爸爸问小白:“给你两杯相同的牛奶,一杯热牛奶,一杯常温牛奶,如果将这两杯牛奶同时放入冰箱冷冻,谁会先结冰?”
小白不假思索地回答:“肯定是常温牛奶喽,热牛奶还需要变凉,然后才能变成冰。”
爸爸说:“不一定哦!”
说完,他们做了一个实验。将两杯温度不同的牛奶同时放入了冰箱,果然,实验的结果是热牛奶先结冰。
小白顿时难以置信,迫不及待地让爸爸赶快给他做出解释。
这就是物理学中的姆佩巴效应。1963年的一天,在地处非洲热带的坦桑尼亚的一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后,准备放进冰箱里做冰淇淋。他想,如果等热牛奶凉后放入冰箱,那么别的同学将会把冰箱占满,于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久,他打开冰箱一看,令人惊奇的是,自己的那杯热牛奶已经变成了一杯可口的冰淇淋,而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。
这种现象到现在还没有哪一位科学家能够给出确切的解释,不过最有权威、最有说服力的是这种说法:引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。
盛有初温4℃冷水的杯,结冰要很长时间,因为水和玻璃都是热传导不良的材料,液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降,体积膨胀,密度变小,就集结在表面,所以水在表面处最先结冰。其次是冰向底部和四周延伸,进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时,内层的水与外界的空气隔绝,只能依靠传导和辐射来散热,所以冷却的速率很小,阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。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℃热水的杯,冷冻的时间相对来说要少得多,看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖,看不到“冰壳”形成的现象,只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶(在初温低于12℃时,看不到这种现象)。随着时间的流逝,冰晶由细变粗,这是因为初温高的热水,上层水冷却后密度变大向下流动,形成了液体内部的对流,使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。
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,在单位时间内的内能损耗较大,冷却速率也较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时,水面就开始出现冰晶。初温较高的水,生长冰晶的速度较快,这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故,最后可以观察到冰盖还是形成了,冷却速率变小了一些,但由于水内部冰晶已经生长而且粗大,具有较大的表面能,冰晶的生长速率与单位表面能成正比,所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。
小白听了之后,说:“这真是太奇妙了。”
爸爸鼓励他,说:“好好学习科学知识,很多现象以后还要靠你们去给予科学的解释呢。”
大自然中有很多奇怪的现象,而这些现象并没有让人很信服的科学解释。科学是严谨的,也是不断发展的,还有很多未知的领域等着人们去开发,去探索。