在相同的情况下，把一杯热水与冷水同时放入冰箱，哪一个先结冰？在我们的直观印象中

在我们的直观印象中，如果把一杯热水和一杯冷水同时放入冰箱，那么应该是冷水先结成冰，我们的判断依据，一方面是热水要冻成冰块，其所释放出来的热量肯定要比冷水多，在相同的制冷条件下，热水释放能量的时间要比冷水长；另一方面，热水在冷却的过程中，肯定要先到达冷水的温度，然后再继续冷水的凝结过程，因此所花费的时间较长。但是，这仅是我们的直觉，实际上在很早的时候，亚里士多德、笛卡尔等科学家都曾经描述过与直觉相反的水冷却现象，而在1963年的时候，当姆潘巴在做热牛奶与凉牛奶冷却实验时，通过多次实验对比，发现温度略高的牛奶比温度略低的牛奶要先凝固，他的导师也通过多次实验印证了这一结论，后来人们将这一现象称为姆潘巴效应。

文章图片
当我们在家重复做这个实验的时候，结果可能不一样，有时会热水先冻结，有的时候冷水会冻结，之所以这样，是因为姆潘巴效应的出现，需要相对严格的条件，比如热水和冷水要来源于同一水源，容器形状要完全一致，冷却条件要完全相同，更重要的是，热水和冷水的温差不能太大，如果你拿90摄氏度的热水与1摄氏度的冷水相比，那肯定是冷水先结成冰。如果我们在相同的实验条件下，拿50摄氏度的水与40摄氏度的水相比，那极有可能是50摄氏度的水先结冰。

文章图片
为什么会出现这种情况呢？我们首先来看一下水结冰的过程，水从液态变为固态，实质上是水分子在一定的温度和压强条件下，其排列结构的重新组合过程。具体来说，就是在水分子中，除了氢和氧之间构成的化学键之外，还存在着水分子中的氢原子与另外水分子中的氧原子构成的氢键，这种氢键的作用力，比分子内部的化学键的强度要弱，但要比水分子与水分子间的范德华力要大得多，而决定着水相态的主要因素就在于氢键的作用力大小，当温度降到冰点时，水分子之间的运动速度降低，当不能达到挣脱氢键的程度时，水分子与水分子之间就会通过氢键，有规则地排列起来，对外表现为固态的形式。

文章图片
而在水的结冰过程中，并不是所有水分子所在区域，都均匀出现这种排列的规律性组合，而是先从一定的结晶核开始，这是因为当温度降低时，一杯水中的水分子，其热量散失即动能的转化速率是不同的，一旦结晶核形成，那么在水分子运动过程中流经结晶核的区域，就会被氢键所俘获，从而使结晶核越长越大，直至整杯水都变为固态。因此，决定着一杯水结冰速率的快慢，在基本条件都相同的情况下，主要由两个方面的因素来决定，一个是结晶核的数量，第二则是热量的散失效率。

文章图片
从结晶核来看，水中的矿物质和因微生物、细小尘埃等构成的杂质是结晶核的主要来源。对于热水来说，在加热的过程中，其水中溶解的矿物质数量就越多，最后在冷却的过程中所聚集形成的晶核尺寸也要比冷水大，同时，较热的水还有利于微生物的生长，因此，温度较高的水相对于低温的水，其能够提供凝结的晶核数量要多一些，从水的内部发生凝结的几率和速率都要相对较高。这也是为什么用纯净水来做实验，很难出现姆潘巴效应的原因。