水的姆佩巴效应的实验测量

姜漱琪

【摘要】热水比冷水结冰快是人们日常生活中经常提起的有趣自然现象，这个现象又叫水的姆佩巴效应。文章利用热电偶温度计对热水和冷水的结冰过程开展了实验对比研究，发现热水比冷水的結冰时间可以缩短0～30%，很多环境因素对姆佩巴效应有影响，但通常不会消失，这种现象应该主要是由于加热之后水分子内部结构变化导致的。

【关键词】水；姆佩巴效应；分子结构

一、前言

热水比冷水结冰快，人们在日常生活中经常提起这个有趣的自然现象。早在2300年前，古希腊思想家亚里士多德就发现，在室外寒冷的环境中，热水比冷水先结冰，他写道：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。因此当人们想去冷冻水，他们会先放它在太阳下晒过。”而后培根和笛卡儿等人也介绍过这个现象。直至1969年，才由坦桑尼亚一间中学一个名叫姆佩巴（Mpemba）的学生引入现代科学。这个学生把很热的牛奶直接放到冰箱中，结果他的牛奶比先冷却后再放到冰箱中的牛奶更快地结了冰。

这种怪异的现象困扰了几代科学家，人们的解释主要有热水蒸发导致水量减小，热水对流促进了向外散热，冷水里溶解了气体导致结冰慢等，还有不少人由于通过简单的实验没有观测到这种现象，于是否定它的存在。2012年，英国皇家化学学会还悬赏1000英镑征求这个问题的答案。

从科学的眼光来看，这个问题则要复杂得多，新的研究仍然没有能够充分解释姆佩巴现象。最近，科学家们试图从微观分子结构的角度解释姆佩巴效应，发现通过化学键可以解释姆佩巴现象，氢键的存在使得水分子之间的距离更近，这也会使得分子间的排斥力更大，从而使得氧原子和氢原子之间的化学键发生了延展并贮存能量。当液体的温度升高时，由于氢键发生延展，水分子之间的距离也就增大了；当液体温度变低时，水分子之间的距离也会收缩，从而释放出能量，加快了液体的温度下降从而结冰。不过这种解释还没有获得广泛认可。

热水一定比冷水结冰快吗？究竟快多少？又受到哪些因素的影响呢？本文利用所学的物理学知识对姆佩巴效应进行实验测量，以加深人们对这个有趣现象的认识。

二、实验系统

实验装置如图1所示，设计了两个完全一样的不锈钢杯子，容量300ml，上面有杯盖，杯盖中间穿孔，将热电偶穿过杯盖并固定在用铁丝做的支架上。热电偶的另一端连到温度采集日志上。实验中，我们在一个杯子中注入冷水，另一个杯子注入热水，热水先用电磁炉加热到沸腾，注入水量用电子秤称量，误差为±0.1g，两个杯子内注入的水量相同。先把杯子盖上杯盖，放置在室温环境下自然冷却到某一个温度，然后一起放入冷柜。

结冰过程很难用肉眼观察，如果用探针探测硬度，又会对结冰过程造成影响，因此决定采用测温的方式观察。因为结冰过程中温度始终是零度，只要测得温度保持在零度的起始和结束时刻，就能算出结冰过程经过的时间。实验中用的是K型热电偶测温，测量误差是±0.1℃，每个杯子里用两根热电偶，还有一根热电偶测量冷冻环境温度，热电偶的采样频率是5sec/次。由于热电偶的测温误差，结冰过程中测得温度并不是严格地为0℃，总是有很微小的波动，因此我们在水温降到0.5℃时记做结冰开始，降到-0.5℃时记做结冰结束。

三、结果分析

（一）典型实验结果

首先用蒸馏水进行了实验，冷热水量都是200ml，图2显示了两个典型的实验结果。说起热水比冷水结冰快，起初我们以为把热水和冷水放到冰柜里，热水会先结冰，其实这是一种误解。如图2（a）所示，由于热水从80℃冷却到0℃需要的时间更长，导致热水开始结冰的时间比冷水晚。但是，通过测量热水结冰的过程发现，冷水从3925秒开始结冰，到23950秒结束，耗时19980秒，而热水从6680秒开始结冰，到24955秒结束，耗时18320秒，比冷水结冰过程短1660秒，约缩短8.3%。从结冰过程的长短来说，确实验证了热水比冷水结冰快的说法，因此对姆佩巴效应更准确的描述是热水比冷水的结冰过程更“短”。

于是，我们将水沸腾后在室温下冷却一段时间，然后在放入冷柜。实验发现，如果把热水冷却到30～35℃再放入冷柜，冷热水就会几乎同时开始结冰，这时就能更加直观地观察到热水比冷水结冰时间短的现象。如图2（b）所示，在热水降到34℃时放入冷柜，这时冷柜温度是-20℃，冷热水几乎同时开始结冰，热水结冰过程时长6790秒，而冷水为9660秒，热水比冷水的结冰过程缩短大约29.7%。

另外，实验发现有时热水在结冰之前会出现温度低于0℃的情况，如图2（b）所示，据信这是水的过冷现象。实验还发现，冷热水在冷却到大约3～4℃时，温度曲线总会有一些局部波动，有时明显，有时不明显。查阅物理书发现水在4℃时密度最大，温度再往下就会变轻，可能是水温降到4℃以下时水的对流效果改变了，降温效果也随之改变。总之，水是一种很奇妙的物质。

（二）对各种影响的分析

前述典型结果表明，在-10℃冰柜中冷却时热水结冰过程缩短8.3%，而在-20℃时却缩短29.7%，那么各种环境因素会不会对缩短幅度造成影响呢？于是，我们通过改变水量、水质、冷冻温度、蒸发、对流等各种条件，做了40多次的对比实验，图3和表1中列出的是其中12个代表性结果。

图3表示的是每一个对比实验下结冰过程时长的相对比例。首先，从图中可以看出除了极个别的情况，热水的结冰时间总是比冷水短一些。我们在40多次实验中只有两次没有发现测量到姆佩巴效应，可见这种现象是大概率存在的。其次，热水比冷水的结冰过程缩短0～30%，具体缩短比例和水量多少、冰柜温度、对流、蒸发等没有明显的依存关系。同样条件下做实验，每次测得的结冰过程缩短时间会有波动，基本上是随机的。这说明姆佩巴效应确实不是外在环境因素导致的结果，应该有分子内部结构变化的原因。再次，我们还发现自来水和蒸馏水的结冰时间大约相等（编号#5），而且通过自来水也能观测到姆佩巴现象（编号#9），表明水中的电解质等杂质不会造成姆佩巴效应的消失。

四、结论

本文通过对比实验定量测量了水的姆佩巴效应，发现姆佩巴效应普遍存在，热水比冷水的结冰过程时长可以缩短0～30%，很多环境因素对姆佩巴效应有影响，但通常不会消失。要研究姆佩巴效应的物理机理，需要从加热导致的水分子内部结构的变化着手。

【参考文献】

[1]佚名.姆佩巴物理竞赛[M].Mpemba Competition， Royal Society of Chemistry， 2012.