#为何有时热水结冰比冷水更快#
如果有人问你:“冷水和热水哪个先结冰?”相信你一定会觉得这个人是不是傻了,当然是冷水先结冰了。然而,事实上有时候还真未必。特定条件下可能热水结冰比冷水还要快,这是怎么回事呢?
其实,历史上诸多学者如亚里士多德、培根和笛卡尔等都曾对类似现象有所描述但是均未能给出完美的解释。甚至现代科学家们面对这样一个“简单”的问题也仍然存在争议。
颠覆常识的姆潘巴现象
说起来,这个既简单又复杂的物理现象还有一个有趣的故事。
1963年的一天,坦桑尼亚的一个初中生姆潘巴和小伙伴们一起用牛奶制作冰激凌。当他还在煮牛奶时,身旁的小伙伴已经陆续把牛奶晾凉开始往冰箱里塞了,眼看就要没有位置了,一时心急,姆潘巴就把煮热的牛奶直接放进了冰箱。一个半小时后,他惊奇的发现,他的冰激凌已经冻结成块,而其他小伙伴的冰激凌却还是黏稠状。
这与我们对热现象的直观理解以及经验直觉完全相反。但为什么相反呢?姆潘巴带着这个疑惑从初中直到高中,先后请教了多位物理老师都没有答案,甚至有位老师讥讽地说:“看来有两种物理,一种是放置四海皆准的物理,一种是‘姆潘巴物理’。”
倔强的姆潘巴仍不停地寻找答案,直到他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会,又提出了自己的疑问。博士并没有对姆潘巴的问题嗤之以鼻,而是回到实验室按照姆潘巴的陈述进行了冷热牛奶实验和冷热水实验,结果都观察到了姆潘巴提到的奇怪现象,于是,博士邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行研究,并于1969年共同撰写了关于此现象的一篇论文,引起学界广泛关注。于是人们将这个在同等体积和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体(非纯水)先结冰的现象,命名为“姆潘巴现象”。
背后的几种解释
为了解释为什么有时候热水结冰比冷水快,50多年来,许多物理学研究者先后对此现象进行了大量的研究,尝试着从不同的角度去解释。
1
冰霜融化说
据了解,为了研究姆潘巴现象,很多学者进行了实验观察。液体表面凝结的冰霜会影响其向周围导热的速率。冰霜导热性比水差,热水使得冰霜融化,减少了其阻碍作用,优化传热。不过有充分的证据证明,在试验过程中全部排除冰霜的干扰或抑制冰霜的融化,姆潘巴现象依然存在。因此,这种说法并不成立。
2
水汽蒸发说
一些学者相信,由于热水温度较高导致水蒸发的速率变快是造成姆潘巴现象的首要原因,因为蒸发使得水分子减少,要冻结的水分子也相应变少,所以加速了热水结冰速度。不过,一些科学家对结冰前后水的质量进行了测量,发现质量差从未超过3%,尽管蒸发后的水减少了,但是这3%的水分子并不能够显著影响水结冰需要的时间。与此同时,水汽蒸发过程中消耗的热量也不能够忽视,可惜的是,对于热量消耗的对照试验并不容易实现,因为它需要对开放容器和密闭容器进行测量,但是在密闭环境下,水汽蒸发和热量的传导都会受到阻碍,无法测量单一变量的影响。
3
可溶解气体说
温度越高,气体在水中的溶解度就越小,因此热水里溶解的气体要少于冷水,由于水在溶解一些气体后凝固点会降低,而热水的气体含量更低,凝固点也相应变高,这可能是热水结冰较快的一个原因,同时也有实验发现脱气水比非脱气水结冰更快。
4
热梯度对流说
热梯度对流观点认为,热水比冷水结冰更快是因为对流的增加。由于水的冷却是从容器的表面以及侧面开始,使得冷水下沉,热水上升,因此产生对流。当热水放入低温环境中,靠近容器的水迅速降温,而内部水温不变,这样就产生了温度差并引起热对流。在冷却的过程中,这个热对流一直存在,温差越大对流就越激烈,水冷却就越快。
