分类：教育/科学-理工学科-物理学
问题：冷水与热水为什么热水和冷水同时放进冰箱,热水先冻上? 
为什么热水和冷水同时放进,热水先冻上?
回答：我来回答个最全面的~！这是一个上的难题。起源于一个事实：在坦桑尼亚的某一个学校，允许生活困难的学生在课间买自制的冰激凌，这些学生到校的第一件事就是做冰激凌，因为谁做的快，谁就能早一些卖出。有一天，一位学生迟到了，她把热的冰激凌原料放入了冰箱，结果她的冰激凌最先完成。于是就有了许多物理上的解释，都不满意。一、姆佩巴效应　　1963年的一天，在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里，一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后，准备放进冰箱里做冰淇淋。他想，如果等热牛奶凉后放入冰箱，那么别的同学将会把冰箱占满，于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久，他打开冰箱一看，令人惊奇的是，自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋，而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇，但他相信姆佩巴讲的一定是事实。尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验，其结果也姆佩巴的叙述完全相符。这就确切地肯定了在低温环境中，热水比冷水结冰快。此后，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"（Mpemba Effect）。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：　　"先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。因此当人们想去冷却热水，他们会先放它在太阳下..."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 Giovanni Marliani 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。　　到了十七世纪初，此现象似乎成为一种常识。1620年培根写道"水轻微加热后，比冷水更容易结冰。"不久之后，笛卡儿说"经验显示，放在火上一段时间的水，比其它水更快地结冰。"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》（New Scientist）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。　　后来，Mpemba学到牛顿冷却定律，它描述热的物体怎样变冷（在某些简化了的假设下）。Mpemba 问他的老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰。这位老师同样回答是一定Mpemba混淆了。当Mpemba继续争辩时，这位老师说："所有我能够说的是，这是你Mpemba的物理，而不是普遍的物理。"从那以后，这位老师和其它同学就用"那是Mpemba的数学"或"那是Mpemba的物理"来批评他的错误。但后来，当Mpemba在学校纳锸笛槭遥⑹杂萌人屠渌鍪笛槭保僖淮畏⑾郑喝人紫冉岜?BR> 　　更早时，有一位物理教授Osborne博士访问Mpemba的那间中学。Mpemba问他这个问题。Osborne博士说他想不到任何解释，但他迟些会尝试做这个实验。当他回到他的实验室，便叫一个年轻的技术员去测试Mpemba的实验。这位技术员之后报告说，是热水首先结冰，又说："但我们将会继续重复这个实验，直至得出正确的结果。"然而，实验报告给出同样的结果。在1969年，Mpemba和Osborne报导他们的结果。　　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。现在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。 3. 对流──由于冷却，水会形成对流，和不均匀的温度分布。温度上升，水的密度就会下降，所以水的表面比水底部热─叫"热顶"。如果水主要透过表面失热，那么，"热顶"的水失热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时，它会有一热顶，因此与平均温度相同，但温度均匀的水相比，它的冷却速率会较快。虽然在实验中，能看到热顶和相关的对流，但对流能否解释Mpemba效应，仍是未知。 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謎。除了这个迷之外,现时中还有一个原因,一般直冷式电冰箱的温控器是根据冰箱内的温度来启动压缩机工作，进行致冷的。