開水和涼水哪個先凍成冰塊？

在我們的直觀印象中，如果把一杯熱水和一杯冷水同時放入冰箱，那麼應該是冷水先結成冰，我們的判斷依據，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，在相同的製冷條件下，熱水釋放能量的時間要比冷水長；另一方面，熱水在冷卻的過程中，肯定要先到達冷水的溫度，然後再繼續冷水的凝結過程，因此所花費的時間較長。但是，這僅是我們的直覺，實際上在很早的時候，亞里士多得、笛卡爾等科學家都曾經描述過與直覺相反的水冷卻現象，而在1963年的時候，當姆潘巴在做熱牛奶與涼牛奶冷卻實驗時，通過多次實驗對比，發現溫度略高的牛奶比溫度略低的牛奶要先凝固，他的導師也通過多次實驗印證了這一結論，後來人們將這一現象稱為姆潘巴效應。

當我們在家重複做這個實驗的時候，結果可能不一樣，有時會熱水先凍結，有的時候冷水會凍結，之所以這樣，是因為姆潘巴效應的出現，需要相對嚴格的條件，比如熱水和冷水要來源於同一水源，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，那肯定是冷水先結成冰。如果我們在相同的實驗條件下，拿50攝氏度的水與40攝氏度的水相比，那極有可能是50攝氏度的水先結冰。

為什麼會出現這種情況呢？我們首先來看一下水結冰的過程，水從液態變為固態，實質上是水分子在一定的溫度和壓強條件下，其排列結構的重新組合過程。具體來說，就是在水分子中，除了氫和氧之間構成的化學鍵之外，還存在著水分子中的氫原子與另外水分子中的氧原子構成的氫鍵，這種氫鍵的作用力，比分子內部的化學鍵的強度要弱，但要比水分子與水分子間的範德華力要大得多，而決定著水相態的主要因素就在於氫鍵的作用力大小，當溫度降到冰點時，水分子之間的運動速度降低，當不能達到掙脫氫鍵的程度時，水分子與水分子之間就會通過氫鍵，有規則地排列起來，對外表現為固態的形式。

而在水的結冰過程中，並不是所有水分子所在區域，都均勻出現這種排列的規律性組合，而是先從一定的結晶核開始，這是因為當溫度降低時，一杯水中的水分子，其熱量散失、即運動動能的轉化速率是不同的，一旦結晶核形成，那麼在水分子運動過程中流經結晶核的區域，就會被氫鍵所俘獲，從而使結晶核越長越大，直至整杯水都變為固態。因此，決定著一杯水結冰速率的快慢，在基本條件都相同的情況下，主要由兩個方面的因素來決定，一個是結晶核的數量，第二個是熱量的散失效率。

從結晶核來看，水中的礦物質和因微生物、細小塵埃等構成的雜質是結晶核的主要來源。對於熱水來說，在加熱的過程中，其水中溶解的礦物質數量就越多，最後在冷卻的過程中所聚集形成的晶核尺寸也要比冷水大，同時，較熱的水還有利於微生物的生長，因此，溫度較高的水相對於低溫的水，其能夠提供凝結的晶核數量要多一些，從水的內部發生凝結的機率和速率都要相對較高。這也是為什麼用純淨水來做實驗，很難出現姆潘巴效應的原因。

從熱量散失的效率來看，由於熱量的傳輸方式主要是熱傳導、熱對流和熱輻射3種形式，當其它條件相同的情況下，熱水在冷卻的過程中，所產生的冷熱溫度差比冷水要大，而且分佈更不均勻，因此熱對流的形式更加劇烈，因此，從熱量傳輸的角度看，熱水在內部溫度場中進行能量交換的速率要比冷水快，散熱效率也就更高一些。在這樣的作用下，當表面及杯壁溫度下降時，就會在比較劇烈的熱對流作用下，使得不會像冷水那樣形成“冰蓋”，反而會形成“熱頂”，這樣的結果就造成了相對均勻、強度較高的散熱過程，不像冷水那樣被“冰蓋”包裹擁有較低的散熱效率。

