到底是冷水先结成冰还是热水先结冰

到底是冷水先结成冰还是热水先结冰~

冷水和热水哪个先结冰，怎么和常识不一样

冷水和热水哪个先结冰，怎么和常识不一样

热水、冷水不一定谁先结冰，是需要特定条件的。

热水结冰比冷水快只是“有时候”，也就是说这并不是一个必然现象。《物理通报》杂志社所属的《中学生物理》杂志曾对这一现象进行过历时1年的讨论，其中有12篇“实验报告”，偶有成功之例。

这说明姆潘巴现象确实存在，但控制条件难寻，复现不易。这也就意味着，姆潘巴现象只是在特定条件下出现的物理现象，而不能一般性地得出“热水比冷水先结冰”的物理结论。

扩展资料：

水是一种性质独特的物质，有着非常丰富的物理现象，且在工业生产和生命科学中扮演极其重要的角色，然而人类目前对水的研究还很不透彻。

实际上，许多物理量和物理现象不仅取决于物质所处的状态，而且与其历经过程密切相关，最终结果是否一样还是需要实验研究来确认。例如，由于冶金技术在工业上的价值，人类对钢铁的研究非常详细。

众所周知，不同初始温度、不同降温速率处理过的钢铁，性质有很大不同，其中晶粒的特点和形成过程也有所不同。类似地，实验研究发现，不同过程和条件下产生的冰，晶体结构和物理性质也有很大不同。

参考资料来源：人民网—热水、冷水谁先结冰， 科学家也很懵

这是号称世界性的难题---------姆潘巴现象

姆潘巴现象

一、中学生姆潘巴的精心观察对权威的牛顿冷却定律提出挑战
我（姆潘巴）在坦桑尼亚的马干巴中学读三年级时，校中的孩子们做冰淇淋总是先煮沸牛奶，待到冷却后再倒入冰盘，放进电冰箱。为了争得电冰箱的最后一只冰盘，我决心冒着弄坏电冰箱的风险而把热牛奶放进去了。一个多小时以后，我们打开电冰箱，里面出现了惊人的奇迹：我的冰盘里的热牛奶已结成坚硬的冰块，而他们的冰里还是稠稠的液体。我飞快地跑去问物理老师，他淡淡地回答说：“这样的事一定不会发生。”
进入高中后，在学习牛顿冷却定律时，我又问物理老师，他同样轻率地否定了我的观察。我继续述说我的理由，可老师不愿意听，在一旁的同学们也帮着老师质问我：“你究竟相不相信牛顿冷却定律？”我只好为自己辩解：“可定律与我观察的事实不符嘛！”在同学们的讪笑声中，老师带着无可奈何的神情说道：“你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧！”从此以后，“姆潘巴的物理”便成了我的绰号，只要我做错一点，同学们就马上说“这是姆潘巴的什么……。”尽管如此，我仍然坚信我的观察是正确的，其中可能包含着更为深刻的道理。
就在这一年，坦桑尼亚最高学府达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来我校访问，我决心求助于博士，我向他讲述了我的奇遇。他先是笑了一下，然后认真地听取了我的复述，博士回校后亲自动手并观察到了同一事实。他高度评价了我的观察，他说：“姆潘巴的观察，事实上提出了权威物理学家可能遇到的危险，同时也对物理教师提出了一个感兴趣的问题。”
博士邀请我联名发表一篇论文，登载于《英国教育》，对热牛奶在电冰箱中先行冻结的现象作了介绍和解释。其主要内容是：
1．把牛奶换成水以后再进行观察，发现电冰箱中的热水仍在冷水之前冻结成冰。
2．把热水放入电冰箱冷却时，水的上表面（S）与底部（B）之间存在着显著的温度差。缓慢冷却时的温度差几乎是观察不到的。图1-1是初始温度分别为70℃（实线）和47℃（虚线）的水的S-B温度差随时间变化的观测记录图。从图中可看出，初始时，上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的水内产生的最高温度差接近14℃,而初温为47℃的水内产生的最高温度差只有10℃左右，这就是我们所观察到的冷、热水在急剧冷却时的重大差别。

