为什么热水比冷水结冰快—非热力学“另类”解读

文/刘荣逵

1 “热水比冷水结冰快”问题的由来

2300年前，古希腊伟大的思想家亚力士多德就发现，在室外寒冷的环境中，热水比冷水先结冰。2000多年过去了，这个著名的谜题至今无人能给出确切答案。人们对于这个有悖直觉的现象，很容易怀疑它的真实性。客观事实告诉大家：这是真的。

上世纪80年代初，我曾研制成功冰激凌机，并获得专利授权。当时是用冰激凌液在冰箱冷冻室中制成冰激凌。加的水用过热水也用过冷水，结果总是热冰激凌液先结冰。后来用单纯的水在冰箱中做冷冻试验，热水并不总是先结冰。但在冰箱里冷冻水的试验结果，绝不能否定冬日室外热水先结冰的现象。

无论是亚力士多德发现的“热水比冷水先结冰”，还是在冰箱冷冻室中热冰激凌液比冷冰激凌液先冻成冰激凌，都是当今已知的物理学和热力学知识无法解释的。

2 热力学理论解释不了“热水比冷水结冰快”的谜题

按照热力学第二定律，热量只能从高温向低温顺向流动，从来不反流。由于中间的温度不能跳过，按照这条路，热量流动只能使高温的热水顺向降到冷水的低温，再接着顺向降到冰点，结冰。在同一降温梯度中，降温速度应是相同的。当高温水降到原低温水的温度后，高温水的就和原低温水的降温趋势相同了。而这时，原来低温水的温度早已降得更低。水向冰点降温时，低温水总在前面领跑，高温水总在后面尾随。总是存在冷先、热后的顺序。热量单向、顺向流动而从来不反流的热力学第二定律，不支持“热水比冷水先结冰”。从热力学角度来看，说清这一问题已经是走投无路。

3 “热水比冷水结冰快”是热力学外的事件

鉴于上述思路与客观现实不一致，人们只好从热量的顺、反双向流动中寻找答案。热量双向流动中热量的反向流动就是热量“反流”。在热量同时双向流动中，无论是热水或是冷水，谁的热量“反流”作用强，谁就可以先结冰。可是热力学第二定律明示：“热量从来不反流”，这就是2300多年，人们用已知的热力学知识，不能给出“热水比冷水先结冰”的确切答案的原因。因此热量“反流”和热量双向流动都不属于热力学范畴，而属于非热力学范畴，它们是热力学之外的事件。这个事件向人类揭示出：只有物理学和热力学的知识是不够的，必须补上非热力学知识的课。人们只有跳出热力学的圈子，进入非热力学的“另类”天地，去寻找解决问题的出路。这种“跳跃”当然是没有先例的。

刘荣逵北京百慧生化制药有限责任公司高级工程师

4 跳出热力学的圈子，用“另类”思维解释问题

验证过相对论的英国著名科学家爱丁顿曾断言：“如果你的理论违背了热力学第二定律，我就敢说你没有指望了，你的理论只有丢尽脸、垮台。”他把热力学第二定律，说成是“天经地义”的“绝对真理”。

人类发现热水比冷水先结冰的事实已有2000多年，在这2000多年的时间中，人类始终不知道热量可以反流，一直说不清热水先结冰的道理。直到160年前，人类才发现了热力学第二定律，但遗憾的是，它仍然说“热量从来不反流”，于是人类仍然不知道热量“反流”是“何物”，仍然说不清热水先结冰的道理。

事实上，热量“反流”在实际上发生着，并且造成了“热水比冷水先结冰”的结果。热力学第二定律否定热量“反流”的事实，怎能解释热水比冷水先结冰的道理呢？

热力学的规律是人为发现，如果人为发现有欠缺，人们不会为了袒护人类自己的过失，而否定客观事实。因此我们更尊重“实践是检验真理的唯一标准”的准则。本人在实践中发现热量“反流”的事实，这突破了热量“从来不反流”的热力学第二定律。突破热力学第二定律的科学发现，应该是一项重要的科学发现。

5 不“遵守”热力学定律的热量“反流”隐藏了几千年

在已知世界中，人们认为：只有热量一种能量可以流动，热量流进物体，物体的温度升高，热量流出物体，物体的温度降低。并且热量只能从高温的物体流向低温的物体，热量从来不反流。人们不知道有其他的能量对物体的进、出能改变物体的温度。其实，这是人类对客观世界的片面认识，热量并不是“从来不反流”。

只要有热量顺向流动，就一定有热量“反流”。只有热量流动达到热平衡点时，热量顺向流动才不再进行，热量“反流”也才等于零。除了热平衡点之外，热量顺流和热量“反流”是普遍存在的。

热量“反流”是热量顺流引起的一种逆向反应。事实上，热量的流动都是热量的顺流与“反流”双向合成（相减）的结果。由于合成的热量流动方向总是与热量顺流方向一致，所以从表面看来，好像只有热量顺流一种流动，这使热量“反流”隐藏了几千年。

“实践是检验真理的唯一标准”，我在实践中发明了测量热量“反流”的装置和方法，从而发现了热量“反流”的事实。不仅发现中途换向的热量流动中的热量“反流”，而且发现了趋向平衡态的整个热量流动中的热量“反流”。并且把前者称做“显性热量反流”，把后者称做“隐性热量反流”。实践证明：在热量流动中，热量“反流”是热量顺流引起的逆向反应，热量顺流是普遍存在的，热量“反流”也必然普遍存在的。

6 热量“反流”或热量正、反双向流动，是开启解释“热水比冷水结冰快”千年谜题的钥匙

热量“反流”与“物质和冰点间的温差”呈正相关，100℃热水与冰点间的温差大于35℃的冷水与冰点间的温差，100℃热水向冷空间散热、降温时，“引”出来的水中热量“反流”比35℃的冷水强。100℃热水表面热量的顺、反向流动的合成结果，总使100℃热水比35℃冷水表面热量流失（空）得快、表面温度下降得也快。这降低了100℃热水表面的分子熵，造成100℃热水表面先结成冰核，并通过冰核的“扩散”促成整个100℃热水（比冷水）先结冰。这样热量“反流”或热量双向流动，就是开启2300多年的不解谜题之锁的钥匙。

热量“反流”突破了热量“从来不反流”的热力学第二定律和人类头脑中固有的思维定式，解放了人类的思维，解释了“热水比冷水先结冰”的千年谜题。

责编/庞贝

编后

热力学第二定律是热力学基本定律之一，内容为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。

热力学第二定律说，物质中或物质之间的热，只能从高温向低温顺向流动，“从来不反流”，这等于规定了在已知世界中，物质和热不可能有可使热量“反流”的对立面。

刘荣逵在实践中发现在自然（非人为）的情况下，存在热量“反流”的事实。在热量逆向流动中，并未发生或引起其他变化。而他做这一工作的初衷原于2008年初，中国科技馆曾评选过人类历史上最伟大的科学发现和最伟大的技术发明。中国古代的四大发明无疑是中华民族对于世界文明的优秀贡献，可是在评选“科学发现”时，却没有一项与中国科学家相关。这表明中国十分缺乏“原创性”科学发现。刘荣逵说“热量‘反流’的发现，是中国的原创性、重要的科学发现。

门捷列夫说：“科学的原理起源于实验的世界和观察的领域，观察是第一步，没有观察就不会有接踵而来的前进。”

刊登此文，意在开拓视野，拓展思路，鼓励创新。至于文中观点，限于条件，本刊无法证实，希望有志者参与探讨。