热水

事实上，在一般实验条件下，热水会比冷水更快结冰。

这种现象违反直觉，甚至连很多科学家也感到惊讶。

但它的确是真的，曾在很多实验观察和研究过。

虽然在经过亚里斯多德、培根，和笛卡儿[1-3]三人的介绍后，此现象已被发现了几个世纪，但却一直没有被引入现代科学。

直至1969年，才由坦桑尼亚的一间中学的一个名叫Mpemba的学生引入现代科学。

这个效应早期发现史，和后期Mpemba再发现的故事－－尤其是后者，都是充满戏剧性的寓言。

寓意人们在判断什么是不可能时，别过于仓促。

这一点，下面会说到。

热水比冷水更快结冰的现象通常叫「Mpemba效应」。

无疑地，很多读者对这一点很怀疑，因此，有必要先明确地指出，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°C的热水和0.01°C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。

这似乎是不可能的，不少敏锐的读者可能已经想出一个方法，去证明它不可能。

这种证明通常是这样的：30°C的水降温至结冰要花10分钟，70°C的水必须先花一段时间，降至30°C，然之后再花10分钟降温至结冰。

由于冷水必须做过的事，热水也必须做，所以热水结冰较慢。

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°C的水，冷却到平均温度为30°C的水，水已发生了改变，不同于那杯初始温度均匀，30°C的水。

前者有较少质量，溶解气体和对流，造成温度分布不均。

这些因素亦会改变冰箱内，容器周围的环境。

下面会分别考虑这四个因素。

所以前面的那种证明是行不通的，事实上，Mpemba效应已在很多受控实验中观察到[5,7-14]。

这种现象的发生机制，仍然没有得确切的了解。

虽然有很多可能的解释已被提出过，但到目前为止，还没有一个实验可以清晰地显示它的机制。

如果有的话，这实验就十分重要了。

你可能会听到有人很自信地说，X是Mpemba效应的原因。

这些说法通常都是基于猜测，或只看着小量文献的证据，而忽略其它。

当然，有根据地猜测，和选择你信赖的实验结果，是没错的。

问题是，对于什么是X，不同的人提出不同的说法。

为什么现代科学不回答这个看起来很简单的结冰问题？主要的问题是，水结冰所花的时间的长短，对实验设计中的很多因素，都是很敏感的。

例子容器的形状和大小、冰箱的形状和大小、水中气体和其它杂质、结冰时间的定义，等等。

因为这种敏感性，即使有实验支持Mpemba效应的存在，但不能支持在这些条件之外，Mpemba效应的发生和发生的原因。

正如Firth[7]所讲「这个问题有太多的变量，以致任何从事这项研究的实验室，一定会得出和其它实验室不同的结果。

」所以，由于做过的实验不多，而且常常在不同的实验条件下，所提出过的机制中，没有一个能很有信心地被宣称，就是「那个」机制。

在上面我们提到的那四个因素，热水冷却到冷水的初始温度，会有变化。

下面是这四个相关机制的简单描述，它们被认同能解释Mpemba效应。

抱负不凡的的读者可以跟着那些连结，获得更完整的解释，相反的论调，和用这些机制解释不了的实验。

似乎并没有一个机制，能解释在所有情况下的Mpemba效应，但不同的机制在不同的条件下是重要的。

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[11]。

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[12]。

很多科学家声称，单是蒸发，不足以解释他们所做的实验[5,9,12]。

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（因而令它较易冷却），或减少令单位质量的水结冰所需的热量，又或改变沸点。

有一些实验支持这种解释[10,14]，但没有理论计算的支持。

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。

能跟上吗？你可能想重看这一段，小心区分初温、平均温度，和温度。

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。

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。

过冷现象出现在，水在低于0°C时才结冰的情形。

有一个实验[12]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。

即使这是真的，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。

简单地说，在很多情况下，热水较冷水先结冰。

这并非不可能，在很多实验中已观察到。

然后，尽管有很多说法，但仍没有一个很好的解释。

有不同的机制曾被提出，但这些实验证据都不是决定性的