为什么100℃的水比35℃的水结冰要快
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发布时间：2022-04-29 12:35
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时间：2022-06-27 20:24
一、姆佩巴效应
人们通常都会认为，一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时，冷水结冰快。事实并非如此。1963年的一天，在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里，一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后，准备放进冰箱里做冰淇淋。他想，如果等热牛奶凉后放入冰箱，那么别的同学将会把冰箱占满，于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久，他打开冰箱一看，令人惊奇的是，自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋，而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。他的这一发现并没有引起老师和同学们的注意，相反在为他们的笑料。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇，但他相信姆佩巴讲的一定是事实。尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验，其结果也姆佩巴的叙述完全相符。这就确切地肯定了在低温环境中，热水比冷水结冰快。此后，世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象，还将这种现象命名为"姆佩巴效应"（MpembaEffect）。
二、姆佩巴效应的历史
热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪。最早提到并记载此一现象的数据，可追溯到公元前300年的亚里斯多德，他写道：
"先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。因此当人们想去冷却热水，他们会先放它在太阳下..."
但在20世纪前，此现象只被视为民间传说。直到1969年，才由Mpemba再次在科学界提出。自此之后，很多实验证实了Mpemba效应的存在，但没有一个唯一的解释。
大约在1461年，物理学家GiovanniMarliani在一个关于物体怎样冷却的辩论上，说他已经证实了热水比冷水更快结冰。他说他用了四盎司沸水，和四盎司未加热过的水，分别放在两个小容器内，置于一个寒冷冬天的屋外，发现沸水首先结冰。但他没能力解释此一现象。
到了十七世纪初，此现象似乎成为一种常识。1620年培根写道"水轻微加热后，比冷水更容易结冰。"不久之后，笛卡儿说"经验显示，放在火上一段时间的水，比其它水更快地结冰。"
直至1969年，那已是Marliani实验500年之后，坦桑尼亚中学的一个命叫Mpemba的中学生再发现此现象的故事，被刊登在《新科家》（NewScientist）杂志。这个故事告诉科学家和老师们，不要忽视非科学家的观察，和不要过早下判断。
1963年，Mpemba正在学校造雪糕，他混合沸腾的牛奶和糖。本来，他应该先等牛奶冷却，之后再放入冰箱。但由于冰箱空间不足，他不等牛奶冷却，就直接放入去。结果令他很惊讶，他发现他的热牛奶竟然比其同学的更早凝固成冰。他问他的物理老师为什么，但老师说，他一定是和其它同学的雪糕混淆了，因为他的观察是不可能的。
当时Mpemba相信他老师的说法。但那一年后期，他遇见他的一个朋友，他那朋友在Tanga镇制造和售卖雪糕。他告诉Mpemba，当他制造雪糕时，他会放那些热液体入冰箱，令他们更快结冰。Mpemba发觉，在Tanga镇的其它雪糕销售者也有相同的实践经验。
后来，Mpemba学到牛顿冷却定律，它描述热的物体怎样变冷（在某些简化了的假设下）。Mpemba问他的老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰。这位老师同样回答是一定Mpemba混淆了。当Mpemba继续争辩时，这位老师说："所有我能够说的是，这是你Mpemba的物理，而不是普遍的物理。"从那以后，这位老师和其它同学就用"那是Mpemba的数学"或"那是Mpemba的物理"来批评他的错误。但后来，当Mpemba在学校的生物实验室，尝试用热水和冷水做实验时，他再一次发现：热水首先结冰。
