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至尊木虫 (文坛精英)

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[交流] 姆潘巴现象存在吗？高温水与低温水哪个先结冰？

大家知道姆潘巴现象吗？简单的说就是同等质量的水，热水比冷水先结冰，这个现象是１９６３年，坦桑尼亚的初三学生姆潘巴发现的。这个现象被承认了几十年。最近，有三位中学生通过精密的实验，推翻了这一结论，证明姆潘巴现象是不存在的。他们认为，在同等条件下，高温液体是比低温液体降温快，但是随着高温液体温度的降低，它的降温速度也会减慢，它同样要经历低温液体降温的那一个阶段，所以总的来说，高温液体还是后结冰。大家怎样看这个问题呢？
为什么温水比冷水先结冰呢？
（作者：王国平（又名：爱尔斯平）地址：中国河南省安阳邮编：456462）

温水比冷水先结冰这个现象是由坦桑尼亚的一个叫姆潘巴的学生发现的，所以这个问题又叫做“姆潘巴的问题”。这个现象自从发现以来，有很多的专家都参与这个问题的探讨和研究中，可是至今没一个完全合理的理论模式来解释这个现象，以至于在教学的过程中，老师只是简单解释，并不加深究，从而造成了学生的迷惑不解。就针对这个问题，我经过反复思考，终于有突破，可以解释这个日常的问题。
首先，我介绍一下常规研究此问题的出发点，主要有：辐射传导汽化对流水中的溶解气体悬浮物表面积。对于这些因素，我加以解释和否定，如下：
辐射，主要和物质特性及温度有关，那么同样是水，当温度相同的时候，辐射强度也应该是相同的，那么就实现不了温水比冷水先结冰这个现象，因此我们可以对因辐射导致这个现象加以否定。但是有此损失的能量我们还是要考虑进去的。
传导，主要和物质特性和温差有关，那么当温水到达冷水的起始的时候，传导的能力是应该相同的，同样实现不了这个现象，同样我们可以加以否定，但是因为传导造成的能量损失我们还是要考虑进去的。
汽化，主要和温度相关，那么当同样的温度下，汽化能力应该是相同的，因此同样实现不了如此现象。同样我们可以加以否定，但是由于汽化造成的能量损失我们还要考虑进去的。
对流，主要和重力及密度相关，降温的过程中很难形成，所以我们可以否定，在此其间重力等效。因此我们可以加以否定。
水中的气体悬浮物，我们用蒸馏水，在封闭的条件下，是可以否定的，因此可以否定掉的。
表面积，由于相同的体积，形状相同的容器，那么对此因素，我们也同样可以加以否定。
以上的否定，就以为着其他因素的存在。我个人认为分子的运动造成此现象的主要原因。解释此原因之前，我解释一些常见的物理现象。
1 .为什么冷烧杯？在倒入热水的时候会破裂。为什么超声波在水中会产生气泡？为什么冷水在超高温加热的时候会产生气泡呢？其实都存在着相同的因素，那就是形成了正负压的缘故。烧杯的破裂由于内壁分子的膨胀产生了正负压，超声波在水中产生气泡是由于分子的疏密而产生的正负压。冷水在超高温加热的时候产生气泡，跟烧杯破裂同样产生正负压。
2 .当你抛弃一个弹性好的小球，小球落在水泥地上会马上静止吗？有实践的人都会说：“不会”。
以上对简单现象的介绍，对我观点都有一定的作用。
其实解决次现象的理论是十分简单的，能量的损失归跟揭底就有两种方式：
1. 碰撞能量均衡，2. 2.辐射，3. 3.汽化。如果我们这样假设就很容易解决的掉。
假设每个水分子和外界交换一次能量，造成能量损失为原来的1/2，温水分子的能量为A，冷水为B。
假设同时结冰，温水分子交换的次数为M次，冷水为N。那么由于是同时结冰，那么就会有此等式的成立：A乘以1/2的M次方=B乘以1/2的N次方。那么变形就是A/B=1/2的（M-N）次方。从此式子中我们可以看出当温水分子比冷水分子多交换（M-N）次的时候可以实现同时结冰。那么交换次数的差异归根是由分子的运动的差异造成的，那么当一个循环路程相同的时候，温水的分子速度为V1，冷水的为V2，一个循环的路程为S，温水分子的总路程为S1，冷水为S2，温水分子一个循环的时间为T1，冷水为T2，那么S1/S=M，S2/S=N，V1乘以T1=S，V2乘以T2=S，有以上式子我们可以得到，V1/V2=M/N，也就说V1大于V2，就有可能实现，那么怎么才能说明V1大于V2呢？是解决次问题的难点。以下我就做以解答：

