1樓：匿名使用者
有人說在冰箱冷凍室內放入熱水比放入冷水凍結得更快，是這樣嗎？如果是這樣，那是為什麼？
這個問題在《新科學家》上提出來已經有好些年了，一直沒有得到令人滿意的答案。這一次，我們有意給出幾位做過實驗的讀者的答案，希望能夠引起討論。事實好像違反直覺，但是，熱水似乎確實比冷水凍結得更快。
對這種現象的最好解釋，大概是把盛熱水的容器放進製冰室，熱接觸變得更好了，同時，出現了一種不同的熱對流方式加快了水凍結成冰。究竟哪一種效應是主要的，則取決於冰箱、盛水容器和容器擺放的位置。——《新科學家》編者
提問題的朋友提到的那種說法是正確的。製冰塊用熱水的確比用冷水凍結得更快。如果把盛熱水的容器擺放在冷凍室的霜層或冰層上面，就會出現這種效果。
這時，溫度較高的容器底將下面與之接觸的冰層表面融化，極大地改善了容器底與冰層的熱接觸，加快了容器的散熱效率。散熱效率的提高，足以抵償因為是熱水而需要散失更多熱量而有餘。如果將容器架空，或者擺放在冷凍室的沒有霜或冰的幹表面上，就不會有這種效果。
最早注意到這種效應的是生活在16~17世紀的那位大名鼎鼎的哲學家弗朗西斯·培根，他把一隻盛水的木桶放在冰上做實驗。我做的實驗表明，只要冰箱冷凍室的結霜足夠厚，用熱水，15分鐘就結成了冰塊，而用冷水，則需要20分鐘。顯然，住在澳大利亞的人要比住在寒冷國家的人更希望利用冰箱製冰塊的時間能夠短一些。
最早注意到這種效應的不是弗朗西斯·培根，而是亞里士多德。亞里士多德在他的《氣象學》一書中有一段敘述指的就是這種效應：「許多人為了將水儘快冷卻，會把水先在太陽下晒一會兒。
在冰上捕魚（在冰層上鑿洞，然後在洞口捕魚）的人，為了在冰上搭建臨時棚屋，會在立杆周圍澆熱水加快凍結，使它們儘快穩固。」
但是，說「如果將容器架空，或者擺放在冷凍室的沒有霜或冰的幹表面上，就不會有這種效果」，似乎不一定對……——《新科學家》編者
這個問題，《新科學家》早在2023年就提出來了，提問題的讀者是坦尚尼亞的一位學生伊拉斯托·姆佩姆巴。他發現，將製冰淇淋的混合液趁熱放入冰箱，要比等它涼至室溫再放入冰箱，凍結得要快些。我在完成六年級佈置的自行設計實驗作業時，也同姆佩姆巴一樣，實驗結果受到了老師的懷疑。
我的實驗首先證明了，無論用自來水還是用蒸餾水，結果同姆佩姆巴的冰淇淋混合液是一樣的。這說明，這種效果與液體的化學組成無關。其次，我的實驗還證明，熱水凍結得反而更快，不是熱水蒸發體積變小了的緣故。
我把熱電偶插入水中測量溫度，發現溫度為10℃的水要比溫度為30℃的水更快達到凝固點，這與牛頓的冷卻定律是一致的。但是，達到凝固點之後，原來溫度較高的水反而會凝固得更快。
我的實驗表明，把水放入冰箱凍結為固體，所需時間最長的是溫度大約為5℃的水；所需時間最短的是溫度大約為35℃的水。這個好像不合理的結果可以用水中的垂直溫度梯度來加以說明。如果表面一層液體的溫度始終都比下面液體的溫度高的話，那麼，從液麵散失熱量的速度就會比液體內溫度作均勻分佈時，從僅具有平均溫度的液麵散失熱量的速度更快。
如果不是把水盛在一個淺碟中，而是盛在一個高金屬罐中，就不會有熱水先凍結的結果。我猜想，這大概是高金屬罐的側壁散熱效果也很好，使得水中的熱傳匯出現了短路的緣故。
當實驗結果與根據原來知道的正確知識所預料的結果不相符時，我也是一下子難以放心地接受的。
驗證這個問題的經典實驗方法，是在寒冷的冬天用兩隻金屬桶分別裝上冷水和熱水於夜間放置在露天，有風的天氣更好。靜置不動的水導熱效能不好，它的頂層和周圍很快就會結冰。如果原來的溫度為10℃左右，水體的核心部分會冷卻得非常慢，尤其在頂層有浮冰的場合，正常的對流將受到抑制。