在以上定量观测的基础上，我们对热牛奶（或热水）先冻结的现象作出如下解释：
1．冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的，而是由液体上表面与底部的温度差决定的，热牛奶急剧冷却时，这种温度差较大，而且在整个冻结前的降温过程中，热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。
2．上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。
基于以上两方面的理由，热牛奶以更高的速度冷却着，这便是热牛奶先冻结的秘密。
除了作出热牛奶先冻结的解释外，我们还大胆地类推出一个有趣的“猜想”：在发生严重冰冻的日子里，热水管应该先于冷水管发生冻结，是不是这样呢？由于我们生活在赤道附近的坦桑尼亚，这里气候四季炎热，难以观察到这十分有趣的现象，欢迎能观察到这一现象的中学朋友们，为我们提供信息，共同讨论。
自从我们的文章发表后，世界上很多科学杂志都刊登了这一自然现象，认为这是对牛顿冷却定律的严峻挑战。而且还以我的名字把这一自然现象命名为“姆潘巴效应”。这真叫人不好意思呀！

二、反思
中学生姆潘巴观察到的现象，可能好多人都遇到过，但是为什么会发生姆潘巴的同学不相信，老师不相信，甚至连物理学博士听后也还是“先笑了一下”呢？他们可能是这样思考的：
冷牛奶从初温开妈到冻结所需时间为t1，热牛奶冷却到初温所需时间t2，则热牛奶从初温开始到冻结所需的全部时间为t1+t2。
显然有（t1+t2）>t1.
由上式可以推导出如下结论：热牛奶先冻结的现象不可能发生。
如果发生了热牛奶先冻结的现象，则必然导出（t1+t2）<t1的结论，这似乎是荒谬的。
正因为上述貌似正确的推理支配着人们的头脑，所以不少的人不但自己不去观察，甚至连别人观察到的事实也不敢相信。这种不尊重观察的态度，往往使真理从自己的鼻尖下面悄悄溜走，这难道不值得立志从事科研工作的人们引以为戒吗？
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。
1. 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]。
2. 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，又或改变凝固点。有一些实验支持这种解释 [10,14]，但没有理论计算的支持。
3. 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「hot top」。如果水 主要透过表面失热，那么「hot top」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「hot top」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「hot top」和相关的对流，但对流能否解释 Mpemba 效应，仍是未知。
4. 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[supercooling]在此效应上，可能是重要的。[supercooling]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[supercooling]。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[supercooling]。
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。若你想看更多关于这题目的文章，Jearl Walker 在《Scientific American》所写的文章 [13] 值得一看，他也建议你怎样在家中做 Mpemba 效应的实验。另外，Auerbach [12] 和 Wojciechowski [14] 所写的文章是有关这效应的更现代的文献。
二．Mpemba 效应的历史
