历史
热水结冰更快的观察见于亚里士多德、弗朗西斯·培根和笛卡尔的著作(Jeng, 2006)。它重新受到现代关注,源于坦桑尼亚中学生埃拉斯托·姆潘巴。1963年,他发现自己未经冷却就放入冰箱冷冻室的冰淇淋原料反而先冻住;1969年,他与大学讲师D. G. 奥斯本在《Physics Education》上发表了论文《Cool?》。
提出的原因
- 蒸发:热水通过蒸发损失质量,并通过蒸发潜热损失热量。
- 对流:热水中强烈的对流使表面保持较高温度,因此可能通过顶部表面更快散热。姆潘巴和奥斯本将此作为初步解释提出。
- 溶解气体:加热或煮沸过的水所含溶解气体较少,可能改变其结冰方式。
- 过冷:水会经历低于0°C的过冷状态,过冷程度可能取决于初始温度,从而改变开始结冰的时间。
- 环境因素:实验条件的差异,例如热容器融化冷冻室底部的霜,改善了热接触。
热量的传递方式见传热。
可重复性之争
Jeng(2006)总结认为,这一效应在若干实验中被观察到,但结果随条件以及“结冰”的定义(开始结冰、完全结冰等)而差异很大。Burridge和Linden(2016)通过对照实验和对既往研究的回顾报告称,没有找到初始较热的水更快达到0°C的有意义证据。因此,姆潘巴效应常被用作说明科学中精确假设、测量条件和重复验证重要性的案例。
近期研究
对于水以外的系统,非平衡统计力学研究提出了类姆潘巴效应,即离平衡更远的系统反而更快弛豫到平衡,并在胶体粒子等实验中观察到。这并不违反热力学定律,而是意味着弛豫路径取决于初始状态。
参考文献
- Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool? Physics Education, 4(3), 172-175.
- Jeng, M. (2006). The Mpemba effect: When can hot water freeze faster than cold? American Journal of Physics, 74(6), 514-522.
- Burridge, H. C., & Linden, P. F. (2016). Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold. Scientific Reports, 6, 37665.