神奇的姆潘巴現(xiàn)象

臧玥昕

生活中，水結(jié)成冰是一種非常常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，但是如此簡(jiǎn)單的現(xiàn)象也有很多神奇之處，姆潘巴現(xiàn)象就是一個(gè)典型的例子。

一、什么是姆潘巴現(xiàn)象

姆潘巴現(xiàn)象（Mpemba effect）是指在同等質(zhì)量和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結(jié)冰的現(xiàn)象。

故事發(fā)生在1963年，坦桑尼亞馬干巴中學(xué)的三年級(jí)學(xué)生埃拉斯托·姆潘巴與同學(xué)們一起做冰激凌，他們先把鮮牛奶煮沸，然后加糖冷卻至室溫，再放進(jìn)冰箱冷凍室。由于冷凍室的空位所剩無(wú)幾，姆潘巴沒(méi)等牛奶冷卻至室溫，就將熱牛奶放入冷凍室內(nèi)。不久后，姆潘巴驚訝地發(fā)現(xiàn)他的熱牛奶已結(jié)成冰塊，而其他同學(xué)的冷牛奶還是很稠的液體。后來(lái)，他將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題告訴了奧斯波恩教授。這位教授經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了姆潘巴所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，并于1969年在英國(guó)《物理教師》雜志上發(fā)表了由姆潘巴和他共同撰寫(xiě)的論文，對(duì)這種現(xiàn)象作出嘗試性解釋，這就是“姆潘巴效應(yīng)”，也被稱為“姆潘巴物理問(wèn)題”。

二、如何解釋姆潘巴現(xiàn)象

根據(jù)姆潘巴現(xiàn)象所述，將同等質(zhì)量的一杯熱水和一杯冷水同時(shí)放入冰箱，在一段時(shí)間后，可以觀察到熱水開(kāi)始結(jié)冰，而冷水仍未結(jié)冰。對(duì)于這種熱水比冷水更快結(jié)冰的現(xiàn)象，目前有幾種流行的解釋。

（一）熱梯度對(duì)流影響

在熱水冷卻過(guò)程中，上層水的溫度相對(duì)較高，熱量流失后因密度變大而下沉，而下面的熱水上升，形成液體內(nèi)部對(duì)流，使得水分子圍繞各自的結(jié)晶中心結(jié)成冰。溫差越大，對(duì)流越激烈，能量損耗越大，冷卻速率也就越快。盡管最后表層結(jié)冰，冷卻速率變慢，但由于水內(nèi)的冰晶已經(jīng)生長(zhǎng)，具有較大的表面能，所以初溫高的水的冰晶生長(zhǎng)速率仍比初溫低的水快得多。

（二）硬水論

美國(guó)華盛頓大學(xué)的喬納森·卡茨博士對(duì)姆潘巴現(xiàn)象進(jìn)行深入研究后，用“硬水論”解釋了這一現(xiàn)象。水中含有較多的鈣、鎂化合物的溶解物，在水被加熱的過(guò)程中，這些溶解物會(huì)分解成難溶的碳酸鈣和碳酸鎂，也就是我們生活中常見(jiàn)的水垢。卡茨博士認(rèn)為，未經(jīng)加熱的水中仍含有鈣、鎂化合物的溶解物，在水結(jié)成冰的過(guò)程中，隨著冰晶的形成，尚未結(jié)冰的水中這些溶解物的濃度會(huì)進(jìn)一步增大，這種情況會(huì)降低水的冰點(diǎn)，其冰點(diǎn)會(huì)低于加熱后水的冰點(diǎn)，從而減緩了冷水結(jié)冰的過(guò)程。

（三）分子理論說(shuō)

有研究者認(rèn)為，水分子中的共價(jià)鍵的作用是導(dǎo)致姆潘巴現(xiàn)象的重要原因。在水被加熱的過(guò)程中，水分子間的氫鍵會(huì)拉伸，同時(shí)分子內(nèi)O-H共價(jià)鍵會(huì)縮短，進(jìn)而存儲(chǔ)更多的能量。當(dāng)熱水放入冰箱冷卻時(shí)，O-H共價(jià)鍵會(huì)逐漸被拉長(zhǎng)，并以與最初儲(chǔ)存的能量呈指數(shù)關(guān)系的速率釋放能量。由于冷水和熱水的初始狀態(tài)不同（即O-H共價(jià)鍵存儲(chǔ)的能量不同），在冷卻時(shí)，熱水釋放能量的速度會(huì)明顯大于冷水，且會(huì)以更大的“加速度”放熱，因此熱水比冷水更快地到達(dá)冰點(diǎn)。

（四）水中溶解氣體論

在水被加熱的過(guò)程中，氣體會(huì)逸出水面，在水中的溶解度就變小，因此熱水相較于冷水含有較少的氣體。有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，溶解在水中的氣體會(huì)直接影響水的結(jié)冰速率，水中含氣量越高，結(jié)冰速率越低。同時(shí)，氣體溶解在水中會(huì)降低凝固點(diǎn)，熱水比冷水的含氣量更低，因此熱水的凝固點(diǎn)高于冷水，從而可以解釋姆潘巴現(xiàn)象。

三、姆潘巴現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用

人們已經(jīng)將姆潘巴現(xiàn)象應(yīng)用于日常生產(chǎn)、生活中。例如，速凍米面制品在生活中非常常見(jiàn)，其制作過(guò)程就應(yīng)用了姆潘巴現(xiàn)象，主要是有效縮短了速凍制品通過(guò)冰晶生成帶的時(shí)間。包子在蒸制后，可以不通過(guò)預(yù)冷降溫或者通過(guò)不同預(yù)冷后再進(jìn)行速凍，這樣不僅能減少速凍過(guò)程的時(shí)間投入，還能降低速凍過(guò)程的干耗率。

人們還應(yīng)該進(jìn)一步挖掘姆潘巴現(xiàn)象的潛在應(yīng)用，更好地指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)、生活，并深入探索姆潘巴現(xiàn)象背后的深層科學(xué)問(wèn)題。

（責(zé)任編輯：白玉磊）