同时把一杯冷水和热水放进冰箱，为什么热水先结冰？！

Question

如题所述

Answer 1

热水,由于温度原因,热水内外同时发生汽化而且快,而冷水只有表面挥发。
这是姆潘巴现象

科学的原理起源于实验的世界和观察的领域，观察是第一步，没有观察就不会有接踵而来的前进。

——门捷列夫（俄）

一、中学生姆潘巴的精心观察对权威的牛顿冷却定律提出挑战
我（姆潘巴）在坦桑尼亚的马干巴中学读三年级时，校中的孩子们做冰淇淋总是先煮沸牛奶，待到冷却后再倒入冰盘，放进电冰箱。为了争得电冰箱的最后一只冰盘，我决心冒着弄坏电冰箱的风险而把热牛奶放进去了。一个多小时以后，我们打开电冰箱，里面出现了惊人的奇迹：我的冰盘里的热牛奶已结成坚硬的冰块，而他们的冰里还是稠稠的液体。我飞快地跑去问物理老师，他淡淡地回答说：“这样的事一定不会发生。”
进入高中后，在学习牛顿冷却定律时，我又问物理老师，他同样轻率地否定了我的观察。我继续述说我的理由，可老师不愿意听，在一旁的同学们也帮着老师质问我：“你究竟相不相信牛顿冷却定律？”我只好为自己辩解：“可定律与我观察的事实不符嘛！”在同学们的讪笑声中，老师带着无可奈何的神情说道：“你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧！”从此以后，“姆潘巴的物理”便成了我的绰号，只要我做错一点，同学们就马上说“这是姆潘巴的什么……。”尽管如此，我仍然坚信我的观察是正确的，其中可能包含着更为深刻的道理。
就在这一年，坦桑尼亚最高学府达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来我校访问，我决心求助于博士，我向他讲述了我的奇遇。他先是笑了一下，然后认真地听取了我的复述，博士回校后亲自动手并观察到了同一事实。他高度评价了我的观察，他说：“姆潘巴的观察，事实上提出了权威物理学家可能遇到的危险，同时也对物理教师提出了一个感兴趣的问题。”
博士邀请我联名发表一篇论文，登载于《英国教育》，对热牛奶在电冰箱中先行冻结的现象作了介绍和解释。其主要内容是：
1．把牛奶换成水以后再进行观察，发现电冰箱中的热水仍在冷水之前冻结成冰。
2．把热水放入电冰箱冷却时，水的上表面（S）与底部（B）之间存在着显著的温度差。缓慢冷却时的温度差几乎是观察不到的。图1-1是初始温度分别为70℃（实线）和47℃（虚线）的水的S-B温度差随时间变化的观测记录图。从图中可看出，初始时，上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的水内产生的最高温度差接近14℃,而初温为47℃的水内产生的最高温度差只有10℃左右，这就是我们所观察到的冷、热水在急剧冷却时的重大差别。

此主题相关图片如下：

在以上定量观测的基础上，我们对热牛奶（或热水）先冻结的现象作出如下解释：
1．冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的，而是由液体上表面与底部的温度差决定的，热牛奶急剧冷却时，这种温度差较大，而且在整个冻结前的降温过程中，热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。
2．上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。
基于以上两方面的理由，热牛奶以更高的速度冷却着，这便是热牛奶先冻结的秘密。
除了作出热牛奶先冻结的解释外，我们还大胆地类推出一个有趣的“猜想”：在发生严重冰冻的日子里，热水管应该先于冷水管发生冻结，是不是这样呢？由于我们生活在赤道附近的坦桑尼亚，这里气候四季炎热，难以观察到这十分有趣的现象，欢迎能观察到这一现象的中学朋友们，为我们提供信息，共同讨论。
自从我们的文章发表后，世界上很多科学杂志都刊登了这一自然现象，认为这是对牛顿冷却定律的严峻挑战。而且还以我的名字把这一自然现象命名为“姆潘巴效应”。

Answer 2

姆潘巴现象，指在同等体积、同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。亚里士多德、培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象，但是均未能引起广泛的注意。1963年，坦桑尼亚的一位中学生姆潘巴在制作冰淇淋时发现，热牛奶经常比冷牛奶先结冰，1969年，他和丹尼斯·奥斯伯恩博士（Denis G. Osborne）共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以其名字命名。但是已经有实验证明它是错的

