TA的每日心情 | 2020-3-30 15:03 |
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穆宾巴效应
人们通常会认为,一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱中,冷水结冰快。事实并非如此,1963年,在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托穆宾巴的学生在热牛奶中加了糖后,准备放入冰箱里做冰激凌。他想,如果等热牛奶凉了之后再放入冰箱,别的同学就会把冰箱占满,于是就将热牛奶放入了冰箱。过了不久,他发开冰箱一看,令人惊奇的是别的同学用冷水做的冰激凌还没结冰,而他用热牛奶做的却已经变成了一杯可口的冰激凌。他的这一发现并没有引起老师和同学的注意,相反成为他们的笑料。穆宾巴把这一现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博内尔博士。奥斯博内尔听了他的叙述后也深感惊奇,但他相信穆宾巴讲的一定是事实。尊重科学的奥斯博内而又进行了试验,其结果也与穆宾巴的叙述完全一致。这就确切的肯定了在低温环境中,热水比冷水洁冰快。此后世界上有很多科学杂志载文介绍了这种自然现象,还将这种现象命名为“穆宾巴效应”。
2穆宾巴效应由来已久
公元前300年的亚里士多德就曾经写道:“先前被加热过的水,有助于它更快的结冰。因此,当人们想去冷却水的时候,他们会选择较热的水。”到了十七世纪初,此现象似乎成了一种常识。1620年,培根写道:“水轻微加热后,比冷水更容易结冰。”不久以后,狄卡尔说:“经验显示,放在火上烧一段时间的水,能比其他水更快的结冰。但在20世纪前,此现象只被视为民间传说,直到1969年才被穆宾巴再次在科学界提出。自此之后,很多实验证实了穆宾巴效应的存在,但一直没有一个唯一的解释。
3令人费解的核心问题
一般人会认为,热水比冷水先结冰是绝对不可能的事情。为了便于说明问题,我们引入一些数据,想法如下:1,10度的水降温至结冰需要花10分钟。那么50度的水必须要先花一段时间降温至10摄氏度,然后再花10分钟降温至结冰,所以,热水比冷水结冰慢。2,将50度的水和10度的水同时放入冷冻室,尽管热水由于对流快而降温快,而当两者的温度降至相同后就会以同样的速度冷却,二者将同时结冰。所以,热水比冷水先结冰是不可能的。
4 令人信服的解释及与之吻合的实验
笔者为了解释上述令人费解的问题作了大量的试验,惊奇的发现,不同初温的水结成的冰的结构不同。这就启发笔者观察水正在结冻时的情况。结果果然不同。冷水在结冰时,并呈包围状由外向内层层结冻。而热水则多数是:先在内外同时形成絮状冰,然后迅速同时结冰。这足以证明冷水结冻时内部还没能达到冰点。而热水由于对流较强内外同时冰点,这种水在絮状冰出现时仍然存在,能把内部散热及时导出,所以这种水先完全结冰。热水最后结成冰是上下纵向排列的“立茬冰”,这就是絮状冰出现时上下对流仍然存在的证据。冷水结冰时由外向内层层进行的,只有外层冰温度低于零度后,才能使内层散热开始结冻,其结冻时一热传递途径为主散热,所以从开始结冰到完全结冻需要更长的时间。
前提到的令人费解的问题可以如下解释:50度的水降到10度时,由于降温过程中对流已经形成,由于惯性,此时的水是流动的。而原来就是10度的水则是无流动的“死水”。这样,原来50度的水降到10度后,再到结冰的时间,就比原来10度的水到结冰所用的时间少。当然,也有可能出现另一种情况,将50度和10度的两杯等质量水同时进行冷却,初温10度的水先在表面结冰,但是,因为50度的水比原来10度的水对流速度快,内外温度更均匀,所以50度的水一旦开始结冻,则几乎内外同时结冻,率先完全结冰。
5 对穆宾巴效应的误解
到底什么是穆宾巴效应?按照穆宾巴试验的本质来说:同样的周围环境条件下,热水比冷水先完全结冻的现象极为穆宾巴效应。穆宾巴效应是在一定条件下发生的,而不是在任何情况下都会产生穆宾巴效应。认为热水比冷水先开始结冰是错误的。认为温度越高结冰越快也是错误的。穆宾巴效应能否发生与冷冻室的温度和液体的初始温度差、容器的形状、和液体的多少都有重要关系。
6能否形成絮状沉淀是能否出现穆宾巴效应的关键
如果两杯水的初温与冷冻室温度差都低于20度,冷却时均难形成较强对流,则散热都已热传递为主,这样两杯水同时冷却则初温低者先结冰;若两杯水初温与冷冻室温度差不同时,且只有初温高者对流强,可以形成絮状冰而内外同时结冻,则初温高者先完全结冻; 若两杯水温度都较高,而初温低者率先形成絮状冰,则初温低者先完全结冰。所以,并非温度越高结冰越快,也并非温度越低结冰越快.
7失败实验佐证了对流是穆宾巴效应的根源
在进行结冻实验时发现,容器的选择,放水的多少后会影响结冰情况.水太浅时,不会发生穆宾巴效应,因为这时散热以上下表面为主,对流散热为辅;容器太小也不行,因为这是散热以侧面为主;水太少也不行,因为这时四周散热为主。只有在试验中热水以对流为主,而冷水对流很弱时,穆宾巴效应才会发生。因此要想做到试验必须选择适当的容器,一般用玻璃杯,水深为杯口直径的1.5倍左右
8 研究穆宾巴效应在当代的意义
破解穆宾巴之谜,使人们的好奇心得以满足是小事,他于现代生命研究密切相关。生命实现速冻速解可以复生,而人类迄今只能对精子,卵子,简单组织和某些器官进行速冻储存,而对生物体的冷冻存储技术仍在研究中其难点就在整体的速冻速解。而穆宾巴效应与此不谋而和。
9研究结论
穆宾巴效应确实存在;热水可能比冷水先达到冰点;热水有时尽管比冷水后达到冰点,却能率先完全结冰;不同初温的水结成的冰结构不同;穆宾巴效应只有在热水以对流为主要散热途径,而冷水对流很弱是才可能发生。
注意:本篇文章采自《科学与创新》作者罗耀春
对这个理论你信服吗? |
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