关于盛热,冷水同时放去冰冻而冷水先凝固的问题,请师傅说说!

关于盛热,冷水同时放去冰冻而冷水先凝固的问题,请师傅说说!
关于盛热,冷水同时放去冰冻而冷水先凝固的问题,请师傅说说!

关于盛热,冷水同时放去冰冻而冷水先凝固的问题,请师傅说说!
有人说在冰箱冷冻室内放入热水比放入冷水冻结得更快,是这样吗?如果是这样,那是为什么?
　　这个问题在《新科学家》上提出来已经有好些年了,一直没有得到令人满意的答案.这一次,我们有意给出几位做过实验的读者的答案,希望能够引起讨论.事实好像违反直觉,但是,热水似乎确实比冷水冻结得更快.对这种现象的最好解释,大概是把盛热水的容器放进制冰室,热接触变得更好了,同时,出现了一种不同的热对流方式加快了水冻结成冰.究竟哪一种效应是主要的,则取决于冰箱、盛水容器和容器摆放的位置.
　　提问题的朋友提到的那种说法是正确的.制冰块用热水的确比用冷水冻结得更快.如果把盛热水的容器摆放在冷冻室的霜层或冰层上面,就会出现这种效果.这时,温度较高的容器底将下面与之接触的冰层表面融化,极大地改善了容器底与冰层的热接触,加快了容器的散热效率.散热效率的提高,足以抵偿因为是热水而需要散失更多热量而有余.如果将容器架空,或者摆放在冷冻室的没有霜或冰的干表面上,就不会有这种效果.
　　最早注意到这种效应的是生活在16～17世纪的那位大名鼎鼎的哲学家弗朗西斯培根,他把一只盛水的木桶放在冰上做实验.我做的实验表明,只要冰箱冷冻室的结霜足够厚,用热水,15分钟就结成了冰块,而用冷水,则需要20分钟.显然,住在澳大利亚的人要比住在寒冷国家的人更希望利用冰箱制冰块的时间能够短一些.最早注意到这种效应的不是弗朗西斯培根,而是亚里士多德.亚里士多德在他的《气象学》一书中有一段叙述指的就是这种效应："许多人为了将水尽快冷却,会把水先在太阳下晒一会儿.在冰上捕鱼（在冰层上凿洞,然后在洞口捕鱼）的人,为了在冰上搭建临时棚屋,会在立杆周围浇热水加快冻结,使它们尽快稳固."
　　但是,说"如果将容器架空,或者摆放在冷冻室的没有霜或冰的干表面上,就不会有这种效果",似乎不一定对.
　　这个问题,《新科学家》早在1969年就提出来了,提问题的读者是坦桑尼亚的一位学生伊拉斯托姆佩姆巴.他发现,将制冰淇淋的混合液趁热放入冰箱,要比等它凉至室温再放入冰箱,冻结得要快些.我在完成六年级布置的自行设计实验作业时,也同姆佩姆巴一样,实验结果受到了老师的怀疑.
　　我的实验首先证明了,无论用自来水还是用蒸馏水,结果同姆佩姆巴的冰淇淋混合液是一样的.这说明,这种效果与液体的化学组成无关.其次,我的实验还证明,热水冻结得反而更快,不是热水蒸发体积变小了的缘故.我把热电偶插入水中测量温度,发现温度为10℃的水要比温度为30℃的水更快达到凝固点,这与牛顿的冷却定律是一致的.但是,达到凝固点之后,原来温度较高的水反而会凝固得更快.
　　我的实验表明,把水放入冰箱冻结为固体,所需时间最长的是温度大约为5℃的水；所需时间最短的是温度大约为35℃的水.这个好像不合理的结果可以用水中的垂直温度梯度来加以说明.如果表面一层液体的温度始终都比下面液体的温度高的话,那么,从液面散失热量的速度就会比液体内温度作均匀分布时,从仅具有平均温度的液面散失热量的速度更快.如果不是把水盛在一个浅碟中,而是盛在一个高金属罐中,就不会有热水先冻结的结果.我猜想,这大概是高金属罐的侧壁散热效果也很好,使得水中的热传导出现了短路的缘故.
　　当实验结果与根据原来知道的正确知识所预料的结果不相符时,我也是一下子难以放心地接受的.
　　验证这个问题的经典实验方法,是在寒冷的冬天用两只金属桶分别装上冷水和热水于夜间放置在露天,有风的天气更好.静置不动的水导热性能不好,它的顶层和周围很快就会结冰.如果原来的温度为10℃左右,水体的核心部分会冷却得非常慢,尤其在顶层有浮冰的场合,正常的对流将受到抑制.没有对流,核心部分温度较高的水便没有办法移动到温度较低的金属桶壁,在那里把能量传递到外界.
