再探“穆賓巴效應”

2006年《發明與創新》第5期(3月綜合版)登載了羅耀春先生的一篇文章，題目是“揭開穆賓巴效應的面紗”，文中對產生穆賓巴效應的原因進行了詳細的解釋。

我對穆賓巴效應也非常感興趣，所以就和兩個學生組成一個小組，一起研究穆賓巴效應。我們借助學校的實驗器材，通過一系列實驗，得到了和羅先生基本相同的結論。

但是，有兩個實驗現象羅先生沒有提到，而它對得出結論又是非常重要的。我們把對穆賓巴效應的理解和實驗中的發現公示出來，與羅先生及各位“穆賓巴效應”愛好者共同探討。

應該用物理規律解釋穆賓巴效應

1963年，穆賓巴發現熱水比冷水先完全結冰的穆賓巴效應后，1969年，奧斯博爾博士和穆賓巴共同撰寫了一篇文章，對此現象做出了物理方面的嘗試性解釋。

隨后，許多人在這方面進行了大量的研究，發現穆賓巴效應要比想象的復雜得多，它不僅涉及物理方面的知識，而且還涉及到微生物作為結晶中心的生物學問題。

我們研究小組認為：微生物作為結晶中心肯定會影響結冰速度，但這種影響是微乎其微的。在實驗中，兩個容器使用同樣的水，它們只有溫度高低的區別，微生物的數量差距是微乎其微的。我們認為：引入微生物作為結晶中心，是把簡單問題復雜化，這種研究方法是不可取的，甚至可能阻礙人們對客觀事物的認識。

對于熱水比冷水先完全結冰這樣一個宏觀的物理問題，通過輻射、傳導、對流、汽化就能解釋，而“穆賓巴效應”正是這四種熱傳遞方式綜合作用的結果。

比較冷水冰和熱水冰的啟示

在研究“穆賓巴效應”的實驗中，我們得到了熱水冰和冷水冰。

仔細比較后我們發現：冷水冰比較“混濁”，透明度不高，特別是冰的中心區域更是如此；而熱水冰要比冷水冰晶瑩剔透得多，甚至可以直視到容器的底部。差異的出現與結冰的速度有關系嗎?

在實驗過程中，冷水結冰時，冰是由四周向中心凍結，溶解在冷水中的氣體分子不易凍結，被排擠到容器中心，逐漸形成一個個小氣泡，影響了冷水的結冰速度；而熱水由于有較強的對流，把溶解在熱水中的氣體分子帶到液面并釋放在環境中，即使內部出現絮狀冰，對流仍然存在，所以能繼續向液面運送并釋放氣體分子。由于氣體是熱的不良導體，對流又能使氣體分子源源不斷地輸送到液體表面，液體表面的氣體分子比內部要多，所以，液體表面維持著比內部更高的溫度，直到完全結冰。

觀察冷水冰和熱水冰的表面也能發現：冷水冰的表面平整如鏡，說明冷水是從表面向內結冰；熱水冰表面凹凸不平，說明它是從內部向外結冰的，由于水結冰后體積變大，所以熱水冰表面的中間要高些。

液體內部溫度低于表面的證明

研究“穆賓巴效應”時，我們經常要把冷水燒成熱水。

在燒水的過程中，我們發現一個奇怪的現象：把正在沸騰的水壺拿離熱源后，壺底的溫度并不是很高，只有30℃－40％，完全可以用手去觸摸，而此時壺內的水仍在沸騰(實際上是由于慣性，對流還在繼續)。三四秒后，壺底的溫度才升高到近100℃，再用手觸摸壺底就燙手了。

我們對此進行了深入研究：沸騰是一種強烈的對流現象，它把從壺底吸收的能量通過蒸氣從液面處放出。氣體有比液體更多的能量，即使把水壺拿離熱源，由于慣性的作用，對流還在繼續，液面處還有液體汽化，根據能量守衡定律，壺底的溫度只能降低，直到對流停止，壺底才恢復到與壺內水相同的溫度。

由于對流的存在，壺底的溫度才會低于壺內水上的溫度，也正是由于對流的存在，才會有熱水結冰時內部溫度低于液面溫度、熱水比冷水先完全結冰的現象。

綜上所述，我對羅先生的結論做了如下補充：

1 熱水比冷水有更強烈的對流現象。對流使溶解在液體內的氣體分子集中在液面，所以液面的溫度比內部高許多，這個過程加速了能量傳遞。

2 溶解在水中的氣體分子影響水分子的有序排列，含氣體分子少的水結冰速度快。

3 由于熱水液面的溫度比內部的溫度高，汽化現象比較明顯，對結冰速度也有一定的影響。