神奇的姆潘巴现象

臧玥昕

生活中，水结成冰是一种非常常见的自然现象，但是如此简单的现象也有很多神奇之处，姆潘巴现象就是一个典型的例子。

一、什么是姆潘巴现象

姆潘巴现象（Mpemba effect）是指在同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。

故事发生在1963年，坦桑尼亚马干巴中学的三年级学生埃拉斯托·姆潘巴与同学们一起做冰激凌，他们先把鲜牛奶煮沸，然后加糖冷却至室温，再放进冰箱冷冻室。由于冷冻室的空位所剩无几，姆潘巴没等牛奶冷却至室温，就将热牛奶放入冷冻室内。不久后，姆潘巴惊讶地发现他的热牛奶已结成冰块，而其他同学的冷牛奶还是很稠的液体。后来，他将发现的问题告诉了奥斯波恩教授。这位教授经过大量的实验研究，证实了姆潘巴所发现的现象，并于1969年在英国《物理教师》杂志上发表了由姆潘巴和他共同撰写的论文，对这种现象作出尝试性解释，这就是“姆潘巴效应”，也被称为“姆潘巴物理问题”。

二、如何解释姆潘巴现象

根据姆潘巴现象所述，将同等质量的一杯热水和一杯冷水同时放入冰箱，在一段时间后，可以观察到热水开始结冰，而冷水仍未结冰。对于这种热水比冷水更快结冰的现象，目前有几种流行的解释。

（一）热梯度对流影响

在热水冷却过程中，上层水的温度相对较高，热量流失后因密度变大而下沉，而下面的热水上升，形成液体内部对流，使得水分子围绕各自的结晶中心结成冰。温差越大，对流越激烈，能量损耗越大，冷却速率也就越快。尽管最后表层结冰，冷却速率变慢，但由于水内的冰晶已经生长，具有较大的表面能，所以初温高的水的冰晶生长速率仍比初温低的水快得多。

（二）硬水论

美国华盛顿大学的乔纳森·卡茨博士对姆潘巴现象进行深入研究后，用“硬水论”解释了这一现象。水中含有较多的钙、镁化合物的溶解物，在水被加热的过程中，这些溶解物会分解成难溶的碳酸钙和碳酸镁，也就是我们生活中常见的水垢。卡茨博士认为，未经加热的水中仍含有钙、镁化合物的溶解物，在水结成冰的过程中，随着冰晶的形成，尚未结冰的水中这些溶解物的浓度会进一步增大，这种情况会降低水的冰点，其冰点会低于加热后水的冰点，从而减缓了冷水结冰的过程。

（三）分子理论說

有研究者认为，水分子中的共价键的作用是导致姆潘巴现象的重要原因。在水被加热的过程中，水分子间的氢键会拉伸，同时分子内O-H共价键会缩短，进而存储更多的能量。当热水放入冰箱冷却时，O-H共价键会逐渐被拉长，并以与最初储存的能量呈指数关系的速率释放能量。由于冷水和热水的初始状态不同（即O-H共价键存储的能量不同），在冷却时，热水释放能量的速度会明显大于冷水，且会以更大的“加速度”放热，因此热水比冷水更快地到达冰点。

（四）水中溶解气体论

在水被加热的过程中，气体会逸出水面，在水中的溶解度就变小，因此热水相较于冷水含有较少的气体。有实验研究发现，溶解在水中的气体会直接影响水的结冰速率，水中含气量越高，结冰速率越低。同时，气体溶解在水中会降低凝固点，热水比冷水的含气量更低，因此热水的凝固点高于冷水，从而可以解释姆潘巴现象。

三、姆潘巴现象在生活中的应用

人们已经将姆潘巴现象应用于日常生产、生活中。例如，速冻米面制品在生活中非常常见，其制作过程就应用了姆潘巴现象，主要是有效缩短了速冻制品通过冰晶生成带的时间。包子在蒸制后，可以不通过预冷降温或者通过不同预冷后再进行速冻，这样不仅能减少速冻过程的时间投入，还能降低速冻过程的干耗率。

人们还应该进一步挖掘姆潘巴现象的潜在应用，更好地指导实际的生产、生活，并深入探索姆潘巴现象背后的深层科学问题。

（责任编辑：白玉磊）