關于姆潘巴效應的實驗及猜想

鄭肖寅

（江蘇省蘇州中學，江蘇 蘇州 215000）

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關于姆潘巴效應的實驗及猜想

鄭肖寅

（江蘇省蘇州中學，江蘇 蘇州 215000）

摘要:小的時候總是喜歡在炎熱的夏天做冰塊來降暑，由于冰箱的空間有限，能給我冰凍水的地方只有一格，那么效率無疑成了最大的問題。或許冷水的溫度更接近冰點，然而在心理作用上，我總是感覺比冷水稍暖一些的水會冰得更快些，由于更大的溫差。恰巧前幾日在搜索“牛頓冷卻定律”這一詞條時，發現拓展欄有一“姆潘巴效應”，好奇地點了進去，發現正是我所糾結的問題。在自學一些大學熱學后，我便迫不及待地開始了實驗探究。

關鍵詞：巴拉姆效應；冰凍水；實驗探究

一、實驗過程

首先取兩個透明硬質塑料杯，裝入等量的不同溫度的水，并貼上標簽，用溫度計測量初始溫度。

保證體積相同，質量相同，水的種類相同，并將它們置于冰箱冷凍柜的同一個冰格中，以保證擁有相同的冷卻環境。

實驗一：低溫段的姆潘巴效應

時間　冷水杯（25℃）　溫水杯（31℃）0:0015:00此時并沒有什么明顯的結冰變化30:00冷水杯已經有結冰，而溫水杯并沒有，這并不符合姆潘巴效應

冷水的冰已經比較厚了，而溫水只是一層薄冰總結　在低溫段姆潘巴效應是不成立的45:00

實驗二：高溫段的姆潘巴效應

取剛燒開的沸水兩份，在溫水杯中加入全額的沸水，在冷水杯中按15:1的比例加入沸水和冷水，用溫度計測得溫水杯的溫度為98℃，冷水杯的溫度為93℃。（標簽為冷和溫只是為了區別溫度，表明溫度的相對高低，里面的水都是高溫度的）

時間冷水杯　溫水杯　備注0:00兩杯純凈的水，清澈透亮1h位置靠上的為冷水杯，靠下的為溫水杯，可以看到溫水杯率先開始結冰，已有一層薄冰層，從光線的折射可以看出，而冷水杯則幾乎無薄冰1h 15min可以看到紅圈處冷水杯中仍有一顆小水珠（位于杯子邊緣）而溫水杯已基本結冰。

總結：在高溫段，溫度差在5攝氏度以內，姆潘巴效應是存在的。

二、對實驗的解釋

眾所周知的物理事實：熱脹冷縮，而決定冷卻快慢的又一重要因素：表面積，兩者無疑具有相當緊密的聯系。溫度高一些的水（溫度大于4℃）顯然比冷一些水具有更大的表面積與體積，這是由于高溫時分子間運動更加劇烈，從而分子間具有更大的空隙。一方面從宏觀上來說冷水蒸氣與溫度高水的接觸面積更大了，另一方面，從微觀上來說分子間距離的增大有利于冷水蒸氣進入溫度高的水的內部，而一旦進入了內部，那么接觸面積的增大就不只是一點點了。借用熱力學中的一個簡化模型，我們可以將立體空間看成是六個方位，冷水蒸氣未進入溫度高的水時，接觸面積在理想狀態下僅為1/6，而進入后則是全面的接觸，因此看成是1。接觸面積一下子增大到六倍，冷卻效果自然有顯而易見的提升。除此之外，由于降溫效果的顯著提升，溫度高的水之間的空隙也會劇烈縮小，加上氫鍵的作用，從而達到了一種易進難出的效果，先前進入的冷水蒸汽不但不會跑掉，反而會因為體積的縮小滲透到溫水分子的各個角落里去，再由于壓力的變大，它們之間發生的熱傳遞更劇烈了。也就是內呼外應，雙管齊下。

上面論述中我一直使用了“溫度高的水”這一詞，而并非溫水，根據實驗一，溫水是不符合姆潘巴效應的。我認為這是由于溫水（25℃左右）的熱膨脹遠小于接近沸點的水，所以內部的體積不是很有利于冷水蒸氣的進出。再加上溫水離冰點較近，這時候的決定性因素就是溫度了。

但總體上來說，姆潘巴效應成立的條件還是非常苛刻的，不僅要求具有極其接近沸點的溫度，更要求溫度差不可過大。或許這是因為水中還有氫鍵，熔沸點都比較高且分子間排列得較其他物質更為緊湊的緣故。倘若換作其他一些密度較小且分子間并不存在氫鍵的液體，姆潘巴效應會更為明顯。將姆潘巴效應推廣至更多的物體，可以提高工業生產的效率，對于冷卻幾千攝氏度以上的物體，這樣的效率是十分珍貴的，節省了大量能源。

作者簡介：鄭肖寅（1998.07-），男，漢族，江蘇省蘇州市，高中在讀，江蘇省蘇州中學，研究方向：物理。

中圖分類號：O55

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2016）01-0251-02