为什么热水比冷水先结冰？

2025-01-21 09:39:43

推荐回答（5个）

回答1：

四个因素:
1. 蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中，热水由于蒸发会失去一部分水。质量较少，令水较容易冷却和结冰。这样热水就可能较冷水早结冰，但冰量较少。如果我们假设水只透过蒸发去失热，理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应。这个解释是可信的和很直觉的，蒸发的确是很重要的一个因素。然而，这不是唯一的机制。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验，在封闭的容器，没有水蒸气能离开。很多科学家声称，单是蒸发，不足以解释他们所做的实验。
2. 溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体，随着沸腾，大量气体会逃出水面。溶解气体会改变水的性质。或者令它较易形成对流（因而较易冷却），或减少单位质量的水结冰所需的热量，或者改变沸点。有一些实验支持这种解释，但没有理论计算的支持。
3. 对流——由于冷却，水会形成对流，和不均匀的温度分布。温度上升，水的密度就会下降，所以水的表面比水底部热—叫"热顶"。如果水主要透过表面失热，那么，"热顶"的水失热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时，它会有一热顶，因此与平均温度相同，但温度均匀的水相比，它的冷却速率会较快。虽然在实验中，能看到热顶和相关的对流，但对流能否解释Mpemba效应，仍是未知。
4. 周围的事物——两杯水的最后的一个分别，与它们自己无关，而与它们周围的环境有关。初温较高的水可能会以复杂的方式，改变它周围的环境，从而影响到冷却过程。例如，如果这杯水是放在一层霜上面，霜的导热性能很差。热水可能会熔化这层霜，从而为自己创立了一个较好的冷却系统。明显地，这样的解释不够一般性，很多实验都不会将容器放在霜层上。最后，过冷在此效应上，可能是重要的。过冷现象是水在低于0℃时才结冰的现象。有一个实验发现，热水比冷水较少会过冷。这意味着热水会先结冰，因为它在较高的温度下结冰。

回答2：

物理原因和微生物结晶原因。望采纳。

这个看来似乎简单的问题实际上要比我们的设想复杂得多，它不但涉及到物理上的原因，而且还涉及到作为结晶中心的微生物的作用，是一
个地地道道的“多变量问题”。

(1). 物理原因

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。如果把热水和冷水结冰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，因为水和玻璃都是热传导不良的材料，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。由于热传递和相变潜热，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，
具有较大的表面能，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。

(2). 生物原因

同雨滴的形成需要“凝结核”一样，水要结成冰，需要水中有许许多多的“结晶中心”。生物实验发现，水中的微生物往往是结晶中心。某些微生物在热水（水温在100℃以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多，加速了热水结冰的协同作用：

围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核。对流又使各种取向的分子流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延生长出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中。结晶释放的能量则通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部冻结为止。

回答3：

"热水比冷水先结冰"
事实上,在一般实验条件下,热水会比冷水更快结冰.这种现象违反直觉,甚至连很多科学家也感到惊讶.但它的确是真的,曾在很多实验观察和研究过.虽然在经过亚里斯多德、培根,和笛卡儿 [1- 3] 三人的介绍后,此现象已被发现了几个世纪,但却一直没有被引入现代科学.直至1969年,才由坦桑尼亚的一间中学的一个名叫 Mpemba 的学生引入现代科学.这个效应早期发现史,和后期 Mpemba 再发现的故事－－尤其是后者,都是充满戏剧性的寓言.寓意人们在判断什么是不可能时,别过于仓促.这一点,下面会说到.
热水比冷水更快结冰的现象通常叫「Mpemba 效应」.无疑地,很多读者对这一点很怀疑,因此,有必要先明确地指出,什么是 Mpemba 效应.有两个形状一样的杯,装着相同体积的水,唯一的分别是水的温度.现在将两杯水在相同的环境下冷却.在某些条件下,初温较高的水会先结冰,但并不是在任何情况下,都会这样.例如,99.9° C 的热水和 0.01° C 的冷水,这样,冷水会先结冰.Mpemba 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.
这似乎是不可能的,不少敏锐的读者可能已经想出一个方法,去证明它不可能.这种证明通常是这样的：30° C 的水降温至结冰要花 10 分钟,70° C 的水必须先花一段时间,降至 30° C,然之后再花 10 分钟降温至结冰.由于冷水必须做过的事,热水也必须做,所以热水结冰较慢.这种证明有错吗?
这种证明错在,它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响.但事实上,除了平均温度,其它因素也很重要.一杯初始温度均匀,70° C 的水,冷却到平均温度为 30° C 的水,水已发生了改变,不同于那杯初始温度均匀,30° C 的水.前者有较少质量,溶解气体和对流,造成温度分布不均.这些因素亦会改变冰箱内,容器周围的环境.下面会分别考虑这四个因素.所以前面的那种证明是行不通的,事实上,Mpemba 效应已在很多受控实验中观察到 [5,7-14].
这种现象的发生机制,仍然没有得确切的了解.虽然有很多可能的解释已被提出过,但到目前为止,还没有一个实验可以清晰地显示它的机制.如果有的话,这实验就十分重要了.你可能会听到有人很自信地说,X 是 Mpemba 效应的原因.这些说法通常都是基于猜测,或只看着小量文献的证据,而忽略其它.当然,有根据地猜测,和选择你信赖的实验结果,是没错的.问题是,对于什么是 X,不同的人提出不同的说法.
为什么现代科学不回答这个看起来很简单的结冰问题?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.例子容器的形状和大小、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 Mpemba 效应的存在,但不能支持在这些条件之外,Mpemba 效应的发生和发生的原因.正如 Firth [7] 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.」

回答4：

热水与冷水在同质同量同外部环境温度条件下不但它们的温度在变化，它们各自的密度、体积、质量和密封状态下受到的气压等等都在发生变化，使得初温高的水降温速度始终快于初温低的水，只要外部环境温度持续下降，最终必然是初温高的水温度更低。

回答5：

。这个也是在相对的其条件条件下：在封闭的无对流的干冷空间内，如冰箱中。
这是因为在封闭的无对流的干冷空间内，干空气对热的传导能力差，冷水对其上方的空气加热升温作用小，不能形成对流，传热主要是热幅射。而热源不就不同，它对上方的空气加热升温作用大，能形成对流；其蒸发作用强，对上方空气有加湿作用，增加了空气对热的传导能力，所总的效果是其对外散热能力大大增强，散热速度快，所以热水比冷水更快结冰。

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