穆賓巴效應的實驗探究及分析

黃紹書

(六盤水市第23中學 貴州 六盤水 553001)

穆賓巴效應的實驗探究及分析

黃紹書

(六盤水市第23中學 貴州 六盤水 553001)

介紹常溫下穆賓巴效應的一個探究性實驗的方法，并對有關實驗數據和實驗中觀察到的現象進行處理分析，試圖找出穆賓巴效應的本質.

穆賓巴效應 溫差理論 溫度梯度 圖線交叉 陡度 熱慣性 吸附作用

1 問題的提出

1969年，坦桑尼亞大學學生艾拉斯托·穆賓巴在用牛奶和水等物質相混合制冰激凌時發現，溫度較高的混合液體放入冷凍室后結晶比溫度較低的混合液體在相同條件下結晶要快.他隨后做了大量關于水的冷卻實驗，結果都是熱水結冰比冷水快，但未能給出合理的解釋，這一現象被科學界稱為“穆賓巴效應”，至今仍然是一個科學懸案，是一個看似稀松的自然之謎.

目前，對穆賓巴效應的很多解釋中，比較普遍的是溫差理論，即根據傅里葉定律

2 實驗設計與實驗分析

2.1 實驗方法和實驗數據處理

圖1是實驗裝置圖，兩只完全相同的燒杯中盛有質量和成分也完全相同的水(或可溶性物質的水溶液)，用兩只燃燒不同的酒精燈分別給兩燒杯加熱相同的時間后，兩杯水(或水溶液)的溫度有明顯的不相同.然后同時將兩酒精燈移開讓兩燒杯在相同的環境中冷卻降溫，在冷卻過程中每隔一定時間(比如2 min)就同時記下兩燒杯中水(或水溶液)的溫度，直至冷卻到環境溫度.根據實驗數據建立溫度(T)與冷卻時間(t)的關系圖線對兩杯水(或水溶液)的降溫特性進行比較.

圖1 穆賓巴效應探究實驗裝置圖

本實驗分別用蒸餾水、凈化自來水、食鹽水溶液、未凈化自來水等在環境溫度為25 ℃左右的室內進行.經大量實驗觀察發現,蒸餾水和凈化自來水的實驗結果與食鹽水溶液、未凈化自來水的實驗結果有相似之處，但也存在很大的差別.

(2)降溫初始溫度不同的蒸餾水或凈化自來水的降溫圖線無交叉現象.降溫過程中，降溫圖線上所對應的同一時刻或同一溫度的降溫圖線陡度均有k2>k1.

(3)降溫初始溫度不同的自來水或水溶液的降溫圖線有明顯的交叉，交叉點對應的溫度高于環境溫度.降溫過程中，降溫圖線未交叉之前，降溫圖線上所對應的同一時刻或同一溫度，均有k2>k1.當降溫圖線交叉之后，降溫圖線陡度逐漸轉變為k2

表1 初始溫度不同的自來水加少許食鹽降溫冷卻實驗數據

圖2 自來水加少許食鹽擬合圖線

圖3 凈化自來水擬合圖線

t/s02468101214161820T甲/℃94898478.574.57167.564625957T乙/℃727168.565.5636158.55654.552.551t/s2224262830323436384042T甲/℃555351494846.54544434241T乙/℃494846.54544434241403938t/s4446485052545658606264T甲/℃4039383735.5363534.53433.132.9T乙/℃3736.5363534.53433.53332.531.931.1t/s6668707274767880828486T甲/℃32.131.53130.530.129.929.52928.928.128T乙/℃3130.53029.629.12928.528.12827.627.5t/s889092949698100102104106108T甲/℃27.527.52726.926.526.12625.925.525.125T乙/℃272726.626.1262625.925.625.12524.9t/s110112114116118120122124126128130T甲/℃2524.924.524.424.124.124.12423.823.623.5T乙/℃24.524.524.424.12423.92423.623.623.423.4t/s132134136138140142144146148150152T甲/℃23.423.223232322.822.522.522.522.322.1T乙/℃2323232322.922.722.522.522.522.322.1t/s154156158160162164166168170172174T甲/℃22.12222222221.921.821.621.621.521.5T乙/℃22.12222222221.921.821.621.621.521.5t/s176178180182184186188190192194196T甲/℃21.421.321.121.121.121.12121212121T乙/℃21.421.321.121.121.121.12121212121t/s198200202T甲/℃212121T乙/℃212121

