一个奇特的物理现象——姆潘巴现象

 
水或水溶液的温度降低至冻结点时并不都会结冰,冷柜在较多的场合时温度要降至冻结点以下,造成过冷却状态时,水或水溶液才会结冰。当冰晶产生时因放出相变热,使水或水溶液的温度再度上升至冰结点温度,水或水溶液结冰时,被称为“冰结晶之芽”的晶核形成是必要条件。

姆潘巴现象(Mupainmubar
effect),又名姆佩姆巴效应,指在同等体积、同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。

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亚里士多德、培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象,但是均未能引起广泛的注意。1963年,坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中,他们总是先把生牛奶煮沸,加入糖,等冷却后倒入冰格中,再放进冰箱冷冻。有一天,当姆潘巴做冰淇淋时,冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位,姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸,放入糖,等不及冷却,就把滚烫的牛奶倒入冰格中,并送入冰箱。一个半小时后,姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象:他放入的热牛奶已经结成冰,而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。照理说,水温越低,结冰的速度越快,而牛奶中含有大量的水,应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对,但事实怎么会颠倒过来了?姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师,都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐,就用嘲讽的口吻说:你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧!但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐,他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会,又提出了自己的疑问。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后,博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验,结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是,他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究。1969年,他和丹尼斯·奥斯伯恩博士(Denis
G. Osborne)共同撰写了关于此现象的一篇论文,因此该现象便以其名字命名。

 
 当液体处于过冷却状态时,由于某种刺激作用会形成晶核,例如溶液内局部温度过低,水溶液中的气泡、微粒及容l器壁等都会刺激形成晶核。由温度起伏形成的晶核称为均一晶核,除此以外形成的晶核称为非均一晶核。食品是具有复杂组成的物质,其形成的晶核属于非均一晶核晶核形成后,冰结晶开始生长。

“姆潘巴现象”真的能颠覆我们以往关于水结冰的常识吗?。四十多年来,许多论文与实验试图证实这个现象背后的原理,但由于缺乏科学实验数据以及定量分析,至今没有定论。

 
 冷却的水分子向晶核移动,凝结在晶核或冰结晶的表面,形成固体的冰。晶核形成速度、冰晶生长速度与过冷却度的关系。A点是晶核形成的临界温度。在过冷度较小的区域(冻结点至A点之间),晶核形成数少,但以这些晶核为中心的冰晶生成速度快;过冷度超过A点,晶核形成的速度急剧增加,而冰晶生长的速度相对比较缓慢。

难以解释的现象

 

最先肯定“姆潘巴现象”存在的那位博士在对其进行细致研究过程中发现,当把热水放入电冰箱冷却的最初时刻,热水水体的上表面与底部不存在温度差,但一经急剧冷却,温度差就立即出现,其中初温为70℃的热水内产生的高低温度差接近14℃,而初温为47℃的热水内产生的高低温度差只有10℃。这说明在冻结前的降温过程中,较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差。但为什么温差大的水要先冻结呢?这只能有一种解释比较合理,那就是水体上表面的温度愈高,从上表面散发的热量就愈多,因而降温就愈快,冻结也就愈快。这便是热牛奶比冷牛奶先结冰的秘密。

但后来其他研究人员的实验和上面的实验结果就不大相同了。有研究人员用纯净水反复做了类似实验,结果始终没有发现“姆潘巴现象”。还有对此感兴趣的研究者通过实验证实,只有当冰箱内有显著温差、或牛奶含糖量不同、或糖没有溶解、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时,“姆潘巴现象”才会出现。这就是说“姆潘巴现象”是个别现象,其所包含的物理现象并不能否定我们的常识。

姆潘巴现象是一个多变量问题。

物理原因:

从物理方面来说,致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察并对结果进行比较,发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析其原因就更能说明问题了:

