彭巴效應

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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

There is 1 comment for this article
  1. at 10:19:00

    熱水比冷水較快結冰? 物體遇熱會膨脹水也是一樣,當熱水膨脹時內部空間會增大,外部的冷物質就會比較容易進入內部使熱水能以較快時間降溫.冷水因為內部空間比較緊密冷物質比較不易進入相對降溫速度沒有比熱水快,

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