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温度高的液体比温度略低的液体先结冰现象分析

时间:2018-05-30 来源:中国高新区 作者:刘显龙 本文字数:3011字
  摘要:姆潘巴现象 (Mpemba effect) 指的是在同等冷却环境和同等体积下, 温度高的液体相对于温度略低的液体要先结冰的一种现象。对权威的牛顿冷却定律提出了挑战。对于姆潘巴现象的研究依然缺乏学实验数据以及定量分析, 本文通过对命题假设和实验验证, 对姆潘巴现象展开探究, 并作出个人学习总结。
  
  关键词:姆潘巴现象; 试验; 总结;
  
  在二十世纪六十年代初, 一名刚上中学的坦桑尼亚的学生姆潘巴和他的同学一起去做冰淇淋吃, 他将牛奶放进锅里煮沸后放入适量的糖, 在没有冷却前将滚烫的牛奶倒入冰格中, 然后和一瓶没有加热的冷牛奶一同放进冰箱中, 在30分钟后, 姆潘巴发现:他之前放入冰箱的两瓶牛奶中, 滚烫的牛奶已经结成了冰, 而冰箱中冷却的牛奶却还是粘稠的液体, 按照常规思维来说, 温度越低的牛奶应该越容易结冰, 温度高的牛奶应该不容易结冰, 随后, 姆潘巴将这个事情告诉了博士, 这位博士听了姆潘巴的说法后, 又做了一次冷热牛奶和冷热水的物理实验, 实验结果发现, 姆潘巴所描述的现象的确颠覆了人们常识的看法, 为此, 博士邀请姆潘巴一起对这一实验现象进行了研究, 不过在很多时候, 这种热水相对于冷水要先结冰的实验并不是都可以发生的, 目前, 姆潘巴效应仍然是一个谜。
  
  1 命题假设
  
  博士对“姆潘巴现象”做了进一步的实验和研究, 其发现, 如果将热水放置在冰箱中冷却, 起初热水的上层表面和底部没有温差, 不过经过急剧冷却后, 上层表面和底部的温差就会发生变化, 通过不同的实验分析发现, 如果放置的水温在70摄氏度, 那么上层表面和底部的温差在14摄氏度左右, 如果放置的水温在47摄氏度, 那么上面表面和底部的温差则在10摄氏度, 由此看出, 温度较高的液体在放置冰箱中冻结前, 所产生的温度差要大于温度较低的液体, 不过对于温差越大越容易先结冰这一现象, 可以解释为:水体表面温度越高, 其散发的热量也就越多, 所以降温和冻结起来也就越快, 这也就是热牛奶相对于冷牛奶更容易先结冰的道理。
  
  结合物理理论可以知道:冷水的蒸发强度要远远小于热水, 而密度要大于热水, 选取两个相同的非密封容器, 在两个容器中分别加入同等量的热水和冷水, 将两个容器同时放在一个环境温度中, 由于冷水在降温过程中很难蒸发, 而热水在降温环境下蒸发的水分较多, 因此冷水的降温速度要远远小于热水的降温速度, 初温低的水最终大于初温较高的水。
  
  此外, 选取两个相同的密封容器, 在两个容器中分别加入同等量的热水和冷水, 将两个容器同时放在一个环境温度中, 由于冷水在降温过程中在密度和体积方面的变化都没有热水变化的大, 所形成的容器内气压也有所不同, 热水容器内的气压远低于冷水容器内的气压, 冷水的沸点温度高于热水, 对流强度方面也小于热水, 冷水在一定时间内所失去的能量相对于热水要少很多, 因此冷水的降温速度最终相对于热水要慢。
  
  2 实验验证

  
  2.1 实验器材和原材料
  
  两个完全相同的密闭容器、300ml约10摄氏度的冷水、300ml约90摄氏度的热水、量程为0~100℃的温度计两支、一台制冷冰箱。
  
  2.2 实验过程
  
  将300ml约10摄氏度的冷水和300ml约90摄氏度的热水分别加入到两个完全相同的密闭容器中, 然后将两个装有等量水的容器置于冰箱的冷冻室中的相同位置, 设置冰箱的冷冻温度为零下10摄氏度, 相距一定的时间分别记录两杯水中的温度, 并注意观察杯容器中水的现象。
  
  2.3 实验结果
  
  实验所测的温度数据绘制成曲线如图1所示:
  
  图1 热水和冷水温度随时间的变化曲线
  
  从以上的实验数据曲线可以看出, 热水的温度下降的速度远大于冷水的下降速度, 最终热水比冷水先到达零, 因此说明热水比冷水先结冰是正确的。从图2所观察到的实验现象来说, 左图为热水容器, 右图为冷水容器, 显然热水杯中比冷水杯中先结冰。以上实验很好的验证的实验的假设, 证明了该实验现象的真实存在。
  
