从物理角度研究热牛奶与冷牛奶的结冰速度.docVIP

从物理角度研究热牛奶与冷牛奶的结冰速度 ”然而事实却不是这样。 经过两天的实验与分析，再加上网络查询与咨询专家。我得出的结论是:当热牛奶与冷牛奶同时放入冰箱，热牛奶的结冰速度较冷牛奶快。 第一种原因: 1.冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的，而是由液体上表面与底部的温度差决定的，热牛奶急剧冷却时，这种温度差较大，而且在整个冻结前的降温过程中，热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。 上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。 基于以上两方面的理由，热牛奶以更高的速度冷却着，这便是热牛奶先冻结的秘密。 第二种原因:  从物理方面来说，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察并对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。如果把热水和冷的过程叙述出来并分析其原因就更能说明问题了： 盛有初温4℃冷水的杯，结冰要很长时间，因为水和玻璃都是不良的材料，液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面。所以水在表面处最先结冰，其次是向底部和四周延伸，进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时，内层的水与外界的空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。另外由于水结冰时体积要膨胀，已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。 盛有初温100℃热水的杯，冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”形成的现象，只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成了液体内部的对流，使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大，正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖。由于和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时，水面就开始出现冰晶。初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后可以观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。 1963年，的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做吃。在做的过程中，他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中，再放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入，等不及冷却，就把滚烫的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热已经结成冰，而其他同学放的冷牛奶还是很稠的。照理说，水温越低，结冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对，但事实怎么会颠倒过来了？姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师，都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐，就用嘲讽的口吻说：你说的这些就叫做姆潘巴现象吧！但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐，他抓住萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后，博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是，他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奥斯伯恩博士（Denis G. Osborne）共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以其名字命名。 姆潘巴现象（Mpemba effect），又名姆佩姆巴效应，指在同等体积、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的现象。 姆潘巴现象的原意是：在同等容器、同等体积和同等冷却环境下，温度高的水比温度低的水先结冰的现象。根据初中物理教材中有关液体方面的知识：在标准大气压条件下，水的密度随着温度的变化而变化，4摄氏度时水的密度最大，在4摄氏以上不同温度的水之间决不可能存在“同等体积、同等质量”的关系。所谓“姆潘巴现象指在同等体积、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的现象。”是对姆潘巴现象原意的错误理解，也违背了物理理论，更影响了人们对姆潘巴问题的认识。姆潘巴现象被称为世界物理难题，四十多年来遭到了物理老师的否定，还被媒体说成是谎言。