冷水和熱水，誰的結冰速度更快？把一杯冷水和一杯熱水同時放進冷凍室，哪杯水會先結冰？對于這個問題，我們的直覺告訴我們，冷水的結冰速度更快，因此必定是冷的那杯水先結冰。然而實際情況卻并非這麼簡單，早在1461年，物理學家喬瓦尼.馬利亞尼（Giovanni Marliani）就已經明确地指出，在有些時候，熱水會比冷水更快地結冰，但這在當時并沒有得到重視。

讓科學界真正注意到這個現象的，是一位名為伊拉斯特.姆潘巴（Erasto Mpemba）的學生，1963年，姆潘巴在自制冰淇淋的時候，無意中發現了這種現象，但當他将這個發現告訴了他的老師和同學時，卻沒有人相信他。

不甘心的姆潘巴又想辦法找到了物理學家丹尼斯.奧斯本（Denis Osborne），後者雖然也不大相信，但為了鼓勵姆潘巴的求知精神，他還是為此精心設計了一系列的實驗，令他感到驚訝的是，實驗結果顯示了姆潘巴觀測到的現象真的存在，确實是在有些時候，熱水的結冰速度更快。

（兩人在2013年的合影，右邊是姆潘巴）

1969年，丹尼斯.奧斯本和伊拉斯特.姆潘巴共同發表了一篇論文，詳細地描述了這種有違常理的現象，不久以後，人們從實驗中證實了這種現象的存在，于是正式将這種現象命名為“姆潘巴現象”（Mpemba Effect）。這就意味着，在我們把一杯冷水和一杯熱水同時放進冷凍室之後，有可能是熱的那杯水先結冰。

那麼這到底是怎麼回事呢？事實上，這是一個還未完全解開的科學謎題，不過人們還是提出了多種解釋，下面我們就來介紹幾個比較主流的解釋。

在相同的外部條件下，較冷的水總是會溶解更多的氣體，而溶解在水中的氣體分子會使它周圍的水分子排列得更加緊密，這就抑制了水的對流，進而使冷水的結冰速度比比熱水更慢。

熱水會因為蒸發而損失質量，并且在蒸發過程中熱水的熱量将會更快地散發出去，更小的質量加上更快的散熱速度，就可能導緻熱水的結冰速度更快一些。

在我們把一杯水放進冷凍室之後，杯子裡的水的降溫幅度并不是均勻的，具體表現在靠近杯壁的水将會迅速降溫，但其内部的水溫下降幅度卻很小，于是這兩者之間的溫度将産生了差異，從而形成了一個熱梯度，這有利于水的對流。

在不斷冷卻的過程中，這種熱梯度将會一直存在，并且溫度越高的水熱梯度就越大，其内部的對流就會更強，所以熱水就比冷水冷卻得要快一些，而當熱水的溫度降到與同時放入的冷水一緻時，其内部的對流依然比冷水激烈（類似慣性效果），并因此而比冷水更快地結冰。

水結冰需要兩個條件，第一是溫度低于零攝氏度，第二是必須存在晶核。這個晶核是指水在開始結晶時所必需的固體微粒，它可以是水中的雜質，也可以依靠外部能量在水中自發生成。因此可以說，在水中不存在雜質，并且沒有受到外部能量影響的情況下，水就可以在零攝氏度以下保持液态，這種水就被稱為過冷水。

（圖為過冷水受外部能量影響後迅速結冰）

需要注意的是，在水中雜質極少的情況下，依然可以形成過冷水，這種過冷水需要在更低的溫度下才能結冰，有實驗表明，在這種情況下，冷水的過冷溫度總是比熱水的低。

比如說如果冷水需要零下8攝氏度才能結冰，而熱水隻需要零下2攝氏度，那麼當冷水和熱水的溫度都降到零下2攝氏度的時候，熱水就算結冰，而冷則會繼續保持液态。甚至在相同時間内，冷的溫度已降至零下7攝氏度，而熱水才剛剛降到零下2度，在這種情況下，盡管冷水的溫度更低，但熱水的結冰速度還是更快。

單個的水分子是由一個氧原子和兩個氫原子通過“共價鍵”組成，簡單地講，“共價鍵”就是兩個或多個的原子之間通過共用外層電子而形成的化學結構，而由于共用電子呆在氧原子的這一頭的時間，要比呆在氫原子這一頭的要多很多，因此總體上水分子的氧原子這一頭表現為帶負電荷，而氫原子這一頭則帶正電荷。

在這種情況下，多個水分子之間就會相互吸引，這種相互作用被稱為“氫鍵”，科學家發現溫度的高低會影響液态水中的“共價鍵”和“氫鍵”的長度，即熱水的“氫鍵”比冷水的更長，而“共價鍵”則會比冷水更短。

也就是說，水分子内的“共價鍵”會随着溫度的下降而變長，同時水分子間的“氫鍵”則會變短，需要注意的是，這是其實是一個釋放能量的過程，并且随着降溫過程的持續，這個放能的速度将以指數級的形式增加。

在我們把一杯冷水和一杯熱水同時放進冷凍室之後，由于熱水的“氫鍵”更長、“共價鍵”更短，因此這杯熱水放能的初始值就比冷水高，所以說在相同的時間裡，熱水釋放能量的速度會超過冷水，結冰的速度也就更快。

需要指出的是，“姆潘巴現象”并不是每次都會發生，而上述的對“姆潘巴現象”的解釋都有一定的局限性，它們要麼不能解釋所有已觀測到的“姆潘巴現象”，要麼就是沒有直接的實驗證據。就目前來看，關于“冷水和熱水，誰的結冰速度更快？”這個問題，仍然是一個還未完全解開的科學謎題。

好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見`

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