这个热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪。最早提到此一现象的数据，可追溯到公元前 300 年的亚里斯多德。由于欧洲物理学家努力去探讨热理论，此现象在后来的中古时代也被讨论到。但在 20 世纪前，此现象只被视为民间传说。直到 1969 年，才由 Mpemba 再次在科学界提出。自此之后，很多实验证实了 Mpemba 效应的存在，但没有一个唯一的解释。
最早记载此现象的是亚里斯多德，他写道：
「先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。因此当人们想去冷却热水，他们会先放它在太阳下．．．」[1,4]
他写这段话，是想支持他的一个错误的观点，叫「antiperistasis」。Antiperistasis 被定义为「一种特性的增加，是由于它被另一相反特性包围。例如，当周围突然变冷时，温暖的身体会变热。」 [4]
中古科学家相信亚里斯多德的的 antiperistasis 理论，也寻求解释。并不令人惊讶，在十五世初科学家在解释此理论的运作时，遇到麻烦，甚至不能决定人体和水在冬天时，是否比在夏天时热 [4]。大约在 1461 年，物理学家 Giovanni Marliani 在一个关于物体怎样冷却的辩论上，说他已经证实了热水比冷水更快结冰。他说他用了四盎司沸水，和四盎司未加热过的水，分别放在两个小容器内，置于一个寒冷冬天的屋外，发现沸水首先结冰。但他没能力解释此一现象 [4]。
到了十七世纪初，此现象似乎成为一种常识。1620 年培根写道「水轻微加热后，比冷水更容易结冰 [2]。」不久之后，笛卡儿说「经验显示，放在火上一段时间的水，比其它水更快地结冰 [3]。」
终于，一个现代热理论被发现，早期亚里斯多德和 Marliani 等人的观察被遗忘，或者是因为他们似乎与现代热学有矛盾。然而，此一现象仍然在加拿大 [11]、英国 [15-21] 的很多非科学家族群中，食物处理中 [23]，和其它地方，作为民间传说为人所知。
此现象一直未能回到科学界，直至 1969 年，那已是 Marliani 实验 500 年之后，亚里斯多德的「气象学 I （Meteorologica I）」[1] 超过二千年之后的事了。坦桑尼亚中学的一个名叫「Mpemba」的学生再发现此现象的故事，被刊登在（New Scientist）[4] 杂志。这个故事提供了一个戏剧性的寓言，告诉科学家和老师们，不要忽视非科学家的观察，和不要过早下判断。
1963 年，Mpemba 正在学校造雪糕，他混合沸腾的牛奶和糖。本来，他应该先等牛奶冷却，之后再放入冰箱。但由于冰箱空间不足，他不等牛奶冷却，就直接放入去。结果令他很惊讶，他发现他的热牛奶竟然比其同学的更早凝固成冰。他问他的物理老师为什么，但老师说，他一定是和其它同学的雪糕混淆了，因为他的观察是不可能的。
当时 Mpemba 相信他老师的说法。但那一年后期，他遇见他的一个朋友，他那朋友在 Tanga 镇制造和售卖雪糕。他告诉 Mpemba，当他制造雪糕时，他会放那些热液体入冰箱，令他们更快结冰。Mpemba 发觉，在 Tanga 镇的其它雪糕销售者也有相同的经验。
后来Mpemba 学到牛顿冷却定律，它描述热的物体怎样变冷（在某些简化了的假设下）。Mpemba 问他的老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰。这位老师同样回答是一定 Mpemba 混淆了。当 Mpemba 继续争辩时，这位老师说：「所有我能够说的是，这是你 Mpemba 的物理，而不是普遍的物理。 」从那以后，这位老师和其它同学就用「那是 Mpemba 的数学」或「那是 Mpemba 的物理」来嘲笑他的错误。但后来，当 Mpemba 在学校的生物实验室，尝试用热水和冷水做实验时，他再一次发现：热水首先结冰。
更早的，有一位物理教授 Osborne 博士访问 Mpemba 的那间中学。Mpemba 问他这个问题。Osborne 博士说他想不到任何解释，但他迟些会尝试做这个实验。当他回到他的实验室，便叫一个年轻的技术员去测试 Mpemba 的声称。这位技术员之后报告说，是热水首先结冰，又说：「但我们将会继续重复这个实验，直至得出正确的结果。」然而，实验报告给出同样的结果。在 1969 年，Mpemba 和 Osborne 报导他们的结果 [5]。
