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1、近几年，几乎每到冬天，各种“撒水成冰”的美仑美奂画面让人赞叹不已，人们不禁既赞美于美景，又惊讶于大自然的神奇：只有在非常寒冷的天气里，向天空中撒出热气腾腾的热水才能形成这种画面，撒冷水是无法形成的，也就是说，热水比冷水结冰更快！提到热水比冷水结冰更快，很多人就会想到大名鼎鼎的“姆潘巴现象”：在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。该现象是1963年一名叫姆潘巴的中学生发现的，也因而得名“姆潘巴现象”。其实，早在公元前350年，亚里士多德在气象学中已记录了这种奇怪的现象：黑海南岸Pontus居民冬季捕鱼在冰上搭建临时棚屋时，为了让棚屋的立杆更好的固定在冰上，会在它们周围
2、泼上热水，而不是冷水，使其快速结冰固定，因为泼热水结冰更快。当前对于“姆潘巴现象”解释最佳的是2012年英国皇家化学学会评选的尼古拉-布莱格威客的解释1：“只有当冷水有过冷现象出现时，且只有冷水的核温度仅仅低于热水几度，热水才先于冷水结冰。把水加热会降低、升高瞬时结冰温度，或对其无甚影响。同时，还需强调对流的作用，因为它增加了热水先结冰的可能性。” 该研究对“姆潘巴现象”的解释，令人信服，其中“把水加热会降低、升高瞬时结冰温度，或对其无甚影响”这句话，即“热水可能比冷水先结冰、后结冰或同时结冰”，也解释了各种各样的“姆潘巴现象”实验为什么难以成功、或者成功后无法重现的问题。值得一提的是，201
3、7年美国科学院院报发表了一篇论文，从理论上分析了“姆潘巴现象”发生的原因是热水状态（亚稳态）比冷水状态（亚稳态）到结冰状态（稳态）的变化速率快2。该些让普通人扑朔迷离的解释，更增加了“姆潘巴现象”的魅力。不过，相比较于“姆潘巴现象”的先结冰、后结冰或同时结冰，“撒水成冰”可是实实在在的撒热水能结冰、撒冷水就不能结冰的。在这里，“热水比冷水结冰更快”这一现象是肯定存在的，并且可以重现。所以“姆潘巴现象”的最佳解释无法解释“撒水成冰”。一、悬空结冰我们在冬天早上，经常看到很多水洼结冰，但有时候早上特别冷、凌冽刺骨的时候，会出现小水洼里的水结冰后是空心的情况：“悬空结冰”。这就要用到水蒸汽的凝华来进
4、行解释了。凝华，是物质跳过液态直接从气态变为固态的现象，是物质在温度和气压低于三相点的时候发生的一种物态变化，凝华过程物质要放热，反之，升华或汽化需要吸热。实际生活中我们其实经常遇到水蒸汽的凝华：冬天窗玻璃上形成的冰晶、树枝上的“雾凇”；夏天冰箱里拿出来的冰棍表面结的一层“霜”等等。而这个不常见的悬空结冰，也是水蒸汽凝华形成的。小水洼的水一直在不断蒸发，在晚上温度骤降的情况下，水面热传导降温比较慢，还没来得及结冰，水蒸汽已经凝华结冰了，因为水蒸汽密度低，激冷立刻结冰。其最先结冰的位置，是小水洼边沿、水蒸汽上升刚从土坑露头的那一点。一旦边沿冰晶出现，迅速向水蒸汽来源处生长，即向下、向小水洼中心生
5、长，向小水洼中心生长的更快，因为水蒸汽更多，很快就会把小水洼封闭起来，形成空心的悬空结冰；如果小水洼水不够，冰面就会封不住水洼；如果水洼过大，冰面因重力原因会向下移位，或者生长时间过长，中心处水面已经降温结冰，与悬空的冰面形成一个整体，成为普通的结冰。这种因水蒸发而悬空结冰的量是很可观的，一晚上能形成一厘米厚的冰。现在来看“撒水成冰”。热水撒出成雾，水表面积极度扩大，成为表面水的高温水迅速汽化，汽化后的水蒸汽遇到激冷、热量瞬间被低温环境移走、迅速凝华成冰；同时，表面水汽化时，要吸收大量的热，于是吸收了内层水的热量，导致内层水的温度迅速降低。这两方面的效应，造成热水雾迅速结冰，形成冰雾。而冷水撒
6、出虽然也形成水雾，但表面水温度低，汽化少，表面水无法凝华成冰、只能慢慢热传导来降低温度；内层水降温更慢，所以无法在极短的滞空时间里冻成冰。以90度热水为例，90度热水的汽化潜热为2283 KJ/KG、焓为377KJ/KG，水凝固潜热为335KJ/KG，则1千克90度水汽化可以导致3.2千克的90度的水结冰。二、一种新的“姆潘巴现象”再来看看“姆潘巴现象”，为了让热水比冷水结冰更快，可以试试热水的水蒸汽凝华结冰。姆潘巴是在做冰淇淋时发现“姆潘巴现象”的，容器应该是塑料类的冰格，这是导热很慢的材质，其主要传热要靠杯口上表面来传热。可以设计一个四周及杯底绝热的杯子，热水的温度要确保热水蒸发出的水蒸汽
7、足够多受冰箱激冷后可以在杯口形成“悬空结冰”、又不会因温度过高而融化“悬空结冰”，而冷水的温度要确保蒸发的水蒸汽足够少，形成不了悬空结冰，这样热水杯口结一层冰肯定比冷水表面结冰快。如果考虑到是水完全结冰，热水有水蒸汽蒸发来降低水体温度，肯定比冷水通过导热降温快；当热水与冷水表面温度差不多时，悬空结的冰要已经生长到接近水面，水蒸发依然强劲，直到冰面与水面接触，冰的导热系数在0时近似为同温度下水的导热系数的4 倍，冰的热扩散系数约为水的9倍，这样，热水从上表面失去温度的速度就远快于冷水，最终到全部结冰；同时，降温时，热水比冷水的底层温度与表面温度差大，对流作用强，也就是有人指出的热水降温快，降到与
8、冷水同温时，还有惯性，还是降温快，正如最佳解释所述，“还需强调对流的作用，因为它增加了热水先结冰的可能性。”在这各种有利条件下，杯口先悬空结冰的热水还是会比冷水到完全结冰，需要的时间少。三、中国古人的“夏造冰”最后想到淮南万毕术之“夏造冰”。淮南万毕术中有这样一段内容：“取沸汤置瓮中，密以新缣，沈中三日成冰。”后中国历代都有类似的记载。当前有许多人进行了系统的研究，有证实有证伪3，据雷志华的研究4，认为是“低压下水快速蒸发吸热制冷”是“夏造冰”的制冰原理，这个情况，并不是水蒸汽凝华现象，但与“撒水成冰”表面水迅速汽水导致内层水降温是一个道理。水是很简单的物质，但这最简单的物质，就有这多样的性质，世界真奇妙，值得我们好好体味。
