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“姆潘巴之谜”何时解开

时间:2010-01-29  归属:100个未解之谜
54.“姆潘巴之谜”何时解开
如果在智力竞赛中出一道题:“是冷水结冰快,还是热水结冰快?”
也许,绝大部分人都会毫不犹豫地回答:“当然是冷水结冰快!”遗憾
的是,这是错的!
这是坦桑尼亚的马干巴中学三年级学生姆潘巴,在1963 年偶然发现
的。有一天,姆潘巴和几位同学一起做冰淇淋,为了抢先,一位同学将
生牛奶加糖后,立即送进冰箱的冷冻室;而姆潘巴则按部就班,将牛奶
煮沸,放糖后送入冰箱。过了一段时间后,姆潘巴发现,他的热牛奶已
经冻结,而其他同学的冷牛奶却还是很稠的液体。这是为什么?姆潘巴
百思不得其解。这就是有名的“姆潘巴之谜”。
最初的一种解释认为,较热的容器溶化了它下面的冰,从而与冰箱
的隔板保持较好的热接触。可是,如果让容器与冰箱隔板隔开,热的混
合物依然比冷的冻结早。这种看法并不对。
1969 年,姆潘巴和达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯玻恩在英国
的《物理教师》杂志上共同撰文,认为冷却主要在于液体表面,冷却速
率决定于液体表面的温度而并非决定于整体的平均温度,液体内部的对
流使得液面温度维持比内部温度高,即使两杯液体冷却到相同的平均温
度,原来热系统的热量损失仍要比原来冷的系统来得多,液体在冻结之
前必须经过一系列的过渡温度,因此,用单一温度来描述系统显然不够,
还要取决于初始条件的温度梯度。
以后,人们发现,这个貌似简单的问题不仅涉及物理学,而且还涉
及微生物的生物作用问题,因为水结成冰,需要许多结晶中心,它们往
往是水中的微生物,而某些微生物在较热水中繁殖得比冷水中快,这样
便加速了结冰过程。
现在,一般认为,造成“热水先结冰”现象的原因有:首先,液体
在较热的容器中循环较好,容器中部的热水迅速地流向容器壁或流向水
的表面;其次,如果水比较热,就会放出更多的溶于水中的气体,溶解
的气体会推迟冷却时间,冷却前除去溶解的气体可以使水较快地达到冻
结点;第三,热水比冷水会失掉更多的质量和蒸发热,例如,水从100
℃冷却到0℃,假设主要的热损失由蒸发引起,则其质量损失约为16%,
因此,热水剩下需要冷却的质量较少,水便更快地达到冷结点,如果质
量损失很显著,那么,一旦达到冻结点,最初的热水一定会较快地冻结,
因为在从液态转化成冰时,水的质量较少。
上述种种解释,还远远不是最终的答案,“姆潘巴之谜”仍然是“犹
抱琵琶半遮面”,有谁能最终揭开冷、热水结冰中的这个能量转化之谜
呢?
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