开水和凉水哪个先冻成冰块? 凉开水是温水还是凉水

时间:2021-11-30 01:19:37 作者:admin 4525
凉开水是温水还是凉水

开水和凉水哪个先冻成冰块?

开水和凉水哪个先冻成冰块?

在我们的直观印象中,如果把一杯热水和一杯冷水同时放入冰箱,那么应该是冷水先结成冰,我们的判断依据,一方面是热水要冻成冰块,其所释放出来的热量肯定要比冷水多,在相同的制冷条件下,热水释放能量的时间要比冷水长;另一方面,热水在冷却的过程中,肯定要先到达冷水的温度,然后再继续冷水的凝结过程,因此所花费的时间较长。但是,这仅是我们的直觉,实际上在很早的时候,亚里士多得、笛卡尔等科学家都曾经描述过与直觉相反的水冷却现象,而在1963年的时候,当姆潘巴在做热牛奶与凉牛奶冷却实验时,通过多次实验对比,发现温度略高的牛奶比温度略低的牛奶要先凝固,他的导师也通过多次实验印证了这一结论,后来人们将这一现象称为姆潘巴效应。

当我们在家重复做这个实验的时候,结果可能不一样,有时会热水先冻结,有的时候冷水会冻结,之所以这样,是因为姆潘巴效应的出现,需要相对严格的条件,比如热水和冷水要来源于同一水源,容器形状要完全一致,冷却条件要完全相同,更重要的是,热水和冷水的温差不能太大,如果你拿90摄氏度的热水与1摄氏度的冷水相比,那肯定是冷水先结成冰。如果我们在相同的实验条件下,拿50摄氏度的水与40摄氏度的水相比,那极有可能是50摄氏度的水先结冰。

为什么会出现这种情况呢?我们首先来看一下水结冰的过程,水从液态变为固态,实质上是水分子在一定的温度和压强条件下,其排列结构的重新组合过程。具体来说,就是在水分子中,除了氢和氧之间构成的化学键之外,还存在着水分子中的氢原子与另外水分子中的氧原子构成的氢键,这种氢键的作用力,比分子内部的化学键的强度要弱,但要比水分子与水分子间的范德华力要大得多,而决定着水相态的主要因素就在于氢键的作用力大小,当温度降到冰点时,水分子之间的运动速度降低,当不能达到挣脱氢键的程度时,水分子与水分子之间就会通过氢键,有规则地排列起来,对外表现为固态的形式。

而在水的结冰过程中,并不是所有水分子所在区域,都均匀出现这种排列的规律性组合,而是先从一定的结晶核开始,这是因为当温度降低时,一杯水中的水分子,其热量散失、即运动动能的转化速率是不同的,一旦结晶核形成,那么在水分子运动过程中流经结晶核的区域,就会被氢键所俘获,从而使结晶核越长越大,直至整杯水都变为固态。因此,决定着一杯水结冰速率的快慢,在基本条件都相同的情况下,主要由两个方面的因素来决定,一个是结晶核的数量,第二个是热量的散失效率。

从结晶核来看,水中的矿物质和因微生物、细小尘埃等构成的杂质是结晶核的主要来源。对于热水来说,在加热的过程中,其水中溶解的矿物质数量就越多,最后在冷却的过程中所聚集形成的晶核尺寸也要比冷水大,同时,较热的水还有利于微生物的生长,因此,温度较高的水相对于低温的水,其能够提供凝结的晶核数量要多一些,从水的内部发生凝结的几率和速率都要相对较高。这也是为什么用纯净水来做实验,很难出现姆潘巴效应的原因。

从热量散失的效率来看,由于热量的传输方式主要是热传导、热对流和热辐射3种形式,当其它条件相同的情况下,热水在冷却的过程中,所产生的冷热温度差比冷水要大,而且分布更不均匀,因此热对流的形式更加剧烈,因此,从热量传输的角度看,热水在内部温度场中进行能量交换的速率要比冷水快,散热效率也就更高一些。在这样的作用下,当表面及杯壁温度下降时,就会在比较剧烈的热对流作用下,使得不会像冷水那样形成“冰盖”,反而会形成“热顶”,这样的结果就造成了相对均匀、强度较高的散热过程,不像冷水那样被“冰盖”包裹拥有较低的散热效率。

当热水的温度降低到冷水之前一样时,这个时候“热顶”现象依然存在,只不过随着温度的降低,因“热顶”引发的散热作用越来越慢,但总体效率也要比冷水在相同的温度情况下要快许多。当水体中结晶核开始生成之后,由于原热水内部的分子运动较快,水分子与结晶核的接触频率要比原冷水大得多,加上原热水中结晶核数量比原冷水要多,因此以结晶核为中心,冰晶的生长速率也快出许多,于是形成了热水比冷水先结冰的现象。很多网友对东北地区的冬季,泼洒出的“滴水成冰”现象印象应该些许深刻,其中所应用的水是热水就是这个道理,因为在相同的条件下,热水的冷却速率要比冷水快,容易形成比较壮观的画面。

综合以上的分析,我们可以看出,姆潘巴效应的出现,来源于热水中的凝结核数量多、水的对流散热效率高这两个主要因素,而在较高的热运动和热对流速率之下,其所带来的温度下降以及结晶速率的提升,在一定程度上超过了热水冷却到原冷水的程度、以及原冷水到结冰所需要的时间总和。

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