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  • 1 # 使用者6369109692826

    姆潘巴現象。首先由坦尚尼亞的中學生姆潘巴在1963年發現,所以叫姆潘巴現象。他把一杯熱牛奶和一杯冷牛奶同時放入冰箱,而發現熱牛奶先結冰。

    首先來看看姆潘巴現象的原理;液體降溫速度的快慢不是由液體的平均溫度決定的,而是由液體上表面與底部的溫度差決定的,當熱牛奶冷卻時,這種溫度差較大,而且在凍結前的降溫過程中,熱牛奶的溫度差一直大於冷牛奶的溫度差。這種情況是由於上表面的溫度愈高,從上表面散發的熱量就愈多,因而降溫就愈快。

    注意,這裡說的是“降溫速度”而不是誰先結冰。

    如果一杯水要結冰,首先要達到冰點,即0攝氏度。熱水在一開始的時候降溫速度比冷水快,是因為其上層和下層溫差比冷水大。但是如果用影象表示熱水的降溫過程,揮發現其影象是一條曲線,也就是說時間越長,降溫速度越慢,因為其上下層的溫差越來越小。

    物體傳熱速度是由兩個因素決定的,一個是溫度差,另一個熱阻,而熱阻往往是由材料決定的,是一個常數。這樣的話,列出微分方程,很容易解出,物體的溫度隨著時間按指數規律下降,就象電容器的放電規律一樣。

    從以上的結果上看,當然是冷水先結冰。

    如果非要說熱水比冷水先結冰,只能說有什麼因素減小了熱水的熱阻,而且這種減小的熱阻可以一直維持到溫度和冷水一樣的時候。

    事實上,在一般實驗條件下,熱水會比冷水更快結冰。這種現象違反直覺,甚至連很多科學家也感到驚訝。但它的確是真的,曾在很多實驗觀察和研究過。雖然在經過亞里斯多德、培根,和笛卡兒三人的介紹後,此現象已被發現了幾個世紀,但卻一直沒有被引入現代科學。直至1969年,才由坦尚尼亞的一間中學的一個名叫 Mpemba 的學生引入現代科學。

    熱水比冷水更快結冰的現象通常叫「Mpemba 效應」。無疑地,很多讀者對這一點很懷疑,因此,有必要先明確地指出,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° C 的熱水和 0.01° C 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,都可看到的。

    水的結冰不只受平均溫度影響。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° C 的水,冷卻到平均溫度為 30° C 的水,水已發生了改變,不同於那杯初始溫度均勻,30° C 的水。前者有較少質量,溶解氣體和對流,造成溫度分佈不均。這些因素亦會改變冰箱內,容器周圍的環境。下面會分別考慮這四個因素。所以前面的那種證明是行不通的,事實上,Mpemba 效應已在很多受控實驗中觀察到。

    這種現象的發生機制,仍然沒有得確切的瞭解。雖然有很多可能的解釋已被提出過,但到目前為止,還沒有一個實驗可以清晰地顯示它的機制。

    為什麼現代科學不回答這個看起來很簡單的結冰問題?主要的問題是,水結冰所花的時間的長短,對實驗設計中的很多因素,都是很敏感的。例子容器的形狀和大小、冰箱的形狀和大小、水中氣體和其它雜質、結冰時間的定義,等等。因為這種敏感性,即使有實驗支援 Mpemba 效應的存在,但不能支援在這些條件之外,

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