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科学家解释热水为什么比冷水结冰块

2013年11月05日 07:17
来源:凤凰科技

新加坡的科学家们声称已经解开了这一谜题。

凤凰科技讯 北京时间11月5日, 英国每日电邮报道,自亚里士多德时代起,热水为什么比冷水结冰更快这个现象一直让世界上最聪明的科学家们困惑不已。目前一组物理学家小组声称已经解开了这一世纪难题。这个现象名为姆潘巴现象,它是指水与大多数其他液体不相同,它从热的状态变成固体要比从室温状态下变成固体时间更短。科学家就此现象的发生提出了十几种理论,但没有一种能够合理的解释这种奇怪的物理特性。目前新加坡南洋理工学院的物理学家们提出了他们认为合理的一种解释。

科学家表示这种解释存在于水分子之间的罕见的相互作用。每一个水分子通过名为“氢键”的高度带电电磁连接与周围的分子相连。正是它产生了水的表面张力,同时导致它与其它液体相比具有更高的沸点。然而,南洋理工学院的孙长清(Sun Changqing)博士和张希(Xi Zhang)博士辩论称它还决定了水分子能够存储和释放能量。他们认为能量释放的速率与水的最初状态有关,因此他们计算出热水结冰时释放能量的速率更快。

长清博士表示:“水释放能量的过程和速率内在的与能量源的初始状态有关。” 姆潘巴现象是以一名名叫艾拉斯托·姆潘巴(Erasto Mpemba)的坦桑尼亚学生为名,他观察到热的冰淇淋混合物比冷的冰激凌混合物结冰的更快。与坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学学院的一名物理学教授一起,他于1969年发表了一篇文章显示在相似的容器里,相同量的沸水和冷水是以不同速率结冰,热水结冰的更快。

在此之前也有科学家描述了相似的观测,例如亚里斯多德,弗朗西斯·培根(Francis Bacon)和勒内·笛卡尔(Rene Descartes)。这种效应也可以帮我们解决一些实际问题,例如冬天是否应该使用沸水解冻汽车挡风玻璃上的冰霜,以及热水管子是否比冷水管更容易冻结。

有的人否认这种效应的存在,他们认为这事实上是一种实验程序的人工制品,但其他人表示小心控制的实验也会产生这样的现象。另一种理论表明热水会释放水里溶解的气体,从而导致它变得更黏。

去年英国皇家化学学会发布公告悬赏1000英镑,奖励给任何能够解释姆潘巴现象工作原理的个人或团体。今年早期克罗地亚萨格勒布大学的化学研究助理尼古拉·布勒格维克(Nikola Bregovic)被宣布为该奖的得主。

他利用实验室的烧杯进行了相关实验,研究结果表明对流效应可能是该现象的“幕后推手”。布勒格维克表示热水里的对流导致它冷却的速度更快。然而孙长清博士和张希博士试图从分子水平检测这一过程从而进一步解释这种效应。

上周他们在期刊《科学报告》上发表的文章显示了水分子在形成冰时是如何自我排列的。他们还在期刊《化学物理》上发表了另一篇文章解释姆潘巴现象。他们认为每个分子里氢键和连接氢原子和氧原子之间更强的化学键,也即共价键之间的相互作用是导致这种效应的主要原因。

一般来说,当液体被加热,原子之间的共价键会拉伸并存储能量。科学家辩论称在水中,氢键产生了另一种罕见的效应导致加热时共价键会缩短并存储能量。这导致了与在冷却状态所存储能量相比,共价键会以指数形式释放能量。因此热水会更快的失去更多能量。

长清博士表示:“加热过程会缩短并固化H-O共价键,从而存储能量。倘若放在冰箱里冷却,H-O共价键会以指数的速率释放能量,从而产生姆潘巴现象。”

英国皇家化学学会总共收到了22000多个针对姆潘巴现象的回复,尽管这一竞赛已经结束,但他们仍持续收到不同理论的解释。作为评审最佳解决方案的专家小组的一员,英国帝国理工学院的布列戈维奇先生说道:“这个小而简单的分子让我们都惊讶不已,它略施展了点魔法就激起了我们浓厚的兴趣。”帮助评审这一竞赛的伦敦帝国理工学院的埃涅阿斯·维纳(Aeneas Wiener)补充说道:“最新的文章演示了即使是看起来非常简单的现象,潜心钻研也会揭示其更多复杂性,而这是值得的。我们希望这能够激励更多年轻人进行科学研究。”

与姆潘巴一起发表文章描述姆潘巴效应的坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学学院的讲师丹尼斯·奥斯本(Denis Osborne)说道:“好几个不同的机制可能导致或者共同导致了姆潘巴效应。作者们描述的H-O共价键特性可能是其中的原因之一。”(编译/严炎刘星)

[责任编辑:杜苗] 标签:热水 姆潘 科学家
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