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我来破解“姆潘巴现象”

“姆潘巴现象”需要解释的是,品质和体积一样、但温度不一样的两杯水,同时放入冷冻箱中,为什么温度较高的那杯水先结冰的问题。

这主要与水的热传递速度及水体大小有关。

根据热力学第二定律,热量总是从高温物体传到低温物体。我们知道温度较高的那杯水的分子运动速度,高于温度较低那杯水的分子运动速度,因此,温度较高的那杯水的热传递速度,要快于温度较低的那杯水的热传递速度,包括热传导速度、对流速度、热辐射速度和布朗运动速度。

有人会说,虽然水温较高的那杯水降温很快,但当两杯水的温度降到一致后,接下来就应该同时结冰。

可是他们忽略了一个现象:既使两杯水在零度以上时,温度已经一致,但此时两杯水的体积已经不一样了。

这是因为温度较高那杯水在冷冻环境下,首先在水面和杯壁内结成了冰壳,形成了冰腔,结冰的水体积膨胀,使热水分子活动空间变小,加大了水分子碰撞的频率,在某一节点上该杯水中心的温度可能有所升高。同时较多快速运动的水分子与冰腔发生完全非弹性碰撞,迅速加大了冰腔的厚度,而那些弹性碰撞的水分子返回后,又加速了不同温度水分子的混合、对流,水温进一步降低。随着水体愈发变小,压力增加、空气溢出,终因水体过小,热量被冰腔迅速吸收而全部结冰。

实际上两杯水结冰的过程是一样的,只不过温度较高的那杯水,结成冰腔的速度更快,决定了整杯水结冰的速度更快。如果两杯热水放在零度以上的环境,一般来说,温度较高的那杯水,降到环境温度的时间要长过温度较低那杯水的时间。

综上所述,我把“姆潘巴现象”的原因,归结为“冰腔原理”。

在自然界,由较大水体在低温下形成的冰腔,由于其中压力较大、空气溢出,冰腔中的水可以在很长时间不结冰,这是由于压力造成了一定程度的热平衡。一般来说,温度较高的水迅速结冰时,冰中的气泡比温度较低的水迅速结冰时的要多,其冰的体积也要大一些。这也是上述“冰腔原理”造成的。

峥嵘人

二0一二年七月十日

本文内容于 2012/7/31 0:08:47 被zhuminjie001编辑

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