姆佩巴效應(yīng)是指熱水快速凍結(jié)現(xiàn)象，是以坦桑尼亞學(xué)生埃拉斯托·姆佩巴的名字命名。對于姆佩巴效應(yīng)，物理學(xué)家曾提出幾種可能的假設(shè)，其中包括水分更快蒸發(fā)導(dǎo)致熱水體積變小，一層霜隔絕了溫度更低的水以及溶質(zhì)濃度存在差異。但任何一種解釋都很難讓人信服，因為這種效應(yīng)并不可靠，冷水凍結(jié)速度往往還是超過熱水。

 簡介

姆佩巴效應(yīng)

姆佩姆巴效應(yīng)指在同等體積、同等質(zhì)量和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結(jié)冰的現(xiàn)象。亞里士多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現(xiàn)象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦桑尼亞的馬干巴中學(xué)三年級的學(xué)生姆潘巴經(jīng)常與同學(xué)們一起做冰淇淋吃。在做的過程中，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后倒入冰格中，再放進(jìn)冰箱冷凍。有一天，當(dāng)姆潘巴做冰淇淋時，冰箱冷凍室內(nèi)放冰格的空位已經(jīng)所剩無幾。為了搶占剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就把滾燙的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一個半小時后，姆潘巴發(fā)現(xiàn)了一個讓他十分困惑的現(xiàn)象：他放入的熱牛奶已經(jīng)結(jié)成冰，而其他同學(xué)放的冷牛奶還是很稠的液體。

照理說，水溫越低，結(jié)冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，應(yīng)該是冷牛奶比熱牛奶結(jié)冰速度快才對，但事實怎么會顛倒過來了?姆潘巴把這個疑惑從初中帶到了高中。他先后請教了幾個物理老師，都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題怪異得近乎荒唐，就用嘲諷的口吻說：你說的這些就叫做姆潘巴現(xiàn)象吧!但執(zhí)著的姆潘巴并沒有認(rèn)為自己的問題很荒唐，他抓住達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系系主任奧斯波恩博士到他們學(xué)校訪問的機會，又提出了自己的疑問。這位博士并沒有對他的問題嗤之以鼻?；氐綄嶒炇液?，博士按照姆潘巴的陳述做了冷熱牛奶實驗和冷熱水物理實驗，結(jié)果都觀察到了姆潘巴所描述的顛覆常識的怪現(xiàn)象。于是，他邀請姆潘巴和他一起對這個現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士(Denis G. Osborne)共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以其名字命名。

由來

姆佩巴效應(yīng)

公元前4世紀(jì)，亞里斯多德首次發(fā)現(xiàn)姆佩巴效應(yīng)。他這樣寫道：“之前被加熱的水凍結(jié)速度更快。因此，在希望快速冷卻熱水的時候，很多人會首先將它放在陽光下加熱。”

弗朗西斯·培根也曾發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。他在1620年寫道：“與溫度極低的水相比，溫度稍高的水更容易凍結(jié)。”萊恩·笛卡爾在1637年指出：“經(jīng)驗告訴我們，在火上長時間加熱的水凍結(jié)速度超過其他水。”

上世紀(jì)60年代，這種效應(yīng)開始走進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)界的視線。當(dāng)時，坦桑尼亞學(xué)生姆佩巴對他的老師說，通過將一種加熱過的混合物放入冰箱，他能夠以比正 常情況更快的速度制作冰激凌。這種觀點一度讓姆佩巴成為同學(xué)們的笑柄，直到學(xué)校的一名督學(xué)在達(dá)累斯薩拉姆重復(fù)這項實驗證明他的話所言非虛，姆佩巴才得到 “平反”。

原因

姆佩巴效應(yīng)

根據(jù)中學(xué)物理理論：熱水與冷水在同質(zhì)同量同外部環(huán)境溫度條件下不但它們的溫度在變化，它們各自的密度、體積、質(zhì)量和密封狀態(tài)下受到的氣壓等等都在發(fā)生變化，使得初溫高的水降溫速度始終快于初溫低的水，只要外部環(huán)境溫度持續(xù)下降，最終必然是初溫高的水溫度更低。(注：在常壓條件下，當(dāng)二者初始溫度均不低于4℃時恒成立;當(dāng)二者初溫均不高于4℃時不成立;當(dāng)二者中其一不高于4℃，另一不低于4℃時，則需針對它們的初始溫度、密度、體積、質(zhì)量和密封狀態(tài)下的氣壓等展開討論。)姆潘巴問題討論初始溫度分別為35℃的水和100℃的水，二者均高于4℃，因此會產(chǎn)生姆潘巴現(xiàn)象。

1.冰箱溫度并不均勻，如果姆潘巴將其冰盒正巧放在冷卻管附近，甚至與冷卻管相接觸，完全有可能熱牛奶比冷牛奶先結(jié)冰;

2.如果姆潘巴不喜歡吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因為匆忙沒來得及攪拌、糖粒沉在盒底形成固體，實驗證明可先結(jié)冰;

3.姆潘巴自制的冰淇淋中不僅牛奶加糖，還加入了淀粉類物質(zhì)，在其少放糖、少放牛奶時會先結(jié)冰;

