熱水比冷水更容易結冰？

冷水比熱水更容易結冰是我們的認知常識，但是，據說在某些特定條件下，恰恰相反，這是真的嗎？

論證

真相是：熱水在一定條件下的確會比冷水更容易結冰，而這種現象稱為姆潘巴（Mpemba）效應。

一、什麼是姆潘巴現象？

姆潘巴現象（Mpemba）現象，又叫姆潘巴效應【1】，是指在同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。早在幾百年前，亞里士多德、培根和笛卡兒均曾以不同的方式描述過該現象。

但是直到姆潘巴在1963年，發現熱牛奶放入冰箱會比冷牛奶放入冰箱更快製成冰淇淋才引起廣泛注意，並驚動了物理學界，並以其名字命名了這一現象。而這種現象在水中同樣也存在。

然而，Mpemba 效應並不是在任何的初始溫度、容器形狀和冷卻條件下，都可看到。例如，99.9° C 的熱水和 0.01° C 的冷水，這樣，冷水會先結冰。

姆潘巴（左）

二、結冰現象是什麼？

結冰，簡單來說就是一個液體在冷卻過程中凝結成固態的過程，這個過程總是在局部優先產生，再擴展至整個區域。凝固是一個過程。無論是牛奶還是水，或者是其它液體在凝固時均可歸結為一個結晶過程，從物理化學的角度來說就是一個新相（固相）形成而舊相（液相）消失的過程。

結晶時固相開始形核，當達到臨界形核尺寸後，就會開始長大，並進而凝固成整個固相。而要使結晶能得以順利進行，得滿足兩個條件：

要有足夠的過冷度（我們把實際結晶溫度低於平衡態時的結晶溫度的現象稱為過冷現象，而這兩者的差值就稱為過冷度），

要有形核核心。冷卻速度越大，過冷度越大，凝固越快；形核核心越多，尺寸越接近臨界形核尺寸越易形核。

三、那麼為什麼熱水在特定條件下會比冷水先結冰呢？

從上邊我們知道，結冰得滿足兩個條件，一是達到臨界形核尺寸的形核核心，二是要有足夠的過冷度。只要滿足上述兩個條件，即使是熱水也能比冷水先結冰！

對兩杯完全一樣的水（液體），我們可以認為未加熱前完全一樣，而經過加熱後的水由於溫度高，會使得其中生成大量的硅鎂酸鹽等溶質粒子，而這些溶質粒子會充當結晶過程中的形核點，並且相比於冷水，這些溶質粒子尺寸會更接近臨界形核尺寸，這樣，形核更易進行。

而在冷水中這些形核點尺寸會小，更難達到臨界形核尺寸，這也就是說形核過程會更難進行，更難結晶。這也就是為什麼有人用純凈水反覆做了類似實驗，卻始終沒有發現「姆潘巴現象」的原因，因為純凈水中幾乎沒有能提供形核點的溶質粒子。

另外，還有別的研究者通過實驗證實，只有當冰箱內有顯著溫差、或牛奶含糖量不同、或糖沒有溶解、或做冰淇淋的液體中含有較多澱粉等非液體成分時，「姆潘巴現象」才會出現【2，3】。這也說明溶質粒子對結冰過程是很重要的，而要使結冰得以進行還得保證足夠過冷度。

我們常說兩杯水溫度不同，指的是平均溫度不同，並不是說水中各處溫度都一樣。由平均溫度計算得到的過冷度並不能代表形核局部的實際過冷度。

在凝固未開始前，水中各處溫度相同，過冷度一樣；但凝固一旦開始，那麼這種狀態就會被打破，溶液中各處溫度就會不一樣，過冷度也會呈現差異，過冷度大的地方就會開始優先形核並結晶；同時，由於水中各處溫度不一樣，水中就會形成一個各處溫度梯度不同的溫度場，並進而產生對流。

我們知道，熱量的傳輸方式有三種，傳導傳熱、對流傳熱與輻射換熱。對熱水而言，熱水的溫度高，分子動能較冷水高，其能量交換會比冷水快，在傳熱速率上的表現即為熱水的傳導傳熱和輻射換熱會比冷水強，散熱更快；

同時，在凝固過程中形成的對流、氣泡冒出和不均勻的溫度分布會使得水的對流換熱速率比冷水快，使得水的表面比水底部熱，形成一個"熱頂"【4】，而"熱頂"的水散熱會比溫度均勻的快。當熱水冷卻到冷水的初溫時,便會形成一熱頂。

因此與平均溫度相同，但溫度均勻的冷水相比，它的冷卻速率會更快，會更易過冷，從而使得結晶更易進行。

所以從以上兩個角度來說，熱水在一定條件下是會比冷水先結冰的！看到這兒，你明白了嗎？

參考文獻：

【1】楊三春. 姆潘巴效應[J]. 中學物理教學參考, 2007,(9):13

【2】黃景妹, 倪敏, 馮傑. 「姆潘巴」現象分析述評. 物理通報, 2014,(8):103-106

【3】楊太華．從「姆潘巴效應」說物理邏輯思維．湖南民族職業學院學報, ２００８, (４)

【4】張明元. 姆潘巴效應的研究[J]. 物理教師,2004,(9):27.

本文作者：艾明海爾——科學愛好者

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