科学!这就是为什么热水比冷水结冰更快

上周，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的研究人员提出了可能的答案这是对Mpemba效应最合理的解释[PDF]。

你可能听说过热水比冷水结冰更快，这就是Mpemba效应。我记得小时候我姐姐跟我说过。我当时不相信她，以后很多年都不相信她。这种事情听起来像是无稽之谈。

但有一件事我们得说清楚:对于Mpemba效应存在的事实，实际上没有任何争议。它已经在许多对照实验中被观察到。*亚里士多德第一次注意到它的存在是在两千多年前，他写了一篇关于冰上渔民如何加热水以使水更快冻结的文章。这一现象是以坦桑尼亚的伊拉斯托·姆巴巴命名的。1963年，他还是一名中学生时，注意到热的冰淇淋混合物比冷的冰淇淋混合物结冰得更快。他向客座讲师Denis G. Osborne博士提出的问题是:“如果你拿两个装有相同体积水的相似容器，一个在35°C(95°F)，另一个在100°C(212°F)，然后把它们放进冰箱，在100°C(212°F)开始的容器先结冰。这是为什么?”起初被嘲笑，但奥斯本后来复制了Mpemba的结果，并在1969年与他共同撰写了一篇解释这些观察结果的论文。

*不，你的朋友说，“有一次我把一个冰块托盘装满热水，另一个装满冷水，冷水冻得更快。”这不算一个对照实验。

这完全违背直觉，似乎违反了热力学的基本定律。需要明确的是，我们在这里说的是，在一定条件下，一体积的温水冻结所需的总时间将是小而不是同等体积的冷水在完全相同的外部温度下冻结所需的总时间。这真的很奇怪。我的意思是，在这个过程的某个时刻，温水会不会达到和冷水一样的初始状态?如果是这样，为什么最近变热的冷水会比最初变冷的水冻结得更快呢?几十年来，它让人们摸不着头脑，或者完全否认它的存在。

从那以后，人们提出了许多解释，试图解释这一现象，但没有一个比听起来似是而非的理论更多。以下是其中的一些:

理论:由大温差引起的温水中的对流将使其更快地冷却，即使在水降至与冷水相同的温度后，这些对流仍在继续，从而使其在冻结时超过冷水

*问题:水是非常粘稠的东西，这样的对流在冷却水的时间内不会继续流动。

理论:热水蒸发。留下的水越少，意味着结冰的水越少

**问题:即使考虑到蒸发，热水也比冷水冻结得更快。

理论:热水在冷冻室的空气中产生对流模式，从而提高了冷却效率

***问题:你可以在同一个冰箱里用热盘和冷盘做实验，但仍然观察到热盘比冷盘冻结得更快。

理论:冷水在顶部结冰一层，形成绝缘层，防止其余部分快速冷却****

****问题:热水也会形成这个霜层。

实验问题很大，因为要控制的变量太多了——除了起始温度，还有冰箱的形状，容器的体积和形状，容器的绝缘性能，水中溶解的固体，等等。在上周的论文发表之前，最可信的工作是由感兴趣的外行完成的詹姆斯Brownridge他提出，加热水会改变杂质的性质，从而改变水的冰点(他观察到，大多数水实际上在0°C以上过冷，直到显著低于这个温度才开始结晶)。

这篇新论文声称，这种效应实际上有一个化学解释，而且在数学上符合观测数据，据我所知，这是第一个能够做到这一点的解释。

水分子是由两个氢分子和一个氧分子通过强共价键连接而成的。通常情况下，共价键在受热时会变软变长。但在水中，由于氢键的独特性质——一个水分子中的氢原子和相邻分子中的氧分子之间的相互作用——相反的效果发生了。当水体吸收能量时，氢键会拉伸(导致单个水分子彼此分开)，但每个分子内的共价键会变得更短更硬——这与水结冰时发生的情况相同。

所以在单个分子水平上，加热的水比最初的冷水更接近于冻结的水。更重要的是，这些收缩共价键中能量的释放速率与最初储存的能量成指数关系。实际上，热水有能量，就像弹簧一样，当你开始冷却它时，它就会释放出来，让它更快地冷却和冻结。

整洁的,是吧?

你可以详细了解一下全文在这里，配有完全看不懂的图表。