是熱水放在冰箱里凍得快還是涼水凍得快呢?

2023-11-30 20:38

3個(gè)回答
是熱水放在冰箱里凍得快。
因?yàn)椋?br/>1.冷卻的快慢不是由液體的平均溫度決定的,而是由液體上表面與底部的溫度差決定的,熱水急劇冷卻時(shí),這種溫度差較大,而且在整個(gè)凍結(jié)前的降溫過(guò)程中,熱水的溫度差一直大于冷水的溫度差。
2.上表面的溫度愈高,從上表面散發(fā)的熱量就愈多,因而降溫就愈快。
基于以上兩方面的理由,熱水以更高的速度冷卻著,這便是熱水先凍結(jié)的秘密。
據(jù)資料記載是熱水結(jié)冰更快,但用目前的物理知識(shí)還無(wú)法證明;
目前的物理知識(shí)來(lái)說(shuō)肯定是冷水結(jié)冰更快。
附上相關(guān)熱水結(jié)冰更快的資料供參考:
一、姆佩巴效應(yīng)
人們通常都會(huì)認(rèn)為,一杯冷水和一杯熱水同時(shí)放入冰箱時(shí),冷水結(jié)冰快.事實(shí)并非如此.1963年的一天,在地處非洲熱帶的坦桑尼亞一所中學(xué)里,一群學(xué)生想做一點(diǎn)冰凍食品降溫.一個(gè)名叫埃拉斯托·姆佩巴的學(xué)生在熱牛奶里加了糖后,準(zhǔn)備放進(jìn)冰箱里做冰淇淋.他想,如果等熱牛奶涼后放入冰箱,那么別的同學(xué)將會(huì)把冰箱占滿,于是就將熱牛奶放進(jìn)了冰箱.過(guò)了不久,他打開冰箱一看,令人驚奇的是,自己的那杯冰淇淋已經(jīng)變成了一杯可口的冰淇淋,而其他同學(xué)用冷水做的冰淇淋還沒(méi)有結(jié)冰.他的這一發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起老師和同學(xué)們的注意,相反在為他們的笑料.姆佩巴把這特殊現(xiàn)象告訴了達(dá)累薩拉姆大學(xué)的物理學(xué)教授奧斯博爾內(nèi)博士.奧斯博爾內(nèi)聽了姆佩巴的敘述后也感到有點(diǎn)驚奇,但他相信姆佩巴講的一定是事實(shí).尊重科學(xué)的奧斯博爾內(nèi)又進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),其結(jié)果也姆佩巴的敘述完全相符.這就確切地肯定了在低溫環(huán)境中,熱水比冷水結(jié)冰快.此后,世界上許多科學(xué)雜志載文介紹了這種自然現(xiàn)象,還將這種現(xiàn)象命名為"姆佩巴效應(yīng)"(MpembaEffect).
二、姆佩巴效應(yīng)的歷史
熱水比冷水更快結(jié)冰的事實(shí)已被知道了很多個(gè)世紀(jì).最早提到并記載此一現(xiàn)象的數(shù)據(jù),可追溯到公元前300年的亞里斯多德,他寫道:
"先前被加熱過(guò)的水,有助于它更快地結(jié)冰.因此當(dāng)人們想去冷卻熱水,他們會(huì)先放它在太陽(yáng)下..."
但在20世紀(jì)前,此現(xiàn)象只被視為民間傳說(shuō).直到1969年,才由Mpemba再次在科學(xué)界提出.自此之后,很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Mpemba效應(yīng)的存在,但沒(méi)有一個(gè)唯一的解釋.
大約在1461年,物理學(xué)家GiovanniMarliani在一個(gè)關(guān)于物體怎樣冷卻的辯論上,說(shuō)他已經(jīng)證實(shí)了熱水比冷水更快結(jié)冰.他說(shuō)他用了四盎司沸水,和四盎司未加熱過(guò)的水,分別放在兩個(gè)小容器內(nèi),置于一個(gè)寒冷冬天的屋外,發(fā)現(xiàn)沸水首先結(jié)冰.但他沒(méi)能力解釋此一現(xiàn)象.
到了十七世紀(jì)初,此現(xiàn)象似乎成為一種常識(shí).1620年培根寫道"水輕微加熱后,比冷水更容易結(jié)冰."不久之后,笛卡兒說(shuō)"經(jīng)驗(yàn)顯示,放在火上一段時(shí)間的水,比其它水更快地結(jié)冰."
直至1969年,那已是Marliani實(shí)驗(yàn)500年之后,坦桑尼亞中學(xué)的一個(gè)命叫Mpemba的中學(xué)生再發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象的故事,被刊登在《新科家》(NewScientist)雜志.這個(gè)故事告訴科學(xué)家和老師們,不要忽視非科學(xué)家的觀察,和不要過(guò)早下判斷.
