神奇的水物理

方解石

水是這個世界上最平凡的東西了，它隨處可見：你看那樹葉上晶瑩的露珠、山腳下涓涓流淌的小溪、草原上平靜的湖水。水占據了我們身體三分之二的重量，還覆蓋了地球四分之三的表面積。

然而平凡的水卻又不總是表現得很平凡，它有著眾多你所不知道的奇妙特性……

熱水居然比冷水結冰快！

1963年某一天，在坦桑尼亞的一堂小學科學課上，小學生們在相互分享科學知識，課堂上充滿了歡聲笑語。此時有一名叫姆潘巴的小學生向老師和同學們說道：我發現熱牛奶比冷牛奶更容易結冰！老師和同學們頓時哈哈大笑，認為姆潘巴同學一定是在開玩笑，熱的牛奶怎么會比冷的牛奶先結冰呢？這件事傳到了學校督察員的耳朵里，督察員親自實驗后居然發現，姆潘巴同學說的沒錯！人們把熱液體有時比冷液體更容易結冰的現象稱為姆潘巴效應。

冰是水凝固成的，最能體現姆潘巴效應的液體便是水本身了。想象下，當你把水量相同的一杯冷水和一杯熱水一起放到0℃的冰箱里，你再一次打開冰箱后，你發現熱水會比冷水先結冰了！不要說在上個世紀60年代，至今我們見到這種情況都會覺得出乎意料！當然，一般情況下還是冷水先結冰。

為什么熱水有時會先結冰？其實直到現在這個現象也還沒有權威的解釋。有人認為熱水更快結冰的原因是熱水降溫的速度比冷水快。但熱水需要降溫的幅度也比冷水大，所以這種說法有點想當然;有人認為較熱的水較容易蒸發，蒸發后水量變少，少量水更容易結冰。但有人在密閉容器下做實驗發現熱水仍很有可能先于冷水結冰，顯然這個解釋也不成立;還有的人認為溫度較高時水中的氫鍵更強，這些強氫鍵在低溫時能促進冰晶核的形成，而冰晶核的快速形成有利于更快結冰，但這種說法卻得不到實驗證實……

為什么冰很滑？

我國在短道速度滑冰領域實力強勁，國家隊的運動員們頻頻在此項目摘金奪銀。雖然最后的勝利總令人振奮，但我們在電視上看短道速滑直播的過程中，心始終是緊繃著的。因為賽道太滑，運動員們速度太快，極易摔倒受傷！那么，為什么冰會這么滑呢？

有兩種廣泛被接受的傳統解釋。工程師約翰·喬利于1886年提出第一種解釋：在冰上活動的人的體重會對冰產生壓力，這個壓力可以將冰的熔點降低到環境溫度以下（環境溫度高于熔點，物體會融化），從而使冰表面融化成一層薄水，而水能極大地減少摩擦。但有科學家指出：無論人施加多大的壓力，都不能將冰的熔點降低到零下22攝氏度以下，所以你無法解釋嚴寒地區的人為什么會在冰上滑倒。弗蘭克和休斯于1939年提出了另一種解釋，這種解釋也是從水的產生能減少摩擦的角度出發，但不同的是他們認為水是由物體與冰之間的摩擦力導致冰融化形成的。然而這個解釋也站不住腳——因為即使你站在冰上不動，你仍然會滑倒。

所以，過去幾十年間，我們對于冰為什么這么滑的理解錯了！最新研究認為冰滑和人沒有任何關系，完全歸咎于冰自身表面水分子的性質：冰晶體內部的每個水分子與其他三個水分子相連，水分子處于比較穩定的位置。但冰表面上的水分子只能與兩個水分子連接，這個結合就比較弱了，以至于冰表面的水分子不能很好地被“束縛”住，它們甚至可以在冰的表面上來回滾動。人踩在冰表面的滾動的水分子上，就像踩在一個個小“滑輪”上一樣，極易滑倒！

有趣的萊頓弗羅斯特效應

你聽說過冰桶挑戰，但你聽說過液氮挑戰嗎？冰水的溫度為0℃，一桶冰水潑到裸露皮膚的人的身上，簡直就是刺骨的寒冷。但是，對于一些習慣于冬季運動例如冬泳的人來說，冰桶挑戰并沒有什么大不了的。然而，液氮的溫度卻低于零下196攝氏度！這個溫度想必很多人想都沒想過。

液氮挑戰還能稱作是一項挑戰嗎？有人認為簡直就是送命！而當34歲的俄羅斯科學家安東·科諾瓦洛夫光著上衣，毫不猶豫將一桶液氮從頭上潑下后，在濃濃的白煙中，科諾瓦洛夫安然無恙地走出來時，人們驚愕了：他竟然沒事！這是怎么回事？

這就要提到一種叫作萊頓弗羅斯特效應的物理現象了。1756年，一位名叫萊頓弗羅斯特的科學家將一把鐵勺燒得通紅，然后在鐵勺上滴了一滴水珠。奇怪的是，水珠竟然懸浮起來，持續了30秒才蒸發不見。萊頓弗羅斯特發現這是因為水滴接觸炙熱的鐵勺后，水滴底部立即汽化形成一層水蒸氣，把水滴與鐵勺隔開，并托起水滴使其懸浮。懸浮的水滴暫時不能吸收更多的熱量，減慢了剩余的水的汽化速度，因此懸浮可以持續30秒，這就是萊頓弗羅斯特效應。通俗地講，萊頓弗羅斯特效應就是在液體和物體之間出現了一層汽，這層汽使得液體汽化速度減慢。

當液氮潑向科諾瓦洛夫的時候，最先與科諾瓦洛夫的皮膚接觸的液氮迅速汽化（皮膚的溫度遠遠高于液氮的沸點——零下196攝氏度），產生的氮氣隔開了科諾瓦洛夫的皮膚和余下的液氮，這保護了科諾瓦洛夫免受進一步的凍傷。值得一提的是，物體的溫度必須遠遠高于液體的沸點，液體與其接觸時才會發生萊頓弗羅斯特效應。例如，一塊溫度為100℃的鐵板，滴上幾滴水珠，水珠馬上蒸發得無影無蹤。但是如果鐵板的溫度達到了三四百攝氏度，就會發生萊頓弗羅斯特效應，水珠在鐵板上方漂浮滾動。

萊頓弗羅斯特效應在生活中其實有很多的應用：廚師們往鍋里面滴幾滴水，根據水滴的狀態——沒有變化、沸騰、或者是漂浮滾動，就能知道火候是否適合;某些地區有光腳走炭火的習俗，人們將炭火燒得通紅了以后，用水澆一下腳，走過便不會灼傷;還有些人用來做常人看來不可思議的神奇表演，例如徒手摸1500℃的鐵水……當然，我們知道原理就好了，危險的事情我們一定不要去嘗試。

（四月摘自《大科技》2020年第5期）