  3 个人总结
  
  通过查阅相关文献资料和向专业人员请教, 总结出以下几种较为合理的解释:
  
  3.1 蒸发
  
  较热的水在冷却过程中, 会因为蒸发而失去一定量的水。而减少的水量会让谁比较容易冷却而冻结, 理论上的计算已经表明, 蒸发能解释姆潘巴效应, 但如果假设水通过蒸发而失去大量热量而导致热水结冰快, 这种解释会很牵强。蒸发毫无疑问在大多数情形下是重要的, 不过, 这种影响因素还不是唯一的, 蒸发无法解释在封闭的容器下所做实验得出的结论, 而且许多科学家都认为光是蒸发不能够解释他们的结果。
  
  3.2 水中溶解的物质
  
  在加热过程中可溶性气体溢出, 碳酸盐变成水垢, 使热水相比于冷水含有更少的可溶性气体以及碳酸钙和碳酸镁等碳酸盐, 没有通过加热的水中依然存在这些物质, 在水结冰的过程中会不断的形成冰晶, 对于水中没有结冰的物质浓度会不断升高, 最高可达正常水平的五十倍, 在达到这种浓度时, 水就会降低到冰点, 进而影响冷水的结冰速度, 此原理和雪后向路面撒盐防止结冰相似。
  
  3.3 液体中的对流
  
  在水的冷却过程中会形成对流, 水的温度也会变得不均匀, 在水温上升过程中, 水的密度也会不断的发生变化, 当热水冷却到冷水的初温时, 它会有一热顶, 所以和平均温度相同, 不过和温度均匀的水相比, 其冷却速率会相对较快。尽管在实验中, 能看到热顶和相关的对流, 不过对流是否可以解释姆潘巴先向还不得而知。
  
  3.4 实验环境
  
  初温相对较高的水大多会以复杂的方式改变其周围的环境, 进而影响到冷却的过程。例如, 将实验的水放在一层霜上面, 霜的导热性能比较差。热水可能会熔化这层霜, 从而形成了一个较好的冷却系统。很显然, 很多实验都不会将容器放在霜层上。
  
  3.5 过冷现象
  
  过冷现象指的是水在低于0℃时才结冰的现象。有相关实验显示, 热水比冷水较少会过冷。这说明热水会先结冰, 因为其在较高的温度下结冰。不过这也不能完成解释Mpemba效应, 因为我们还需要解释为什么热水较少会产生过冷。
  
  3.6“硬物”理论
  
  美国一名着名学者对姆潘巴现象也做了进一步的研究, 其发现这种现象不仅存在而且造成这种现象存在的鬼怪也是存在的, 这里所说的鬼怪主要是指在水中存在着一种非同寻常的“硬物”, 在对这一现象进一步试验中, 该学者在做实验中水通过加热, 其钙、镁离子等会驱逐出去, 就像生活中烧开水会形成水垢一样存在水底, 在水烧开后, 水的硬度就会被软化, 对于冷水和加热后的冷水其硬度有所不同, 并且其在结冰过程中, 硬度较高的水其冰点要高于软水, 因此, 硬水结冰的速度就会放缓。
  
  不过只凭借这个实验还无法解释姆潘巴现象, 因此以上实验受到诸多不同因素的影响, 需要对这些影响进行具体的划分, 例如牛奶的温度、冰箱内的温差、水中的杂质或者添加物等, 这些都会影响姆潘巴现象的存在, 姆潘巴同学们在此次实验中添加了糖在牛奶中, 糖可以使得牛奶变硬, 并且加热的牛奶相对于没有加热的冷牛奶其硬度变化也不尽相同, 所以这个硬度也会对冰点的差异存在一定的影响, 硬度相对较低的冷牛奶其冰点要稍微低点, 所以冰点较高的热牛奶要慢于冰点较低的冷牛奶。
  
  与此同时, 对于影响低水温结冰速度的因素还有其他方面, 通过多次实验可以发现, 温差可以决定水的热量的流失速度, 所以说在同等低温环境下, 水温相对较低的其散热速度相对于水温较高的要慢些, 对于牛奶实验也同样如此。
  
  4 结语
  
  总的来说, 在通过多次实验可以发现, 姆潘巴现象并非每次都会存在, 究其原因主要在于实验人最初用的是软水, 采用相同的软水的做此次实验, 水的冰点都是相同的, 并且散热的速度是否快或慢对冰速度影响非常的小, 因此姆潘巴现象就不是太明显了。
    论文来源参考:刘显龙.姆潘巴现象探究学习报告[J].中国高新区,2018(02):89-90.
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