圖4 蒸餾水擬合圖線

2.2 實驗現象分析

首先，引入熱慣性的概念.

根據分子動理論的觀點，溫度是物質分子無規則運動劇烈程度的反映.溫度不僅決定了物質分子的平均動能，同時在一定的條件下也決定了物質分子間的平均距離.在溫度恒定的系統中，物質分子的運動可認為就是雜亂無章的無規則運動.而在溫度變化的系統中，物質分子同時參與雜亂無章的無規則運動和沿分子間平均距離變化的定向運動，分子沿分子間平均距離變化的定向運動仍然表現出與宏觀物體運動相似的慣性性質，這里稱之為熱慣性.我們認為，物質分子無規則運動的平均速率和沿分子間平均距離變化的定向運動的平均速率(簡稱分子定向速率)都隨溫度的升高而增大.初始溫度不同的同種實驗物質，在降溫冷卻過程中，同一溫度對應的分子定向速率不相同，初始溫度高的實驗物質對應的分子定向速率較大.

其次，說明一下微粒吸附作用的問題.

這里說的微粒，是指直徑在1 nm～100 nm之間的膠體顆粒或在這一空間尺度內的其他顆粒.科學實踐已經證明，任何物質的微粒之間都有吸附作用，且膠體顆粒的吸附作用更為明顯.

現根據溫差理論，結合熱慣性觀點和微粒吸附作用，對上述實驗現象及傳統穆賓巴效應進行分析.

(2)降溫初始溫度不同的蒸餾水或凈化自來水在降溫過程中，由于熱慣性作用，故而有降溫初始溫度高的降溫圖線陡度較大，即降溫圖線上所對應的同一時刻或同一溫度的降溫圖線陡度均有k2>k1.

(3)對降溫初始溫度不同的溶液或未凈化自來水，由于微粒吸附作用，加劇了熱慣性效應.因而，降溫冷卻過程中，降溫圖線就很容易出現交叉現象，這就是常溫下的穆賓巴效應.根據熱慣性的觀點，必然會有降溫圖線交叉之前降溫圖線陡度為k2>k1，當降溫圖線交叉之后，降溫圖線陡度逐漸轉變為k2

(4)傳統穆賓巴效應，實驗物質是牛奶等大分子膠體物質與水的混合物.因此，由于熱慣性和微粒吸附作用，就產生了熱水結冰比冷水快的現象.

3 結論與問題

穆賓巴效應主要是熱慣性與微粒吸附作用的共同結果.目前的實驗表明，穆賓巴效應的發生與實驗水的純凈度有關.

根據熱慣性的觀點，在環境溫度足夠低的條件下，任何物質都可能發生穆賓巴效應，即上述降溫圖線出現交叉的現象.然而，這些問題有待于進一步的精細實驗與探究.

1 李椿，章立源，錢尚武.熱學.北京：高等教育出版社，1978.118

Experiment Research and Analysis on the MubinBa Effect

Huang Shaoshu

(No.23 Middle school of Liupanshui, Liupanshui,Guizhou 553001)

This paper introduces the method of a research experiment of the effect of Mu bin at room temperature, and analyzes the phenomena observed in the experiment data and experiment, and tries to find out the nature of the effect of mu.

MubinBa effect; temperature difference theory; temperature gradien;Line-crossing; gradient; thermal inertia; adsorption

2017-01-13)