　　但是,如果原来的温度为40℃左右,那么,在桶内任何部分的水都还没有来得及结冰的情况下就会有强烈的对流,于是桶内的全部水会整体快速而均匀地冷却.所以,装热水的金属桶内尽管会较迟才开始结冰,但是所有热水全部结成冰所需要的时间却要比冷水全部结成冰所需要的时间短.
　　实验条件是关键.比如说,如果冷水桶开始时的温度是0.1℃,而热水桶开始时的温度是99.9℃,那么当然不会得到出乎意料的结果.容器还必须足够大,能够以不大的温度梯度维持对流；同时也不能太大,以保证水的热量能够通过金属桶表面迅速散失.夜间有风,流动的空气自然有助于散热.
　　家用冰箱的冷冻室很难满足上述的实验条件.在工业冷冻机或者实验室内则不难演示这种好似不合常理的现象.
　　我用实验进行验证,结果证明问题中提到的说法是正确的.唯一的要求,是盛水的容器不能太大,须保证冰箱冷冻室的制冷能力足以及时移除容器内水的热量.
　　冷水总是开始在它的表面形成浮冰,这将阻止热量通过对流传递到表面.热水则是在靠近容器的底部和侧壁位置先结冰,它的表面仍保持为液体,而且温度相对较高,能够继续以较快的速度向外辐射热量.热水内部的这种温度差异会引起剧烈的对流循环,不断将水中的热量带到表面,直到大多数的水都冻结成冰.
　　这其实是一种被误解的说法.放入冰箱冷冻室的热水并不会比冷水冷冻得更快,而是加热后冷却到室温的水要比没有加热过的水冷冻得更快.这是因为加热过程使水失去了溶解在其中的气体（基本上是氮和氧）,而水中的这些气体会降低冰晶体的生长速度.
　　上面这位住在澳大利亚塔斯马尼亚大学的读者F对热水比冷水冰冻更快的说法有怀疑,他其实可以就近去这次第一个来信的读者A那里看一看他的实验,后者恰好也住在塔斯马尼亚大学.实验证明确实有这种现象.当然,失去原来溶解的气体也可能是晶体生长得以加快的一个因素.
　　还有一个可能的因素是我们收到的读者来信中没有提到的,即超冷却,或者说"过冷".最近的研究表明,水的凝固其实有一个温度范围,热水有可能比冷水先冻结.不过,热水是否会全部先冻结,是与那不同的一个问题.--《新科学家》编者
　　对条件严格加以控制的科学实验似乎证明确实存在着这种效应.我们假定了冷冻室的温度在冷冻期间一直保持不变,而实验样品的各种变量,如容器的大小、容器内和容器外的热传导和热对流等条件也始终一样.
　　但是,我以为有一个条件其实是在变化的,那就是被忽略的冷冻室内温度的起伏.冰箱冷冻室温度的上下起伏取决于控温系统的测温元件和定时器的灵敏度.我们可以假定当冷冻室处于标准温度时冰箱输出的制冷功率也有一个与之对应的标准值.这时如果在冷冻室内放入的是一桶冷水,由于它的温度比冷冻室原来的标准温度高不太多,很可能不会触发温度敏感元件,因而对冰箱输出的制冷功率的影响很小.但是,如果放入的是一桶热水,那就很容易触发温度敏感元件,通过加大输出制冷功率来加强对冷冻室的冷却,使之低于标准温度.这个加强冷却的过程要持续一段时间,而时间的长短则取决于定时器的灵敏度.
　　冷冻室温度起伏引起输出制冷功率的变化,在家中用家用冰箱做实验多半是注意不到的.我在电桑拿（蒸汽浴）炉上就看到了类似的效应.我把水浇在电桑拿灶的温度敏感器上,让它误以为浴室的温度降低了,结果,电桑拿炉的输出立即增加了.
　　最近传来还没有证实的消息说,美国位于密苏里州圣路易斯城郊的华盛顿大学对这个问题进行了研究,又提出一种新的解释.将水加热,能够使溶解在水中的诸如碳酸氢钙和碳酸氢镁等溶质沉淀出来.
　　但是,没有被加热过的水,其中仍然含有这些溶质.当这种水被冷冻形成冰结晶时,这些溶质便被逐出,存留在冰块周围的水中,使得还没有凝固的水中的溶质的浓度越来越高.这种情况当然会使水的凝固点降低,就像冬季在道路上撒盐可以使积雪融化.于是,剩余的水将会继续冷却而不结冰.同时,由于凝固点降低,这剩余的水与周围的温度差也减小了,从而使它散失热量的速度大为减小.--《新科学家》编者