5
过冷现象说
在2013年初,英国皇家化学会特意举办了一场比赛,评选姆潘巴现象的最佳原理解释。而比赛获胜者提出的解释就是过冷现象。过冷现象指液体或气体的温度到其凝固点以下,但没有凝固的现象,而原本温度较低的水比原本温度较高的水更易发生过冷,那么它的确可能比热水结冰更慢。
目前,尽管对于姆潘巴现象并没有一个令所有人都信服的完美解释,但是科学家仍然在不断提出各种理论来解释这一现象。
并非总是如此
正如开头所申明的,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。
针对这一问题,9月4日,科技日报记者采访了中国科学院物理研究所李治林博士。他指出,因为水中不同的杂质离子可能带来实验上的干扰,甚至有一种说法认为,通常环境下,普通水中不可避免地有一些微生物,它们在热水中繁殖得更快,这些大小在微米量级的微生物恰好可以充当水结冰所需要的凝结核,成为其优先结冰的优势条件。而一些研究者用更加纯净的水进行实验时,常常不能重复这样的结果。此外,水本身因氢键的存在,性质复杂多变;而水降温结冰更是多因素且动态的过程。因此,李治林表示,姆潘巴效应并不普遍成立,应当以更加审慎的态度对待和研究这一现象。
研究姆潘巴现象有啥意义?
那么对姆潘巴现象的研究有意义吗?李治林认为,有意义,而且很重要。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。
“30摄氏度的水”与“从100摄氏度冷却到30摄氏度的水”一样吗?这个问题看上去毫无意义,似乎理所当然,但事实可能并非如此。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。
尽管我们很早就知道“常压下水在0摄氏度结冰”但这个温度其实只是一个范围,冰也有各种不同的冰。
然而,对于水,很遗憾,由于微观上太复杂,我们对其更细节的性质还知之甚少。但有一点是肯定的,科学不能“想当然”,实验才是检验真理的最终标准。正是科学家们看似无聊的“较真”、严谨的质疑、严格的检验、不断的追求,才促进科学不断地接近真理。

命是注定的,运是可以改变的,多行善,多积阴德。有缘人看见希望改变命运这里开始一、立命之学
第一篇立命之学主要讲述作者自己的故事。袁了凡自幼丧父,母亲命他学医。后来,他在慈云寺遇到一老者,自称孔先生(根据云南县志,此人是著名易学家杨向春,化名孔先生,曾著《皇极经世心易发微》一书),精通皇极数预测未来,说他有当官的命,孔先生告诉袁了凡他某年应当考第几名,某年当廪生,某年当贡生,贡后某年当选为县长,在任三年半就应该告退回乡,在五十三岁八月十四巳丑时,寿终在家里。把他什么时候考取功名,能考第几名,什么时候当官,什么时候寿尽,有没有孩子等都作了预测。一开始袁了凡不太相信,巧合的是,此后的二十年,袁了凡的人生真的按照这位老者所算定的模式进行着,连考第几名等每一次都十分精确地应验了,这让他笃信了宿命论,认为“荣辱生死,皆有定数”,从此没有了上进之心。直到他遇到云谷禅师,二人“对坐一室”,彻夜而谈,终使了凡醒悟,懂得了“命由我作,福自己求”的道理,知道了如何可以改变命运,他说:“吾于是而知,凡称祸福自己求之者,乃圣贤之言;若谓祸福惟天所命,则世俗之论矣。”也就是说,道德仁义自己可以力求,功名富贵也可以自己求得,要发挥人的主观能动性,相信人的命运掌握在自己的手中,而不是听命于天,听命于他人。从此,袁了凡的人生信念发生了根本改变,从笃信宿命论转到信仰命由我造、福善祸淫的人生观。他以自己的人生经历告诫我们,人的命运是可以改变的,其关键在于多做善事积累福报,在于自身的修为,要多做善事,消除恶念。这就是《立命篇》的主要内容。于是袁了凡开始积极改过向善,积累善业,许愿做三千件善事改命,次年礼部考科举,孔先生预算的应该得第三,忽然考中第一,预测开始不应验。但袁了凡仍觉自己有很多做得不足的地方,经过十余年,这三千善行才算完成。袁了凡一直没有子女,就继续发起求子的愿,也许愿行三千善事,辛巳年就生下了儿子天启。再发求中进士的愿,许行善事一万条。于丙戌年再次遂愿,中了进士,授宝砥县长。原本孔先生所算定的一生,在努力行善改命后,完全改变了,连寿命也延长至七十四岁而终。