1963年,Mpemba正在學(xué)校造雪糕,他混合沸騰的牛奶和糖.本來(lái),他應(yīng)該先等牛奶冷卻,之后再放入冰箱.但由于冰箱空間不足,他不等牛奶冷卻,就直接放入去.結(jié)果令他很驚訝,他發(fā)現(xiàn)他的熱牛奶竟然比其同學(xué)的更早凝固成冰.他問(wèn)他的物理老師為什么,但老師說(shuō),他一定是和其它同學(xué)的雪糕混淆了,因?yàn)樗挠^察是不可能的.
當(dāng)時(shí)Mpemba相信他老師的說(shuō)法.但那一年后期,他遇見他的一個(gè)朋友,他那朋友在Tanga鎮(zhèn)制造和售賣雪糕.他告訴Mpemba,當(dāng)他制造雪糕時(shí),他會(huì)放那些熱液體入冰箱,令他們更快結(jié)冰.Mpemba發(fā)覺,在Tanga鎮(zhèn)的其它雪糕銷售者也有相同的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).
后來(lái),Mpemba學(xué)到牛頓冷卻定律,它描述熱的物體怎樣變冷(在某些簡(jiǎn)化了的假設(shè)下).Mpemba問(wèn)他的老師為什么熱牛奶比冷牛奶先結(jié)冰.這位老師同樣回答是一定Mpemba混淆了.當(dāng)Mpemba繼續(xù)爭(zhēng)辯時(shí),這位老師說(shuō):"所有我能夠說(shuō)的是,這是你Mpemba的物理,而不是普遍的物理."從那以后,這位老師和其它同學(xué)就用"那是Mpemba的數(shù)學(xué)"或"那是Mpemba的物理"來(lái)批評(píng)他的錯(cuò)誤.但后來(lái),當(dāng)Mpemba在學(xué)校的生物實(shí)驗(yàn)室,嘗試用熱水和冷水做實(shí)驗(yàn)時(shí),他再一次發(fā)現(xiàn):熱水首先結(jié)冰.
更早時(shí),有一位物理教授Osborne博士訪問(wèn)Mpemba的那間中學(xué).Mpemba問(wèn)他這個(gè)問(wèn)題.Osborne博士說(shuō)他想不到任何解釋,但他遲些會(huì)嘗試做這個(gè)實(shí)驗(yàn).當(dāng)他回到他的實(shí)驗(yàn)室,便叫一個(gè)年輕的技術(shù)員去測(cè)試Mpemba的實(shí)驗(yàn).這位技術(shù)員之后報(bào)告說(shuō),是熱水首先結(jié)冰,又說(shuō):"但我們將會(huì)繼續(xù)重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn),直至得出正確的結(jié)果."然而,實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出同樣的結(jié)果.在1969年,Mpemba和Osborne報(bào)導(dǎo)他們的結(jié)果.
同一年,科學(xué)上很常見的巧合之一,Kell博士獨(dú)立地寫了一篇文章,是關(guān)于熱水比冷水先結(jié)冰的.Kell顯示,如果假設(shè)了水最初是透過(guò)蒸發(fā)冷卻,和維持均勻的溫度,這樣,熱水就會(huì)失去足的質(zhì)量而首先結(jié)冰.Kell因此表明這種現(xiàn)象是真的(當(dāng)時(shí),這現(xiàn)象在加拿大城市是一個(gè)傳聞.),而且能夠用蒸發(fā)來(lái)解釋.然而,他不知道Osborne的實(shí)驗(yàn).Osborne測(cè)量那失去的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)不足以解釋此現(xiàn)象.后來(lái)的實(shí)驗(yàn)采用密封的容器,排除了蒸發(fā)的影響,仍然發(fā)現(xiàn)熱水首先結(jié)冰.
三、對(duì)姆佩巴效應(yīng)的各種解釋
什么是Mpemba效應(yīng)?有兩個(gè)形狀一樣的杯,裝著相同體積的水,唯一的分別是水的溫度.現(xiàn)在將兩杯水在相同的環(huán)境下冷卻.在某些條件下,初溫較高的水會(huì)先結(jié)冰,但并不是在任何情況下,都會(huì)這樣.例如,99.9℃的熱水和0.01℃的冷水,這樣,冷水會(huì)先結(jié)冰.Mpemba效應(yīng)并不是在任何的初始溫度、容器形狀、和冷卻條件下,都可看到.
一般人會(huì)認(rèn)為這似乎是不可能的,還有人會(huì)試圖去證明它不可能.這種證明通常是這樣的:30℃的水降溫至結(jié)冰要花10分鐘,70℃的水必須先花一段時(shí)間,降至30℃,然后再花10分鐘降溫至結(jié)冰.由于冷水必須做過(guò)的事,熱水也必須做,所以熱水結(jié)冰慢.這種證明有錯(cuò)嗎?