1. 1.2号水分子由于能量的损失而2. 造成分子的活动范围变小，3. 然而4. 其他分子的活动范围没有变，5. 那么压强也没有变，6. 那么平衡面就会打破，7. 在平衡面的两边就会形成正负压强，8. 就会对分子做功，9. 此时就使分子的运动能量增加，10. 次是分子的运动能来源之一，11. 此来源跟外界压强有很大的关系，12. 可以说外界压强对温水和冷水的作用效果是相同13. 的。
2. 大家都知道能量是以电磁波的形式传播的，带有段性特别是在分子的碰撞的过程中也有这样的现象的，它在传递过程中，是通过电子和原子核，电子与电子，原子核与原子核之间的互作而达到能量的均衡的，如图，X原子是Y原子旁边的原子，此时他们之间的作用力是平衡的，当Y原子和外界能量交换的时候，X原子的势能没有变化，那么此时由于Y原子的能量损失使得电子向低能态运动，在原来的位置电子云降低使得斥力减小，
其实电子就好象人的钱一样，钱是周转的次数多了，效能就大，电子是速度快了，斥力就大
那么此时引力就对X原子做功以至使得X原子的运动能增加，此是X原子的运动能量的主要来源我们都知道物体在加热的过程中。能量是转换成为电子的势能，和对其他分子的势能，还有分子的动能的那么电子的势能和斥力是相关的，就好象加热使得压强增加，我们用小方块来表示，一个方框表示一度温度，那么当你拿走的时候是按比例拿的时候。高的拿走的多，那么小方框就在力的作用下降落，很显然高的获得的运动能多，其实微观世界也是如此，那么用此方法可以说明V1大于V2，那么这个条件的成立。就以为着碰撞次数的增加，同时能有更大几率让同能量级的分子向碰撞。再说他们的运动能具有一定的持续性，就好象上面弹性小球一样，那么在同样的温度下，温水的运动能就会大于冷水，就会实现温水比冷水先结冰的现象，其实水分子的震动就是由于辐射分子能量不均衡造成的。
此时已经基本明确，当同时结冰时候，V1/V2=M/N，那么当V1/V2大于M/N的时候会出现温水比冷水先结冰，当V1/V2小于M/N的时候，就会冷水比冷水先结冰，由此推测，当外界压强增大的时候。此现象就会逐渐变的不明显，随温度的差值小的时候，也同样变的不太明显。
解决此问题的关键，正负压的形成，碰撞次数的差异，运动能不会马上消失，电子的运动速度和斥力是正相关。
除去常规能量的损失，就是有此分子运动造成能量的损失而完成的。
温水较冷水膨胀,内部空间较大,密度较小且水分子较活跃,相互碰撞较频繁。所以,在冬天寒冷的情况下，活跃的水分子把冷气温迅速相互传递并较为畅通地在密度较小的温水里传播，整体水温下降的速度也就相对较快。冷水的密度较大，水分子活动也较慢，冷气温在冷水里的整体传播速度也就较缓慢。所以这时温水比冷水冻得相对更快
转自同舟共济

[ Last edited by stred on 2007-9-6 at 10:52 ]

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