[转贴]水的最诡异科学现象

我爱范佩西 · 发表于 2009-2-21 12:47:07

[转贴]水的最诡异科学现象 水，分子式H2O，我们生命中的每一天都需要它来维持，把它称作生命之源一点都不夸张。但是看似非常简单的物质，它有很多怪异的现象，到现在为止，科学家还无法给出合理的解释。下面是7个最奇怪的现象： 1、热水比冷水更容易结冰两杯体积的水，一冷一热，放入同一个冰箱中，首先结冰的会是那杯热水，为什么？最早关注这个问题的是一名高中生，那是在1963年，坦桑尼亚的一名高中生 Mpemba发现，自己的热牛奶比常温牛奶更容易在冰箱里结冰而制成冰淇淋，他想不明白，于是请教自己的老师，但是老师用不相信的嘲讽口气说：这现象是 Mpemba物理，而并非我们宇宙的常识物理。还好Mpemba没有放弃，他说服了一位物理学专家做这个实验，并最终证明了这个现象确实存在。然后经过一番周折，这种现象最终被证明为Mpemba现象。科学家对这种现象作出的最终解释是：过冷现象（后面有解释），蒸发，对流等等原因造成这个结果，有一点可以肯定，热水在开始结冰时的温度确实是高于冷水结冰时的温度的，但是形成最终的冰冻状态，冷水所耗时间小于热水。 2、“过冷现象”和“瞬间结冰”我们知道水在0摄氏度时开始结冰，但并不是所有的时候都是这样，即使温度已经低于冰点，有些情况下水仍然不结冰，当然，大气压为标准大气压。造成这个现象的原因是，水要结冰需要先在水中任意一个区域内形成至少一个小冰"核"（nucleus），在这个核的基础上才能开始正式结晶（水分子包围着这个核开始结晶成冰）。如果没有这个核，就好像结冰这个过程的开关没有被打开，水只好继续降温。这时如果外界给一个刺激，谁就好像打开一个开关一样，瞬间结冰，那过程相当有趣。 3、玻璃水有人问你：水有几种状态？你一定会回答：3种。但是这答案是不准确的，谁在液体时有5种不同状态，固体时有14种不同状态。刚才说到的过冷现象，是纯净的水低于冰点时仍不结冰，但是，即使最纯净的水，低于-38摄氏度时也会结冰，而继续冷冻会出现什么现象呢？当温度低于负120摄氏度时，冰会变得不那么坚硬，而是一种黏稠的固体，低于负135摄氏度时，它会变成一种无结晶状态的“玻璃水”。 4、分子成分1995年的一次中子试验让人至今百思不得其解：用中子轰击水分子，得到的氢质子要比理论值少25%，也就是说，水分子式不是H2O，而是H1.5O，这……你听说过半个质子吗？ 5、水有记忆吗？某种医学疗法中，需要把药品稀释的倍数是天王数字，溶剂太多，用统计学计算，一剂最终药品溶液中甚至不会有一个药品分子，但是这剂药品确实有药效，这是怎么回事呢？科学家给出一种似是而非的说法：“水的记忆”现象，水分子会“记得”药品最初溶解到水中的状态，即使稀释N倍。也有很多科学家认为这种现象太飘渺，并通过试验试图证明它的错误，但是到目前为止，貌似还没有绝对的定论。 6、“冰钉”的形成这个可不像冰锥那样倒挂在屋檐上，而是蒸馏水在结冰过程中形成的一根根朝上的“冰钉”。其形成原因是，当冰盒中的纯水开始凝固时，边缘的首先形成冰，这样慢慢的就会形成一个中央有洞的冰层，当水在洞周围开始凝结时，由于冰层下的水凝结时被限制膨胀，所以洞中的水会被迫开始沿洞向上凝结，并慢慢形成一个中空且有水的冰钉。 7、沸水变雪球在零下空气中，把滚烫的沸水扔出去，它会马上变成一个雪球。

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我爱范佩西 · 发表于 2009-2-21 12:50:00

