10.姆潘巴现象简介

姆潘巴现象简介早在公元前３５０年前后，亚里士多德便在其著作《气象学》中写下过这样一段话：“如果水以前被加热过，这有助于它冻结的速度：因为它冷却得更快”．为解释这种现象的产生原因，亚里士多德提出了对置论，即认为一个物体，其周围环境若有某一性质与物体本身的性质相反，那么环境中相反的性质会使物体本身的这一性质突然增强．如果把冷水和热水倒在寒冷的地方，例如倒在冰上一样，热水会更快地结冰；但是，如果将热水和冷水放在两个容器中，冷水会更快地冻结．时间来到１７世纪后，又一伟人弗朗西斯·培根也在其研究中写下过这样一段话：“稍微温暖的水比相当冷的水更容易结冰”．1.姆潘巴现象的提出1962年姆潘巴在坦桑尼亚的马干巴中学读三年级时，一次与同学一起制作冰淇淋时偶然发现，同时放进冰箱里的热牛奶与冷牛奶，居然是热牛奶先结冰.姆潘巴将这个现象告诉他的物理老师，老师认为这不可能发生，不予理睬.进入高中在学习牛顿冷却定律时，姆潘巴又问物理老师，同样遭到轻率的否定.就在这一年，坦桑尼亚最高学府达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来马干巴中学访问，姆潘巴将这个问题求助于博士.奥斯波恩博士回校后亲自动手实验，并观察到了与姆潘巴发现的类似现象，并且发现将牛奶换成水，结果也一样.后奥斯波恩博士邀请姆潘巴联名在《英国教育》上发表一篇论文[1]，对热牛奶（水）在电冰箱中先于冷牛奶（水）冻结的现象作了介绍和解释.论文除了介绍姆潘巴发现该现象的过程外，其主要内容是:（1）把牛奶换成水以后再进行观察，发现电冰箱中的热水仍在冷水之前冻结成冰.（2）把热水放入电冰箱冷却时，水的上表面(S)与底部(B)之间存在着显著的温度差.热水冷水缓慢冷却时的温度差几乎是观察不到的，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的水内产生的最高温度差接近14℃，而初温为47℃的水内产生的最高温度差只有10℃左右.这就是每一个人都可以观察到的冷、热水在急剧冷却时的重大差别.在以上实验和定量观测的基础上，姆潘巴和奥斯波恩博士对热牛奶(或热水)先冻结的现象作出如下解释:（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.（2）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.姆潘巴效应并非是无温度差的限制条件都会发生的.例如，99℃的热水和1℃的冷水，当然是冷水会先结冰.所以严格说，姆潘巴效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下都可看到的现象.其严格是表述应该是：有两个形状一样的杯，装着相同体积的液体，唯一的分别是液体的温度.现在将两杯液体在相同的环境下冷却，一般而言温度高的液体冷却快一些.在同样的冰柜冷却条件下，热酒精的冷却速度大约比同温冷酒精的冷却速度最多快10-20%.乙醇（化学式为CH3CH2OH或C2H6O，或C2H5OH，或EtOH，Et代表乙基）是带有一个羟基的饱和一元醇，在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体.20℃乙醇液体密度是0.789g/cm3，沸点是78.3℃，熔点是-114.1℃.乙醇的蒸发速度约是水的3到5倍.乙醇的物理性质主要与其低碳直链醇的性质有关.分子中的羟基可以形成氢键，因此乙醇黏度很大，也不及相近相对分子质量的有机化合物极性大.由于存在氢键，乙醇具有潮解性，可以很快从空气中吸收水分.2.对姆潘巴现象目前的理解姆潘巴现象的原理尚未有定论，以下是几种可能的解释：1.