[彭巴效應(Mpemba effect)] 熱水和冷水哪個會先結冰?

將等量的熱水與冰水置於冰箱中,哪一個會先結冰?
這問題的答案似乎相當明顯,幾乎所有人的憑直覺的判斷, 都一定會認為是冷水會先結冰。但是你是否曾親自做過實驗證明過呢?
 
 
在1963年, 非洲坦桑尼亞一位名叫 伊拉斯多˙彭巴 (Erasto B. Mpemba)的中學生,有一天他與同學在學校學習製做冰淇淋,他們依照老師的指示,首先將牛奶煮到沸騰,然後把牛奶與糖混合均勻,冷卻後製入冰箱即可。但是學校的冰箱空間不大,彭巴又比較晚開始做,眼見同學們的混合物都已經冷卻的差不多, 即將可以放入冰箱,彭巴想著自己就快要搶不到冰箱的好位置,於是他等不及他的混合液冷卻,就直接放進冰箱。他心裡琢磨著,雖然這樣一來,可能會比花多點時間,才能做好冰淇淋,但最起碼,自己的容器佔在冰箱裡的一個好位置上,想到這,心裡還是非常高興。其他的同學則都按部就班、按照老師的指示做, 一直等到牛奶冷卻到室溫,才放入冰箱中。等了一段時間後, 大家打開冰箱, 檢查冰淇淋是否做好,逐一地瞧去,似乎都還沒做好, 正準備關上冰箱門時,突然看到正中間的一個容器裡的冰淇淋已經好了, 看看容器上的標籤, 寫著伊拉斯多˙彭巴。而彭巴呢,正在旁邊休息, 壓根兒,也沒想到自己的冰淇淋會先好。聽到同學叫說,自己的冰淇淋已經好了,急忙跑向前去看,想說是否搞錯了。仔細端詳之後,確實是自己的沒錯, 但心裡還在想自己只比別人早不到幾分鐘放進去,而溫度又比大家高出那麼多,怎麼竟比其他同學快出許多。
 
一般人遇到這種情形,可能並不覺得這現象有什麼值得稀奇的地方,不過就是快點做好罷了,值得大驚小怪嗎?因此可能就讓一個有趣問題從手邊溜走。 這可不是我們這一位彭巴同學, 他對這個現象感到十分好奇,決心弄清楚原由。於是他問了學校的物理老師,為什麼會發生這樣的現象, 老師回答說:“你的觀察會不會有些問題,根據某某物理學定律,那種情形是不可能發生",他指的其實是牛頓冷卻定律。他的老師的講法是, 假設我們將等量的兩杯水放到冷凍庫中,兩杯水的溫度都會開始下降,但熱水一定需要一些時間冷卻到冷水剛開始的溫度,而冷水卻在同樣的時間內已經降到更低的溫度,因此熱水的溫度總是會比在同一時刻冷水的溫度高,所以熱水決不可能先開始結冰。
 
彭巴聽了之後, 覺得老師說得蠻有道理的,可能自己不知哪裡搞錯了吧,因此彭巴起初也相信他的老師之說法。但這維持不了多久,有一天,彭巴遇上一位在坦迦城中販賣冰淇淋的兒時玩伴,彭巴跟他提起這件事,他這位老友告訴他說,這沒什麼稀奇,他在製作冰淇淋時,就發現過這種現象。這於是又激起彭巴對這個問題的興趣。於是他跑到坦迦城中的每一家冰淇淋店問,結果發現許多人都有類似的經驗。彭巴於是想,上次跟物理老師的討論這個問題的時候,是用水做為討論的例子,這個現象應該跟冰淇淋,或是用怎樣的溶液無關,因此他跟生物老師商量,借了學校的生物實驗室,用水來作實驗。實驗並不難進行,他將等量的水放置到兩個完全相同容器中,將其中一個加熱到比較高的溫度,另一個則維持室溫,然後將這兩個容器靜置於冷凍庫中,經過不長的時間,結果出來,就如同冰淇淋的情況一般,熱水竟然也比較先開始結冰。
 