同一年，科学上很常见的巧合之一，Kell 博士独立地写了一篇文章，是关于热水比冷水先结冰的。Kell 显示，如果假设了水最初是透过蒸发冷却，和维持均匀的温度，这样，热水就会失去足的质量而首先结冰 [11]。Kell 因此表明这种现象是真的（当时，这现象在加拿大城市是一个传闻。），而且能够用蒸发来解释。然而，他不知道 Osborne 的实验。Osborne 测量那失去的质量，发现蒸发不足以解释此现象。后来的实验采用密封的容器，排除了蒸发的影响，仍然发现热水首先结冰 [14]。
随后的的讨论也是不得要领的。即使有相当多的实验重现了这个效应 [4,6-13]，但没有一致的解释。这些不同的解释，已在上面讨论过。在一本流行科学杂志《New Scientist》上，这个效应被重复讨论多次。这封信透露了 Mpemba 效应在 1969 年之前，已被世界上很多门外汉了解。今日，仍然没有一个很好的解释。
三．更详细的解释
蒸发
此效应的一个解释是，热水冷却的过程中，会因蒸发而失去质量。质量较少，则液体失去较少的热就冷却，也就冷却得较快。用这个解释，热水就会首先结冰，只是因为它将较少的水结成冰。由 Kell 在 1969 所做的计算 [11] 显示，如果水只是透过蒸发来冷却，和温度分布维持均匀，那么，热水会先结冰。
这种解释是可靠的、直觉的，和的确是有助于 Mpemba 效应的发生。然而，很多人不正确地认定了这就是 Mpemba 效应的完整解释。他们认为热水比冷水更快结冰的唯一原因是蒸发，又以为所有实验结果都可由 Kell 的计算中得到解释。但其实，现在的实验不再支持这种信念。尽管有实验显示蒸发是重要的 [13]，但不能证明它就是 Mpemba 效应背后的唯一机制。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]－－特别是由 Mpemba 和 Osborne 最初所做的实验，他们测量失去的质量，发现它实质上少于经 Kell 的计算的预期值 [5,9]。最有力的反驳是，由 Wojciechowski 所做的实验，发现在封闭的容器内，没有质量损失的情况下，仍然观察到 Mpemba 效应。
溶解气体
另一个解释是，认为热水中的溶解气体被逐出，改变了水的一些性质，这些改变能解释此效应。溶解气体的缺乏可能会改变水的传热能力，或改变令单位质量的水结冰所需的热量，又或改变凝固点。热水比冷水留住较少溶解气体是对的，沸水赶走了大部分的溶解气体。问题是它能否在相当大的程度上影响 Mpemba 效应。就我所知，目前还没有理论工作支持这种解释。
有个实验间接地支持这个解释，当用一般含有气体的水来做实验时，能看到 Mpemba 效应，但当用已去除气体的水来做时，就看不到了 [10,14]。然而，尝试去测量结冰焓对初温的依赖程度时，发现水中的溶解气体不是决定性的 [14]。
这个实验的一个问题是，用事先加热至沸腾的水来做实验，以排除溶解气体的影响，但仍然能看到此效应 [5,13]。改变水中气体含量，并没有对 Mpemba 效应造成实质上的变化 [9,12]。
对流
有人提议，水温变得不均匀能解释 Mpemba 效应。水冷却时，会形成温度梯度和对流。在大部分温度下，水的密度会随着温度的上升而减少。随着水的冷却，会形成「hot top」－－水的表面比平均水温或底部的水热。如果水主要透过表面失热，那么有形成热顶的水失热，比假设温度均匀的预期失热速度快。对于一定的平均温度，温度分布越不均匀（即是顶底温差越大），则失热就越快。
对流怎样解释 Mpemba 效应？热水会迅速地冷却，和很快地形成对流，所以从顶到底，水温变化很大。另一方面，冷水冷却得较慢，因而较迟形成重要的对流。因此，比较热水和冷水，热水会有较大的对流，从而有较快的冷却速率。考虑一个具体的例子，假设热水 70° C，冷水 30° C。当冷水在 30° C 时，是均匀的 30° C。然而，当热水由 70° C降到平均 30° C 时，它的表面很可能是高于 30° C 的，因此相比那均匀 30° C 的水，它会较快地失热。这个解释可能有些混乱，你可能想重看这一段 ，小心区分初温、平均温度，和表面温度。
