书城童书物理知识知道点:热学大探秘
47678200000026

第26章 温度高的水先结冰

人们通常都会认为,一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时,冷水结冰快。事实并非如此。1963年的一天,在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托·穆宾巴的学生在热牛奶里加了糖后,准备放进冰箱里做冰淇淋。他想,如果等热牛奶凉后放入冰箱,那么别的同学将会把冰箱占满,于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久,他打开冰箱一看,令人惊奇的是,自己的那杯热牛奶已经变成了一杯可口的冰淇淋,而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。他的这一发现并没有引起同学们的注意,相反成为他们的笑料。

他去请教物理老师,为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结?老师的回答是:“你一定弄错了,这样的事是不可能发生的。”后来穆宾巴进了伊林加的姆克瓦高中,他向物理老师请教:“为什么热牛奶和冷牛奶同时放进冰箱,热牛奶先冻结?”老师的回答是:“我所能给你的回答是:你肯定错了。”当他继续提出问题与老师辩论时,老师讥讽他:“这是穆宾巴的物理问题。”穆宾巴想不通,但又不敢顶撞老师。一个极好的机会终于来到了,达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问该校,做完学术报告后回答同学的问题。穆宾巴鼓足勇气向他提出问题:“如果你取两个相似的容器,放入等容积的水,一个处于35℃,另一个处于100℃,把它们同时放进冰箱,100℃的水先结冰,为什么?”奥斯玻恩博士的回答是:“我不知道,不过我保证在我回到达累斯萨拉姆之后亲自做这个实验。”结果他和他的助手做了这个实验,证明穆宾巴说的现象是事实!这究竟是怎么一回事呢?

有科学家为了揭开上述令人费解之谜做了大量实验,惊奇地发现,不同初温的水结成的冰的结构不同。这就启发科学家观察水正在结冻时的情况。结果果然不同。冷水结冻时:冰成包围状由外向内层层结冻。而热水则多数是:先在内外同时形成絮状冰,然后迅速同时结冻。这足以证明冷水结冻时内部还没能达到冰点。而热水由于对流较强内外同时达到冰点,这种水在絮状冰出现时对流仍然存在,能把内部散热及时导出,所以这种水先完全结冻。热水最后结成的冰是上下纵向排列的“立茬冰”,这就是絮状冰出现后上下对流仍然存在的物证。冷水结冰是由外向内层层渐进的,只有外层冰温度低于0℃后,才能使内层散热开始结冰,其结冻时以热传导途径为主散热,所以从开始结冰到完全结冻需要更长的时间。

如果两杯水初温与冷冻室温度差都低于20℃,冷却时均难形成较强对流,则散热都以热传递为主,这样两杯水同时冷却则初温低者先结冻。若两杯水初温与冷冻室温度差不同时,且只有初温高者对流较强,可以形成絮状冰而内外同时结冻,先完全结冻。若两杯水温度都较高,而初温低者率先结成絮状冰,则初温底者先完全结冻。所以并非温度越高结冻越快,也非温度越低结冻越快。