原先彭巴的物理老師的解釋,熱水一定會比冷水慢結冰的講法難道錯了嗎?彭巴於是又將新的實驗結果告訴物理老師,他的老師卻完全不相信,說道: "你知道嗎,你所說的,違背了牛頓冷卻定律,是不可能發生的",但彭巴企圖辯解說:"但我的實驗卻顯示…",老師不等彭巴說完,又說:"那是你自己的物理學,可不是我們學校的物理學"。此後,只要是彭巴在學校有數學問題做錯了,老師與同學就開他玩笑,說那是彭巴的數學,跟我們大家的數學是不一樣的;若是物理學問題做錯了,就說那是彭巴的物理學。雖然老師與同學都這樣的揶揄他,他仍然堅信他所仔細做的實驗是對的。
 
幾年之後, 一位英國的物理學家奧斯本教授(D. G. Osborne)受邀到彭巴的學校演講,演講結束後,許多學生問他關於英國大學入學,以及其他相關的問題。 彭巴也發了問,他所關心的與其他同學不同, 他的問題是:“為什麼熱水比冷水先結冰? ",奧斯本教授很客氣地詢問彭巴的意思是什麼?彭巴於是仔細地將他所做的實驗解釋給奧斯本教授聽,奧斯本教授表示對這個現象感到非常訝異,因為這似乎跟他的直覺有所抵觸,所幸奧斯本教授是一位相當理性的物理學家,他接著回答說他無法立即想出一個好的解釋,但向他保證他回到英國後,會將這個實驗仔細地重複一次。奧斯本教授在回英國後,果然很快就要求他的助手重新做彭巴的實驗, 很快地實驗做完了,助手告訴奧斯本教授,熱水比冷水先結冰,極可能是有些實驗條件沒控制好, 但是他會再重作,直到結果正確為止。助手將實驗重做了數次,結果仍然一樣,證實了彭巴的原先觀察。如果你覺得這個結果難以置信的話,不妨自己嘗試看看。
 
無獨有偶地,在奧斯本與彭巴證實了這個現象的同時,一位加拿大的科學家凱利博士也發現了同樣的現象。原來,在寒冷的加拿大,民間流傳著這樣的說法,如果將等量的熱水與冷水至於冰凍的戶外,熱水會先結冰。雖然這個說法流傳甚廣,並未引發人們認真對待,都以為只是一個玩笑。凱利聽到這個民間傳說後,感到好奇,決心做實驗來證明這個傳說的真偽。當然他發現了這個說法的確是真的,於是他用他所受的物理學訓練,提出液體蒸發的模型來解釋。他指出在這個現象中,冷水與熱水主要是利用蒸發的方式來降溫,由於熱水的蒸發速率比冷水大,會失去較多的質量,因為熱水的量變少了,所以比冷水先結冰。科學上許多發現常常有這種巧合,完全無關的人,在地球的不同角落,竟然在幾乎同樣的時間,思考同樣的問題,奧斯本教授與彭巴以及凱利博士兩組人都在同一年將結果發表在歐洲的物理教育雜誌上。
 
凱利博士發表在他的結果時,並不知道奧斯本教授也做了相同的實驗。奧斯本教授與他的助手很仔細地測量揮發掉的質量,知道單靠揮發所減少的質量是不足以解釋熱水會較快結冰的。 隨後又有人做了這個實驗,是在密封的容器中進行的,因此完全排除揮發對降溫的貢獻, 仍然可以觀察到熱水先結冰的現象。
 
多年來, 許多人陸續重複了這個實驗,目前這個現象已被廣泛地接受, 通常稱為彭巴效應。但是科學家卻還沒有完全明白這個效應是如何產生的,歸納起來, 人們提出了許多種可能的解釋:例如高溫容器的與環境有較大的溫差可產生較佳的熱傳導與對流,使得熱能更容易流到周遭的環境中; 另外有人認為熱水溶有較多的溶質, 可以較容易產生冰晶,使熱水更容易結冰,除此還有許奇怪的解釋,但是,決大多數的科學家都認為這些說法都不能完全解釋彭巴所發現的現象。
 
 
阿甫註記:
我記得溫度太高的熱水也是不行,好像37度左右的熱水結冰的速度最快。
 
參考網址:
 
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