在低温环境中,热水比冷水结冰快,世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象,还将这种现象命名为“姆佩巴效应”(MpembaEffect)。
自然现象
热水结冰比冷水快
一、姆佩巴效应
二、姆佩巴效应的历史
热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪。最早提到并记载此一现象的数据,可追溯到公元前300年的亚里斯多德,他写道:
但在20世纪前,此现象只被视为民间传说。直到1969年,才由Mpemba再次在科学界提出。自此之后,很多实验证实了Mpemba效应的存在,但没有一个唯一的解释。
大约在1461年,物理学家GiovanniMarliani在一个关于物体怎样冷却的辩论上,说他已经证实了热水比冷水更快结冰。他说他用了四盎司沸水,和四盎司未加热过的水,分别放在两个小容器内,置于一个寒冷冬天的屋外,发现沸水首先结冰。但他没能力解释此一现象。
直至1969年,那已是Marliani实验500年之后,坦桑尼亚中学的一个命叫Mpemba的中学生再发现此现象的故事,被刊登在《新科家》(NewScientist)杂志。这个故事告诉科学家和老师们,不要忽视非科学家的观察,和不要过早下判断。
1963年,Mpemba正在学校造雪糕,他混合沸腾的牛奶和糖。本来,他应该先等牛奶冷却,之后再放入冰箱。但由于冰箱空间不足,他不等牛奶冷却,就直接放入去。结果令他很惊讶,他发现他的热牛奶竟然比其同学的更早凝固成冰。他问他的物理老师为什么,但老师说,他一定是和其它同学的雪糕混淆了,因为他的观察是不可能的。
当时Mpemba相信他老师的说法。但那一年后期,他遇见他的一个朋友,他那朋友在Tanga镇制造和售卖雪糕。他告诉Mpemba,当他制造雪糕时,他会放那些热液体入冰箱,令他们更快结冰。Mpemba发觉,在Tanga镇的其它雪糕销售者也有相同的实践经验。
同一年,科学上很常见的巧合之一,Kell博士独立地写了一篇文章,是关于热水比冷水先结冰的。Kell显示,如果假设了水最初是透过蒸发冷却,和维持均匀的温度,这样,热水就会失去足的质量而首先结冰。Kell因此表明这种现象是真的(当时,这现象在加拿大城市是一个传闻。),而且能够用蒸发来解释。然而,他不知道Osborne的实验。Osborne测量那失去的质量,发现蒸发不足以解释此现象。后来的实验采用密封的容器,排除了蒸发的影响,仍然发现热水首先结冰。
三、对姆佩巴效应的各种解释
什么是Mpemba效应?有两个形状一样的杯,装着相同体积的水,唯一的分别是水的温度。将两杯水在相同的环境下冷却。在某些条件下,初温较高的水会先结冰,但并不是在任何情况下,都会这样。例如,99.9℃的热水和0.01℃的冷水,这样,冷水会先结冰。Mpemba效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下,都可看到。
一般人会认为这似乎是不可能的,还有人会试图去证明它不可能。这种证明通常是这样的:30℃的水降温至结冰要花10分钟,70℃的水必须先花一段时间,降至30℃,然后再花10分钟降温至结冰。由于冷水必须做过的事,热水也必须做,所以热水结冰慢。这种证明有错吗?
这种证明错在,它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响。但事实上,除了平均温度,其它因素也很重要。一杯初始温度均匀,70℃的水,冷却到平均温度为30℃的水,水已发生了改变,不同于那杯初始温度均匀,30℃的水。前者有较少质量,溶解气体和对流,造成温度分布不均。这些因素会改变冰箱内,容器周围的环境。下面会分别考虑这四个因素。
1.蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中,热水由于蒸发会失去一部分水。质量较少,令水较容易冷却和结冰。这样热水就可能较冷水早结冰,但冰量较少。如果我们假设水只透过蒸发去失热,理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应。这个解释是可信的和很直觉的,蒸发的确是很重要的一个因素。然而,这不是唯一的机制。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验,在封闭的容器,没有水蒸气能离开。很多科学家声称,单是蒸发,不足以解释他们所做的实验。
2.溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体,随着沸腾,大量气体会逃出水面。溶解气体会改变水的性质。或者令它较易形成对流(因而较易冷却),或减少单位质量的水结冰所需的热量,或者改变沸点。有一些实验支持这种解释,但没有理论计算的支持。
4.周围的事物——两杯水的最后的一个分别,与它们自己无关,而与它们周围的环境有关。初温较高的水可能会以复杂的方式,改变它周围的环境,从而影响到冷却过程。例如,如果这杯水是放在一层霜上面,霜的导热性能很差。热水可能会熔化这层霜,从而为自己创立了一个较好的冷却系统。明显地,这样的解释不够一般性,很多实验都不会将容器放在霜层上。
最后,过冷在此效应上,可能是重要的。过冷现象是水在低于0℃时才结冰的现象。有一个实验发现,热水比冷水较少会过冷。这意味着热水会先结冰,因为它在较高的温度下结冰。但这也不能完成解释Mpemba效应,因为我们仍需解释为什么热水较少会过冷。
在很多情况下,热水较冷水先结冰,但并不是在所有实验中都能观察到这种现象。而且,尽管有很多解释,但仍没有一种完美的解释。所以,姆佩巴效应仍然是一个谜。
词意自然
自:自己;非他因而自有。然:这样;这样的状态。自然指相对于人主观意识的客观存在。
自然哲学范畴。源于“存在”一词的词根“bhu”、“bheu”,含有产生、生长、本来就是那样的意思。罗马时代,开始使用“natura”。在中国,“自然”的最初含义亦指非人为的本然状态。如《道德经·二十五章》:“人法地,地法天,天法道,道法自然”。亚里士多德认为,自己如此的事物,或自然而然的事物,其存在的根据、发展的动因必定是内在的,因此“自然”就意味着自身具有运动源泉的事物的本质,“本性就是自然万物的动变渊源”(《形而上学》),从而从原始的“自然”含义引申出作为自然物之本性和根据即“存在”本身的自然概念。在近代,“Nature”则主要指存在者之整体,即自然物的总和或聚集。在这个意义上,它与“自然界”同义。如恩格斯说:“整个自然界形成一个体系,即各种物体相互联系的总体。”(《自然辩证法》)随着人类的社会实践、工业和技术活动的深入展开,自然概念获得人与自然相互作用而产生的自然,即马克思所说的“人化的自然界”(《
马克思恩格斯全集》第42卷第126页)的新内容。在现代,鉴于全球性的生态危机,哲学家提出作为生态系统的自然概念;生态系统是一个由相互依存的各部分组成的生命共同体。认为人类和大自然其他构成者在生态上是平等的;人类不仅要尊重生命共同体中的其他伙伴,而且要尊重共同体本身,任何一种行为,只有当它有助于保护生命共同体的和谐、稳定和美丽时,才是正当的(《沙乡年鉴》)。