水的姆佩巴效應的實驗測量

姜漱琪

【摘要】熱水比冷水結冰快是人們日常生活中經常提起的有趣自然現象，這個現象又叫水的姆佩巴效應。文章利用熱電偶溫度計對熱水和冷水的結冰過程開展了實驗對比研究，發現熱水比冷水的結冰時間可以縮短0～30%，很多環境因素對姆佩巴效應有影響，但通常不會消失，這種現象應該主要是由于加熱之后水分子內部結構變化導致的。

【關鍵詞】水；姆佩巴效應；分子結構

一、前言

熱水比冷水結冰快，人們在日常生活中經常提起這個有趣的自然現象。早在2300年前，古希臘思想家亞里士多德就發現，在室外寒冷的環境中，熱水比冷水先結冰，他寫道：“先前被加熱過的水，有助于它更快地結冰。因此當人們想去冷凍水，他們會先放它在太陽下曬過。”而后培根和笛卡兒等人也介紹過這個現象。直至1969年，才由坦桑尼亞一間中學一個名叫姆佩巴（Mpemba）的學生引入現代科學。這個學生把很熱的牛奶直接放到冰箱中，結果他的牛奶比先冷卻后再放到冰箱中的牛奶更快地結了冰。

這種怪異的現象困擾了幾代科學家，人們的解釋主要有熱水蒸發導致水量減小，熱水對流促進了向外散熱，冷水里溶解了氣體導致結冰慢等，還有不少人由于通過簡單的實驗沒有觀測到這種現象，于是否定它的存在。2012年，英國皇家化學學會還懸賞1000英鎊征求這個問題的答案。

從科學的眼光來看，這個問題則要復雜得多，新的研究仍然沒有能夠充分解釋姆佩巴現象。最近，科學家們試圖從微觀分子結構的角度解釋姆佩巴效應，發現通過化學鍵可以解釋姆佩巴現象，氫鍵的存在使得水分子之間的距離更近，這也會使得分子間的排斥力更大，從而使得氧原子和氫原子之間的化學鍵發生了延展并貯存能量。當液體的溫度升高時，由于氫鍵發生延展，水分子之間的距離也就增大了；當液體溫度變低時，水分子之間的距離也會收縮，從而釋放出能量，加快了液體的溫度下降從而結冰。不過這種解釋還沒有獲得廣泛認可。

熱水一定比冷水結冰快嗎？究竟快多少？又受到哪些因素的影響呢？本文利用所學的物理學知識對姆佩巴效應進行實驗測量，以加深人們對這個有趣現象的認識。

二、實驗系統

實驗裝置如圖1所示，設計了兩個完全一樣的不銹鋼杯子，容量300ml，上面有杯蓋，杯蓋中間穿孔，將熱電偶穿過杯蓋并固定在用鐵絲做的支架上。熱電偶的另一端連到溫度采集日志上。實驗中，我們在一個杯子中注入冷水，另一個杯子注入熱水，熱水先用電磁爐加熱到沸騰，注入水量用電子秤稱量，誤差為±0.1g，兩個杯子內注入的水量相同。先把杯子蓋上杯蓋，放置在室溫環境下自然冷卻到某一個溫度，然后一起放入冷柜。

結冰過程很難用肉眼觀察，如果用探針探測硬度，又會對結冰過程造成影響，因此決定采用測溫的方式觀察。因為結冰過程中溫度始終是零度，只要測得溫度保持在零度的起始和結束時刻，就能算出結冰過程經過的時間。實驗中用的是K型熱電偶測溫，測量誤差是±0.1℃，每個杯子里用兩根熱電偶，還有一根熱電偶測量冷凍環境溫度，熱電偶的采樣頻率是5sec/次。由于熱電偶的測溫誤差，結冰過程中測得溫度并不是嚴格地為0℃，總是有很微小的波動，因此我們在水溫降到0.5℃時記做結冰開始，降到-0.5℃時記做結冰結束。

三、結果分析

（一）典型實驗結果

首先用蒸餾水進行了實驗，冷熱水量都是200ml，圖2顯示了兩個典型的實驗結果。說起熱水比冷水結冰快，起初我們以為把熱水和冷水放到冰柜里，熱水會先結冰，其實這是一種誤解。如圖2（a）所示，由于熱水從80℃冷卻到0℃需要的時間更長，導致熱水開始結冰的時間比冷水晚。但是，通過測量熱水結冰的過程發現，冷水從3925秒開始結冰，到23950秒結束，耗時19980秒，而熱水從6680秒開始結冰，到24955秒結束，耗時18320秒，比冷水結冰過程短1660秒，約縮短8.3%。從結冰過程的長短來說，確實驗證了熱水比冷水結冰快的說法，因此對姆佩巴效應更準確的描述是熱水比冷水的結冰過程更“短”。

于是，我們將水沸騰后在室溫下冷卻一段時間，然后在放入冷柜。實驗發現，如果把熱水冷卻到30～35℃再放入冷柜，冷熱水就會幾乎同時開始結冰，這時就能更加直觀地觀察到熱水比冷水結冰時間短的現象。如圖2（b）所示，在熱水降到34℃時放入冷柜，這時冷柜溫度是-20℃，冷熱水幾乎同時開始結冰，熱水結冰過程時長6790秒，而冷水為9660秒，熱水比冷水的結冰過程縮短大約29.7%。

另外，實驗發現有時熱水在結冰之前會出現溫度低于0℃的情況，如圖2（b）所示，據信這是水的過冷現象。實驗還發現，冷熱水在冷卻到大約3～4℃時，溫度曲線總會有一些局部波動，有時明顯，有時不明顯。查閱物理書發現水在4℃時密度最大，溫度再往下就會變輕，可能是水溫降到4℃以下時水的對流效果改變了，降溫效果也隨之改變。總之，水是一種很奇妙的物質。

（二）對各種影響的分析

前述典型結果表明，在-10℃冰柜中冷卻時熱水結冰過程縮短8.3%，而在-20℃時卻縮短29.7%，那么各種環境因素會不會對縮短幅度造成影響呢？于是，我們通過改變水量、水質、冷凍溫度、蒸發、對流等各種條件，做了40多次的對比實驗，圖3和表1中列出的是其中12個代表性結果。

圖3表示的是每一個對比實驗下結冰過程時長的相對比例。首先，從圖中可以看出除了極個別的情況，熱水的結冰時間總是比冷水短一些。我們在40多次實驗中只有兩次沒有發現測量到姆佩巴效應，可見這種現象是大概率存在的。其次，熱水比冷水的結冰過程縮短0～30%，具體縮短比例和水量多少、冰柜溫度、對流、蒸發等沒有明顯的依存關系。同樣條件下做實驗，每次測得的結冰過程縮短時間會有波動，基本上是隨機的。這說明姆佩巴效應確實不是外在環境因素導致的結果，應該有分子內部結構變化的原因。再次，我們還發現自來水和蒸餾水的結冰時間大約相等（編號#5），而且通過自來水也能觀測到姆佩巴現象（編號#9），表明水中的電解質等雜質不會造成姆佩巴效應的消失。

四、結論

本文通過對比實驗定量測量了水的姆佩巴效應，發現姆佩巴效應普遍存在，熱水比冷水的結冰過程時長可以縮短0～30%，很多環境因素對姆佩巴效應有影響，但通常不會消失。要研究姆佩巴效應的物理機理，需要從加熱導致的水分子內部結構的變化著手。

【參考文獻】

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