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热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)

福瑞号2022-11-10 08:00:10问答百科829
引言
冬天来了,终于可以看到泼水成冰的壮观景象了,不过要千万小心别烫伤。说到这里大家是不是认为小编手误了?没错,就是千万别被烫到。估计玩过泼水成冰的小伙伴都知道,想要泼水成冰至少要满足两个条件:气温要非常低,最好在零下30-40度左右;水温要非常高,最好用开水。如果用凉水,保证失败!这就带来了一个问题,难道热水比冷水结冰更快?
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图1

泼水成冰的壮观景象

热水比冷水先结冰,不符合正常逻辑
热水确实比冷水先结冰,科学家称这个现象为:姆潘巴现象。所以我们完全不必怀疑这种现象的真实性。但是这个事情确实不符合常理,让我们来推理一下(时间是假定的):
90℃的热水冷却至20℃,需要时间10秒;20℃的水变成冰,需要时间20秒;如果以上两点成立,可以得出结论,90℃的水变成冰需要的时间为10+20=30秒,20℃的水变成冰需要20秒,所以冷水必然比热水先结冰。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图2

亚里士多德的逻辑三段论

看完上面完美的推理是不是更加想不通了?不光咱们想不通,科学家们同样也想不通。早在公元前亚里士多德就提出了这个问题,随后弗兰西斯·培根、笛卡尔等各位大咖都研究过这个问题,但至今科学界也没有给出明确的解释,所以这个问题的正确答案是:“不知道”。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图3

热水冷水冷冻速率曲线

寻找问题的关键点
无论我们的逻辑推理多么无懈可击,但事实胜于雄辩,所以一定是推理中某个环节出错了。那么问题的关键在哪里呢?看上面这张图,咱们一起来分析一下。首先热水变成常温的水确实是需要时间的,这个没问题。但是由热水冷却到常温的水和一直常温的水继续冷却时,速率就不一样了,也就是说同样是20℃的水,但并不是一种水。好像降温有惯性似的,非常像物理学中的惯性力(可惜惯性力也是谜一样的存在)。当降温形成趋势后,就会有保持降温的倾向。冷水先达到7℃左右,而后热水和冷水几乎同时达到3℃左右,经过一段时间的相变放热,热水先突破了0度结冰。所以上述逻辑推导中,最关键的问题是:由热水冷却到常温的水,与一直保持常温的水是不相同的。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图4

冷水与热水

最科学的解释
前面咱们说过了,至今这个问题还在争论中,科学家们并没有达成统一的意见。但问题的关键点我们已经找到了,冷却到常温的水和一直常温的水是不同的。于是科学家从这个关键点出发,给出了很多种解释,但归纳一下主要有两种:
1、实验中水的物理量发生了变化,比如热水蒸发速度快,所以最后冷却时质量减少。这类解释很快就被推翻了,因为早在姆潘巴研究这个问题的时候,就使用了密闭的容器。而且以现在的实验水平,物理量变化的影响是不存在的。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图5

过冷水

2、认为热水比冷水有更多的凝结核。其实过冷水就是这个原理,纯水在0℃时由于缺少凝结核是无法结冰的,此时如果遇到凝结核会迅速结冰。这个实验大家在家就可以做,把纯净水放入冰箱冷冻一段时间,然后拿出来往里面随便扔点东西,马上结冰。但是这个解释也被推翻了,因为科学家们用纯水做试验同样得到了热水比冷水先结冰的现象。
那么最科学的解释是什么呢?小编认为最靠谱的解释是2013年一位新加坡科学家给出的解释:“造成姆潘巴现象的主要原因是氢键”。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图6

化学键氢键

化学键、氢键、分子间作用力
为了把问题说清楚,我们先来看看这三种力。我们知道一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成。那么原子与原子之间的作用力就是化学键,而分子与分子之间的作用力又分为氢键和范德华力。也正是有这两种力的存在,水才不会散开。氢键是分子间的作用力,但它又是原子与原子的相互作用。是不是有点蒙,没关系看下图:
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图7

氢键与化学键

正是由于分子中的氧原子和其他分子中的氢原子相互作用,所以才产生了这样一种分子间的作用力,且比范德华力要大得多。从上面的图中你会发现,由于氢键的存在,水的分子模型是比较混乱的,且由于氢键强于范德华力,所以水分子间的距离更近。这里说更近是与冰相对比的。大家都知道,冰的体积是大于水的体积的。原因就是冰的分子模型是非常整齐的,所以氢键就会大幅减少,而分子间的作用力自然也会降低,导致分子间的距离变大。
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图8

冰的分子模型

现在可以说回热水先结冰的问题了。要从水变成冰就需要先打断氢键,将混乱的水分子模型变成整齐有序的冰分子模型。而热水的氢键比常温水的氢键更长,氢键的力更小,所以在分子重新排列的时候会更容易,速度会更快。所以说造成姆潘巴现象的主要原因是氢键!
热水比冷水结冰快原理(热水为什么比冷水先结冰)-图9

热水比冷水氢键更长

结语
其实这个解释也有很多问题,所以在科学界才会争论不休。但小编认为这是最科学的解释了,大家还有更好的解释吗?

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