三亚市鲁迅中学:为什么热水比冷水结冰快?

是的。这是姆潘巴现象

1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几，一位同学为了抢在他前面，竟把生牛奶放入糖后立即放在冰格中送进了冰箱。姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，立即把滚烫的牛奶倒入冰格送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现热牛奶已经结成冰，而冷牛奶还是很稠的液体。

他去请教物理老师，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，这不可能。”后来，姆潘巴进高中后又向物理老师请教，得到的回答仍是：“你肯定错了。”当他继续与老师辩论时，老师讥讽他：“这是姆潘巴的物理问题。”一个极好的机会终于来到了，达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问该校，姆潘巴鼓足勇气向他提出问题：如果取两个相似的容器，放入等容积的水，一个处于35℃，另一个处于100℃，把放进冰箱，100℃的水却先结冰，为什么？奥斯玻恩博士的回答是：“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。”结果，博士的实验和姆潘巴说的一样。

但是同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。

所以姆潘巴现象之所以产生的3种可能情况：

冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰；

如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰；

姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰

这是姆潘巴现象

1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几，一位同学为了抢在他前面，竟把生牛奶放入糖后立即放在冰格中送进了冰箱。姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，立即把滚烫的牛奶倒入冰格送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现热牛奶已经结成冰，而冷牛奶还是很稠的液体。

他去请教物理老师，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，这不可能。”后来，姆潘巴进高中后又向物理老师请教，得到的回答仍是：“你肯定错了。”当他继续与老师辩论时，老师讥讽他：“这是姆潘巴的物理问题。”一个极好的机会终于来到了，达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问该校，姆潘巴鼓足勇气向他提出问题：如果取两个相似的容器，放入等容积的水，一个处于35℃，另一个处于100℃，把放进冰箱，100℃的水却先结冰，为什么？奥斯玻恩博士的回答是：“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。”结果，博士的实验和姆潘巴说的一样。

但是同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。

所以姆潘巴现象之所以产生的3种可能情况：

冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰；

如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰；

姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰。

参考资料：新浪网
回答者：龙72 - 见习魔法师 二级 11-27 11:07

--------------------------------------------------------------------------------

这是对现象的误解！！！！

因为，做冰激凌时要加入糖等，这是关键所在，有冰核和没有冰核是不同的！！！

就纯的水来说，仍然是冷水冷却的快！！！

1，如果给热水和冷水设置同样的自动搅拌装置，那么，肯定会冷水先结冰，热水后结冰。因为这时传热条件都很好，温度高的，热容量大，需要的降温结冰的时间就更长；温度低的，热容量较小，需要的降温结冰的时间就更短。这时热水初温降到冷水初温后，一样要经过冷水初温到结冰的降温过程，所以，热水初温降到冷水初温的时间就是多出来的。

2，经过静置的静止的热水和冷水（当然其它条件都相同，只有温度不同）一起冷冻结冰时，关键看它们在冷却降温过程中会自动生成怎样的传热方式。

当热水和冷水放置在冷冻环境开始冷却降温时，最初的瞬间只有水的上表面和容器的外表面靠辐射和传导向外散热，开始降温；

接着是贴附在容器内表面的水开始降温；而这时容器中心的水还没有来得及降温。温度降低后的水比重增大，就要贴附着容器内表面下沉；但是这时下沉的速度和产生的结果是有差别的：

对于盛放热水的容器，贴附着容器内表面的冷水与容器中心的热水有较大的温差，所以有较大的比重差，所以冷水有较大的下沉速度。较大的下沉速度使下沉的冷水有较大的动能，较大的动能就能冲乱容器底部的水体，形成紊流。紊流的形成阻止了下沉冷水在容器底部的沉淀集聚。从而能使容器内的水能形成整体的良好的对流循环。