无论如何，如果上面的论述是对的，那么当我们为热水和冷水，分别绘制平均温度对时间的曲线，那么对一些平均温度，热水比冷水冷却得较快。所以热水的冷却曲线不会简单地重复冷水的冷却曲线，而会在相同温度范围处，下降得较快。
这显示热水走得较快，但它也有较长的路要走。所以到底热水能否首先到达终点（即 0° C ），从上面的讨论中，这还是未知之数。为了知道谁会首先跑完，需要建立对流的理论模型（对多数容器形状和大小，是有希望的），现在还没有人做过。所以，单是对流有可能解释 Mpemba 效应，但它能否做到，现在还不知。由于我们期望，Mpemba 效应的实验常常有提到「hot top」。有实验可以做到能看到对流的情形 [27,28]，但其对 Mpemba 效应的涵意仍不完全清楚。
应该注意，水的密度在 4° C 时，达到最小值。所以低于 4° C，水的密度会因温度减小而减小，和形成「hot top」。这令情况更复杂。
周围的环境
热水可能改变周围环境，从而令它以后较快地冷却。有个实验报称，实验数据会跟随冰箱大小的变化而变化 [7]。所以，可以相信不只是水，水周围的环境也很重要。
例如，如果水容器是放在一层薄霜上，那么装着热水的容器会将霜熔化，而直接接触冰箱底部，而装着冷水的容器则要继续坐在冷霜上。因此，热水就和冷却系统有较好的热交换。如果那些熔化了的霜，再结冰，而成为冰箱和容器间的一条冰桥，则热交换可能更好。
明显地，即使这论述是真的，其应用也相当有限，因为大多数科学家做实验时，会很小心，不会将容器放在霜上，而会放在热绝缘体上，或放于冷却盆上。所以这个解释对家庭实验可能有些适用，但对多数公开的实验结果是不恰当的。
supercooling
最后[supercooling] 对Mpemba 效应可能是重要的。过冷现象发生在，当水不在 0° C ，而在更低的温度才结冰。过冷的发生，是因为「水在 0° C 时结冰」是关于水的最低能量状态的陈述－－在低于 0° C ，水分子「想」排列成冰晶体。意味着，它们要停止像液态时那样随机地乱动，而代之以有秩序的固态晶格。然而，它们不知道怎样去排列，而需要小量不规则的物体或成核位置去告知它们。有时，当水被降到 0°C 以下，它还看不到成核位置，这时，水就低于 0° C 而没有结冰。这种现象并不罕见。有一个实验发现将热水冷却，只是supercool少许（大约 - 2° C），但冷水会supercool较多（大约 - 8° C） [12]。如果是真的，这就能解释 Mpemba 效应，因为冷水要做更多的功－－即温度要降至更低，才能结冰。
然而，这也不能被考虑成「那个」唯一的解释。首先，就我所知，这个结果没有被独立地证实过。上面的那个实验 [12] 只有少量的试验，所以这个发现结果可能是统计上的侥幸成功。
第二，即使这结果是真的，也不能完全解释此效应，只是将问题转移另一处。为什么热水会supercool较少？毕竟，一旦水冷却到较低温度，人们一般会期望，水不会记得它习惯了什么温度。一个解释是热水有较少溶解气体，而气体会影响supercooling现象。问题是人们会预期，由于热水有较少气体，也就是成核位置较少，按道理，它应该supercool更多，而不是更少。另一个解释是，当热水降到 0° C 或以下，它的温度分布，比冷水的有较大的变化。因为温度切变引致结冰 [26]，热水supercool较少，因此先结冰。
第三，这个解释不能在所有实验都行得通，因为有很多实验，并不是量度水完全凝固成一块冰所需时间，而是量度水温达到0° C 的时间 [7,10,13]（或者是水面形成薄冰的时间 [17]）。有文献说「真正的 Mpemba 效应」是热水首先完全地结冰，但其它文献却有不同的定义。因为supercooling的严谨的时间是固有地不可预知的（看 [26] 例子），很多实验选择不测量样本结成冰的时间，而是测量样本顶部达到 0° C 的时间 [7,10,13]。supercooling不能应用在这些实验。

