王夢川 : 熱水比冷水先結(jié)冰的原因推測及可能的實驗驗證建議

關(guān)于熱水比冷水先結(jié)冰的現(xiàn)象，英國皇家化學(xué)學(xué)會曾在去年向全球懸賞解決此問題，懸賞征稿提交期限在去年七月底之前，在提交期限內(nèi)收到數(shù)萬征稿但研究至今無一人完美解決此問題，詳見網(wǎng)址：http://www.rsc.org/AboutUs/News/PressReleases/2012/mpemba-effect-water-ice-hot.asp，這個問題在歷史上曾難倒了亞里士多德、培根、笛卡爾等多位名人，這個現(xiàn)象發(fā)生的發(fā)生溫度范圍至今在科學(xué)界尚未有確認(rèn)的范圍，本文已表示過在不同降溫速度下熱水比冷水先結(jié)冰的領(lǐng)先程度是不同的，（在極速降溫的情況下熱水比冷水高出幾十度也可以先結(jié)冰，在降溫較慢的情況下熱水只有比冷水溫度稍高才能先結(jié)冰，而降溫慢到一定程度熱水比冷水后結(jié)冰，且先結(jié)冰的領(lǐng)先時間值在不同的水溫和降溫速度下也不同），要用數(shù)值表示就要統(tǒng)計各組不同溫度的水在每秒于每單位體積散發(fā)不同焦耳量的熱能的情況下發(fā)生的結(jié)冰先后關(guān)系，顯然這類統(tǒng)計在不同情況下可得到無窮的不同的多組數(shù)據(jù)而且要求具有精密的實驗條件才可完成，顯然這是實驗科學(xué)家才有條件完成的任務(wù)，不具備實驗條件的理論研究者沒條件完成此任務(wù)。科學(xué)史上往往出現(xiàn)理論研究走在實驗科學(xué)的前面，由后來的實驗科學(xué)家為先行的理論研究者完成實驗補充數(shù)據(jù)，若是沒有明確的數(shù)據(jù)范圍就不能發(fā)科學(xué)論文則等于禁止理論研究走在實驗科學(xué)的前面并全面禁止科學(xué)猜想。希望中科院不要比一百年前的外國科學(xué)機(jī)構(gòu)的思想更保守落后，不要以官僚作風(fēng)壓制異見思想。

水的凍結(jié)過程中有時會發(fā)生一種和直覺相違背的姆潘巴現(xiàn)象，此現(xiàn)象就是有時會發(fā)生相同質(zhì)量的熱水比冷水先結(jié)冰。對此人們曾有各種解釋，認(rèn)為可能是因為水的對流、雜質(zhì)、過冷卻、蒸發(fā)等原因造成，也做過各種實驗，但不同情況下實驗結(jié)果并不一致不能確定主要是什么原因造成了姆潘巴現(xiàn)象，對此現(xiàn)象一直沒有準(zhǔn)確公認(rèn)的科學(xué)解釋。筆者故為此根據(jù)有序的組合實驗的結(jié)果和已知常識作出一些推測，并由所作推測而設(shè)計進(jìn)一步的實驗以求證實所作推測。

首先根據(jù)采用相同密閉容器容納相同成分和質(zhì)量的水在制冷裝置內(nèi)可能發(fā)生熱水比冷水先結(jié)冰的現(xiàn)象可以證明熱水比冷水先結(jié)冰的主要原因不是蒸發(fā)和雜質(zhì)所造成。接著做一個實驗可證明熱水比冷水先結(jié)冰的主要原因不是對流造成。在兩個容器中分別裝入同等質(zhì)量的熱水與冷水，并在水中加入等質(zhì)量的棉纖維使水被棉纖維約束失去流動性而不可能發(fā)生對流。再將兩個容器放入制冷裝置內(nèi)，在制冷裝置可快速降溫且容器周圍環(huán)境溫度均勻降低的情況下依然可能發(fā)生熱水比冷水先結(jié)冰，而在制冷裝置降溫較慢或在降溫過程中多次中斷降溫又重啟降溫的情況下更多發(fā)生的是熱水比冷水后結(jié)冰。這個實驗證明熱水比冷水先結(jié)冰不是由對流所決定，但實驗結(jié)果受到制冷環(huán)境降溫速度的影響。

