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热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)

福瑞号2022-11-10 08:00:10问答百科453
引言
冬天来了,终于可以看到泼水成冰的壮观景象了,不过要千万小心别烫伤。说到这里大家是不是认为小编手误了?没错,就是千万别被烫到。估计玩过泼水成冰的小伙伴都知道,想要泼水成冰至少要满足两个条件:气温要非常低,最好在零下30-40度左右;水温要非常高,最好用开水。如果用凉水,保证失败!这就带来了一个问题,难道热水比冷水结冰更快?
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图1

泼水成冰的壮观景象

热水比冷水先结冰,不符合正常逻辑
热水确实比冷水先结冰,科学家称这个现象为:姆潘巴现象。所以我们完全不必怀疑这种现象的真实性。但是这个事情确实不符合常理,让我们来推理一下(时间是假定的):
90℃的热水冷却至20℃,需要时间10秒;20℃的水变成冰,需要时间20秒;如果以上两点成立,可以得出结论,90℃的水变成冰需要的时间为10+20=30秒,20℃的水变成冰需要20秒,所以冷水必然比热水先结冰。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图2

亚里士多德的逻辑三段论

看完上面完美的推理是不是更加想不通了?不光咱们想不通,科学家们同样也想不通。早在公元前亚里士多德就提出了这个问题,随后弗兰西斯·培根、笛卡尔等各位大咖都研究过这个问题,但至今科学界也没有给出明确的解释,所以这个问题的正确答案是:“不知道”。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图3

热水冷水冷冻速率曲线

寻找问题的关键点
无论我们的逻辑推理多么无懈可击,但事实胜于雄辩,所以一定是推理中某个环节出错了。那么问题的关键在哪里呢?看上面这张图,咱们一起来分析一下。首先热水变成常温的水确实是需要时间的,这个没问题。但是由热水冷却到常温的水一直常温的水继续冷却时,速率就不一样了,也就是说同样是20℃的水,但并不是一种水。好像降温有惯性似的,非常像物理学中的惯性力(可惜惯性力也是谜一样的存在)。当降温形成趋势后,就会有保持降温的倾向。冷水先达到7℃左右,而后热水和冷水几乎同时达到3℃左右,经过一段时间的相变放热,热水先突破了0度结冰。所以上述逻辑推导中,最关键的问题是:由热水冷却到常温的水,与一直保持常温的水是不相同的。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图4

冷水与热水

最科学的解释
前面咱们说过了,至今这个问题还在争论中,科学家们并没有达成统一的意见。但问题的关键点我们已经找到了,冷却到常温的水和一直常温的水是不同的。于是科学家从这个关键点出发,给出了很多种解释,但归纳一下主要有两种:
1、实验中水的物理量发生了变化,比如热水蒸发速度快,所以最后冷却时质量减少。这类解释很快就被推翻了,因为早在姆潘巴研究这个问题的时候,就使用了密闭的容器。而且以现在的实验水平,物理量变化的影响是不存在的。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图5

过冷水

2、认为热水比冷水有更多的凝结核。其实过冷水就是这个原理,纯水在0℃时由于缺少凝结核是无法结冰的,此时如果遇到凝结核会迅速结冰。这个实验大家在家就可以做,把纯净水放入冰箱冷冻一段时间,然后拿出来往里面随便扔点东西,马上结冰。但是这个解释也被推翻了,因为科学家们用纯水做试验同样得到了热水比冷水先结冰的现象。
那么最科学的解释是什么呢?小编认为最靠谱的解释是2013年一位新加坡科学家给出的解释:“造成姆潘巴现象的主要原因是氢键”。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图6

化学键氢键

化学键、氢键、分子间作用力
为了把问题说清楚,我们先来看看这三种力。我们知道一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成。那么原子与原子之间的作用力就是化学键,而分子与分子之间的作用力又分为氢键和范德华力也正是有这两种力的存在,水才不会散开。氢键是分子间的作用力,但它又是原子与原子的相互作用。是不是有点蒙,没关系看下图:
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图7

氢键与化学键

正是由于分子中的氧原子和其他分子中的氢原子相互作用,所以才产生了这样一种分子间的作用力,且比范德华力要大得多。从上面的图中你会发现,由于氢键的存在,水的分子模型是比较混乱的,且由于氢键强于范德华力,所以水分子间的距离更近。这里说更近是与冰相对比的。大家都知道,冰的体积是大于水的体积的。原因就是冰的分子模型是非常整齐的,所以氢键就会大幅减少,而分子间的作用力自然也会降低,导致分子间的距离变大。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图8

冰的分子模型

现在可以说回热水先结冰的问题了。要从水变成冰就需要先打断氢键,将混乱的水分子模型变成整齐有序的冰分子模型。而热水的氢键比常温水的氢键更长,氢键的力更小,所以在分子重新排列的时候会更容易,速度会更快。所以说造成姆潘巴现象的主要原因是氢键!
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图9

热水比冷水氢键更长

结语
其实这个解释也有很多问题,所以在科学界才会争论不休。但小编认为这是最科学的解释了,大家还有更好的解释吗?

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