在箱内温度升高到设定的温度时，致冷压缩机开始工作，当放进温度较高的物品时，箱内温度较快升高，压缩机也就提早开始工作，要降到设定的温度，工作的时间也较长，所以温度高的物品要冷得快一些。根据电冰箱控温器的这种工作方式，所以在冬天，环境温度本来就较低，冰箱内的温度也不会高，如果将控温器的值调得过低，冰箱就会长时间不启动，放在冰箱内的物品反而会解冻，这是使用电冰箱温控器要注意的一点，当然，对现代的全自动温控的电脑型的电冰箱，不存在这个问题。 　古希腊哲学家亚里士多德曾最先记载过这样一个奇特现象——在同等低温条件下，温度高的水结冰速度快于冷水。坦桑尼亚学生姆潘巴1969年使这一现象变得更为人知晓，他发现加糖的牛奶加热后比未加热的牛奶结冰速度快。这种现象也被称为“姆潘巴现象”。但个中原因是什么呢？ 　　据将于6月3日出版的英国《新科学家》杂志报道，美国华盛顿大学的乔纳森·卡茨在对“姆潘巴现象”深入研究后认为，这一现象实际上与水中的溶解物有关。水在加热过程中，一些通常会使水变“硬”的溶解物，主要是碳酸钙和碳酸镁等碳酸盐，会被“驱逐”出来形成固体沉淀，这就是日常生活中常见的附在水壶内壁上的水垢。　　卡茨说，未经加热的水中仍含有这些溶解物，在水结冰过程中随着冰晶的形成，尚未结冰的水中这些物质的浓度会进一步升高，甚至可达正常水平时的50倍。这种情况会降低水的冰点，这也就减缓了冷水结冰的速度。这一原理就如同下雪后向路面撒盐防止结冰一样。　　卡茨认为，姆潘巴在牛奶中加糖实际上是使水变得“更硬”，进一步扩大了只含少量碳酸盐的热牛奶与富含碳酸盐的冷牛奶之间结冰速度的差距。　　美国加利福尼亚大学伯克利分校的理查德·穆勒认为，卡茨对“姆潘巴现象”的分析是迄今对这一现象做出的最深入、最严谨的解释，并认为卡茨找到了“简单但对头”的方式解决这一问题。实际上如果将两壶水都烧开后，自然冷却不同的温度，再放入冰箱，一定是温度低的先结冰。 冷热水结冰速度家庭实验报告关于冷热水结冰的实验，我以前做过，不过也许只是简单地把水碗放进冰箱去等时间确实不够严谨，因此今晚做个严谨一些的实验再次加以验证以下是实验前的思考、实验过程和数据记录分析，敬请各位指正：《冷水、热水降温结冰速度比较实验报告》【实验人】beager【实验时间】2006.07.26【实验地点】郭村村办冷冻处理责任有限公司食品加工车间【实验目的】据称，某国外学生在上实验课制取冰块时使用的是热水，而比使用冷水的同学更快地得到了冰块，从而提出“热水结冰比冷水快”的结论。但有另外的报道称这是一则愚人节新闻。特进行部分实验检验这一现象。【实验前的疑问】1、考虑“热水结冰比冷水快”这一命题如果成立，隐含了哪些前提？做为科学的结论，应当有实验现象成立的前提条件，诸如“在真空中，光速为30万Km”、“一个大气压下，水在摄氏100℃时沸腾”、“标准状况下，一摩尔气体为22.4升”……而温度变化与物体的比热有关、液体的凝固与熔解热有关；这两者都与实验中的水的质量有关；同时冷水和热水在降温过程中所受冷源的影响应当是一致的因此对结论补充完全的说法应该是“在同样的制冷环境下，相同质量的冷水和热水相比，热水的结冰速度快。”这也正是本实验所需要验证的，因此实验需要控制的重点在于水的质量和制冷环境相同同时，考虑水的质量大小对实验的影响降温、结冰的整个过程都和水的放热有关，而水需要放出热量的多少与水的质量成正比；因此如果需要更多地观察出降温速度的差异，就需要尽量大地拉开冷热水所需要放出的热（想像这样的情况：在同样的制冷情况下，冷水和热水都各只采用0.1克，结冰的时间差异肯定较难在家庭环境中分辩出来；而如果各都采用100克或更多的500克来进行，就比较容易观察出差别）同样的制冷环境除了指冰箱的冷源一致，也要考虑盛水容器的材质与表面积、水面的面积得到一致等2、对已有的一些推论，如何考虑？这些推论是：『a、热水的放热速度比冷水快』温差大的两个物体之间传递热能是会比较快，但没有理论指出降温速度也存在“惯性”一说，参看附图：如果认为降温速度存在“惯性”，则热水与冷水的降温速度如同图中的两道红线，V(H)永远高高在上如果把“降温速度”定义为每单位时间放出的热能（即V=ΔW/t），那么很显然这条速度线下所围的平面面积就是它放出的热能。这样，当热水围成的平面面积扣除其比冷水将要多放出的热能面积后，还大于同一时刻下冷水围成的平面面积时，热水就比冷水更快地降温了，甚至于结冰但是这将导致一个看上去很奇怪的结论：如果照此理论，40℃的水将比10℃降温快，结冰所用时间短；而70℃的水又比40℃的水结冰所用时间短……最后，我们将面对这样一个情况：100℃的沸水，结冰所需要的时间也会比1℃甚至0℃的水短，因此，如果在夏天的午后我们想尽快吃一份自制冰淇淋的话就应该把原料先煮开后再拿去冰冻——如果这一显然违背生活常理的结论确实不会发生的话（我在这里说确实，是指在还没有实验的情况下的设想，也许这种情况真的会让人大吃一惊地在实验中发生），那么可能这条降温曲线是如图中紫色线条所示，当到很热的热水达某个临界点后，降温速度会大大下降；而相对“凉”的热水则在还没有到达这一临界点的时候就更快地比冷水先结冰了。