盛有初温4℃冷水的杯,结冰要很长时间,因为水和玻璃都是热传导不良的材料,液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降,体积膨胀,密度变小,集结在表面。所以水在表面处最先结冰,其次是向底部和四周延伸,进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时,内层的水与外界的空气隔绝,只能依靠传导和辐射来散热,所以冷却的速率很小,阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。另外由于水结冰时体积要膨胀,已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。

盛有初温100℃热水的杯,冷冻的时间相对来说要少得多,看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖,看不到“冰壳”
形成的现象,只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶(在初温低于12℃时,看不到这种现象)。随着时间的流逝,冰晶由细变粗,这是因为初温高的热水,上层水冷却后密度变大向下流动,形成了液体内部的对流,使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。初温越高,这种对流越剧烈,能量的损耗也越大,正是这种对流,使上层的水不易结成冰盖。由于热传递和相变潜热,在单位时间内的内能损耗较大,冷却速率较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时,水面就开始出现冰晶。初温较高的水,生长冰晶的速度较大,这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故,最后可以观察到冰盖还是形成了,冷却速率变小了一些,但由于水内部冰晶已经生长而且粗大,具有较大的表面能,冰晶的生长速率与单位表面能成正比,所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。

美高梅手机官方网站,生物原因:

同雨滴的形成需要“凝结核”一样,水要结成冰,需要水中有许许多多的“结晶中心”。生物实验发现,水中的微生物往往是结晶中心。某些微生物在热水(水温在100℃以下一点)中繁殖比冷水中快,这样一来,热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多,加速了热水结冰的协同作用:围绕“结晶中心”生长出子晶,子晶是外延结晶的晶核。对流又使各种取向的分子流过子晶,依靠晶体表面的分子力,抓住合适取向的水分子,外延生长出分子作有序排列的许多晶粒,悬浮在水中。结晶释放的能量则通过对流放出,而各相邻的冰粒又连结成冰,直到水全部冻结为止。

以上是科学家对观察到的现象进行综合分析所得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜,对其做出全面定量而令人满意的结论,还有待于进一步的探索。

硬物作怪

最近,美国华盛顿大学的乔纳森?卡茨通过对姆潘巴现象的深入研究,捉到了隐藏其中的鬼怪。他证实,这种现象不但真实存在,而且造成这种现象发生的鬼怪也是真实存在的。不过,这其中的鬼怪只是隐藏在水里面的一些寻常硬物。

在破解姆潘巴现象的过程中,卡茨把目光盯在了水上。我们知道,水在加热过程中,一些隐藏在水里的易溶硬物——碳酸钙和碳酸镜等碳酸盐会被驱逐出去,形成沉淀物。我们日常生活中常见的附在水壶内壁上的水垢,就是它们被驱出去的证据。而水在达到沸点以后,就会因硬物被绝大部分清除而软化。卡茨发现,同样是冷冻结冰,未经加热的硬水在结冰过程中,由于其内部硬物作祟,使得硬水的冰点要比被加热后的软水冰点低一些,这就减缓了硬水结冰的速度。这一原理就如同下雪后向路面撒盐会防止结冰一样,盐的混入,会使雪的冰点降低,这样,雪结冰的过程就拉长了。

但仅凭这个发现还不能直接破解姆潘巴现象,因为姆潘巴的同学们在做冰棋淋的过程中,都先把生牛奶煮熟了。那为什么姆潘巴的热牛奶会先冻结呢?
卡茨发现,原因还是出在水里的硬物上:为了吃到可口的冰漠淋,他们都在牛奶里加了糖,而糖实际上会使牛奶液体变硬。但同样是煮熟、加糖的牛奶,热牛奶液体的硬度实际要比冷牛奶的硬度要低一点,这个硬度的差异造成了它们冰点的差异,硬度较高的冷牛奶冰点相对要低些。这样,冰点略高的热牛奶自然要比冰点略低的冷牛奶要先结冰了。

当然,还有另外一个原因能够降低低温水的结冰速度,因为实验证明,热量从水中流失的速度取决于温差,就是说在同样的低温环境里,温度相对较高的水比温度相对较低的水散热速度要快一些。换成牛奶,道理也是一样。

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