沒有對流，核心部分溫度較高的水便沒有辦法移動到溫度較低的金屬桶壁，在那裡把能量傳遞到外界。
2樓：匿名使用者
1. 姆潘巴的物理問題
坦尚尼亞的馬乾巴中學三年級曾有一位名叫姆潘巴的學生，在學校他經常與同學一起做冰淇淋吃。他們的做法是這樣的：先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻後再倒入冰格中，然後放進冰箱的冷凍室內冷凍。
因為學校裡的同學很多，所以冷凍室放冰格的位置一直供不應求。
一九六三年的一天，當姆潘巴來做冰淇淋時，冰箱冷凍室內放冰格的空位已經所剩無幾了。一位同學為了搶在他前面，竟把生牛奶加糖後立即搶先放在冰格中送進了冰箱的冷凍室。而姆潘巴只好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，送入冰箱的冷凍室裡。
奇蹟發生了，過了一個半小時後，姆潘巴發現他的熱牛奶已經凍結了，而其他同的冷牛奶卻還是粘稠的液，並沒有結冰，這個現象使姆潘巴驚愕不已！
2. 嘲笑和回答
姆潘巴百思不得其解，就去請教物理老師：為什麼熱牛奶反而比冷牛奶先凍結？老師的回答是：「你一定弄錯了，這樣的事是不可能發生的。」姆潘巴並沒有就此罷休，他牢牢地記下了這個不同尋常
的現象，常陷入深思之中……
姆潘巴後來升入了伊林加的姆克瓦高中，他並沒有忘記這個問題，又向高中的物理老師請教：「為什麼熱牛奶和冷牛奶同時放進冰箱，熱牛奶先凍結？」他沒想到老師卻這樣嘲笑說：「我所能給你的回
答是：你肯定錯了。」當他繼續提出疑問與老師辯論時，老師又譏諷他：「這是姆潘巴的物理問。」姆潘巴想不通，不滿意，但又不敢頂撞教師。
3. 博士的答卷
終於，一個極好的機會來到了，達累斯薩拉姆大學物理系主任奧斯玻恩博士訪問姆克瓦高中。奧斯玻恩博士給學生作完了學術報告，接下去是回答同學的問題。姆潘巴經過充分的醞釀，鼓足勇氣向他
提出了那個多年思慮的問題：
如果你取兩個相似的容器，放入等容積的水，一個處於35℃，另一個處於100℃，把它們同時放進冰箱，100℃的水先結冰，為什麼？
奧斯玻恩博士在小姆潘巴面前接到了一份嚴肅認真的「考卷」，他還是第一次聽說到這個不同尋常的現象。感到為難和迷惑的博士並不掩飾什麼，而是實事求是地回答道：「這個，我不知道，不過我
保證在我回到達累斯薩拉姆之後親自做這個實驗。」回去後，他立即和他的助手做了這個實驗。結果證明，姆潘巴說的那個現象是一個實實在在的事實！這究竟是怎麼一回事？為什麼會這樣呢？
一九六九年，由姆潘巴和奧斯玻恩兩人撰寫的一篇文章發表在英國《物理教師》雜誌上，文章對「姆潘巴的物理問題」做了詳細的實驗記錄，並對問題的原因作了第一次嘗試性的解釋。
他們做了一系列的實驗。實驗用品是直徑4.5釐米，容積100毫升的硼矽酸玻璃燒杯，內放70毫升沸騰過的各種不同溫度的水。通過對實驗結果的定量分析得出了這樣的結論：
冷卻主要取決於液體表面；
冷卻速率決定於液體表面的溫度而不是它整體的平均溫度；
液體內部的對流使液麵溫度維持得比體內溫度高（假定溫度高於4℃）；
即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度，原來熱的系統其熱量仍要比原來冷的系統損失得多；
液體在凍結之前必然經過一系列的過渡溫度，所以用單一的溫度來描述系統的狀態顯然是不夠的，還要取決於初始條件的溫度梯度。
奧斯玻恩博士雖然沒有最終解決姆潘巴的物理問題，但面對科學和事實，他給了小姆潘巴和我們一份科學求實的答卷。
4. 問題遠比想象的要複雜
後來許多人也在這方面做了大量的實驗和研究，人們發現，這個看來似乎簡單的問題實際上要比我們的設想複雜得多，它不但涉及到物理上的原因，而且還涉及到作為結晶中心的微生物的作用，是一
