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开水和凉水哪个先冻成冰块？
热水,冷水,温度开水和凉水哪个先冻成冰块？
发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：
开水和凉水哪个先冻成冰块？
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
开水和凉水哪个先冻成冰块？
在我们的直观印象中，如果把一杯热水和一杯冷水同时放入冰箱，那么应该是冷水先结成冰，我们的判断依据，一方面是热水要冻成冰块，其所释放出来的热量肯定要比冷水多，在相同的制冷条件下，热水释放能量的时间要比冷水长；另一方面，热水在冷却的过程中，肯定要先到达冷水的温度，然后再继续冷水的凝结过程，因此所花费的时间较长。但是，这仅是我们的直觉，实际上在很早的时候，亚里士多得、笛卡尔等科学家都曾经描述过与直觉相反的水冷却现象，而在1963年的时候，当姆潘巴在做热牛奶与凉牛奶冷却实验时，通过多次实验对比，发现温度略高的牛奶比温度略低的牛奶要先凝固，他的导师也通过多次实验印证了这一结论，后来人们将这一现象称为姆潘巴效应。
当我们在家重复做这个实验的时候，结果可能不一样，有时会热水先冻结，有的时候冷水会冻结，之所以这样，是因为姆潘巴效应的出现，需要相对严格的条件，比如热水和冷水要来源于同一水源，容器形状要完全一致，冷却条件要完全相同，更重要的是，热水和冷水的温差不能太大，如果你拿90摄氏度的热水与1摄氏度的冷水相比，那肯定是冷水先结成冰。如果我们在相同的实验条件下，拿50摄氏度的水与40摄氏度的水相比，那极有可能是50摄氏度的水先结冰。
为什么会出现这种情况呢？我们首先来看一下水结冰的过程，水从液态变为固态，实质上是水分子在一定的温度和压强条件下，其排列结构的重新组合过程。具体来说，就是在水分子中，除了氢和氧之间构成的化学键之外，还存在着水分子中的氢原子与另外水分子中的氧原子构成的氢键，这种氢键的作用力，比分子内部的化学键的强度要弱，但要比水分子与水分子间的范德华力要大得多，而决定着水相态的主要因素就在于氢键的作用力大小，当温度降到冰点时，水分子之间的运动速度降低，当不能达到挣脱氢键的程度时，水分子与水分子之间就会通过氢键，有规则地排列起来，对外表现为固态的形式。
而在水的结冰过程中，并不是所有水分子所在区域，都均匀出现这种排列的规律性组合，而是先从一定的结晶核开始，这是因为当温度降低时，一杯水中的水分子，其热量散失、即运动动能的转化速率是不同的，一旦结晶核形成，那么在水分子运动过程中流经结晶核的区域，就会被氢键所俘获，从而使结晶核越长越大，直至整杯水都变为固态。因此，决定着一杯水结冰速率的快慢，在基本条件都相同的情况下，主要由两个方面的因素来决定，一个是结晶核的数量，第二个是热量的散失效率。
从结晶核来看，水中的矿物质和因微生物、细小尘埃等构成的杂质是结晶核的主要来源。对于热水来说，在加热的过程中，其水中溶解的矿物质数量就越多，最后在冷却的过程中所聚集形成的晶核尺寸也要比冷水大，同时，较热的水还有利于微生物的生长，因此，温度较高的水相对于低温的水，其能够提供凝结的晶核数量要多一些，从水的内部发生凝结的几率和速率都要相对较高。这也是为什么用纯净水来做实验，很难出现姆潘巴效应的原因。
从热量散失的效率来看，由于热量的传输方式主要是热传导、热对流和热辐射3种形式，当其它条件相同的情况下，热水在冷却的过程中，所产生的冷热温度差比冷水要大，而且分布更不均匀，因此热对流的形式更加剧烈，因此，从热量传输的角度看，热水在内部温度场中进行能量交换的速率要比冷水快，散热效率也就更高一些。在这样的作用下，当表面及杯壁温度下降时，就会在比较剧烈的热对流作用下，使得不会像冷水那样形成“冰盖”，反而会形成“热顶”，这样的结果就造成了相对均匀、强度较高的散热过程，不像冷水那样被“冰盖”包裹拥有较低的散热效率。
当热水的温度降低到冷水之前一样时，这个时候“热顶”现象依然存在，只不过随着温度的降低，因“热顶”引发的散热作用越来越慢，但总体效率也要比冷水在相同的温度情况下要快许多。当水体中结晶核开始生成之后，由于原热水内部的分子运动较快，水分子与结晶核的接触频率要比原冷水大得多，加上原热水中结晶核数量比原冷水要多，因此以结晶核为中心，冰晶的生长速率也快出许多，于是形成了热水比冷水先结冰的现象。很多网友对东北地区的冬季，泼洒出的“滴水成冰”现象印象应该些许深刻，其中所应用的水是热水就是这个道理，因为在相同的条件下，热水的冷却速率要比冷水快，容易形成比较壮观的画面。
综合以上的分析，我们可以看出，姆潘巴效应的出现，来源于热水中的凝结核数量多、水的对流散热效率高这两个主要因素，而在较高的热运动和热对流速率之下，其所带来的温度下降以及结晶速率的提升，在一定程度上超过了热水冷却到原冷水的程度、以及原冷水到结冰所需要的时间总和。
回答于 2019-09-11 08:43:50
开水
回答于 2019-09-11 08:43:50
凉水
回答于 2019-09-11 08:43:50
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