彭巴效應

彭巴效應（Mpemba Effect）
國立臺南第一高級中學物理科汪登隴老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

彭巴效應 (Mpemba effect)，指在同等體積、同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。

亞里士多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦尚尼亞的一位中學生彭巴((Erasto Mpemba) 在製作冰淇淋時發現，熱牛奶經常比冷牛奶先結冰，1969年，他和丹尼斯‧奧斯伯恩博士(Denis G. Osborne)共同撰寫了關於此現象的一篇論文，因此該現象便以其名字命名。

彭巴現象的原理究竟為何至今眾說紛紜，常見的解釋如下：

1、蒸發：

熱水冷卻的過程中，會因蒸發而失去較多的質量。因所剩質量較少，所以液體需要被移除的熱較少，溫度冷卻得較快。用這個解釋，熱水會先結冰，只是因為它將較少的水結成冰。如果水只是透過蒸發來冷卻，和溫度分佈維持均勻，那麼熱水會先結冰。

2、氣體溶解度：

熱水中的氣體溶解被逐出，改變了水的一些性質。氣體溶解的缺乏可能會改變水的傳熱能力，或改變令單位質量的水結冰所需的熱量，又或改變熔點。熱水比冷水留住較少氣體溶解是對的，沸水趕走了大部分的溶解氣體。

3、過冷：

過冷現象發生在當水不在0℃，而在更低的溫度才結冰。水在0℃時結冰是水分子「想」排列成冰晶體。這意味著，它們要停止像液態時那樣，隨機地嗡嗡亂飛，而代之以有秩序的固態晶格。

然而，它們不知道怎樣去排列，而需要小量不規則的物體或成核位置去告知它們。有時，當水被降到0℃以下，它還看不到成核位置，這時，水就低於0℃而沒有結冰。這種現象並不罕見。有一個實驗發現將熱水冷卻，只是過冷少許（大約－2℃），但冷水會過冷較多（大約－8℃）。

4、對流：

液體降溫速度的快慢不是由液體的平均溫度決定的，而是由液體上表面與底部的溫度差決定的，當熱的液體冷卻時，這種溫度差較大，而且在凍結前的降溫過程中，熱的液體的溫度差一直大於冷的液體的溫度差。

這種情況是由於上表面的溫度愈高，從上表面散發的熱量就愈多，因而降溫就愈快。即使當熱的液體冷卻到冷液體的初始溫度時，熱的液體比冷的液體，有較大的表面與底部的溫度差，所以有較快的降溫曲線。

5、環境：

冷卻的環境也許是彭巴效應產生的原因之一。比如冷凍庫的地面有一層霜，而霜的導熱效果不好，熱水比冷水更易熔化霜，使得熱水與冷卻器有較佳的接觸，因此熱水降溫較快。

彭巴效應並不是指熱水一定會比冷水先結冰，兩者的溫度如果有較大差異，那麼仍然將是冷水先結冰。

參考資料
1.維基百科–彭巴效應  http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect
2.Written Nov, 1998 by Monwhea Jeng（Momo），「Can hot water freeze faster than cold water?」，Department of Physics，University of California
http://www.xs4all.nl/~johanw/PhysFAQ/General/hot_water.html
3. D. Auerbach（Oct 1995），”Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold”，American Journal of Physics，vol. 63, #10，pgs 882–5