新鲜事 > 奇妙世界 > 正文

物理学中最严重的矛盾 为何热水比冷水冻结得更快?

尽管听起来像是物理学中最严重的矛盾,在某些情况下,热水似乎比冷水冻结得更快。这种现象的研究可以追溯到亚里士多德,经过几个世纪对这种现象的研究,但没有人能够解释其中的原因。

现在物理学家指出氢键的奇怪性质,可以作为物理学中这个最古老奥秘的解决方案,但所谓的“姆潘巴现象”根本不存在。

自从亚里士多德第一次注意到“姆潘巴现象”,已经超过2000了多年,而这种现象一直混淆了物理学家。热水冷冻比冷水冷冻更快的可能性理论,最终在20世纪60年代得到了广泛的接受。

姆潘巴和他的同学经常煮牛奶和与糖混合制作冰淇淋,将它冷却后放入冰箱。有一天,他没有等制作冰淇淋的混合物冷却,就把煮沸的混合物放入了冰箱中。令人惊讶的是,他的冰淇淋结冰速度比他的同学的更快。之后,姆潘巴与物理教授合作,发表了一篇描述这种现象的论文。

但是“姆潘巴现象”有一个大问题。虽然它或多或少被接受为事实,但物理学家不能就其工作原理达成一致意见,热水如何能够比冷水更快地达到冰点?

早在2012年,英国皇家化学学会举办了一场比赛,希望科学家梦能够解释这一现象,尽管收到来自世界各地的22000篇文章,没有任何的解释有足够说服力吸引广泛的共识。

最常提出的假设是,热水蒸发更快,家具质量损失,因此需要减少热量以便冻结,然而,科学家还展示了密闭容器的“姆潘巴现象”,但在其中不会发生蒸发。

另一个理论推测是,水在冷却时会产生对流趋势和温度梯度。快速冷却的热水具有更大的温差,并从表面更快地失去热量,而均匀冷却的水只具有较小的温差,并且具有更少的对流趋势来加速该过程。但这个想法还没有完全验证。

所以经过几个世纪的实验,我们仍在寻找答案。

现在,来自达拉斯南方卫理公会大学和中国南京大学的研究人员认为他们可能有一个解决方案,在水分子中氢和氧原子之间形成的键的奇怪性质,是解释难以捉摸的“姆潘巴现象”的关键。

水分子簇的模拟显示给定水分子中的氢键(H-键)的强度取决于相邻水分子的排列。

当水被加热时,较弱的键断裂,分子基团形成了碎片,可以重新排列以形成冰的晶体结构,作为冷冻过程的起点。而对于冷水要以这种方式重新排列,首先必须破坏弱氢键。

换句话说,我们发现温水中的强氢键比冷水中的高,而较弱的氢键在温度升高时会破裂。

这个分析引导提出“姆潘巴现象”的分子解释。在温水中,主要具有静电贡献的较弱的氢键被破坏,存在具有较强氢键的排列的小型水分子团簇,加速成核过程,导致固体冰的形成。因此,热水比冷水更快地冻结,冷水中从随机排列的水簇的转化花费更多的时间和能量。

但正如在此之前的所有解释一样,我们需要看到更多的证据,然后我们才能确定这个或者多个因素的组合在“姆潘巴现象”中真正发挥作用。

那么实际上发生了什么?我们必须等待,看看哪些结论与进一步的研究有关,但有一点是肯定的,这么多年以来,“水”一直是会让我们惊讶的东西。

责任编辑: 郑浩中  来源:奇趣说 转载请注明作者、出处並保持完整。

本文网址:https://www.aboluowang.com/2017/0112/865420.html

相关新闻