许下做一万件善事的时候,袁了凡的妻子见到袁了凡所做的善事不多,就皱着眉头说:“以前我在家里帮助做善事,所以三千之数得以完成。现在许下了一万善,可是衙门里无事可做,到什么时候才能完成呢?”夜间就做了一个梦,梦见一个神人。袁了凡告诉他善事难以完成的缘故。神人说:“只减粮一节,一万善事都已经圆满了。”事情是这样的:原来宝砥的田,每亩应纳粮二分三厘七毫,袁了凡把它减至一分四厘七毫,使上万的人民减轻了负担。虽然神人这样告诉我,但我自己的心里还有此疑惑。恰遇幻余弹师从五台山来,我便把这梦告诉他,并问这个梦可以相信吗? 禅师说:“只要发心真切,那么,一件事就可以抵得上一万件的善事,何况全县减粮,万民受惠呢?”二、改过之法
第二篇讲改过自己的办法,袁了凡认为改过自己要发三心:即惭愧心、畏惧心、勇猛心。惭愧心、畏惧心可以使自己认识到错误,有充足的动力进行改正。勇猛心是指虽然很多人知道道理,但是得过且过,或严重拖延,没有真正实行,而勇猛心正是改过、改命的关键,只有知道道理后勇猛实干才能真正获得益处。并且讲了改过的道理,有从事上改的,有从理上改的,更有从起心动念处除净的。如果没有从理、从心,只是从事的表面强戒不好的事情,但病根还在,东灭西生。故袁了凡认为改过更应该从理、从心。从事改过只是治标不治本,但是急需治标的时候仍可使用。
三、积善之方
第三篇讲积善的办法,讲述了十余个因为积善而获得好报的故事,有讲述其实善恶并非我们想象的那么简单,善事要分为“端曲、阴阳、是非、偏正、半满、大小、难易”这七个方面,里面有引用几个经典故事。如引用了孔子的故事,子路救人拿了赏赐,孔子说子路做得对;而子贡赎人,没有要赏赐,孔子说做得不对,因为现行虽善,而其流风足以害入,那是似善而实非善。现在所做的虽似不善,而其流风足以济人,则其实却是善的。里面亦列举了十条可以行善的门类并作了相应解释:第一、与人为善。第二、爱敬存心。第三、成人之美。第四、劝人为善;第五、救人危急。第六、兴建大利。第七、舍财作福。第八、护持佛法。第九、敬重师长。第十、爱惜物命。
四、谦德之效
第四篇谦德之效主要讲谦虚这项美德的效用,正所谓“满招损,谦受益”,讲述了“天道亏盈而益谦”的道理。并解释道如果一个人有福气,将要成功,就会自然而然有一股谦和吉祥之气外露,里面讲述了数个故事来证明。最后总结了整本书的内容,说明了改命要立志而行,命自我立,有了志向而努力,自然可以改变命运。书中名句:“有志于功名者,必得功名;有志于富贵者,必得富贵。人之有志,如树之有根,立定此志,须念念谦虚,尘尘方便,自然感动天地,而造福由我。

命是注定的,运是可以改变的,多行善,多积阴德。有缘人看见希望改变命运这里开始一、立命之学