當熱水的溫度降低到冷水之前一樣時，這個時候“熱頂”現象依然存在，只不過隨著溫度的降低，因“熱頂”引發的散熱作用越來越慢，但總體效率也要比冷水在相同的溫度情況下要快許多。當水體中結晶核開始生成之後，由於原熱水內部的分子運動較快，水分子與結晶核的接觸頻率要比原冷水大得多，加上原熱水中結晶核數量比原冷水要多，因此以結晶核為中心，冰晶的生長速率也快出許多，於是形成了熱水比冷水先結冰的現象。很多網友對東北地區的冬季，潑灑出的“滴水成冰”現象印象應該些許深刻，其中所應用的水是熱水就是這個道理，因為在相同的條件下，熱水的冷卻速率要比冷水快，容易形成比較壯觀的畫面。

綜合以上的分析，我們可以看出，姆潘巴效應的出現，來源於熱水中的凝結核數量多、水的對流散熱效率高這兩個主要因素，而在較高的熱運動和熱對流速率之下，其所帶來的溫度下降以及結晶速率的提升，在一定程度上超過了熱水冷卻到原冷水的程度、以及原冷水到結冰所需要的時間總和。

首先，應當明確一杯熱水和一杯涼水取自同一水源，該水源可以是自然界的地表水或地下水，如河水、湖水、井水，也可以是自來水，但絕不是無離子水（純淨水、超純水）。

河水、湖水、井水、自來水中含有水溶性的鹽類，其中有水溶性的碳酸氫鈣、碳酸氫鎂，碳酸氫鈣、碳酸氫鎂在加熱時會分解成不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂及二氧化碳和水。

熱水中 含有大量因加熱生成的細小的不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂，當水相變成冰時，即水結晶的過程，這些細小的不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂成為水結晶的晶核，大量的晶核有加速結晶，促進水結晶變成冰的作用。

冷水中 含有比熱水更多的水溶性鹽類，比熱水多出未被分解的水溶性的碳酸氫鈣、碳酸氫鎂。水溶性的鹽可以降低水的凝固點，因此冷水冰點比熱水冰點要低。同時，冷水比熱水中少很多水溶性的碳酸氫鈣、碳酸氫鎂分解形成的大量細小的不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂晶核。因此在結冰時較熱水結冰慢，由於缺乏晶核極易形成過冷，消耗更多的製冷量並且使結冰時間延長。

綜合效果是：取自自然界的地表水或地下水或自來水，一杯熱水和一杯涼水同時放入冰箱裡，熱水會先結冰。

如果使用無離子水（純淨水、超純水），情況就會完全相反，冷水比熱水先結冰。

開水先結冰吧。

冷卻主要取決於液體表面，冷卻速率決定於液體表面的溫度而不是它整體的平均溫度，液體內部的對流使液麵溫度維持得比體內溫度高，即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度,原來熱的系統其熱量仍要比原來冷的系統損失得多。

從兩個方面詳細解釋，過程比較複雜.

1、物理原因

從物理方面來說,致冷有四種並存的機制：輻射、傳導、汽化、對流.通過實驗觀察並對結果進行比較,發現引起熱水比冷水先結冰的原因主要是傳導、汽化、對流三者相互作用的綜合效果.如果把熱水和冷水結冰的過程敘述出來並分析其原因就更能說明問題了：

盛有初溫4℃冷水的杯,結冰要很長時間,因為水和玻璃都是熱傳導不良的材料,液體內部的熱量很難依靠傳導而有效地傳遞到表面.杯子裡的水由於溫度下降,體積膨脹,密度變小,集結在表面.所

以水在表面處最先結冰,其次是向底部和四周延伸,進而形成了一個密閉的“冰殼”.這時,內層的水與外界的空氣隔絕,只能依靠傳導和輻射來散熱,所以冷卻的速率很小,阻止或延緩了內層水溫

繼續下降的正常進行.另外由於水結冰時體積要膨脹,已經形成的“冰殼”也對進一步結冰起著某種約束或抑制作用.