温度差与散热速度：一种解释是，水体上表面的温度越高，从上表面散发的热量就越多，因而降温就越快，冻结也就越快.这意味着，在冻结前的降温过程中，较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差.2.溶解物质的影响：水在加热过程中，一些溶解物质如碳酸钙、碳酸镁等会被驱逐出去，形成沉淀物，使得水软化.这些溶解物质在未结冰水中的浓度会随着水结冰过程而增加，从而影响结冰速度.此外，如果液体中含有糖或其他溶质，这些溶质会影响液体的冰点，进而影响结冰速度.3.结晶中心的作用：热水中的微生物等杂质可能是“结晶中心”，有助于冰晶的形成.这种情况下，热水中的结晶中心比冷水中的多，可能会加速热水冻结的过程.4.对流作用：较温暖的样品中的增强对流通过保持容器壁上的热梯度而加速冷却.尽管有多种理论试图解释姆潘巴现象，但目前还没有一个统一的、被广泛接受的解释.不同条件下实验结果的不一致性，也表明这一现象可能受到多种因素的影响.2016年剑桥大学应用数学和理论物理系PaulF.Linden教授和帝国理工学院HenryC.Burridge教授在ScientificReports上发表论文[2]，质疑并明确指出，根据他们的实验结果姆潘巴效应是不存在的.以至于现代物理学似乎表现出某种不屑于回答这个看起来很简单的结冰问题的倾向.这里的主要的问题是，水结冰所花的时间的长短，对实验设计中的很多因素，都是很敏感的.例如容器的形状和大小、冰箱的形状和大小、水中气体和其它杂质、结冰时间的定义，等等.因为这种敏感性，即使有实验支持姆潘巴效应的存在，但不能支持在这些条件之外，姆潘巴效应的发生和发生的原因.正如Firth所讲“这个问题有太多的变量，以致任何从事这项研究的实验室，一定会得出和其它实验室不同的结果.”[3]3.江正杰等人的研究通过大量这样的姆潘巴效应实验发现，江正杰等人将姆潘巴效应的研究推进了五步：（1）发现在保温容器中水的冷却过程中的上下同步降温现象，由此避免了热水与冷水在冷却过程产生上下液面之间的温差的影响，从而大大降低了姆潘巴效应影响因素的复杂性.（2）提出了三级姆潘巴效应说：热水比冷水先结冰（一级）；热水的降温赶上冷水的温度（二级）；热水冷却到冷水的初温时比冷水的降温速度快（三级）.任何一级发生了都表明存在姆潘巴效应.（3）从而揭示了姆潘巴效应所反映的一般规律是：在同样的冷却环境条件下从更高温冷却下来的液相比之从低温开始冷却的同温液相具有更快的冷却速度.因此姆潘巴效应的发生不依赖于一定要观测到结冰现象.这个规律的发现明显违背了牛顿冷却定律.（4）根据这个规律，在酒精的冷却过程中也发现了更加明显的姆潘巴效应.证明了姆潘巴效应不仅是水的冷却过程的一般规律，还是液相冷却过程的一般规律.（5）最后基于液相整体蒸发定律和液体的液气混合态模型对姆潘巴效应实验的微观物理机制进行详细的解释，阐明液体本身是一个短程有序、长程无序的单元结构，从单元核心到边缘的固相分子-液相分子-气相分子的结构分布.姆潘巴效应的谜底在于，在液相的整体蒸发定律和同步降温的原理基础上发生的，在冷却过程中，无氢键自由液相水分子到气相水分子的相互过渡状态和自由气相水分子的数量或密度，在修复到静态的与温度之间的对应关系的过程中发生的滞后效应.因此通过本文及其实验可以宣布：液相整体蒸发定律是完全可以成立的，并且宣布困扰物理学界60多年的姆潘巴效应之谜最终得以破解，牛顿冷却定律需要得到修正[4].江正杰将解释姆潘巴效应之谜的谜底归结于三级姆潘巴效应，三级姆潘巴效应都是在液相的整体蒸发定律和同步降温的原理基础上发生的.液相的静态的“固相-液相-气相”结构与温度之间存在一一对应关系，温度越高，固相水分子含量越少，液相分子和气相水分子含量越多；温度越低，固相水分子含量越多，液相分子和气相水分子含量越少.