而对于盛放冷水的容器，贴附着容器内表面的冷水与容器中心的冷水有较小的温差，所以有较小的比重差，所以冷水有较小的下沉速度。较小的下沉速度使下沉的冷水有较小的动能，较小的动能不能冲乱容器底部的水体，所以就造成下沉冷水在容器底部的沉淀集聚。这就使容器内的水不能形成整体的良好的对流循环。

由于盛放热水的容器内的水能形成整体的良好的对流循环，所以大大提高了传热效率；而盛放冷水的容器内的水不能形成整体的良好的对流循环，所以其传热效率远不如盛放热水的容器。

我们可以用一个实验来证明以上说法。将经过静置的有同样质量的一杯热水（全部刚烧开的水，和杯子热平衡后约90°C左右）和一杯冷水（1/3杯刚烧开的水+2/3杯自来水）放到盛有更冷的冷却水（自来水）的脸盆中，并搅拌脸盆中的水来加快冷却，这时我们可以看到盛放热水的杯子底部的水出现云翳状的光影，而盛放冷水的杯子底部则看不到云翳状的光影。云翳状光影是光线穿过不同密度的水层时有不同的折射率造成的，说明沿着杯子内表面下沉的冷水冲动了杯子底部的水体。而没有云翳状的光影，则说明沿着杯子内表面下沉的冷水没有冲动杯子底部的水体，下沉的冷水只是在杯子底部沉淀集聚。沉淀集聚的冷水没有温度密度的突变界面，所以不会出现云翳状光影。这说明热水杯内能自动形成良好的对流循环，而冷水杯内不会自动形成良好的对流循环。

所以热水比冷水更快结冰是可能的。

但是这个结论不会是绝对的，例如99°C的热水和0.1°C的冷水，恐怕是不可能热水先结冰的。

3，为什么热水比冷水更快结冰只是可能，而不是一定？

因为沿着杯子内表面下沉的冷水从沉淀集聚到冲乱容器底部的水体，是一个传热效率由量变到质变的突变过程：

我们从0°C开始并按一定的温度间隔来测量“相同质量，不同初温”的水的结冰过程。我们发现，随着水的初温逐渐上升，其结冰时间逐渐延长。

但是，当水的初温上升到某一温度时，水的结冰时间没有继续延长反而变短了。然后，水的结冰时间又随着水的初温上升而逐渐延长。如图1。

从图1我们看到，不同初温的水冷冻至结冰的时间呈中断的俩段曲线HMAK和CDEBFG。其中断的地方就是发生了下沉冷水从沉淀集聚到冲动水体的突变。而下沉冷水从沉淀集聚到冲动水体的突变，必然引起传热效率的突变：

图1  不同初温的水的降温结冰时间

沉淀集聚的冷水在下沉通道冷却过程中，其温度比初温有较大下降，所以沉淀集聚的冷水与容器外冷冻环境温度的温差也就减小，尤其沉淀集聚的冷水与相邻的下沉冷水的温差很小，这成为热量由杯内向杯外传导的瓶颈，所以，这时候无论传导和辐射都处于较低的效率。形象的说就是，进入沉淀集聚的冷水处于偷懒，消极怠工的状态。问题还在于，沉淀的冷水会随时间的延长而不断增加，所以，其低效传热的部分也会越来越扩大。

而当下沉冷水冲动杯子底部水体时，则下沉冷水和杯子底部的热水会碰撞混合，混合后的水则会热升冷降，从而形成对流循环。这种情况下就不会出现沉淀集聚的冷水与容器外冷冻环境的温差减小的低效传热部分，尤其是不会出现沉淀集聚的冷水与相邻的下沉冷水温差很小的情形（这个很小的温差会是传热的最大阻力），而总是保持杯子中心与杯外冷冻环境有较大的温差，从而保持有较高的传热效率。      

但是，这个传热效率的差别只维持到下沉冷水至4°C以下的某个温度。因为4°C的水比重最大，低于4°C时热胀冷缩将出现逆转，这时容器内壁的下沉冷水不再下沉而开始上浮。这也就能解释为什么杯子中的水总是上表面和杯子上部周边的水会先结冰，生成冰盖。

