牛顿冷却定律优缺点（为什么有时温水结冰会比冷水快）

生活中有一些不起眼的小事往往经常见到，但是科学至今都未曾照亮那块地方。其中非常有名的就是为什么热水会比冷水更容易结冰。

事情还得从公元前说起。早在古希腊亚里士多德的时候，人们就发现同等质量和冷却条件下，温度略高的液体，却比温度略低的液体，更先结冰。1962年，弗朗西斯·贝肯在他同年出版的著作《新工具》中这样写道：“那些温度稍高的水比那些低温的水更加容易结冰。”

这就很奇怪了，因为按照一般的思路，一杯70℃的水，一杯25℃的水，将水从70℃降到25℃要花时间，所以70℃降到0℃肯定比25℃降到0℃时间长。当然这里有一个前提，这里的水是蒸馏水，不含任何杂质，而我们常见的河水、海水等含有杂质的水，结冰温度一般都会略低于0℃。

1963年，在坦桑尼亚马干巴中学，有个名叫姆潘巴的初三学生特别喜欢和同学一起做冰淇淋吃。他们总会先在煮沸的鲜牛奶中加入白糖，待其冷却后倒入冰格，然后放入冰箱冷冻室。有一天，姆潘巴发现冰箱冷冻室的空间就快不够用了，他害怕别的同学抢先用掉，急忙在煮沸的牛奶中加入糖，不等冷却就送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：热牛奶比冷牛奶更快地结冰了。

这是怎么一回事呢？困惑的姆潘巴赶紧跑去问老师，老师却说不可能，指责他说谎。有一天，机缘巧合，他请教奥斯波恩博士，并一起回实验室做起实验来。1969年，姆潘巴和奥斯波恩博士一起撰写了关于这一现象的论文，并命名为“姆潘巴现象”。之后世界上很多科学杂志都刊登了这一自然现象，认为这是对牛顿冷却定律的严峻挑战。

2006年美国华盛顿大学的乔纳森•卡茨在对“姆潘巴效应”深入研究后认为：这种现象实际上与水中的溶解物有关。通常，水在加热过程中，一些会使水变“硬”的溶解物，主要是碳酸钙和碳酸镁等碳酸盐，会被“驱逐”出来形成固体沉淀，这就是日常生活中常见的附在水壶内壁上的水垢。

水垢

卡茨认为，未经加热的水中仍含有这些溶解物，在水结冰过程中随着冰晶的形成，尚未结冰的水中这些物质的浓度会进一步升高，甚至可达正常水平时的50倍。这一原理就如同下雪后向路面撒盐防止结冰一样，缓解了冷水结冰的速度。

目前，对“姆潘巴效应”的很多解释中，比较普遍的是温差理论，也就是说为什么冬天温水比冷水结冰快。因为温水与周围环境之间的温差大于冷水与周围环境之间的温差，温差大，温水中水分子的能量会很快散发到周围环境中。即根据傅里叶定律可知，在相同的时间内沿某方向通过对应某截面传递的热量与温度梯度成正比，然而高温的水从开始冷却到与原来低温的水具有相同温度这一过程中耗费的时间，势必就是比低温的水冷却的总时间多，这与“姆潘巴效应”的实验现象不相吻合。

为什么现代科学不回答这个看起来很简单的结冰问题？主要的问题是，水结冰所花的时间的长短，对实验设计中的很多因素，都是很敏感的。例子容器的形状和大小、冰箱的形状和大小、水中气体和其它杂质、结冰时间的定义等等。

因为这种敏感性，即使有实验支持姆潘巴效应的存在，但不能支持在这些条件之外， 姆潘巴效应的发生和发生的原因。正如Firth 所讲：“这个问题有太多的变量，以致任何从事这项研究的实验室，一定会得出和其它实验室不同的结果。”

限于篇幅，还有很多解释没办法展现，有兴趣的可以查一查相关资料，只是这些解释都未能得到学术界的普遍认同，比如蒸发、溶解气体、超冷、对流等。所以这个问题还得继续保留下来。你怎么看？欢迎留下你的看法，无论是可能的解释和相关经验，都有可能推动这一问题的解决哦～

我是理说万物，你的私人科普顾问，每日更新科学知识，注重科学中的人文和精神关怀，让“人”的意义凸显，寻找生命意义。喜欢就来关注我哦，在这个魔幻而又现实的世界里，一起加油吧！

​参考资料：1.苏法王的科学网博客

2.科普中国，作者： 齐月园