個地地道道的「多變數問題」。
(1). 物理原因
從物理方面來說，致冷有四種並存的機制：輻射、傳導、汽化、對流。通過實驗觀察並對結果進行比較，發現引起熱水比冷水先結冰的原因主要是傳導、汽化、對流三者相互作用的綜合效果。
如果把熱水和冷水結冰的過程敘述出來並分析其原因就更能說明問題了：
盛有初溫4℃冷水的杯，結冰要很長時間，因為水和玻璃都是熱傳導不良的材料，液體內部的熱量很難依靠傳導而有效地傳遞到表面。杯子裡的水由於溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結在表面。所
以水在表面處最先結冰，其次是向底部和四周延伸，進而形成了一個密閉的「冰殼」。這時，內層的水與外界的空氣隔絕，只能依靠傳導和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內層水溫
繼續下降的正常進行。另外由於水結冰時體積要膨脹，已經形成的「冰殼」也對進一步結冰起著某種約束或抑制作用。
盛有初溫100℃熱水的杯，冷凍的時間相對來說要少得多，看到的現象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到「冰殼」形成的現象，只是沿冰水的介面向液體內生長出針狀的冰晶（在初溫低於12℃時，看不到這種現象）。隨著時間的流逝，冰晶由細變粗，這是因為初溫高的熱水，上層水冷卻後密度變大向下流動，形成了液體內部的對流，使水分子圍繞著各自的「結晶中心」結成冰。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，使上層的水不易結成冰蓋。
由於熱傳遞和相變潛熱，在單位時間內的內能損耗較大，冷卻速率較大。當水面溫度降到0℃以下並有足夠的低溫時，
水面就開始出現冰晶。初溫較高的水，生長冰晶的速度較大，這是由於冰蓋未形成和對流劇烈的緣故，最後可以觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由於水內部冰晶已經生長而且粗大，
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初溫低的水快得多。
(2). 生物原因
同雨滴的形成需要「凝結核」一樣，水要結成冰，需要水中有許許多多的「結晶中心」。生物實驗發現，水中的微生物往往是結晶中心。某些微生物在熱水（水溫在100℃以下一點）中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的「結晶中心」就要比冷水中的「結晶中心」多得多，加速了熱水結冰的協同作用：
圍繞「結晶中心」生長出子晶，子晶是外延結晶的晶核。對流又使各種取向的分子流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延生長出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中。結晶釋放的能量則通過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結成冰，直到水全部凍結為止。
以上是科學家對觀察到的現象進行綜合分析所得出的一些結論和提出的一些解釋。但要真正解開「姆潘巴問題」的謎，對其做出全面定量而令人滿意的結論，還有待於進一步的探索。
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