熱水為何比冷水結(jié)冰快　困擾人類千年謎題終破解

新加坡的科學(xué)家們聲稱已經(jīng)解開了這一謎題

自亞里士多德時(shí)代起，熱水為什么比冷水結(jié)冰更快這個(gè)現(xiàn)象一直讓世界上最聰明的科學(xué)家們困惑不已。目前一組物理學(xué)家小組聲稱已經(jīng)解開了這一世紀(jì)難題。這個(gè)現(xiàn)象名為姆潘巴現(xiàn)象，它是指水與大多數(shù)其他液體不相同，它從熱的狀態(tài)變成固體要比從室溫狀態(tài)下變成固體時(shí)間更短?？茖W(xué)家就此現(xiàn)象的發(fā)生提出了十幾種理論，但沒有一種能夠合理的解釋這種奇怪的物理特性。目前新加坡南洋理工學(xué)院的物理學(xué)家們提出了他們認(rèn)為合理的一種解釋。

科學(xué)家表示這種解釋存在于水分子之間的罕見的相互作用。每一個(gè)水分子通過名為“氫鍵”的高度帶電電磁連接與周圍的分子相連。正是它產(chǎn)生了水的表面張力，同時(shí)導(dǎo)致它與其它液體相比具有更高的沸點(diǎn)。然而，南洋理工學(xué)院的孫長(zhǎng)清（Sun Changqing）博士和張希（Xi Zhang）博士辯論稱它還決定了水分子能夠存儲(chǔ)和釋放能量。他們認(rèn)為能量釋放的速率與水的最初狀態(tài)有關(guān)，因此他們計(jì)算出熱水結(jié)冰時(shí)釋放能量的速率更快。

長(zhǎng)清博士表示：“水釋放能量的過程和速率內(nèi)在的與能量源的初始狀態(tài)有關(guān)。” 姆潘巴現(xiàn)象是以一名名叫艾拉斯托-姆潘巴(Erasto Mpemba)的坦桑尼亞學(xué)生為名，他觀察到熱的冰淇淋混合物比冷的冰激凌混合物結(jié)冰的更快。與坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)學(xué)院的一名物理學(xué)教授一起，他于1969年發(fā)表了一篇文章顯示在相似的容器里，相同量的沸水和冷水是以不同速率結(jié)冰，熱水結(jié)冰的更快。

在此之前也有科學(xué)家描述了相似的觀測(cè)，例如亞里斯多德，弗朗西斯-培根（Francis Bacon）和勒內(nèi)-笛卡爾(Rene Descartes)。這種效應(yīng)也可以幫我們解決一些實(shí)際問題，例如冬天是否應(yīng)該使用沸水解凍汽車擋風(fēng)玻璃上的冰霜，以及熱水管子是否比冷水管更容易凍結(jié)。

有的人否認(rèn)這種效應(yīng)的存在，他們認(rèn)為這事實(shí)上是一種實(shí)驗(yàn)程序的人工制品，但其他人表示小心控制的實(shí)驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。另一種理論表明熱水會(huì)釋放水里溶解的氣體，從而導(dǎo)致它變得更黏。

去年英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)布公告懸賞1000英鎊，獎(jiǎng)勵(lì)給任何能夠解釋姆潘巴現(xiàn)象工作原理的個(gè)人或團(tuán)體。今年早期克羅地亞薩格勒布大學(xué)的化學(xué)研究助理尼古拉-布勒格維克(Nikola Bregovic)被宣布為該獎(jiǎng)的得主。

他利用實(shí)驗(yàn)室的燒杯進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明對(duì)流效應(yīng)可能是該現(xiàn)象的“幕后推手”。布勒格維克表示熱水里的對(duì)流導(dǎo)致它冷卻的速度更快。然而孫長(zhǎng)清博士和張希博士試圖從分子水平檢測(cè)這一過程從而進(jìn)一步解釋這種效應(yīng)。

上周他們?cè)谄诳犊茖W(xué)報(bào)告》上發(fā)表的文章顯示了水分子在形成冰時(shí)是如何自我排列的。他們還在期刊《化學(xué)物理》上發(fā)表了另一篇文章解釋姆潘巴現(xiàn)象。他們認(rèn)為每個(gè)分子里氫鍵和連接氫原子和氧原子之間更強(qiáng)的化學(xué)鍵，也即共價(jià)鍵之間的相互作用是導(dǎo)致這種效應(yīng)的主要原因。

一般來說，當(dāng)液體被加熱，原子之間的共價(jià)鍵會(huì)拉伸并存儲(chǔ)能量?？茖W(xué)家辯論稱在水中，氫鍵產(chǎn)生了另一種罕見的效應(yīng)導(dǎo)致加熱時(shí)共價(jià)鍵會(huì)縮短并存儲(chǔ)能量。這導(dǎo)致了與在冷卻狀態(tài)所存儲(chǔ)能量相比，共價(jià)鍵會(huì)以指數(shù)形式釋放能量。因此熱水會(huì)更快的失去更多能量。

長(zhǎng)清博士表示：“加熱過程會(huì)縮短并固化H-O共價(jià)鍵，從而存儲(chǔ)能量。倘若放在冰箱里冷卻，H-O共價(jià)鍵會(huì)以指數(shù)的速率釋放能量，從而產(chǎn)生姆潘巴現(xiàn)象?！?/p>

英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)總共收到了22000多個(gè)針對(duì)姆潘巴現(xiàn)象的回復(fù)，盡管這一競(jìng)賽已經(jīng)結(jié)束，但他們?nèi)猿掷m(xù)收到不同理論的解釋。作為評(píng)審最佳解決方案的專家小組的一員，英國帝國理工學(xué)院的布列戈維奇先生說道：“這個(gè)小而簡(jiǎn)單的分子讓我們都驚訝不已，它略施展了點(diǎn)魔法就激起了我們濃厚的興趣?！睅椭u(píng)審這一競(jìng)賽的倫敦帝國理工學(xué)院的埃涅阿斯-維納（Aeneas Wiener）補(bǔ)充說道：“最新的文章演示了即使是看起來非常簡(jiǎn)單的現(xiàn)象，潛心鉆研也會(huì)揭示其更多復(fù)雜性，而這是值得的。我們希望這能夠激勵(lì)更多年輕人進(jìn)行科學(xué)研究?！?/p>

與姆潘巴一起發(fā)表文章描述姆潘巴效應(yīng)的坦桑尼亞達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)學(xué)院的講師丹尼斯-奧斯本(Denis Osborne)說道：“好幾個(gè)不同的機(jī)制可能導(dǎo)致或者共同導(dǎo)致了姆潘巴效應(yīng)。作者們描述的H-O共價(jià)鍵特性可能是其中的原因之一?！保P凰科技）

新聞來源：http://science.kexue.com/2013/1105/35922.html