盛有初溫100℃熱水的杯,冷凍的時間相對來說要少得多,看到的現象是表面的冰層總不能連成冰蓋,看不到“冰殼”形成的現象,只是沿冰水的介面向液體內生長出針狀的冰晶（在初溫低於12℃時,看不到這種現象）.隨著時間的流逝,冰晶由細變粗,這是因為初溫高的熱水,上層水冷卻後密度變大向下流動,形成了液體內部的對流,使水分子圍繞著各自的“結晶中心”結成冰.初溫越高,這種對流越劇烈,能量的損耗也越大,正是這種對流,使上層的水不易結成冰蓋.由於熱傳遞和相變潛熱,在單位時間內的內能損耗較大,冷卻速率較大.當水面溫度降到0℃以下並有足夠的低溫時,

水面就開始出現冰晶.初溫較高的水,生長冰晶的速度較大,這是由於冰蓋未形成和對流劇烈的緣故,最後可以觀察到冰蓋還是形成了,冷卻速率變小了一些,但由於水內部冰晶已經生長而且粗大,

具有較大的表面能,冰晶的生長速率與單位表面能成正比,所以生長速度仍然要比初溫低的水快得多。

2、生物原因

同雨滴的形成需要“凝結核”一樣,水要結成冰,需要水中有許許多多的“結晶中心”.生物實驗發現,水中的微生物往往是結晶中心.某些微生物在熱水（水溫在100℃以下一點）中繁殖比冷水中快,這樣一來,熱水中的“結晶中心”就要比冷水中的“結晶中心”多得多。

熱水比冷水更容易凍成冰，此效應的一個解釋是，熱水冷卻的過程中，會因蒸發而失去質量。質量較少，則液體失去較少的熱就冷卻，也就冷卻得較快。用這個解釋，熱水就會首先結冰，只是因為它將較少的水結成冰。如果水只是透過蒸發來冷卻，和溫度分佈維持均勻，那麼，熱水會先結冰。

另一個解釋是，認為熱水中的溶解氣體被逐出，改變了水的一些性質，這些改變能解釋此效應。溶解氣體的缺乏可能會改變水的傳熱能力，或改變令單位質量的水結冰所需的熱量，又或改變凝固點。熱水比冷水留住較少溶解氣體是對的，沸水趕走了大部分的溶解氣體。水冷卻時，會形成溫度梯度和對流。在大部分溫度下，水的密度會隨著溫度的上升而減少。隨著水的冷卻，會形成水的表面比平均水溫或底部的水熱。如果水主要透過表面失熱，那麼有形成熱頂的水失熱，比假設溫度均勻的預期失熱速度快。對於一定的平均溫度，溫度分佈越不均勻（即是頂底溫差越大），則失熱就越快。熱水會迅速地冷卻，和很快地形成對流，所以從頂到底，水溫變化很大。另一方面，冷水冷卻得較慢，因而較遲形成重要的對流。因此，比較熱水和冷水，熱水會有較大的對流，從而有較快的冷卻速率。熱水可能改變周圍環境，從而令它以後較快地冷卻。

應當明確一杯熱水和一杯涼水取自同一水源，該水源可以是自然界的地表水或地下水，如河水、湖水、井水，也可以是自來水，但絕不是無離子水（純淨水、超純水）。

河水、湖水、井水、自來水中含有水溶性的鹽類，其中有水溶性的碳酸氫鈣、碳酸氫鎂，碳酸氫鈣、碳酸氫鎂在加熱時會分解成不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂及二氧化碳和水。

熱水中 含有大量因加熱生成的細小的不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂，當水相變成冰時，即水結晶的過程，這些細小的不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂成為水結晶的晶核，大量的晶核有加速結晶，促進水結晶變成冰的作用。

冷水中 含有比熱水更多的水溶性鹽類，比熱水多出未被分解的水溶性的碳酸氫鈣、碳酸氫鎂。水溶性的鹽可以降低水的凝固點，因此冷水冰點比熱水冰點要低。同時，冷水比熱水中少很多水溶性的碳酸氫鈣、碳酸氫鎂分解形成的大量細小的不溶於水的碳酸鈣、碳酸鎂晶核。因此在結冰時較熱水結冰慢，由於缺乏晶核極易形成過冷，消耗更多的製冷量並且使結冰時間延長。