第一篇立命之学主要讲述作者自己的故事。袁了凡自幼丧父,母亲命他学医。后来,他在慈云寺遇到一老者,自称孔先生(根据云南县志,此人是著名易学家杨向春,化名孔先生,曾著《皇极经世心易发微》一书),精通皇极数预测未来,说他有当官的命,孔先生告诉袁了凡他某年应当考第几名,某年当廪生,某年当贡生,贡后某年当选为县长,在任三年半就应该告退回乡,在五十三岁八月十四巳丑时,寿终在家里。把他什么时候考取功名,能考第几名,什么时候当官,什么时候寿尽,有没有孩子等都作了预测。一开始袁了凡不太相信,巧合的是,此后的二十年,袁了凡的人生真的按照这位老者所算定的模式进行着,连考第几名等每一次都十分精确地应验了,这让他笃信了宿命论,认为“荣辱生死,皆有定数”,从此没有了上进之心。直到他遇到云谷禅师,二人“对坐一室”,彻夜而谈,终使了凡醒悟,懂得了“命由我作,福自己求”的道理,知道了如何可以改变命运,他说:“吾于是而知,凡称祸福自己求之者,乃圣贤之言;若谓祸福惟天所命,则世俗之论矣。”也就是说,道德仁义自己可以力求,功名富贵也可以自己求得,要发挥人的主观能动性,相信人的命运掌握在自己的手中,而不是听命于天,听命于他人。从此,袁了凡的人生信念发生了根本改变,从笃信宿命论转到信仰命由我造、福善祸淫的人生观。他以自己的人生经历告诫我们,人的命运是可以改变的,其关键在于多做善事积累福报,在于自身的修为,要多做善事,消除恶念。这就是《立命篇》的主要内容。于是袁了凡开始积极改过向善,积累善业,许愿做三千件善事改命,次年礼部考科举,孔先生预算的应该得第三,忽然考中第一,预测开始不应验。但袁了凡仍觉自己有很多做得不足的地方,经过十余年,这三千善行才算完成。袁了凡一直没有子女,就继续发起求子的愿,也许愿行三千善事,辛巳年就生下了儿子天启。再发求中进士的愿,许行善事一万条。于丙戌年再次遂愿,中了进士,授宝砥县长。原本孔先生所算定的一生,在努力行善改命后,完全改变了,连寿命也延长至七十四岁而终。
许下做一万件善事的时候,袁了凡的妻子见到袁了凡所做的善事不多,就皱着眉头说:“以前我在家里帮助做善事,所以三千之数得以完成。现在许下了一万善,可是衙门里无事可做,到什么时候才能完成呢?”夜间就做了一个梦,梦见一个神人。袁了凡告诉他善事难以完成的缘故。神人说:“只减粮一节,一万善事都已经圆满了。”事情是这样的:原来宝砥的田,每亩应纳粮二分三厘七毫,袁了凡把它减至一分四厘七毫,使上万的人民减轻了负担。虽然神人这样告诉我,但我自己的心里还有此疑惑。恰遇幻余弹师从五台山来,我便把这梦告诉他,并问这个梦可以相信吗? 禅师说:“只要发心真切,那么,一件事就可以抵得上一万件的善事,何况全县减粮,万民受惠呢?”二、改过之法
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三、积善之方
第三篇讲积善的办法,讲述了十余个因为积善而获得好报的故事,有讲述其实善恶并非我们想象的那么简单,善事要分为“端曲、阴阳、是非、偏正、半满、大小、难易”这七个方面,里面有引用几个经典故事。如引用了孔子的故事,子路救人拿了赏赐,孔子说子路做得对;而子贡赎人,没有要赏赐,孔子说做得不对,因为现行虽善,而其流风足以害入,那是似善而实非善。现在所做的虽似不善,而其流风足以济人,则其实却是善的。里面亦列举了十条可以行善的门类并作了相应解释:第一、与人为善。第二、爱敬存心。第三、成人之美。第四、劝人为善;第五、救人危急。第六、兴建大利。第七、舍财作福。第八、护持佛法。第九、敬重师长。第十、爱惜物命。
四、谦德之效
第四篇谦德之效主要讲谦虚这项美德的效用,正所谓“满招损,谦受益”,讲述了“天道亏盈而益谦”的道理。并解释道如果一个人有福气,将要成功,就会自然而然有一股谦和吉祥之气外露,里面讲述了数个故事来证明。最后总结了整本书的内容,说明了改命要立志而行,命自我立,有了志向而努力,自然可以改变命运。书中名句:“有志于功名者,必得功名;有志于富贵者,必得富贵。人之有志,如树之有根,立定此志,须念念谦虚,尘尘方便,自然感动天地,而造福由我。


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