更早时，有一位物理教授Osborne博士访问Mpemba的那间中学。Mpemba问他这个问题。Osborne博士说他想不到任何解释，但他迟些会尝试做这个实验。当他回到他的实验室，便叫一个年轻的技术员去测试Mpemba的实验。这位技术员之后报告说，是热水首先结冰，又说："但我们将会继续重复这个实验，直至得出正确的结果。"然而，实验报告给出同样的结果。在1969年，Mpemba和Osborne报导他们的结果。
同一年，科学上很常见的巧合之一，Kell博士独立地写了一篇文章，是关于热水比冷水先结冰的。Kell显示，如果假设了水最初是透过蒸发冷却，和维持均匀的温度，这样，热水就会失去足的质量而首先结冰。Kell因此表明这种现象是真的（当时，这现象在加拿大城市是一个传闻。），而且能够用蒸发来解释。然而，他不知道Osborne的实验。Osborne测量那失去的质量，发现蒸发不足以解释此现象。后来的实验采用密封的容器，排除了蒸发的影响，仍然发现热水首先结冰。
三、对姆佩巴效应的各种解释
什么是Mpemba效应？有两个形状一样的杯，装着相同体积的水，唯一的分别是水的温度。现在将两杯水在相同的环境下冷却。在某些条件下，初温较高的水会先结冰，但并不是在任何情况下，都会这样。例如，99.9℃的热水和0.01℃的冷水，这样，冷水会先结冰。Mpemba效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下，都可看到。
一般人会认为这似乎是不可能的，还有人会试图去证明它不可能。这种证明通常是这样的：30℃的水降温至结冰要花10分钟，70℃的水必须先花一段时间，降至30℃，然后再花10分钟降温至结冰。由于冷水必须做过的事，热水也必须做，所以热水结冰慢。这种证明有错吗？
这种证明错在，它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响。但事实上，除了平均温度，其它因素也很重要。一杯初始温度均匀，70℃的水，冷却到平均温度为30℃的水，水已发生了改变，不同于那杯初始温度均匀，30℃的水。前者有较少质量，溶解气体和对流，造成温度分布不均。这些因素会改变冰箱内，容器周围的环境。下面会分别考虑这四个因素。
1.蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中，热水由于蒸发会失去一部分水。质量较少，令水较容易冷却和结冰。这样热水就可能较冷水早结冰，但冰量较少。如果我们假设水只透过蒸发去失热，理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应。这个解释是可信的和很直觉的，蒸发的确是很重要的一个因素。然而，这不是唯一的机制。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验，在封闭的容器，没有水蒸气能离开。很多科学家声称，单是蒸发，不足以解释他们所做的实验。
2.溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体，随着沸腾，大量气体会逃出水面。溶解气体会改变水的性质。或者令它较易形成对流（因而较易冷却），或减少单位质量的水结冰所需的热量，或者改变沸点。有一些实验支持这种解释，但没有理论计算的支持。
3.对流——由于冷却，水会形成对流，和不均匀的温度分布。温度上升，水的密度就会下降，所以水的表面比水底部热—叫"热顶"。如果水主要透过表面失热，那么，"热顶"的水失热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时，它会有一热顶，因此与平均温度相同，但温度均匀的水相比，它的冷却速率会较快。虽然在实验中，能看到热顶和相关的对流，但对流能否解释Mpemba效应，仍是未知。
4.周围的事物——两杯水的最后的一个分别，与它们自己无关，而与它们周围的环境有关。初温较高的水可能会以复杂的方式，改变它周围的环境，从而影响到冷却过程。例如，如果这杯水是放在一层霜上面，霜的导热性能很差。热水可能会熔化这层霜，从而为自己创立了一个较好的冷却系统。明显地，这样的解释不够一般性，很多实验都不会将容器放在霜层上。
最后，过冷在此效应上，可能是重要的。过冷现象是水在低于0℃时才结冰的现象。有一个实验发现，热水比冷水较少会过冷。这意味着热水会先结冰，因为它在较高的温度下结冰。但这也不能完成解释Mpemba效应，因为我们仍需解释为什么热水较少会过冷。
在很多情况下，热水较冷水先结冰，但并不是在所有实验中都能观察到这种现象。而且，尽管有很多解释，但仍没有一种完美的解释。所以，姆佩巴效应仍然是一个谜。
