姆 潘 巴 效 应

周老师

 水是生命之源，水是生产、科技、生活中必不可少的资源, 水是最常见的物质．可是，我们很了解水吗?尤其是对水那奇妙的反常特性?
一、 热水比冷水冻得快——姆潘巴效应
   热水比冷水冻得快似乎难以使常人理解．在20世纪，此现象只被视为民间传说．但在经历漫长
冬季的地方，如在加拿大和斯堪的纳维亚地区的一些国家，这一观点已融人了人们的日常生活．例如，人们相信在冬季不能用热水洗车辆，因为热水比冷水更容上结冰，应该用热水浇溜冰场，因为热水冻得更快。
   这种效应的最早记载可追溯到公元前300年的亚里士多德时代．1620年培根写道：“水轻微加热后，比冷水更容易结冰”．1963年，坦桑尼亚马干巴中学里三年级的学生姆潘巴在做牛奶冰淇淋
惊愕地发现：热牛奶和冷牛奶同时放进冰箱，热牛奶便先冻结!他将这一发现请教物理老师，老师武断地认为是他“错了”．后来首都达勒斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩(Osborne)博士到这所中学访问，座谈会上姆潘巴又提出这个问题，奥斯玻恩博士不但没有取笑姆潘巴，还坦率承认回答不了这个“怪”问题，保证回去一定要做这个实验．后来博士和他的助手用实验证实了姆潘巴所说的现象。
   1969年英国《物理教育》发表了姆潘巴和奥斯玻恩共同撰写的一篇文章，首次对这一现象作了尝试性解释：他们做了一系列的实验．实验用的是直径4.5cm、容积100 mI。的硼硅酸玻璃烧杯，放入70 mI．沸腾过的各种不同温度的水．通过对实验的定量分析得出的结论是：冷却主要在液体表面，冷却的速率决定于液体表面的温度而非它的整体平均温度，液体内部的对流使得液面温度比体内温度高(设定t>4℃)，即使两杯液体冷却到相同的平均温度，原来热的系统的热量损失仍要比冷的系统快得多，液体在冻结之前必须经过一系列的过渡温度，因而用单一的温度来描述系统显然是不够的，还取决于初始条件的温度梯度．
   自此以后，科学上把这一效应正式称为“姆潘巴效应”(Mpemba Effect)．

二、 姆潘巴效应的两种解释
1. 物理学机制
制冷有四种并存机制：辐射、传导、汽化、对流，通过实验观察及比较，发现引起热水比冷水先结冰的主要原因是传导、汽化、对流三者相互作用的结果．假如把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析其成因就更能说明原因了：盛有4℃的冷水的结冰需要很长时间，由于水和玻璃都是热的不良导体，液体内部的热量依靠传导很难有效地传递到表面，杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度减小，集结在表面，因而最先在表面结冰；再次是底部和四周形成了一个密闭的“冰壳”，此时内层的水与空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，因此冷却的速率很小，阻拦内层水温继续下降的正常进行；另外由于水结冰时体积要膨胀，“冰壳”起着一定的抑制作用．盛有100℃热水的那一杯冷冻的时间相对来说要少得多．热水上部表面的快速蒸发和接下来的冷、热水自下而上的有效混合，使内能迅速地传递到四周．只看到表面的冰层一直不能连成冰盖，看不到“冰壳”的现象，沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶(在初温低于12℃时，看不到此现象)．随着时间的推移，冰晶由细变粗，这是由于初温高的热水，上层水冷却后密度变大而向下流动，形成液体内部的对流，使水分子围绕各自的结晶中心结成冰，初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大．正是由于这种对流，是上层的水不易结成冰盖，基于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗颇大，冷却速率较大，当水面温度降至O℃以下并有足够的低温，水面便开始出现冰晶．初温较高的水，生长冰晶的速度比较大，这是因为冰盖未形成和对流剧烈的原因，最后我们观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但水内部冰晶已经生长粗大，具有较大的表面能，冰晶的生长速率和单位表面能成正比，故生长速度依旧要比初温低的水快得多.
2．生物学成因
 
  从生物学方面看，水要结成冰，水中需要很多结晶的中心．生物学实验发现，水中微生物常常是“结 晶中心”．而某些微生物在热水(水温在100℃以一点)中繁殖比在冷水中快，这样一来，热水中的结晶中心”比冷水中多得多，催化了热水结冰的速率，“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核，对流使各种取向的分子都流过子晶，依靠晶体外面的分子力子力，抓住合适取向的水分子，外延出分子有序徘列的很多晶粒，悬浮在水中，结晶释放出的能量通过对流放出，而各相邻的冰粒又连接成冰，直到水全部。结成冰为止．
  以上仅是对“姆潘巴效应”的唯象解，尚缺乏全面定量的结论．要得出令人满意的理论，还有待进一步研究。
 “姆潘巴效应”已在1997年被列为世界97个难题中的第13个，至今尚未解决-。
3．生命与水之特性
 水的反常特性铸就了生命
 鱼类和所有有机物会感谢水在4℃～0℃的反常膨胀以及水结冰后体积的反常变化．否则，所有的．生命在远古的冰河时代的某个时期就已经灭绝了。
 若不是单位质量冰的体积比水大，冰将结在水下，或者河流变