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姆潘巴問題的奧秘 1963年，坦桑尼亞的馬干巴中學(xué)三年級的學(xué)生姆潘巴經(jīng)常與同學(xué)們一起做冰淇淋吃，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后倒入冰格中放進(jìn)冰箱的冷凍室內(nèi)冷凍。因?yàn)閷W(xué)校里做的同學(xué)多，所以冷凍室放冰格的位置一直比較緊張。有一天，當(dāng)姆潘巴來做冰淇淋時，冰箱冷凍室內(nèi)放冰格的空位已經(jīng)所剩無幾了，一位同學(xué)為了搶在他前面，竟把生牛奶放入糖后立即放在冰格中送進(jìn)了冰箱的冷凍室，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不得冷卻，立即把滾燙的牛奶倒入冰格里，送入冰箱的冷凍室內(nèi)，過了一個半小時后，姆潘巴發(fā)現(xiàn)他的熱牛奶已經(jīng)結(jié)成冰而其他同學(xué)冷牛奶還是很稠的液體，沒有凍結(jié)，這個現(xiàn)象使姆潘巴驚愕不已！ 他去請教物理老師，為什么熱牛奶反而比冷牛奶先凍結(jié)？老師的回答是：“你一定弄錯了，這樣的事是不可能發(fā)生的?！焙髞砟放税瓦M(jìn)了伊林加的姆克瓦高中，他向物理老師請教：“為什么熱牛奶和冷牛奶同時放進(jìn)冰箱，熱牛奶先凍結(jié)？”老師的回答是：“我所能給你的回答是：你肯定錯了?！碑?dāng)他繼續(xù)提出問題與老師辯論時，老師譏諷他：“這是姆潘巴的物理問題?！蹦放税拖氩煌ǎ植桓翼斪怖蠋?。一個極好的機(jī)會終于來到了，達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系主任奧斯玻恩博士訪問該校，作完學(xué)術(shù)報(bào)告后回答同學(xué)的問題。姆潘巴鼓足勇氣向他提出問題：如果你取兩個相似的容器，放入等容積的水，一個處于35℃，另一個處于100℃，把它們同時放進(jìn)冰箱，100℃的水先結(jié)冰，為什么？奧斯玻恩博士的回答是：“我不知道，不過我保證在我回到達(dá)累斯薩拉姆之后親自做這個實(shí)驗(yàn)?！苯Y(jié)果他和他的助手做了這個實(shí)驗(yàn)，證明姆潘巴說的現(xiàn)象是事實(shí)！這究竟是怎么一回事呢？ 發(fā)表在1969年英國《物理教師》雜志上的由姆潘巴和奧斯玻恩兩個撰寫的一篇文章中作了第一次嘗試性的解釋：他們做了一系列的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用的是直徑4.5厘米容積100毫升的硼硅酸玻璃燒杯，同放70毫升沸騰過的各種不同溫度的水。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量分析得出的結(jié)論是：冷卻主要在于液體表面，冷卻速率決定于液體表面的溫度而不是它的整體的平均溫度，液體內(nèi)部的對流使得液面溫度維持比體內(nèi)溫度高（假定溫度高于4℃），即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度，原來熱的系統(tǒng)的熱量損失仍要比原來冷的系統(tǒng)來得多，液體在凍結(jié)之前必須經(jīng)過一系列的過渡溫度，所以用單一的溫度來描述系統(tǒng)顯然是不夠的，還要取決于初始條件的溫度梯度。 后來許多人在這方面進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)這個看來似乎簡單的問題，實(shí)際上要比我們的設(shè)想復(fù)雜得多，它不但涉及到物理上的原因，而且還涉及到微生物作為結(jié)晶中心的生物作用問題。 從物理方面來說，致冷有四種并存的機(jī)制：輻射、傳導(dǎo)、汽化、對流，通過實(shí)驗(yàn)觀察，對結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)引起熱水比冷水先結(jié)冰的原因主要是傳導(dǎo)、汽化、對流三者相互作用的綜合結(jié)果，如果把熱水和冷水結(jié)冰的過程敘述出來并分析原因就更能說明問題了：盛有4℃冷水的結(jié)冰要很長時間，因?yàn)樗筒ＡФ际菬岬牟涣紝?dǎo)體，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導(dǎo)有效地傳遞到表面，杯子里的水由于溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結(jié)在表面，所以在水表面處最先結(jié)冰，其次是底部和四周，形成了一個密閉的“冰殼”，這時內(nèi)層的水與空氣隔絕，只能依靠傳導(dǎo)和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止內(nèi)層水溫繼續(xù)下降的正常進(jìn)行，另外由于水結(jié)冰時體積要膨脹，“冰殼”起著一種抑制作用。盛有100℃熱水那一杯冷凍的時間相對來說要少得多，看到的現(xiàn)象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到“冰殼”的現(xiàn)象，沿冰水的界面向液體內(nèi)生長出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時，看不到這種現(xiàn)象）。隨著時間的流逝，冰晶由細(xì)變粗，這是因?yàn)槌鯗馗叩臒崴?，上層水冷卻后密度變大向下流動，形成液體內(nèi)部的對流，使水分子圍繞各自的結(jié)晶中心結(jié)成冰，初溫越高，這種對流越劇烈，能量的損耗也越大。正是這種對流，使上層的水不易結(jié)成冰蓋，由于熱傳遞和相變潛熱，在單位時間內(nèi)的內(nèi)能損耗較大，冷卻速率較大，當(dāng)水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫，水面就開始出現(xiàn)冰晶。初溫較高的水，生長冰晶的速度較大，這是由于冰蓋未形成和對流劇烈的緣故，最后我們觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由于水內(nèi)部冰晶已經(jīng)生長而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長速率與單位表面能成正比，所以生長速度仍然要比較初溫低的水快得多。 從生物作用方面來看，水要結(jié)成冰，水中需要許多結(jié)晶的中心，生物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水中的微生物往往是“結(jié)晶中心”。而某些微生物在熱水（水溫在100℃以下一點(diǎn)）中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的“結(jié)晶中心”比冷水中的多得多，加速了熱水結(jié)冰的協(xié)同作用，圍繞“結(jié)晶中心”生長出子晶，子晶是外延結(jié)晶的晶核，對流使各種取向的分子都流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中，結(jié)晶釋放的能量通過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結(jié)成冰，直到水全部結(jié)冰為止。 以上是對觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出的一些結(jié)論和提出的一些解釋。但要真正解開“姆潘巴問題”的謎，對其作出全面定量的令人滿意的結(jié)論，還有待進(jìn)一步探索。 大家一定要記得看完.并可訪問“科學(xué)論壇”討論 冷水與熱水結(jié)冰先后問題 |
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