姆佩巴效应 维基百科，自由的百科全书 Jump to: navigation, search 一、姆佩巴效应 人们通常都会认为，一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时，冷水结冰快。事实并非如此。1963年的一天，在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里，一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后，准备放进冰箱里做冰淇淋。他想，如果等热牛奶凉后放入冰箱，那么别的同学将会把冰箱占满，于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久，他打开冰箱一看，令人惊奇的是，自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋，而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。他的这一发现并没有引起老师和同学们的注意，相反在为他们的笑料。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇，但他相信姆佩巴讲的一定是事实。尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验，其结果也姆佩巴的叙述完全相符。这就确切地肯定了在低温环境中，热水比冷水结冰快。此后，世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象，还将这种现象命名为\"姆佩巴效应\"（MpembaEffect）。 二：对姆佩巴效应的各种解释 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℃的热水和0.01℃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。 一般人会认为这似乎是不可能的，还有人会试图去证明它不可能。这种证明通常是这样的：30℃的水降温至结冰要花10分钟，70℃的水必须先花一段时间，降至30℃，然后再花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℃的水，冷却到平均温度为30℃的水，水已发生了改变，不同于那杯初始温度均匀，30℃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。 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。但这也不能完成解释Mpemba效应，因为我们仍需解释为什么热水较少会过冷。 在很多情况下，热水较冷水先结冰，但并不是在所有实验中都能观察到这种现象。而且，尽管有很多解释，但仍没有一种完美的解释。所以，姆佩巴效应仍然是一个谜。 既然是个谜，那如何有“事实并非如此”一说呢？ 在许多版本的《十万个为什么》里都会提到同一个带有传奇色彩的故事：1963年，坦桑尼亚的一位初三学生在制作冰淇淋时意外发现，热牛奶比冷牛奶先结冰。这个奇怪的现象后来以这位学生的名字命名“姆潘巴”。42年后，3位上海的女中学生在老师指导下向同龄人姆潘巴发起了挑战。 一拍即合师生课题组诞生 叶莎莎、庾顺禧和董佳雯都是从《十万个为什么》中第一次认识姆潘巴的，当时她们还在读小学。“感觉姆潘巴现象很难解释，但却从来没有怀疑过。因为小时候总认为书上写的都不会错。”这位曾获得过世界工程师大会未来工程师论坛第二名、来自向明中学高三的叶莎莎笑着回忆起了童年。 向明中学高二年级的庾顺禧同样也是多年的科创高手，在去年的上海市第五届中学生科学课题研究评比中，她个人有3件作品获奖。其中的多种脚控式自翻乐谱架和便携式家用电器安全电压检测器都受到了广泛好评。去年参加比赛的过程中，小庾无意间看到了其他同学做的姆潘巴研究，“当时很受启发，也很感兴趣，心里就有些蠢蠢欲动了。” 高二女生董佳雯目前就读于上海中学。她从小就是个生活中的有心人。看奥运会击剑比赛，见到中国选手多次受到裁判的不公正待遇，不平之余，她想到去改进击剑裁判的积分系统；数码照相机因误操作丢失了不少珍贵照片，顿足之后，她想为数码照相机设计一个“回收站”，便于“亡羊补牢”。 向明中学的科技指导老师黄曾新对姆潘巴现象关注已久，在一次课外课题研究过程中，他与学生聊起了姆潘巴，当时就引起了叶莎莎、庾顺禧和董佳雯的强烈兴趣。为了解决同一个世界性难题，4位师生“一拍即合”，课题组在去年11月初宣告诞生。 双管齐下设备资料均备齐 “兵马未动，粮草先行”，3位女生通过查阅网上资料，选择了课题实验用的一些必需设备。向明中学领导得知这个课题后给予了全力支持，价值不菲的12点自动温度记录仪、带有温度显示的无霜电冰箱、温度传感器和电子天平秤等设备都在第一时间全部到位，学校为此共耗资6000余元。 通过互联网，她们查阅了大量的资料，没有发现权威的解释。尤其令人不解的是，几乎每年都有人撰写论文研究姆潘巴现象，但没有人进行定量分析，都缺乏令人信服的科学实验数据，也没有强有力的理论依据。随后，3位同学分头尝试用家用冰箱做实验，结果令人兴奋：热水和冷水几乎同时结冰??没有出现姆潘巴现象。初次实验的结果使她们产生深入研究姆潘巴现象的欲望。 设备和资料的准备工作双管齐下后，终于万事俱备、只等“开工”了。 三色“神”杯制作实验全靠它 “三色杯”，一种普通的冰淇淋。炎夏的消暑良方在寒冬里找到了用武之地，发挥出了“一杯三用”的“神”效。 第一用，做实验容器。走进工作室，好几只空的“三色杯”零乱地散落在桌子上，显眼的同时还散发出淡淡的奶香。“这几个月里每天都和‘三色杯’打交道，估计以后再也吃不下了。”叶莎莎说。除了体积略显庞大的“三色杯”外，小一号的冰淇淋杯子也很受欢迎。 第二用，做液体原料。因为姆潘巴是在做冰淇淋的时候发现问题的。为了充分接近当时的操作条件，用冰淇淋来做实验理所当然。但谁也没做过冰淇淋，需要哪些原材料呢？最简单的办法就是买来现成的冰淇淋，等它融化之后就能循环利用了。价钱实惠的“三色杯”便“脱颖而出”。 第三用，突破瓶颈。课题在进行到一半时遭遇瓶颈。虽然实验表明是否加糖和加糖后是否搅拌都会对液体冰点产生影响，从而改变其结冰速度。但糖对液体结冰的干扰程度还不够明显，直到“淀粉”这个重要变量的出现。发现淀粉也多亏了“三色杯”。由于同样温度同样重量的冰淇淋总比纯牛奶先结冰，这就引发了3位同学的思考。偶然的机会，她们在“三色杯”的配料说明中看到了“淀粉”，试了以后茅塞顿开：原来正是淀粉的存在大大加快了液体结冰的速度。 四人攻关探寻为何先结冰 3位同学的大半个寒假都是在实验室与黄曾新老师共同度过的。超过100次的实验最终换来的是上万个宝贵的数据。开学前，实验阶段结束，课题组迎来更为枯燥的数据分析阶段。 虽然有先进的自动化仪器相助，但万千数据的整理、分析和总结还是颇为麻烦。暂且不论课题组精心绘制11张分析示意图花费了多少时间，只需节选论文的“数据记录分析”部分，其繁琐程度就可见一斑：冷、热纯牛奶对比；冷、热含糖牛奶对比；冷、热无糖、无淀粉牛奶对比；冷、热含糖、含淀粉牛奶对比；冷、热纯水对比；冷、热糖水对比；冷、热盐水对比；冷的纯水与纯牛奶对比；有糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉对比…… 严密的分析之后，结论水到渠成：同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。 此外，课题组还分析了姆潘巴现象之所以产生的3种可能情况： 冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰； 如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰； 姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰。

KC.Bastian · 发表于 2009-2-21 13:00:00

<div class=\"quote\">以下是引用我爱范佩西在2009-2-21 12:50:00的发言： 此外，课题组还分析了姆潘巴现象之所以产生的3种可能情况： 冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰； 如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰； 姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰。 </div>这个结论非常ccav走进伪科学

wolfgang · 发表于 2009-2-22 10:42:00

这个不是证实了是愚人节玩笑了吗，还真有人能解释得出来……

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