再在不同的制冷條件下做凍結(jié)對比實驗。可發(fā)現(xiàn)在制冷效果弱而降溫緩慢的情況下容易發(fā)生熱水比冷水后結(jié)冰，在制冷效果強(qiáng)而降溫快的情況下容易發(fā)生熱水比冷水先結(jié)冰，且降溫越快則熱水比冷水先結(jié)冰的領(lǐng)先程度越明顯。再用高純凈度的水制作在零攝氏度以下未凝結(jié)的過冷水，可發(fā)現(xiàn)制冷效果太強(qiáng)降溫太快則不容易制得大體積的過冷水往往只能制得大量冰塊，但降溫相對較慢時則可制得大量的甚至滿容器的未凝結(jié)過冷水。據(jù)這些現(xiàn)象則可推測熱水比冷水先結(jié)冰應(yīng)該與過冷水的產(chǎn)生以及過冷水被解除過冷狀態(tài)而凍結(jié)有關(guān)。大體積的過冷水受到外物撞擊會迅速解除過冷狀態(tài)立即凍結(jié)是容易觀察到的常識現(xiàn)象，而微體積的過冷水受到外物撞擊也會迅速解除過冷狀態(tài)而立即凍結(jié)，飛機(jī)在含有過冷水的云層中飛行時，眾多的微小的過冷水滴撞到飛機(jī)會立即在飛機(jī)表面凍結(jié)形成冰殼，向過冷水發(fā)射高速運動的物質(zhì)微粒也可促進(jìn)過冷水解除過冷狀態(tài)發(fā)生凍結(jié),這些現(xiàn)象就是所謂的過冷水的“撞凍”。在實際觀察中還可發(fā)現(xiàn)大體積的過冷水在與其溫差很小的盛裝過冷水的容器壁上緩慢流動時并不會立即凍結(jié)，但是過冷水流到其它與其溫差較大的容器上時更容易解除過冷狀態(tài)而迅速凍結(jié)，在接觸到溫暖的手時可在人手上迅速凍結(jié)成冰粘緊皮膚然后被手的溫暖所融化。根據(jù)這些現(xiàn)象進(jìn)一步推測：當(dāng)容器中的水受外部的強(qiáng)冷環(huán)境影響而迅速降溫時，水的外層不斷出現(xiàn)了微量得難以被現(xiàn)有技術(shù)觀察到的過冷水，而內(nèi)部的水體與外層的過冷水的溫差較大時比溫差較小時更容易讓過冷水解除過冷狀態(tài)而凍結(jié)。水體在強(qiáng)冷環(huán)境中的結(jié)冰過程是一個水體的液態(tài)外層表面不斷出現(xiàn)微量過冷水而過冷水又不斷被解除過冷狀態(tài)而凍結(jié)使水體從外到內(nèi)逐漸凍結(jié)為固態(tài)的過程，微觀尺度下水體外圍微量的過冷水水分子受到做熱運動的附近水體水分子的碰撞時相比較于更大體積的過冷水受到外物宏觀尺度的撞擊時可能有著類似的“撞凍”效應(yīng)，熱水比冷水的水分子的熱運動更為劇烈，當(dāng)微量的過冷水產(chǎn)生時，熱水水分子對微量過冷水的碰撞更為強(qiáng)烈就更快地使過冷水解除過冷狀態(tài)而凍結(jié)，使強(qiáng)冷環(huán)境中的熱水比冷水先完成結(jié)冰過程。

根據(jù)上述推測還可推導(dǎo)出兩個應(yīng)有現(xiàn)象：1、在降溫緩慢到致使水體內(nèi)層與外層的溫差小到一定程度時，等質(zhì)量的熱水相比于冷水只能后完成結(jié)冰過程。2、在強(qiáng)冷環(huán)境快速降溫時，對熱水和冷水水體都采用強(qiáng)烈擾動、強(qiáng)超聲波干擾等方法盡快解除降溫過程產(chǎn)生的可觀察到和觀察不到的一切過冷水的過冷狀態(tài)，則等質(zhì)量的熱水相比于冷水只能后完成結(jié)冰過程。做實驗驗證這兩個現(xiàn)象是否成立就可驗證上述推測。