4.擺放的位置靠近冰箱導(dǎo)熱管。

歷史

熱水比冷水更快結(jié)冰的事實已被知道了很多個世紀(jì)。最早提到并記載此一現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，可追溯到公元前300年的亞里士多德，他寫道：“先前被加熱過的水，有助于它更快地結(jié)冰。因此當(dāng)人們想去冷卻熱水，他們會先放它在太陽下。”

但在20世紀(jì)前，此現(xiàn)象只被視為民間傳說。直到1969年，姆佩巴效應(yīng)才由姆佩巴及其導(dǎo)師奧斯博爾內(nèi)再次在科學(xué)界提出。自此之后，很多實驗證實了姆佩巴效應(yīng)的存在，但沒有一個唯一的解釋。

大約在1461年，物理學(xué)家 Giovanni Marliani 在一個關(guān)于物體怎樣冷卻的辯論上，說他已經(jīng)證實了熱水比冷水更快結(jié)冰。他說他用了四盎司沸水，和四盎司未加熱過的水，分別放在兩個小容器內(nèi)，置于一個寒冷冬天的屋外，發(fā)現(xiàn)沸水首先結(jié)冰。但他沒能力解釋此一現(xiàn)象。

到了十七世紀(jì)初，此現(xiàn)象似乎成為一種常識。1620年培根寫道“水輕微加熱后，比冷水更容易結(jié)冰。”不久之后，笛卡兒說"經(jīng)驗顯示，放在火上一段時間的水，比其它水更快地結(jié)冰。"

直至1969年，那已是Marliani實驗500年之后，坦桑尼亞中學(xué)的一個命叫埃拉斯托·姆佩巴的中學(xué)生再發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象的故事，被刊登在《新科學(xué)家》(New Scientist)雜志。這個故事告訴科學(xué)家和老師們，不要忽視非科學(xué)家的觀察，和不要過早下判斷。

1963年，埃拉斯托·姆佩巴正在學(xué)校造雪糕，他混合沸騰的牛奶和糖。本來，他應(yīng)該先等牛奶冷卻，之后再放入冰箱。但由于冰箱空間不足，他不等牛奶冷卻，就直接放入去。結(jié)果令他很驚訝，他發(fā)現(xiàn)他的熱牛奶竟然比其同學(xué)的更早凝固成冰。他問他的物理老師為什么，但老師說，他一定是和其它同學(xué)的雪糕混淆了，因為他的觀察是不可能的。

當(dāng)時姆佩巴相信他老師的說法。但那一年后期，他遇見他的一個朋友，他那朋友在 Tanga 鎮(zhèn)制造和售賣雪糕。他告訴姆佩巴，當(dāng)他制造雪糕時，他會放那些熱液體入冰箱，令他們更快結(jié)冰。姆佩巴發(fā)覺，在Tanga鎮(zhèn)的其它雪糕銷售者也有相同的實踐經(jīng)驗。

后來，姆佩巴學(xué)到牛頓冷卻定律，它描述熱的物體怎樣變冷(在某些簡化了的假設(shè)下)。姆佩巴問他的老師為什么熱牛奶比冷牛奶先結(jié)冰。這位老師同樣回答是一定姆佩巴混淆了。當(dāng)姆佩巴繼續(xù)爭辯時，這位老師說：“所有我能夠說的是，這是你姆佩巴的物理，而不是普遍的物理。”從那以后，這位老師和其它同學(xué)就用“那是姆佩巴的數(shù)學(xué)”或“那是姆佩巴的物理”來批評他的錯誤。但后來，當(dāng)姆佩巴(Mpemba)在學(xué)校的生物實驗室，嘗試用熱水和冷水做實驗時，他再一次發(fā)現(xiàn)：熱水首先結(jié)冰。

更早時，有一位物理教授奧斯博爾內(nèi)博士訪問姆佩巴的那間中學(xué)。姆佩巴問他這個問題。奧斯博爾內(nèi)博士說他想不到任何解釋，但他遲些會嘗試做這個實驗。當(dāng)他回到他的實驗室，便叫一個年輕的技術(shù)員去測試姆佩巴的實驗。這位技術(shù)員之后報告說，是熱水首先結(jié)冰，又說：“但我們將會繼續(xù)重復(fù)這個實驗，直至得出正確的結(jié)果。”然而，實驗報告給出同樣的結(jié)果。在1969年，姆佩巴和奧斯博爾內(nèi)報導(dǎo)了他們的結(jié)果。

同一年，科學(xué)上很常見的巧合之一，Kell博士獨立地寫了一篇文章，是關(guān)于熱水比冷水先結(jié)冰的。Kell 顯示，如果假設(shè)了水最初是透過蒸發(fā)冷卻，和維持均勻的溫度，這樣，熱水就會失去足的質(zhì)量而首先結(jié)冰。Kell因此表明這種現(xiàn)象是真的，而且能夠用蒸發(fā)來解釋。然而，他不知道Osborne的實驗。Osborne測量那失去的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)不足以解釋此現(xiàn)象。后來的實驗采用密封的容器，排除了蒸發(fā)的影響，仍然發(fā)現(xiàn)熱水首先結(jié)冰。