从“撒水成冰”说起.doc

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1、近几年，几乎每到冬天，各种“撒水成冰”的美仑美奂画面让人赞叹不已，人们不禁既赞美于美景，又惊讶于大自然的神奇：只有在非常寒冷的天气里，向天空中撒出热气腾腾的热水才能形成这种画面，撒冷水是无法形成的，也就是说，热水比冷水结冰更快！提到热水比冷水结冰更快，很多人就会想到大名鼎鼎的“姆潘巴现象”：在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。该现象是1963年一名叫姆潘巴的中学生发现的，也因而得名“姆潘巴现象”。其实，早在公元前350年，亚里士多德在《气象学》中已记录了这种奇怪的现象：黑海南岸Pontus居民冬季捕鱼在冰上搭建临时棚

2、屋时，为了让棚屋的立杆更好的固定在冰上，会在它们周围泼上热水，而不是冷水，使其快速结冰固定，因为泼热水结冰更快。当前对于“姆潘巴现象”解释最佳的是2012年英国皇家化学学会评选的尼古拉-布莱格威客的解释[1]：“只有当冷水有过冷现象出现时，且只有冷水的‘核温度’仅仅低于热水几度，热水才先于冷水结冰。把水加热会降低、升高瞬时结冰温度，或对其无甚影响。同时，还需强调对流的作用，因为它增加了热水先结冰的可能性。”该研究对“姆潘巴现象”的解释，令人信服，其中“把水加热会降低、升高瞬时结冰温度，或对其无甚影响”这句话，即“热水可能比冷水先结冰、后结冰或同时

3、结冰”，也解释了各种各样的“姆潘巴现象”实验为什么难以成功、或者成功后无法重现的问题。值得一提的是，2017年美国科学院院报发表了一篇论文，从理论上分析了“姆潘巴现象”发生的原因是热水状态（亚稳态）比冷水状态（亚稳态）到结冰状态（稳态）的变化速率快[2]。该些让普通人扑朔迷离的解释，更增加了“姆潘巴现象”的魅力。不过，相比较于“姆潘巴现象”的先结冰、后结冰或同时结冰，“撒水成冰”可是实实在在的撒热水能结冰、撒冷水就不能结冰的。在这里，“热水比冷水结冰更快”这一现象是肯定存在的，并且可以重现。所以“姆潘巴现象”的最佳解释无法解释“撒水成冰”。一、悬

4、空结冰我们在冬天早上，经常看到很多水洼结冰，但有时候早上特别冷、凌冽刺骨的时候，会出现小水洼里的水结冰后是空心的情况：“悬空结冰”。这就要用到水蒸汽的凝华来进行解释了。凝华，是物质跳过液态直接从气态变为固态的现象，是物质在温度和气压低于三相点的时候发生的一种物态变化，凝华过程物质要放热，反之，升华或汽化需要吸热。实际生活中我们其实经常遇到水蒸汽的凝华：冬天窗玻璃上形成的冰晶、树枝上的“雾凇”；夏天冰箱里拿出来的冰棍表面结的一层“霜”等等。而这个不常见的悬空结冰，也是水蒸汽凝华形成的。小水洼的水一直在不断蒸发，在晚上温度骤降的情况下，水面热传导降温

5、比较慢，还没来得及结冰，水蒸汽已经凝华结冰了，因为水蒸汽密度低，激冷立刻结冰。其最先结冰的位置，是小水洼边沿、水蒸汽上升刚从土坑露头的那一点。一旦边沿冰晶出现，迅速向水蒸汽来源处生长，即向下、向小水洼中心生长，向小水洼中心生长的更快，因为水蒸汽更多，很快就会把小水洼封闭起来，形成空心的悬空结冰；如果小水洼水不够，冰面就会封不住水洼；如果水洼过大，冰面因重力原因会向下移位，或者生长时间过长，中心处水面已经降温结冰，与悬空的冰面形成一个整体，成为普通的结冰。这种因水蒸发而悬空结冰的量是很可观的，一晚上能形成一厘米厚的冰。现在来看“撒水成冰”。热水撒出

6、成雾，水表面积极度扩大，成为表面水的高温水迅速汽化，汽化后的水蒸汽遇到激冷、热量瞬间被低温环境移走、迅速凝华成冰；同时，表面水汽化时，要吸收大量的热，于是吸收了内层水的热量，导致内层水的温度迅速降低。这两方面的效应，造成热水雾迅速结冰，形成冰雾。而冷水撒出虽然也形成水雾，但表面水温度低，汽化少，表面水无法凝华成冰、只能慢慢热传导来降低温度；内层水降温更慢，所以无法在极短的滞空时间里冻成冰。以90度热水为例，90度热水的汽化潜热为2283KJ/KG、焓为377KJ/KG，水凝固潜热为335KJ/KG，则1千克90度水汽化可以导致3.2千克的90度的

7、水结冰。二、一种新的“姆潘巴现象”再来看看“姆潘巴现象”，为了让热水比冷水结冰更快，可以试试热水的水蒸汽凝华结冰。姆潘巴是在做冰淇淋时发现“姆潘巴现象”的，容器应该是塑料类的冰格，这是导热很慢的材质，其主要传热要靠杯口上表面来传热。可以设计一个四周及杯底绝热的杯子，热水的温度要确保热水蒸发出的水蒸汽足够多受冰箱激冷后可以在杯口形成“悬空结冰”、又不会因温度过高而融化“悬空结冰”，而冷水的温度要确保蒸发的水蒸汽足够少，形成不了悬空结冰，这样热水杯口结一层冰肯定比冷水表面结冰快。如果考虑到是水完全结冰，热水有水蒸汽蒸发来降低水体温度，肯定比冷水通过导

8、热降温快；当热水与冷水表面温度差不多时，悬空结的冰要已经生长到接近水面，水蒸发依然强劲，直到冰面与水面接触，冰的导热系数在0℃时近似为同