文档介绍：热水结冰比冷水快的奥秘
-----关于对水“穆宾巴效应”的研究
苏法王
摘要:对热水结冰比冷水快的原因进行了定量分析,给出了具体计算公式和判别条件
主题词: 水比热热能交换穆宾巴效应自然之谜
笔者2003年1月20日在中国新闻网看到题为《举世难解身边的问题热水为何比冷水结冰快?》称:据科技日报报道,冬天热水比冷水结冰要快这个奇怪的自然现象迄今为止连科学家都没搞清楚,当今世界上还没有人能够破解这个看似稀松平常的自然之谜。据说古希腊人曾发现了这个有趣的自然现象,但没能找到问题的答案。1969年,一名坦桑尼亚大学生艾拉斯托﹒穆宾巴正式向全世界提出这个问题----为什么冬天热水比冷水结冰要快?从那以后,这个问题才被全世界科学家所关注。据说艾拉斯托﹒穆宾巴相继做了很多热水冷冻实验,写了很多研究报告,但都没能给出正确的答案,这个神奇的自然现象被科学界称为“穆宾巴效应”。最近,英国皇家化学学会对这个问题又公开悬赏征集答案,笔者将自己的研究结果予以公布,也是对英国皇家化学学会这项征集活动的一个响应。
对“穆宾巴效应”有的学者认为根本就不存在,也有的学者认为热水在结冰过程中还有一个至今未被人们认识的机理造成了这一效应。笔者利用不同环境下水的热能交换原理对该效应进行了研究,从理论上基本搞清了这个问题,认为(一)“穆宾巴效应”的产生是有条件的,并非任何条件下都是热水比冷水结冰要快。(二)热水在冷冻过程中热能交换的机理早已被人们所揭示,并不存在未被认识的机理。(三)人们对水在降温结冰过程中的其他现象还没有全面观察。即水除了有热水比冷水结冰快的现象外,还有热水比冷水结冰慢,热水,冷水结冰速度一样快的现象,至今还没有认真观察研究。
一、“穆宾巴效应”的产生是有条件的
不同环境下水的热能交换原理是说:水在0摄氏度以上的环境里与0摄氏度以下的环境里热能交换变化是不同的。举例来说,500克10摄氏度的水在0摄氏度以上的环境内使其降低1摄氏度与在0摄氏度以下的环境内使其降低1摄氏度其释放出的热量大小是不同的。
为了方便研究,单位取卡、克、秒、厘米、摄氏度,我们假定装水的容器是绝热的,只留一个口,使水中的热量与外面能够交流,取这个口的面积为S,水的散热率为K,温度为T1,质量为M,释放热量为Q,热量流出的速度为V。容器外空气的温度为T2 <0,则M克的水由T1度降为0度的冰,需要释放的热量为:
(1)
其中,由0摄氏度水变为0摄氏度冰的溶解热为80卡/克,水的比热为1卡/克,这些热量通过S交流到外面的空气中,热量流出的速度为
(2)
其中, T1 是水的温度, T2是外部空气的温度,水的温度从T1度下降到0度,热量流出的平均速度为
(3)
水从温度T1度下降到温度0度的冰所需的时间为
(4)
公式(4)表明,定量的水M由温度T1 下降到温度0度的冰所需时间 t的长短,与水的质量M成正比,与预留的散热口面积S成反比。在M、S、K不变的情况下,水结冰的快慢由(T1+80)/(T1-2T2)因子决定,设
(5)
现在讨论F的情形,其中T1 是水的温度, ,当T2 = -400C时,(T1+80)/(T1-2T2)=1 ;T2 > -400C时,(T1+80)/(T1-2T2)>1; T2 <-400C时,(T1