从图1我们可以看到，热水比冷水结冰快只发生在俩平行线MN,PQ之间（PQ通过下半段曲线的最长时间点，MN通过上半段曲线的最短时间点）。但不是平行线间的任意俩点都能表现热水比冷水更快结冰：当俩点连线与水平线的夹角为90°时(图中AB)，则是热水与冷水同时结冰；当俩点连线与水平线的夹角β＜90°时(如图中AF,AG)，仍然是热水比冷水结冰慢；只有使夹角α＞90°时(如图中AC,AD,AE)，才是热水比冷水结冰快。

可以想见，在不了解热水比冷水更快结冰的机理，尤其没有绘制出如图1所示的完整的曲线图像时，盲选冷水热水的初温来实验比较，那就像买彩票中奖一样，靠运气了。还是参照图1，在不了解机理没有曲线图像时，即使选择了图1中的A点，你对另一点的选择也还有俩种可能：

1）把A点对应的初温当成热水。这时候你所选择的冷水初温的结冰时间对应点就一定在曲线HMA上。------这时无论做多少组比对，结论都是热水比冷水结冰慢。

2）把A点对应的初温当成冷水。这时候你在选择热水初温时很可能认为热水越热越好错过曲线上的C,D,E而选择F.G。------如果选择F,G，则结论依然是热水比冷水结冰慢。

所以，热水比冷水更快结冰是有条件限制的。并非热水越热越好，冷水越冷越好。

影响传热方式发生突变的因素：

1）  冷冻温度。冷冻温度越低，越有利于发生突变；

2）容器材质。容器材质的导热性越好，越有利于发生突变；

3）容器形状。圆柱，棱柱，上部开口大的圆锥棱锥有利于下沉冷水的汇流，更容易冲动杯子底部的水体，因而有利于发生突变；

4）“水”的性状。以上我们讨论的都是水，其实它也适用于其他流动性好的溶液，例如糖水，牛奶的水溶液等。流动性不好的浆糊，果冻，根本不会发生突变产生对流。

本文的最关键的观点是下沉冷水从沉淀集聚到发生冲动是一个突变，而这个突变必然引起传热方式的突变，对流传热在辐射，传导，对流3种传热方式中是最有效的，这是学界公认的。

相信本文会是姆潘巴问题的终结。

首先，应当明确一杯热水和一杯凉水取自同一水源，该水源可以是自然界的地表水或地下水，如河水、湖水、井水，也可以是自来水，但绝不是无离子水（纯净水、超纯水）。
河水、湖水、井水、自来水中含有水溶性的盐类，其中有水溶性的碳酸氢钙、碳酸氢镁，碳酸氢钙、碳酸氢镁在加热时会分解成不溶于水的碳酸钙、碳酸镁及二氧化碳和水。
热水中 含有大量因加热生成的细小的不溶于水的碳酸钙、碳酸镁，当水相变成冰时，即水结晶的过程，这些细小的不溶于水的碳酸钙、碳酸镁成为水结晶的晶核，大量的晶核有加速结晶，促进水结晶变成冰的作用。
冷水中 含有比热水更多的水溶性盐类，比热水多出未被分解的水溶性的碳酸氢钙、碳酸氢镁。水溶性的盐可以降低水的凝固点，因此冷水冰点比热水冰点要低。同时，冷水比热水中少很多水溶性的碳酸氢钙、碳酸氢镁分解形成的大量细小的不溶于水的碳酸钙、碳酸镁晶核。因此在结冰时较热水结冰慢，由于缺乏晶核极易形成过冷，消耗更多的制冷量并且使结冰时间延长。
综合效果是：取自自然界的地表水或地下水或自来水，一杯热水和一杯凉水同时放入冰箱里，热水会先结冰。
如果使用无离子水（纯净水、超纯水），情况就会完全相反，冷水比热水先结冰。