這種證明錯(cuò)在,它暗中假設(shè)了水的結(jié)冰只受平均溫度影響.但事實(shí)上,除了平均溫度,其它因素也很重要.一杯初始溫度均勻,70℃的水,冷卻到平均溫度為30℃的水,水已發(fā)生了改變,不同于那杯初始溫度均勻,30℃的水.前者有較少質(zhì)量,溶解氣體和對(duì)流,造成溫度分布不均.這些因素會(huì)改變冰箱內(nèi),容器周圍的環(huán)境.下面會(huì)分別考慮這四個(gè)因素.
1.蒸發(fā)——在熱水冷卻到冷水的初溫的過(guò)程中,熱水由于蒸發(fā)會(huì)失去一部分水.質(zhì)量較少,令水較容易冷卻和結(jié)冰.這樣熱水就可能較冷水早結(jié)冰,但冰量較少.如果我們假設(shè)水只透過(guò)蒸發(fā)去失熱,理論計(jì)算能顯示蒸發(fā)能解釋Mpemba效應(yīng).這個(gè)解釋是可信的和很直覺的,蒸發(fā)的確是很重要的一個(gè)因素.然而,這不是唯一的機(jī)制.蒸發(fā)不能解釋在一個(gè)封閉容器內(nèi)做的實(shí)驗(yàn),在封閉的容器,沒(méi)有水蒸氣能離開.很多科學(xué)家聲稱,單是蒸發(fā),不足以解釋他們所做的實(shí)驗(yàn).
2.溶解氣體——熱水比冷水能夠留住較少溶解氣體,隨著沸騰,大量氣體會(huì)逃出水面.溶解氣體會(huì)改變水的性質(zhì).或者令它較易形成對(duì)流(因而較易冷卻),或減少單位質(zhì)量的水結(jié)冰所需的熱量,或者改變沸點(diǎn).有一些實(shí)驗(yàn)支持這種解釋,但沒(méi)有理論計(jì)算的支持.
3.對(duì)流——由于冷卻,水會(huì)形成對(duì)流,和不均勻的溫度分布.溫度上升,水的密度就會(huì)下降,所以水的表面比水底部熱—叫"熱頂".如果水主要透過(guò)表面失熱,那么,"熱頂"的水失熱會(huì)比溫度均勻的快.當(dāng)熱水冷卻到冷水的初溫時(shí),它會(huì)有一熱頂,因此與平均溫度相同,但溫度均勻的水相比,它的冷卻速率會(huì)較快.雖然在實(shí)驗(yàn)中,能看到熱頂和相關(guān)的對(duì)流,但對(duì)流能否解釋Mpemba效應(yīng),仍是未知.
4.周圍的事物——兩杯水的最后的一個(gè)分別,與它們自己無(wú)關(guān),而與它們周圍的環(huán)境有關(guān).初溫較高的水可能會(huì)以復(fù)雜的方式,改變它周圍的環(huán)境,從而影響到冷卻過(guò)程.例如,如果這杯水是放在一層霜上面,霜的導(dǎo)熱性能很差.熱水可能會(huì)熔化這層霜,從而為自己創(chuàng)立了一個(gè)較好的冷卻系統(tǒng).明顯地,這樣的解釋不夠一般性,很多實(shí)驗(yàn)都不會(huì)將容器放在霜層上.
最后,過(guò)冷在此效應(yīng)上,可能是重要的.過(guò)冷現(xiàn)象是水在低于0℃時(shí)才結(jié)冰的現(xiàn)象.有一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱水比冷水較少會(huì)過(guò)冷.這意味著熱水會(huì)先結(jié)冰,因?yàn)樗谳^高的溫度下結(jié)冰.但這也不能完成解釋Mpemba效應(yīng),因?yàn)槲覀內(nèi)孕杞忉尀槭裁礋崴^少會(huì)過(guò)冷.
在很多情況下,熱水較冷水先結(jié)冰,但并不是在所有實(shí)驗(yàn)中都能觀察到這種現(xiàn)象.而且,盡管有很多解釋,但仍沒(méi)有一種完美的解釋.所以,姆佩巴效應(yīng)仍然是一個(gè)謎.
熱水凍得快。因?yàn)闊崴芨斓睾屠洵h(huán)境進(jìn)行熱傳遞,加速冰箱的工作。從而迅速把熱水降溫到達(dá)凝固點(diǎn)而凝固成冰。而冷水進(jìn)行得慢,就像給凍魚、凍秋梨解凍用冷水反而比熱水效果好一樣。
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