需要採用白色容器來防止熱水的輻射影響
【實驗器材】
家用冰箱、材質相同的白瓷碗三個(含碗蓋)、測量範圍為-4℃~102℃水銀溫度計一支、時鐘、木墊板、小杯子(做為量杯)
【實驗過程】
1、在三個瓷碗底貼上標籤,放涼水的貼綠色紙籤、放溫水的貼黃色紙籤、放熱水的貼紅色紙籤
2、配置不同溫度的水,用小杯量取同樣體積的水,分別倒入三個碗中(約300克)
(水在不同溫度下的密度是不同的,熱水的密度比冷水的小,但差別不大。
家庭中無法用天平進行稱量,所以近似地使用相同體積的水做為實驗物件進行研究)
使得
綠標籤碗中的水:22℃
黃標籤碗中的水:52℃
紅標籤碗中的水:81℃
3、在冰箱冷凍室中鋪墊木板,將三個碗蓋上碗蓋,放入冷凍室。
注意勿使瓷碗相互接觸
4、每隔十分鐘,記錄碗中水溫,注意測量時溫度計不應接觸容器壁
5、直到水結成冰塊,統計記錄資料,進行分析和結論
【實驗資料】
時間?綠籤碗?黃籤碗?紅籤碗
23:11??22??52???81??(初始溫度℃)
23:22??17??30???48
23:36??12??22???37
23:48?? 9。
5?16???30??
00:00?? 8??13???24
00:10?? 7??12???20
00:22?? 6。5?10。5??18??
00:35?? 6?? 9???14。
5
00:50?? 4?? 6???10
01:05?? 1。5? 4???6。5
01:20?? 1?? 2???4。5? (綠籤碗的邊緣出現細碎冰渣)
01:35?? 0。
5? 1。5??4
01:50?? 0?? 1???3?? (綠籤碗邊緣冰面加寬,呈現輻射狀冰晶;黃籤碗邊緣出現冰渣)
02:10?? 0?? 0???1?? (綠籤黃籤碗表面為薄冰覆蓋,紅籤碗邊緣出現冰渣)
02:35?? 0?? 0???0?? (綠籤碗邊緣冰厚5mm;黃籤碗邊緣冰厚2mm,紅籤碗表面為薄冰覆蓋)
【實驗圖片】
1、這是溫度-時間曲線,能在一定程度上反映出水的放熱變化(嚴格地說,水在不同溫度時的比熱也是不同的,如果要精確計算的話,需要考慮這些因素)與上文提到的“降溫速度-時間曲線”並不相同。
2、這個圖的橫座標是不準確的,最後幾個測量點的時間間隔比一開始大,但是受制圖軟體的侷限,時間刻度變成均勻的了,如果嚴格作圖的話,後半截曲線應該更加平緩。
【實驗結論】
儘管家庭實驗的條件有限,也基本可以看出在同樣製冷環境下,質量相同的冷水比熱水先結冰。
但總之是違反“質量相同”或“製冷環境相同”這些前提
【實驗的不足以及有待擴充套件的內容】
1、由於家庭器材條件有限,無法對實驗物件的水施以相對嚴格的質量控制,所以實驗中靠量取同體積實驗用水的做法,實際導致熱水的質量是略少於冷水質量的
2、如果人手器材足夠,在每次測量水溫時能做到儘量的快,可以減少因測量溫度時水與室溫的熱交換,讓實驗資料更加準確。
同樣,在獲得從結冰大概時間後,也可考慮多進行幾次實驗,直接到時間點上才取出觀察
3、本次實驗中,水的降溫主要依靠冰箱中的氣體與水的傳導方式,由於時間有限,未能多進行幾組對照實驗,考察水的質量增加是否如預期的對結冰時間呈現更大差別;考察對流和輻射占主導地位時的結冰情況;考察不同溶液、懸濁液、乳濁液、膠體等的結冰情況;考察嚴冬時自然冷凍環境下與冰箱中人工冷凍環境下的差別等多種情況
4、如果需要精確實驗,需要考慮以下資料:
『在標準大氣壓下不同溫度時水的密度』
溫度t(℃)密度?┃溫度t(℃)?密度?┃溫度t(℃)?密度
????(kg/m3)?┃?????(kg/m3)?┃??????(kg/m3)
━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━
0???999。
841?┃?16???998。943?┃?32???995。025
1???999。9??┃?17???998。774?┃?33???994。702
2???999。941?┃?18???998。595?┃?34???994。
371
3???999。965?┃?19???998。405?┃?35???994。031
4???999。973?┃?20???998。203?┃?36???993。68
5???999。
965?┃?21???997。992?┃?37???993。33
6???999。941?┃?22???997。77 ?┃?38???992。96
7???999。902?┃?23???997。538?┃?39???992。
59
8???999。849?┃?24???997。296?┃?40???992。21
9???999。781?┃?25???997。044?┃?50???988。04
10???999。
7??┃?26???996。783?┃?60???983。21
11???999。605?┃?27???996。512?┃?70???977。78
12???999。498?┃?28???996。232?┃?80???971。
8
13???999。377?┃?29???995。944?┃?90???965。31
14???999。244?┃?30???995。646?┃?100?? 958。35
15???999。
099?┃?31???995。
34 ?┃
『不同溫度時水的比熱容』
溫度(℃)?0??5? 10? 15? 20? 25 ?30? 40? 50? 60? 70? 80 ?90? 99
比熱容? 4217 4202 4192 4186 4182 4179 4178 4178 4180 4184 4189 4196 4205 4215
(J·kg-1·K-1)
給俺一個支點,俺可以撬起地球儀!。