1. 姆潘巴的物理问题

坦桑尼亚的马干巴中学三年级曾有一位名叫姆潘巴的学生，在学校他经常与同学一起做冰淇淋吃。他们的做法是这样的：先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后再倒入冰格中，然后放进冰箱的冷冻室内冷冻。因为学校里的同学很多，所以冷冻室放冰格的位置一直供不应求。

一九六三年的一天，当姆潘巴来做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几了。一位同学为了抢在他前面，竟把生牛奶加糖后立即抢先放在冰格中送进了冰箱的冷冻室。而姆潘巴只好急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不得冷却，立即把滚烫的牛奶倒入冰格，送入冰箱的冷冻室里。奇迹发生了，过了一个半小时后，姆潘巴发现他的热牛奶已经冻结了，而其他同的冷牛奶却还是粘稠的液，并没有结冰，这个现象使姆潘巴惊愕不已！

2. 嘲笑和回答

姆潘巴百思不得其解，就去请教物理老师：为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结？老师的回答是：“你一定弄错了，这样的事是不可能发生的。”姆潘巴并没有就此罢休，他牢牢地记下了这个不同寻常
的现象，常陷入深思之中……

姆潘巴后来升入了伊林加的姆克瓦高中，他并没有忘记这个问题，又向高中的物理老师请教：“为什么热牛奶和冷牛奶同时放进冰箱，热牛奶先冻结？”他没想到老师却这样嘲笑说：“我所能给你的回
答是：你肯定错了。”当他继续提出疑问与老师辩论时，老师又讥讽他：“这是姆潘巴的物理问。”姆潘巴想不通，不满意，但又不敢顶撞教师。

3. 博士的答卷

终于，一个极好的机会来到了，达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问姆克瓦高中。奥斯玻恩博士给学生作完了学术报告，接下去是回答同学的问题。姆潘巴经过充分的酝酿，鼓足勇气向他
提出了那个多年思虑的问题：

如果你取两个相似的容器，放入等容积的水，一个处于35℃，另一个处于100℃，把它们同时放进冰箱，100℃的水先结冰，为什么？

奥斯玻恩博士在小姆潘巴面前接到了一份严肃认真的“考卷”，他还是第一次听说到这个不同寻常的现象。感到为难和迷惑的博士并不掩饰什么，而是实事求是地回答道：“这个，我不知道，不过我
保证在我回到达累斯萨拉姆之后亲自做这个实验。”回去后，他立即和他的助手做了这个实验。结果证明，姆潘巴说的那个现象是一个实实在在的事实！这究竟是怎么一回事？为什么会这样呢？

一九六九年，由姆潘巴和奥斯玻恩两人撰写的一篇文章发表在英国《物理教师》杂志上，文章对“姆潘巴的物理问题”做了详细的实验记录，并对问题的原因作了第一次尝试性的解释。

他们做了一系列的实验。实验用品是直径4.5厘米，容积100毫升的硼硅酸玻璃烧杯，内放70毫升沸腾过的各种不同温度的水。通过对实验结果的定量分析得出了这样的结论：

冷却主要取决于液体表面；
冷却速率决定于液体表面的温度而不是它整体的平均温度；
液体内部的对流使液面温度维持得比体内温度高（假定温度高于4℃）；
即使两杯液体冷却到相同的平均温度，原来热的系统其热量仍要比原来冷的系统损失得多；
液体在冻结之前必然经过一系列的过渡温度，所以用单一的温度来描述系统的状态显然是不够的，还要取决于初始条件的温度梯度。
奥斯玻恩博士虽然没有最终解决姆潘巴的物理问题，但面对科学和事实，他给了小姆潘巴和我们一份科学求实的答卷。

4. 问题远比想象的要复杂

后来许多人也在这方面做了大量的实验和研究，人们发现，这个看来似乎简单的问题实际上要比我们的设想复杂得多，它不但涉及到物理上的原因，而且还涉及到作为结晶中心的微生物的作用，是一
个地地道道的“多变量问题”。

(1). 物理原因

从物理方面来说，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察并对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析其原因就更能说明问题了：

盛有初温4℃冷水的杯，结冰要很长时间，因为水和玻璃都是热传导不良的材料，液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面。所
以水在表面处最先结冰，其次是向底部和四周延伸，进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时，内层的水与外界的空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止或延缓了内层水温
继续下降的正常进行。另外由于水结冰时体积要膨胀，已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。

盛有初温100℃热水的杯，冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”形成的现象，只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成了液体内部的对流，使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大，正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖。由于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时，
水面就开始出现冰晶。初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后可以观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，
具有较大的表面能，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。

(2). 生物原因

同雨滴的形成需要“凝结核”一样，水要结成冰，需要水中有许许多多的“结晶中心”。生物实验发现，水中的微生物往往是结晶中心。某些微生物在热水（水温在100℃以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多，加速了热水结冰的协同作用：

围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核。对流又使各种取向的分子流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延生长出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中。结晶释放的能量则通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部冻结为止。

以上是科学家对观察到的现象进行综合分析所得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜，对其做出全面定量而令人满意的结论，还有待于进一步的探索。现在有的学者提
出用高锰酸钾作液体示踪剂，用双层通电玻璃观察窗来进一步观察，有兴趣的读者不妨一试，或许揭开这个历时二十多年奥秘的人将是你。

姆潘巴定律对水温和气温环境是有要求的，这个实验我以前也做过，也是冷水先结冰，当时我的操作有误，在特定的环境下热水先结冰。

物理没做过实验吧，当然是热水了

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凤阳县13695847395： 把开水和凉水同时放入冰箱 哪个先结冰 - ？
超牵佳可： 开水,也就是热水会先结冰.热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪.据史料记载,1963年的一天,在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品降温.一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后...