这一期望曲线至少打破了“热水存在降温惯性”这种思考，指出热水的降温速度是可变的。因此，也不排除热水的降温速度会像图中的蓝线所示，呈线形下降的趋势而最可能的情况也许如图中绿线所示，随着温度的降低，热水降温速度也越来越慢，最后当它所多围出的平面面积与它需要放出的热能相同时，它正好达到冷水的初始温度，然后其顺接着冷水的降温曲线结冰——这样，它就比冷水的结冰速度慢了『b、热水的蒸发导致质量减少，从而使热水结冰速度更快』如果确实是由质量减少造成的，就已经违背实验思考第一条中申明的隐含条件“相同质量”，那么“热水结冰比冷水快”就已经没有成立的基础了但是：水蒸发出气体后体积将会膨胀一千多倍——即使是一克水，蒸发出来也要有一升多的气体，很难想像家庭冰箱里会容纳这么多多出来的气体，而如果它不蒸发，老老实实地做为水来降温，也只不过多放出4.2焦耳的热能，难道热水会因少释放4.2焦耳的热就在速度上占到更多的便宜吗？（蒸发也会带走大量的热，但这时粗略地看来水温是不降低的）需要对此加以注意的倒是另外一个问题：蒸发出来的水如果在放冷水的器壁上凝结，反而将会放热影响冷水的降温。所以在实验中，需要给热水和冷水容器盖上盖子。同样，为了防止热水放热对冷水降温的影响，容器之间不可有直接接触或通过热良导体的接触；还需要采用白色容器来防止热水的辐射影响【实验器材】家用冰箱、材质相同的白瓷碗三个（含碗盖）、测量范围为-4℃～102℃水银温度计一支、时钟、木垫板、小杯子（做为量杯）【实验过程】1、在三个瓷碗底贴上标签，放凉水的贴绿色纸签、放温水的贴黄色纸签、放热水的贴红色纸签2、配置不同温度的水，用小杯量取同样体积的水，分别倒入三个碗中（约300克）（水在不同温度下的密度是不同的，热水的密度比冷水的小，但差别不大。家庭中无法用天平进行称量，所以近似地使用相同体积的水做为实验对象进行研究）使得绿标签碗中的水：22℃黄标签碗中的水：52℃红标签碗中的水：81℃3、在冰箱冷冻室中铺垫木板，将三个碗盖上碗盖，放入冷冻室。注意勿使瓷碗相互接触4、每隔十分钟，记录碗中水温，注意测量时温度计不应接触容器壁5、直到水结成冰块，统计记录数据，进行分析和结论【实验数据】时间绿签碗黄签碗红签碗23:11225281（初始温度℃）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 （绿签碗的边缘出现细碎冰渣）01:35 0.5 1.5401:50 0 13 （绿签碗边缘冰面加宽，呈现辐射状冰晶；黄签碗边缘出现冰渣）02:10 0 01 （绿签黄签碗表面为薄冰覆盖，红签碗边缘出现冰渣）02:35 0 00 （绿签碗边缘冰厚5mm；黄签碗边缘冰厚2mm，红签碗表面为薄冰覆盖）【实验图片】1、这是温度-时间曲线，能在一定程度上反映出水的放热变化（严格地说，水在不同温度时的比热也是不同的，如果要精确计算的话，需要考虑这些因素）与上文提到的“降温速度-时间曲线”并不相同。2、这个图的横坐标是不准确的，最后几个测量点的时间间隔比一开始大，但是受制图软件的局限，时间刻度变成均匀的了，如果严格作图的话，后半截曲线应该更加平缓。【实验结论】尽管家庭实验的条件有限，也基本可以看出在同样制冷环境下，质量相同的冷水比热水先结冰。如果消息来源中的那个学生确实比他的同学先得到冰块而又不是愚人节新闻的话，有可能他杯子里装的水比别人少，或者他用了金属容器（或插上一把金属勺起到散热片的作用）而在传导过程中占了很大便宜，或者存在什么别的原因。但总之是违反“质量相同”或“制冷环境相同”这些前提【实验的不足以及有待扩展的内容】1、由于家庭器材条件有限，无法对实验对象的水施以相对严格的质量控制，所以实验中靠量取同体积实验用水的做法，实际导致热水的质量是略少于冷水质量的2、如果人手器材足够，在每次测量水温时能做到尽量的快，可以减少因测量温度时水与室温的热交换，让实验数据更加准确。同样，在获得从结冰大概时间后，也可考虑多进行几次实验，直接到时间点上才取出观察3、本次实验中，水的降温主要依靠冰箱中的气体与水的传导方式，由于时间有限，未能多进行几组对照实验，考察水的质量增加是否如预期的对结冰时间呈现更大差别；考察对流和辐射占主导地位时的结冰情况；考察不同溶液、悬浊液、乳浊液、胶体等的结冰情况；考察严冬时自然冷冻环境下与冰箱中人工冷冻环境下的差别等多种情况4、如果需要精确实验，需要考虑以下数据：『在标准大气压下不同温度时水的密度』温度t（℃）密度┃温度t（℃）密度┃温度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 ┃『不同温度时水的比热容』温度（℃）05 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 99比热容 4217 4202 4192 4186 4182 4179 4178 4178 4180 4184 4189 4196 4205 4215（J·kg-1·K-1）给俺一个支点，俺可以撬起地球仪！