熱水和冷水一起放進冰箱，為什麼熱水先結冰？科學家終於找到原因

一杯冷水和一杯熱水同時放進冰箱裡冷凍，很多人都認為一定是冷水先結冰，但事實上

先結冰的是熱水。

在以前，一位中學生髮現：在冰箱中，熱水會比冷水先結冰。這不僅顛覆了人們的認知，也在學術界引發了長達半個世紀的爭論。

它是怎麼被發現的？我們回到1963年，起因是一個名叫埃拉斯托·姆潘巴13歲的中學生在上課時無意中的發現。

那節課老師讓學生們一起製作冰淇淋，姆潘巴怕冰箱的位置被其他同學佔滿，於是他直接把熱牛奶放進了冰箱中。

結果卻意外地發現自己的冰淇淋竟然比其他同學冷卻的要快，率先被凍結。

後來，他將這種現象寫成了一份報告，成為了第一個描述這種反直覺效應的人。而這種效應後來也被稱作為姆潘巴效應。

什麼是姆潘巴效應？

是指在同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。

很多科學家都不理解為什麼熱水比冷水結冰快，所以當時就連亞里士多德和笛卡爾等科學家都對這樣的現象進行過實驗和論證。

亞里士多德認為：“先前被加熱過的水，有助於它更快地結冰。”可理解為“先前加過熱的水與先前未加過熱的水在同溫下比較加熱過的水更快結冰”。

也有人說亞里士多德描述的可能不是姆潘巴現象。書中的原話是：“先前被加熱過的水，有助於它更快地結冰。”指的是被加熱過的水，而非熱水或溫水。

在此，有人認為姆潘巴效應並不存在。

它只是一個玩笑，真的如此嗎？

科學家也提出了很多不同的假設。

比如水分更快地蒸發所以熱水的體積變小，霜起到比較好的隔離作用讓溫度更低的水在溶質濃度方面存在著差異。

但是不管是哪種說法都沒辦法讓人信服，所以

科學家一致認為姆潘巴效應在實驗上無法得到很好的證實。

科學家：這就是姆潘巴效應

經過了漫長的研究，有人從中找到了其中的奧秘。

2013年一位新加坡科學家給出的解釋：造成姆潘巴現象的主要原因是——

氫鍵

。

我們知道一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成的。那麼原子與原子之間的作用力就是化學鍵，而分子與分子之間的作用力又分為氫鍵和範德華力。

要從水變成冰就需要先打斷氫鍵，將混亂的水分子模型變成整齊有序的冰分子模型。

而熱水的氫鍵比常溫水的氫鍵更長，氫鍵的力更小，所以在分子重新排列的時候會更容易，速度會更快。

2022年7月，張亞剛教授團隊在國際著名學術刊物 Infomat 發表了題為“Direct Observation of the Mpemba Effect with Water – Probe the Mysterious Heat Transfer”的研究論文 。

首次透過在水中系統的實驗研究，發現了在水體系中直接觀察到Mpemba 效應的條件，破解了Mpemba 效應之謎。

結果表明：

熱水通常比冷水具有更快的冷卻速率。初始溫度、溫差、容器的形狀和水量會影響熱交換和冷卻過程。由於熱交換的影響因素，姆潘巴效應只能在特定條件下觀察到。

這項工作有助於澄清對Mpemba效應的疑慮和困惑，並且可以為能量儲存和轉移材料提供替代策略。

除此之外，張亞剛教授團隊

還開發了研究Mpemba 效應的成套實驗裝備，並申請了中國發明專利。

事實上，初始冷水錶面形成的是覆蓋整個表面的“冰殼”，而初始熱水中的結冰是先從“針狀冰晶”開始進而逐步形成表面“冰殼”的。

我認為初始冷水會被表面的冰殼，阻止熱傳遞，因此在這個過程中冷水就會減慢了降溫速度。而初始熱水與之相反。

可以肯定的是，在結冰之前所有容器的溫度都是一致的。但是因為在降溫的過程中的水溫度不一樣，所以結冰的速度也不一樣。