Answer 3

同时啊
根据热传递条件 他们是同时达到零摄时度的

Answer 4

同时冻结

Answer 5

假设热水可以比冷水先结冰，那么必要条件是或者热水的冰点比冷水高、或者热水的降温速度比冷水快。由于在常压下纯净的热水与冷水冰点相同，所以要证明姆潘巴现象就必须证明热水的降温速度快于冷水。
根据物理基础理论：热水的蒸发强度大于冷水而密度小于冷水。如果取两只相同的非密封容器，放入同质同量的水，一个为热水，另一个为冷水，把它们同时放进同一外部环境温度中。热水在降温过程中因蒸发而失去的水分比冷水多，所以初温高的水最终质量必然小于初温低的水，热水的降温速度也必然始终比冷水快。
如果取两只相同的密封容器，放入同质同量的水，一个为热水，另一个为冷水，把它们同时放进同一外部环境温度中。热水在降温过程中因密度增大、体积缩小而形成的容器内气压必然低于冷水因降温而形成的容器内气压，热水的沸点温度比冷水低并且对流强度大于冷水，热水在单位时间内失去的热量始终比冷水多，所以热水的降温速度必然始终比冷水快。同时，根据水的三相图理论：当水受到的气压降低时，冰点温度升高。初温高的开水因最终受到的气压低于初温低的冷水，所以开水的冰点高于冷水的冰点。 假设取两只相同的容器，分别放入1克热水和100克冷水，把它们同时放进冰箱，人们都会说是热水先结冰，因为热水的质量比冷水质量小，热水降温速度快。如果将热水的质量增加到2克，然后把它们同时放入冰箱，仍然会有人说热水先结冰，同样是因为热水的质量小于冷水的质量。但我们知道随着热水质量的增加，在冰箱冷冻室内的制冷强度条件不变时，需要比前面的实验花费更长的冷冻时间。
继续增加热水的质量，但恒小于冷水的质量，如果冰箱冷冻室内的制冷强度条件不变，当一定质量的热水降温到完全冻结所需要的时间与100克的冷水降温到完全冻结所需要的时间相等时，其结果是二者同时冻结，热水小于这个“定量”时可以先冻结，热水大于这个“定量”时则冷水先冻结。
如果改变冰箱冷冻室内的制冷强度条件，使得100克冷水降温到完全冻结需要更长的或无限长的时间，我们可以依次推理而得知：在这更长的或无限长的降温时间里，必然能让更多质量的热水或无限接近100克的热水与冷水同时冻结。当热水的最终质量小于“无限接近100克”，理论上热水能先冻结。
如果在两只相同的非密封容器中分别放入质量相同均为A克的热水和冷水，将二者同时放入冰箱以后，由于热水的蒸发强度大于冷水，在降温过程中因蒸发而失去的水分比冷水多，热水在降温过程中质量始终小于冷水，其降温速度必然始终比冷水快，在经过某一时间段降温后二者的温度将相等，继续降温热水先冻结。如果要满足二者同时冻结条件，需要增加热水的初始质量，设需要增加热水的初始质量为B，且0<b<B，那么当冰箱冷冻室内的制冷强度条件使得初始质量为A克的冷水降温到完全冻结需要无限长的时间时，初始质量为A克+b的热水可以先冻结。热水的最终质量小于冷水，二者受到的气压相等。
如果在两只相同的可密封容器中分别放入质量相同均为A克的热水和冷水，将二者同时放入冰箱以后，热水因降温而密度增大、体积减小，容器内的气压将低于冷水容器内的气压，此时热水的沸点温度低于冷水而对流强度大于冷水，单位时间内容器与外界环境热交换而失去的热量更多，所以热水的降温速度始终比冷水快，当冰箱冷冻室内的制冷强度条件使得冷水降温到完全冻结需要无限长时间，那么在经过某一时间段的降温后，热水与冷水的温度将相等，继续降温则热水先冻结。如果要满足二者同时冻结条件，同样需要增加热水的初始质量，设需要增加热水的初始质量仍为B，且0<b<B，那么当冰箱冷冻室内的制冷强度条件使得初始质量为A克的冷水降温到完全冻结需要无限长的时间时，初始质量为A克+b的热水可以先冻结。热水的最终质量大于冷水而热水受到的气压小于冷水。
根据姆潘巴问题给出的已知条件我们可以知道，由于在常压条件下，相同容器中放入等容积的水，二者体积相等，100℃的热水密度小于35℃的冷水，因此热水的质量小于同体积的冷水，所以姆潘巴问题是讨论初始质量小的热水比初始质量多的冷水先结冰现象。现在我们知道：当冰箱冷冻室内的制冷强度条件使得初温低的冷水快速冻结，那么这个冷冻实验的结果一定是冷水比热水先冻结；当冰箱冷冻室内的制冷强度使得初温低的冷水需要很长时间或无限长的时间才能冻结，那么这个冷冻实验的结果必然是初温高的热水先冻结；当冰箱冷冻室内的制冷强度条件处于二者之间时，可以出现热水与冷水同时冻结的结果。