綜合效果是：取自自然界的地表水或地下水或自來水，一杯熱水和一杯涼水同時放入冰箱裡，熱水會先結冰。

如果使用無離子水（純淨水、超純水），情況就會完全相反，冷水比熱水先結冰。

按照溫度學來說，水的溫度到零下一度開始慢慢結冰，所以同情況下還是涼水先結冰……

科研實驗中熱水比冷水更容易凍成冰，此效應的一個解釋是，熱水冷卻的過程中，會因蒸發而失去質量。質量較少，則液體失去較少的熱就冷卻，也就冷卻得較快。用這個解釋，熱水就會首先結冰，只是因為它將較少的水結成冰。如果水只是透過蒸發來冷卻，和溫度分佈維持均勻，那麼，熱水會先結冰。

另一個解釋是，認為熱水中的溶解氣體被逐出，改變了水的一些性質，這些改變能解釋此效應。溶解氣體的缺乏可能會改變水的傳熱能力，或改變令單位質量的水結冰所需的熱量，又或改變凝固點。熱水比冷水留住較少溶解氣體是對的，沸水趕走了大部分的溶解氣體。

水冷卻時，會形成溫度梯度和對流。在大部分溫度下，水的密度會隨著溫度的上升而減少。隨著水的冷卻，會形成水的表面比平均水溫或底部的水熱。如果水主要透過表面失熱，那麼有形成熱頂的水失熱，比假設溫度均勻的預期失熱速度快。對於一定的平均溫度，溫度分佈越不均勻（即是頂底溫差越大），則失熱就越快。

熱水會迅速地冷卻，和很快地形成對流，所以從頂到底，水溫變化很大。另一方面，冷水冷卻得較慢，因而較遲形成重要的對流。因此，比較熱水和冷水，熱水會有較大的對流，從而有較快的冷卻速率。

熱水可能改變周圍環境，從而令它以後較快地冷卻。有個實驗報稱，實驗資料會跟隨冰箱大小的變化而變化。所以，可以相信不只是水，水周圍的環境也很重要。

為什麼熱水比冷水結冰更快，不同的機制發揮作用，取決於條件。主要因素似乎是:

過冷——熱水傾向於經歷較少的過冷過冷效應而不是冷水。這使得它在達到水的冰點時更有可能變成固體。

溶解氣體——熱水容納溶解氣體的能力比冷水小，這可能會影響其凍結速度。

開水根據物理基礎，理論熱水的蒸發強度大於冷水，而密度小於冷水。如果取兩支相同的非密封容器放同質量的水一個為熱水令用冷水把它們放進同時統一的外部環境溫度中熱水在降溫，過程中因蒸發而失去的水分病冷水多，所以開水的質量小魚。冷水的質量。所以熱水的強速度必然比冷水快。

若把冷、熱水放在室外（冬天），總是冷水先結冰，放在冰箱也不全是熱水先結冰。看來熱水先結冰，跟能量、分子擴散沒有直接關係，而是跟冰箱溫控器有關。因為熱水會使溫控器很快啟動，而冷水會使溫控器延時啟動。這樣一個很快，一個延時，就會使熱水反超冷水結冰速度。如果同時放入冰箱，若溫控器沒有延時就啟動，冷水就會先結冰；延時啟動，那麼冷熱水就會先進行冷熱交換，使冷熱之差距離接近。而熱水不僅空氣在加熱時已排出，且因溫差大於冷水，使冷熱對流產生的慣性大於冷水。即熱水內部沒有空氣和慣性大，使放熱速度明顯快於冷水，所以有時熱水先結冰。

平常的水中有許多雜質回降低凝固點，開水因為高溫沸騰會是水中鎂鈣等雜質沉澱。所以開水比冷水的雜質少凝固點接近純淨水的零度，更容易結冰