凤阳县13695847395： 一杯热水和一杯冷水同时放在一起,哪个先冻成冰块? - ？
超牵佳可： 在大家的直观性记忆中,假如把一碗沸水和一碗凉水一起放进冰箱,那麽应该是凉水先结为冰,大家的判定根据,先是沸水要变成冰块,其所释放出的热能显然要比凉水多,在同样的水冷却标准下,沸水释放出来热量的时长要比凉水长;与此同...

凤阳县13695847395： 如果一杯冷水和一杯热水,同时放冰箱,哪个会先结冰? - ？
超牵佳可： 在我们的现实生活中,我们会经常对生活中的很多事情产生疑惑,我们每天都会遇到各种各样的人,同时也会遇到各种各样的事,在这些人和事当中,会让我们产生很多的想法.很多人就会问,如果一杯冷水和一杯热水,同时放冰箱,哪个会先...

凤阳县13695847395： 凉水和热水都放在冰箱里,哪个先结冰呢? - ？
超牵佳可： 你应该问等质量的冷水和热水那个先结冰.不然没有可比性.热水先结冰是因为热水挥发得快,一部分水在结冰前变成水蒸气跑掉了,剩下的质量少了,所以会先结冰 如果把热水和冷水都装在密闭容器中放入冰箱,那肯定是冷水先结冰以前做过这道题 说是美国小孩上课,内容是作冰淇淋,一个小孩特别慢,别人的都放冰箱里,他还没有放.按规定是要等冷却了再放进去,他怕来不及,就把热的放进去了,结果他的冰淇淋先做好,因为热水挥发掉了很多.

凤阳县13695847395： 将热水和冷水同时放冰箱里 哪个先结冰? - ？
超牵佳可： 如果向你提问:“同样多的开水和冷水一同放进冰箱里,哪个先结冰?”,你很可能带着讥笑回答:“当然是冷水了!”错啦!1. 姆潘巴的物理问题坦桑尼亚的马干巴中学三年级曾有一位名叫姆潘巴的学生,在学校他经常与同学一起做冰淇淋...

凤阳县13695847395： 把开水和冷水同时放进冰箱 哪个先结冰 - ？
超牵佳可： 热的那杯会先结冰. 从物理学角度看,致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流,通过实验观察发现,引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果.玻璃杯内盛有4℃冷水结冰时,因为水和...

凤阳县13695847395： 把开水和冷水同时放入冰箱哪个先结冰 - ？
超牵佳可：[答案] 这个在物理学上叫“姆佩巴效应”,现在还没有完全解释为什么.但是要是取自同一盆水里的相同体积的水,在其他情况相同的情况下,稍微加热过的水可能会比未加热的凉水更快结冰.不是所有的实验都会出现热水比冷水快,也不是...

凤阳县13695847395： 一杯热水和一杯冷水哪一个先结冰? - ？
超牵佳可： 外界条件相同时 当然是冷水先结冰 热水要结冰,不用先变成冷水吗 这不要时间吗 所以冷水总是跑在前面的 这个实验很简单 自己动手做做

凤阳县13695847395： 热水和冷水同时放进冰箱,谁会先结冰? - ？
超牵佳可：[答案] 明显的忽悠题目,理论上肯定是冷水,实际上可能是热水,这不是物理问题,是控制机制搞的鬼.因为冰箱不是随时制冷的,是箱内上升到一定温度才开始制冷,冷水放进冰箱对其温度影响不大时,冰箱多数不会立即启动,热水放进去时...

凤阳县13695847395： 一杯热水和一杯凉水同时放进冰箱里,哪个先结冰?到底哪个先结冰?看了网上,很多不同的说法~我做了一下实验,是冷水先结冰的啊!那什么情况下才会... - ？
超牵佳可：[答案] 呵呵,你说得是著名的XXX(名字我记不住了)现象. 其实,如果你仔细看看那个故事,你会发现,故事里的主人公是把热冰淇淋放入冰箱的. 原因就在这里,之所以热的有时候会比凉的冷得快,是因为有些热的液体其分子间空隙会明显大于凉的时候...