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时间：2022-06-27 20:25
原因2：根据热交换原理，温度差越大，热量交换速度越快，所以，如果室外温度不变，热水的降温速度更快。这个降温过程是属于一个由快到慢的过程。
所以说100°的水应该先结冰，这种说法是有科学依据的。另外冰箱温度越低，两者结冰的时间差越大。
希望你满意我的答案，祝你开心！追问我觉得第一条挺有道理，
不过这一现象说的应该是同一种水吧，比如开水和凉开水。
第二个解释不通吧，这也存在加速度吗？
追答这是热交换原理，高中课本上的定理之一。举个例子，你把同样温度的开水放在冰箱和放在太阳下，那个凉的比较快？肯定是冰箱，因为冰箱温度低，温差大，所以热量交换大。
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时间：2022-06-27 20:25
首先，高温的水中水分子的运动状态更剧烈，氢键的破坏比例大。而低温的水中氢键的存在比例高。
其次，水凝结成固态的过程不是单纯的温度降低的过程，也是分子键重组的过程。在在此过程中液态时普遍存在的氢键将断开重组。
综上所述，高温水比低温水更快结冰是因为高温水中的氢键被大量破坏，使得其分子键重组过程的速度反而比低温水快。
最后，我不能确定100C水和35C水会是怎样的，因为毕竟100C和35C水温度相差太大，而且100C水的状态很特殊。但是35C水肯定比25C水结冰快，原因就是氢键。
参考资料：http://ke.baidu.com/view/904.htm
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时间：2022-06-27 20:26
你的分析方法就可能不科学（就好比我们高中学概率的时候就会遇到，如果选取的比较量不同概率就会不同，但是在选取其他量来计算时也没有不科学的地方，但就是不对，不知道你学过那部分没有，我是江苏的，江苏高中数学里有这部分内容）
你考虑到了100摄氏度的水先要到35度的过程，然后再这个过程中35度的水必然会降了几度假设到了20度，这时那个原本是100度而现在变为35度的水又要去降几度追到20度，可是这个过程中原本35度而变成20度的水又降到了假设10度，那么这么研究下去，永远是35度的水温度较低而先结冰是吧。
如果你用这种方法来研究的话，我只能说接下来问的数学题，会让你学不下去数学了。
问题：有两个质点a、b从不同位置向同一方向起跑，刚开始a领先b一段距离，但b的速度大于a，问b能否追上a
用你的方法研究，b先跑到a原来的位置，但在这段时间里a向前跑了一段距离了吧，不管a多慢是吧，a还在前面，接下来b继续追，当追到上次a跑到的那个位置时，这是a又向前跑了一段距离了吧，虽然很短，接下来b同样追，追到刚才a的位置，但a又跑了一段距离了，这样下去b永远也追不上a，但实际经验告诉我们，只要b速度大于a，则肯定能追上a的，那你的分析方法也不错呀，怎么跟实际矛盾呢。。。。
所以只能说你那样研究其中必然有不合理之处，现象中的某些过程不能用那种方法去分析 ，像我说的这个问题中可能就得研究时间被压缩到很小时是什么情况，你的这个问题估计就得重新研究下温度这个物理量是个什么概念
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时间：2022-06-27 20:27
有一个实验是在封闭于烧瓶中且已经停止沸腾的水的上方披上一层冰，然后发现水再次沸腾起来。这是因为水的上表面的迅速降温使下层的水温高于上层而引发了水的对流。而对于导热性差、需要依靠对流才能迅速平衡整体温度的水来说，在空气中降温时，上下部分的水温差越明显，引发的对流现象就会越剧烈，整体温度趋近于外界的速度就越快。在姆潘巴效应中，100℃的水中出现的对流现象虽然不会达到沸腾那样剧烈，但相对于35℃的水要明显的多，“因为上表面的水的冷却速度”>“水的对流传递热的速度”>“水通过自身进行导热的速度”，所以当2种水的上表面温度相同时，原100上℃的水的内部温度依然高于原35℃的水的内部温度，这就导致了原100℃水的对流现象一直是最明显的，直到冰层的出现。追问为什么对流现象越剧烈，整体温度趋近于外界的速度就越快，是因为单位时间接触外界的较高温水多吗？
还有，由100℃变为35℃的水，在它为35℃的时刻，和原本就是35℃的水在35℃的时刻是否等价呢？
追答用火烧开水就是靠着水的对流才能迅速实现的，对流当然比水自己导热要能更快的传递热量。至于35℃时候，原100℃的水的内部温度大于原35℃水的内部温度，所以前者的对流现象依然明显
剧烈于后者。
PS：这么辛苦的码字摆脱楼主认真看一遍再追问呀……%>_<%
