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姆潘巴問(wèn)題的奧秘 1963年，坦桑尼亞的馬干巴中學(xué)三年級(jí)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(lái)做冰淇淋時(shí)，冰箱冷凍室內(nèi)放冰格的空位已經(jīng)所剩無(wú)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(guò)了一個(gè)半小時(shí)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(méi)有凍結(jié)，這個(gè)現(xiàn)象使姆潘巴驚愕不已！ 他去請(qǐng)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(cuò)了，這樣的事是不可能發(fā)生的。”后來(lái)姆潘巴進(jìn)了伊林加的姆克瓦高中，他向物理老師請(qǐng)教：“為什么熱牛奶和冷牛奶同時(shí)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(cuò)了?！碑?dāng)他繼續(xù)提出問(wèn)題與老師辯論時(shí)，老師譏諷他：“這是姆潘巴的物理問(wèn)題?！蹦放税拖氩煌ǎ植桓翼斪怖蠋?。一個(gè)極好的機(jī)會(huì)終于來(lái)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(wèn)該校，作完學(xué)術(shù)報(bào)告后回答同學(xué)的問(wèn)題。姆潘巴鼓足勇氣向他提出問(wèn)題：如果你取兩個(gè)相似的容器，放入等容積的水，一個(gè)處于35℃，另一個(gè)處于100℃，把它們同時(shí)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(guò)我保證在我回到達(dá)累斯薩拉姆之后親自做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?！苯Y(jié)果他和他的助手做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明姆潘巴說(shuō)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(guó)《物理教師》雜志上的由姆潘巴和奧斯玻恩兩個(gè)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(guò)的各種不同溫度的水。通過(guò)對(duì)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(duì)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(lái)熱的系統(tǒng)的熱量損失仍要比原來(lái)冷的系統(tǒng)來(lái)得多，液體在凍結(jié)之前必須經(jīng)過(guò)一系列的過(guò)渡溫度，所以用單一的溫度來(lái)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(lái)許多人在這方面進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)這個(gè)看來(lái)似乎簡(jiǎn)單的問(wèn)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(wèn)題。 從物理方面來(lái)說(shuō)，致冷有四種并存的機(jī)制：輻射、傳導(dǎo)、汽化、對(duì)流，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，對(duì)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(duì)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(guò)程敘述出來(lái)并分析原因就更能說(shuō)明問(wèn)題了：盛有4℃冷水的結(jié)冰要很長(zhǎng)時(shí)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(gè)密閉的“冰殼”，這時(shí)內(nèi)層的水與空氣隔絕，只能依靠傳導(dǎo)和輻射來(lái)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(shí)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(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)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(zhǎng)出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時(shí)，看不到這種現(xiàn)象）。隨著時(shí)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(dòng)，形成液體內(nèi)部的對(duì)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(duì)流越劇烈，能量的損耗也越大。正是這種對(duì)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(shí)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(kāi)始出現(xiàn)冰晶。初溫較高的水，生長(zhǎng)冰晶的速度較大，這是由于冰蓋未形成和對(duì)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(zhǎng)而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長(zhǎng)速率與單位表面能成正比，所以生長(zhǎng)速度仍然要比較初溫低的水快得多。 從生物作用方面來(lái)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(lái)，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(zhǎng)出子晶，子晶是外延結(jié)晶的晶核，對(duì)流使各種取向的分子都流過(guò)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(guò)對(duì)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(duì)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(kāi)“姆潘巴問(wèn)題”的謎，對(duì)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(wèn)“科學(xué)論壇”討論 冷水與熱水結(jié)冰先后問(wèn)題 |
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