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姆佩巴效应

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1、基本解释
2、详细解释

基本解释

   姆佩巴效应是指热水快速冻结现象,是以坦桑尼亚学生埃拉斯托·姆佩巴的名字命名。对于姆佩巴效应,物理学家曾提出几种可能的假设,其中包括水分更快蒸发导致热水体积变小,一层霜隔绝了温度更低的水以及溶质浓度存在差异。但任何一种解释都很难让人信服,因为这种效应并不可靠,冷水冻结速度往往还是超过热水。

详细解释



   简介

  姆佩巴效应

  姆佩姆巴效应指在同等体积、同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。亚里士多德、培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象,但是均未能引起广泛的注意。1963年,坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中,他们总是先把生牛奶煮沸,加入糖,等冷却后倒入冰格中,再放进冰箱冷冻。有一天,当姆潘巴做冰淇淋时,冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位,姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸,放入糖,等不及冷却,就把滚烫的牛奶倒入冰格中,并送入冰箱。一个半小时后,姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象:他放入的热牛奶已经结成冰,而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。

  照理说,水温越低,结冰的速度越快,而牛奶中含有大量的水,应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对,但事实怎么会颠倒过来了?姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师,都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐,就用嘲讽的口吻说:你说的这些就叫做姆潘巴现象吧!但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐,他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会,又提出了自己的疑问。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后,博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验,结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是,他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究。1969年,他和丹尼斯·奥斯伯恩博士(Denis G. Osborne)共同撰写了关于此现象的一篇论文,因此该现象便以其名字命名。

  由来

  姆佩巴效应

  公元前4世纪,亚里斯多德首次发现姆佩巴效应。他这样写道:“之前被加热的水冻结速度更快。因此,在希望快速冷却热水的时候,很多人会首先将它放在阳光下加热。”

  弗朗西斯·培根也曾发现这种现象。他在1620年写道:“与温度极低的水相比,温度稍高的水更容易冻结。”莱恩·笛卡尔在1637年指出:“经验告诉我们,在火上长时间加热的水冻结速度超过其他水。”

  上世纪60年代,这种效应开始走进现代科学界的视线。当时,坦桑尼亚学生姆佩巴对他的老师说,通过将一种加热过的混合物放入冰箱,他能够以比正 常情况更快的速度制作冰激凌。这种观点一度让姆佩巴成为同学们的笑柄,直到学校的一名督学在达累斯萨拉姆重复这项实验证明他的话所言非虚,姆佩巴才得到 “平反”。

  原因

  姆佩巴效应

  根据中学物理理论:热水与冷水在同质同量同外部环境温度条件下不但它们的温度在变化,它们各自的密度、体积、质量和密封状态下受到的气压等等都在发生变化,使得初温高的水降温速度始终快于初温低的水,只要外部环境温度持续下降,最终必然是初温高的水温度更低。(注:在常压条件下,当二者初始温度均不低于4℃时恒成立;当二者初温均不高于4℃时不成立;当二者中其一不高于4℃,另一不低于4℃时,则需针对它们的初始温度、密度、体积、质量和密封状态下的气压等展开讨论。)姆潘巴问题讨论初始温度分别为35℃的水和100℃的水,二者均高于4℃,因此会产生姆潘巴现象。

  1.冰箱温度并不均匀,如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近,甚至与冷却管相接触,完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰;

  2.如果姆潘巴不喜欢吃甜,在冰淇淋中少放了糖,或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体,实验证明可先结冰;

  3.姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖,还加入了淀粉类物质,在其少放糖、少放牛奶时会先结冰;

  4.摆放的位置靠近冰箱导热管。

  历史

  热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪。最早提到并记载此一现象的数据,可追溯到公元前300年的亚里士多德,他写道:“先前被加热过的水,有助于它更快地结冰。因此当人们想去冷却热水,他们会先放它在太阳下。”

  但在20世纪前,此现象只被视为民间传说。直到1969年,姆佩巴效应才由姆佩巴及其导师奥斯博尔内再次在科学界提出。自此之后,很多实验证实了姆佩巴效应的存在,但没有一个唯一的解释。

  大约在1461年,物理学家 Giovanni Marliani 在一个关于物体怎样冷却的辩论上,说他已经证实了热水比冷水更快结冰。他说他用了四盎司沸水,和四盎司未加热过的水,分别放在两个小容器内,置于一个寒冷冬天的屋外,发现沸水首先结冰。但他没能力解释此一现象。

  到了十七世纪初,此现象似乎成为一种常识。1620年培根写道“水轻微加热后,比冷水更容易结冰。”不久之后,笛卡儿说"经验显示,放在火上一段时间的水,比其它水更快地结冰。"

  直至1969年,那已是Marliani实验500年之后,坦桑尼亚中学的一个命叫埃拉斯托·姆佩巴的中学生再发现此现象的故事,被刊登在《新科学家》(New Scientist)杂志。这个故事告诉科学家和老师们,不要忽视非科学家的观察,和不要过早下判断。

  1963年,埃拉斯托·姆佩巴正在学校造雪糕,他混合沸腾的牛奶和糖。本来,他应该先等牛奶冷却,之后再放入冰箱。但由于冰箱空间不足,他不等牛奶冷却,就直接放入去。结果令他很惊讶,他发现他的热牛奶竟然比其同学的更早凝固成冰。他问他的物理老师为什么,但老师说,他一定是和其它同学的雪糕混淆了,因为他的观察是不可能的。

  当时姆佩巴相信他老师的说法。但那一年后期,他遇见他的一个朋友,他那朋友在 Tanga 镇制造和售卖雪糕。他告诉姆佩巴,当他制造雪糕时,他会放那些热液体入冰箱,令他们更快结冰。姆佩巴发觉,在Tanga镇的其它雪糕销售者也有相同的实践经验。

  后来,姆佩巴学到牛顿冷却定律,它描述热的物体怎样变冷(在某些简化了的假设下)。姆佩巴问他的老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰。这位老师同样回答是一定姆佩巴混淆了。当姆佩巴继续争辩时,这位老师说:“所有我能够说的是,这是你姆佩巴的物理,而不是普遍的物理。”从那以后,这位老师和其它同学就用“那是姆佩巴的数学”或“那是姆佩巴的物理”来批评他的错误。但后来,当姆佩巴(Mpemba)在学校的生物实验室,尝试用热水和冷水做实验时,他再一次发现:热水首先结冰。

  更早时,有一位物理教授奥斯博尔内博士访问姆佩巴的那间中学。姆佩巴问他这个问题。奥斯博尔内博士说他想不到任何解释,但他迟些会尝试做这个实验。当他回到他的实验室,便叫一个年轻的技术员去测试姆佩巴的实验。这位技术员之后报告说,是热水首先结冰,又说:“但我们将会继续重复这个实验,直至得出正确的结果。”然而,实验报告给出同样的结果。在1969年,姆佩巴和奥斯博尔内报导了他们的结果。

  同一年,科学上很常见的巧合之一,Kell博士独立地写了一篇文章,是关于热水比冷水先结冰的。Kell 显示,如果假设了水最初是透过蒸发冷却,和维持均匀的温度,这样,热水就会失去足的质量而首先结冰。Kell因此表明这种现象是真的,而且能够用蒸发来解释。然而,他不知道Osborne的实验。Osborne测量那失去的质量,发现蒸发不足以解释此现象。后来的实验采用密封的容器,排除了蒸发的影响,仍然发现热水首先结冰。