姆潘巴现象的原因是什么?(姆潘巴现象原理)

姆潘巴现象是一种违背人们认知的特殊现象。温度略高的液体会比温度略高的液体先结冰。在我们的认知中，每个人都会被认为是傻瓜。培根和笛卡尔都发现了，但直到1963年，坦桑尼亚的一名学生才注意到。姆潘巴现象的原因是什么？是真的吗？

姆潘巴现象介绍：

在质量相同、冷却环境相同的情况下，温度略高的液体比温度略低的液体(非纯水)先结冰，称为姆潘巴现象·以姆潘巴的名字命名。对于姆潘巴现象，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。但任何解释都很难说服，因为这种效果不可靠，冷水的冻结速度往往超过热水。

发现姆潘巴现象：

亚里士多德、培根和笛卡尔都以不同的方式描述了这一现象，但都没有引起广泛关注。1963年，马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常和同学们一起做冰淇淋。在这样做的过程中，他们总是先牛奶，加糖，冷却后倒入冰箱，然后放入冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱里几乎没有空间放冰格。为了抓住冰箱的剩余空间，姆潘巴不得不迅速煮牛奶，加糖，等不及冷却，把热牛奶倒进冰箱，送到冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他非常困惑的现象：他放的热牛奶已经变成了冰，其他学生放的冷牛奶仍然是非常厚的液体。可以合理地说，水温越低，结冰速度越快，牛奶中含有大量的水，冷牛奶应该比热牛奶结冰速度快，但事实怎么逆转呢？

姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他咨询了几位物理老师，但没有得到答案。一位老师觉得他提出的问题很奇怪，几乎很荒谬。他用讽刺的语气说：你说的叫姆潘巴物理！然而，执着的姆潘巴并不认为他的问题很荒谬。他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士访问他们学校的机会，提出了自己的问题。医生没有嘲笑他的问题。回到实验室后，医生根据姆潘巴的陈述进行了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，观察到了姆潘巴描述的颠覆常识的奇怪现象。因此，他邀请姆潘巴和他一起深入研究这一现象。1969年，他和丹尼斯·奥斯伯恩博士写了一篇关于这种现象的论文，所以这种现象被命名为它的名字。

姆潘巴现象的原因：

1.物理原因：

在物理上，冷却有四种共存机制：辐射、传导、蒸发和对流。通过实验观察和比较结果，发现热水比冷水先结冰的主要原因是传导、蒸发和对流的综合作用。盛有初温4℃冷水杯需要很长时间才能结冰，因为水和玻璃是热传导不良的材料，液体内的热量很难通过传导有效地传递到表面。由于温度下降、体积膨胀、密度降低，杯中的水聚集在表面。因此，水首先在表面结冰，然后延伸到底部和周围，然后形成一个封闭的冰壳。此时，内部水与外部空气隔离，只能依靠传导和辐射来散热，因此冷却速度很小，防止或延缓了内部水温的正常下降。另外由于水结冰时体积要膨胀，已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。

盛有初温100℃热水杯，冷冻时间相对较少，现象是表面冰层不能连接成冰盖，看不到冰壳 针状冰晶沿冰水界面生长。随着时间的推移，冰晶由细变厚，这是因为初温高的热水，上水冷却后密度变大，形成液体内部对流，使水分子围绕各自的结晶中心形成冰。初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大，正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖。由于热传递和相变潜热，单位时间内能损耗大，冷却速率大。当水温下降到0时℃当温度足够低时，冰晶开始出现在水面上。初温较高的水，冰晶生长速度较大，这是由于冰盖没有形成和对流剧烈，最终可以观察到冰盖或形成，冷却速度较小，但由于水晶生长厚，表面能量较大，冰晶生长速度与单位表面成正比，因此生长速度仍远快于初温水。

2.生物原因：

就像雨滴的形成需要凝结核一样，水需要形成冰，水中有许多结晶中心。水中的微生物通常是结晶中心。一些微生物在热水中繁殖速度比冷水快。这样，热水中的结晶中心远远超过冷水中的结晶中心，加速了热水结冰的协同作用：围绕结晶中心生长子晶，子晶是外延结晶的晶核。对流使各种方向的分子流过子晶体，依靠晶体表面的分子力，抓住适当方向的水分子，延伸分子作为许多晶粒有序排列，悬浮在水中。晶体释放的能量通过对流释放，相邻的冰粒连接成冰，直到水完全冻结。

姆潘巴现象是假的吗？

乔纳森·通过对姆潘巴现象的深入研究，卡茨抓住了隐藏的鬼魂。他证实，这种现象不仅是真实的，而且鬼魂也是真实的。然而，鬼魂只是隐藏在水中的一些普通硬物。我们知道，一些隐藏在水中的易溶性硬物，如碳酸钙和碳酸镜，在加热过程中会被驱逐出来形成沉淀物。水壶内壁附着在我们日常生活中的常见水垢是它们被驱除的证据。当水达到沸点时，它会被大部分硬物去除而软化。卡茨发现，同样是冷冻结冰，未加热的硬水在结冰过程中，由于其内部硬物，硬水冰点低于加热的软水冰点，这减缓了硬水结冰的速度。这个原理就像下雪后在路上撒盐会防止结冰一样。盐的混合会降低雪的冰点，从而延长雪结冰的过程。

但这一发现并不能直接解决姆潘巴的现象，因为姆潘巴的学生在做冰棋的过程中先煮生牛奶。那为什么姆潘巴的热牛奶会先冻结呢？ 卡茨发现原因是水中的硬物:为了吃到美味的冰冷淋浴，他们在牛奶中加入糖，糖实际上会使牛奶液体变硬。然而，对于同样煮熟和加糖的牛奶，热牛奶液体的硬度实际上略低于冷牛奶。硬度的差异导致冰点的差异，而硬度较高的冷牛奶冰点相对较低。这样，冰点略高的热牛奶自然要比冰点略低的冷牛奶要先结冰了。

当然，还有另一个原因可以降低低温水的结冰速度，因为实验证明，热量从水中流失的速度取决于温差，也就是说，在相同的低温环境下，温度相对较高的水的散热速度快于温度相对较低的水。换成牛奶也是如此。但并非每次都会出现，卡茨认为，原因是实验者一开始就用软水。使用相同的软水进行冷热实验，因为水的冰点相同，散热速度对冰速的影响很小，所以姆潘巴现象并不那么明显。一些科学家指出，卡茨的发现很可能不是姆潘巴现象的最终答案，但与现有答案相比，答案是最令人信服的。