但是在温度变化的过程中，这种液相的静态的“固相-液相-气相”结构与温度之间存在一一对应关系就会被破坏，在修复到静态的“固相-液相-气相”结构与温度之间的一一对应关系的过程中会发生滞后效应.即在冷却过程中到达某个温度值的时候，液相内部从无氢键液相水分子到气相水分子的相互过渡状态和自由气相水分子的数量或密度，在修复到静态的“固相-液相-气相”结构与温度之间的对应关系之前，有一个滞后效应，即有一个与更高温度值对应的量，在这个情况下的冷却速度当然是更快.如果冷却过程是持续的，滞后效应的量也是会持续的.这个持续的滞后效应导致了姆潘巴效应所反映的一般规律：在同样的冷却环境条件下，从更高温冷却下来的液相比之从低温开始冷却的同温液相具有更快的冷却速度，即三级姆潘巴效应.有三级姆潘巴效应，才会有二级姆潘巴效应，即处于冷却中的热水的温度会赶上冷水的温度；最后才可能会有一级姆潘巴效应，即热水先于冷水结冰.因此姆潘巴效应的发生不依赖于一定要观测到结冰现象.这个就是三级姆潘巴效应之所以会发生的微观机理[5].4.逆姆潘巴效应不仅冷却过程存在姆潘巴效应，在加热升温过程中也会有逆姆潘巴效应.逆姆潘巴效应（AntiMpembaeffect）是指在一定条件下，温度较低的液体比温度较高的液体更快达到更高的温度或沸点.因为在升温过程中同样存在温度与“强氢键-弱氢键-无氢键范德华力-自由态”的链接过渡结构之间的对应关系从瓦解到修复过程的滞后效应.逆姆潘巴效应也可以分为三级逆逆姆潘巴效应：一级逆姆潘巴效应，即温度较低的液体比温度较高的液体更快达到更高的温度或沸点.同样，二级逆姆潘巴效应可以理解为：冷水的升温速度赶上热水的时刻.三级逆姆潘巴效应可以理解为：冷水在升温过程中比热水更快达到沸点.在液相升温过程中，所谓的逆姆潘巴效应所反映的一般规律可以表述为：在同样的加热环境和容器条件下，从更低温度开始加热升温的液相，比之从更高温开始加热升温的同温液相，具有更快的升温速度.这是因为液相从低温开始加热升温，液相的“强氢键-弱氢键-无氢键范德华力-自由态”的链接过渡结构瓦解到与温度对应的状态，同样有一个滞后效应，在这个滞后效应发生之前，低温液相内部具有更小的液相分子和气相分子数量和密度，因此发生的蒸发速度更慢，丧失的能量也更少，故升温速度也更快.逆姆潘巴效应的一般理解是：在相同的加热条件下，冷水由于蒸发更慢，故能够将其吸收的热量更多用于升温.而热水由于具有更快的蒸发速度，故在升温过程中将更快耗散热量，故只能将更少的热量用于升温，故可能更慢到达沸点.作为对于这种解释模式的检验，我们也可以通过逆姆潘巴效应实验来进行.这样的实验已经有人做过[6].参考文献[1]JohnL.Lewis:TeachingschoolPhysics—AUNECOSourcebook(1972，PenguinBooks--Uneco)中文见：\t"/kns8s/defaultresult/knet"胡南琦译.奥斯玻恩；姆潘巴.姆潘巴的故事[J].物理教学,1984,08(2):34-37.及：杨为民译.奥斯玻恩；姆潘巴.姆潘巴的故事(续).物理教学.1984年08月18日.[2]QuestioningtheMpembaeffect:hotwaterdoesnotcoolmorequicklythancold.Sci.Rep.6,37665;doi:10.1038/srep37665(2016).[3]Firth,J.R.(1957).Asynopsisoflinguistictheory1930–1955.InStudiesinLinguisticAnalysis,SpecialVolumeofthePhilologicalSociety,Oxford:Blackwell,pp.1–32.）[4]江正杰，朱韵之，冯跃春.基于整体蒸发定律解开姆潘巴效应之谜[J].物理科学与技术研究.2025年第5卷第2期.[5]江正杰