1.零下40度發射裝滿沸水的水槍,水柱噴出的模樣會如何? 產生一條冰柱?你確定?
2.零下40度,在高樓對窗外灑熱水,又會如何? (記得,不是零下40度的時候,千萬不可這麼做喔~)
這是「彭巴效應」(Mpemba Effect)。是由1968年一位坦尚尼亞學生彭巴(Erasto Mpemba)在製作冰淇淋時發現而為名,他發現:熱牛奶經常比冷牛奶先結冰。
為什麼熱水結冰比冷水更快?2012年英國皇家化學學會(The Royal Society of Chemistry)曾祭出1000英鎊(約台幣4萬6千多元)的解答金,希望有人能以影片、短片,或是任何有創意的答覆破解這個難題。用關鍵字 Mpemba Effect 在youtube去找影片,可以找到很多人製作的實驗與解答。(也難怪近幾年,它與它的過冷現象常是科展的熱門題目。) 這是其中一個影片:
目前有很多解釋,包括溶解的氣體,蒸發,對流和傳導。
- 氣體溶解度:熱水中的氣體溶解被逐出,改變了水傳熱能力、比熱或改變熔點。或者,另一個說法認為,一度接近沸騰的熱水,水中的空氣會以氣泡方式溜走,由於空氣本身是隔熱,所以熱水中少了空氣,可能會有利冷卻,更快結冰。
- 蒸發:熱水冷卻的過程中,會因蒸發而失去較多的質量。另外,蒸發過程也吸熱~ 冷卻得較快。
- 對流:液體降溫速度的快慢由液體上表面與底部的溫度差決定。凍結前的降溫過程中,熱液體會引發比較大的對流,令熱量散失更快,提高結冰的效率。此外,熱液體的溫度差一直大於冷液體的溫度差,也就降溫就愈快。(熱頂效應)
- 傳導:冷凍庫的地面有一層霜,而霜的導熱效果不好,熱水比冷水更易熔化霜,使得熱水與冷卻器有較佳的接觸,因此熱水降溫較快。
誰對?至今仍無定論。在參考資料1看到的:新加坡南洋理工大學認為與水分子的氫鍵有關。『……氫鍵(hydrogen bonds)在水溫高時較長,以延展儲蓄能量;遭遇低溫時迅速縮短,釋出能量冷卻。……』
-------
彭巴效應(Mpemba effect),指在同等體積、同等質量和同等冷卻環境下,溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。並不是指熱水一定會比冷水先結冰,兩者的溫度如果有較大差異,那麼冷水還是會先結冰。
參考資料:
1.影片相關報導:http://www.ettoday.net/news/20131104/290628.htm
2.這裡有相關討論,包含彭巴發現的故事,物理教學示範實驗室:
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=19867
3.高瞻自然科學教學平台:彭巴效應(Mpemba Effect)