当前位置:首页 > 问答百科 > 正文内容

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319
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?

扫描二维码推送至手机访问。

版权声明:本文由福瑞号发布,如需转载请注明出处。

本文链接:https://furui.com.cn/565.html

“热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)” 的相关文章

群蚁排衙的意思(七年级下册语文部教版的课后四字词语解释、注音、出处)

群蚁排衙的意思(七年级下册语文部教版的课后四字词语解释、注音、出处)

部教版-七年级语文(下册) 四字词语 ☆第一单元 1 邓稼先 可歌可泣--- 成语,[kě gē kě qì],,意思是值得歌颂、赞美,使人感动流泪,用于形容英勇悲壮的感人事迹。出自《周易·中孚》。 鲜为人知---成语,[ xiǎn wéi rén zhī ],很少有人知道。出自王朔《玩儿的就是心...

金星属于什么类行星(太阳系八大行星之——金星)

金星属于什么类行星(太阳系八大行星之——金星)

太阳系八大行星之——金星 金星是一颗类地行星,因为其质量与地球类似,有时也被人们叫做地球的"姐妹星"。在八大行星中金星的轨道最接近圆形,偏心率最小,仅为0.006811。虽然所有行星的轨道都是椭圆的,但是金星的轨道最接近圆形 。轨道公转周期为224.7地球日,它没有天然的卫星。 金星是太阳系中唯一一...

brat属性什么意思(游戏与历史:波兰翼骑兵)

brat属性什么意思(游戏与历史:波兰翼骑兵)

原创 鹰眼荷鲁斯 历史心发现 网易号新人文浪潮计划签约账号【历史心发现】 原创内容 未经账号授权 禁止随意转载 在骑马与砍杀:火与剑的战场上,有这样一支强大的骑兵部队,他们手持有着红白色旗标的骑枪,背后装着醒目的人造羽翼,头顶着龙虾鳞甲般的头盔,威风凛凛地横扫战场,将敌人斩于马下。这些人就是著名...

为学莫重于尊师是什么意思(小学生谎称挨揍)

为学莫重于尊师是什么意思(小学生谎称挨揍)

“每一个正直的人都应该维护自己的尊严。” ——卢梭 “2018年6月29日,安徽淮北市第二实验小学五年级学生小张谎称自己被打,激怒母亲和小姨殴打其班主任致受伤送医。6月30日,公安机关对小张母亲和小姨作出行政拘留15日的处罚。7月2日,淮北市相山区政府通报称,小张父亲张杰系公职人员,目前已被停...

GF是什么意思(乘电梯时)

GF是什么意思(乘电梯时)

随着时代的发展,社会的进步,我们的城市在一点一点的变化,如今城市进程在不断加快,高楼大厦也越来越多,一些小区楼层也越来越高。十年前,我们上下班,回家出门都得爬楼梯,楼层住得稍微高些的,常常会爬得喘不过气,如今电梯房已经普遍,而我们工作的场所更是办公高楼,所以每天我们都需要乘坐电梯,对于电梯我们算是非...