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熱水可能比冷水 更快結冰

文/穿山甲

圖/kimi

依據經驗,理所應當認為冷水會比熱水更快結冰,畢竟冷水溫度更接近冰點。然而事實則不然。

熱水有時會比冷水更快結冰,這個現象被稱為「彭巴效應」(Mpemba Effect),其實有些餐飲業者每天都在利用這一現象製冰,卻沒人知道個中道理。

彭巴效應源自於非洲坦尚尼亞的一位中學生埃拉斯托·彭巴。1963年他在學校烹飪課學習製作冰淇淋時,原本應該要將牛奶煮沸加糖溶化,冷卻至室溫後,才能將牛奶移至冷凍庫結凍。但他卻看到有同學搶快,跳過加熱牛奶的步驟,直接移入冷凍庫,只為了搶占冷凍庫的位置。擔心冷凍庫位置不夠,心急的他等不及牛奶冷卻,直接將熱牛奶倒入模具放入冷凍庫。

莫約一個半小時後,發現自己的冰淇淋居然比其他同學更快凝固。他將這件事情告訴了物理教師與同學,卻被認為無稽之談,並嘲笑他缺乏基本的熱學常識。幾年後,三蘭港大學的物理學教授奧斯本被邀請至彭巴的學校演講,提問時段,彭巴向教授請教這個困擾他很久的問題。成功引起奧斯本的注意,最終透過實驗確認這個現象的存在,並於1969年將此現象與彭巴共同發表至國際期刊。

實驗真假 撲朔迷離

其實早在古時,亞里士多德、法蘭西斯·培根、勒內·笛卡爾、約瑟夫·布萊克等眾多科學家,早就注意到這個現象,但都缺乏詳細的實驗細節,有些描述甚至一筆帶過。其實水結冰的過程非常複雜,這牽涉到水中雜質、環境設置、熱水與冷水的溫度、容器材質與形狀等問題。就連奧斯本與彭巴的論文都缺乏嚴謹與系統性的研究,這導致雖然在論文發表後,數十年間陸續有研究學者針對這個現象進行研究,但並不是每個人都可以觀察到這個現象,使得彭巴效應一直是一個飽受爭議的話題,甚至一度被認為是愚人節的產物。這是因為研究學者對實驗設計考慮不周全,導致了錯誤的解釋。於是,在2012年,英國皇家化學學會舉辦了一場獎金1000英鎊的競賽,廣發英雄帖,希望有人能為彭巴效應的物理機制,作出完美解釋,該競賽收到約2.2萬份參賽文件,彭巴也親自出席頒獎典禮。

物理機制 懸而未決

至今,科學界對於彭巴效應尚未有完整且具有共識的解釋,不過這個現象無庸置疑是存在的。目前各學者提出的可能原因有幾類——過冷效應:即水在零度時不會凍結,而溫度較高的水過冷現象比較不明顯。對流:即較熱的水表面暴露在冷凍度中,如此水上方與下方的溫度差較大,容易形成對流加速散熱。溶解氣體:冷水比熱水含有更多溶解氣體,這可能會以某種方式改變水在對流方面的特性。氫鍵:在溫水中,氫鍵較弱。微氣泡:水中的微氣泡可以透過對流,加速傳遞熱量。溶質:溶解在水中的礦物鹽在水沸騰後會析出沉澱,這會使得溶液的冰點升高。水分子簇:水分子會自發性形成不同的水分子簇合物,溫水中會有較多的六聚體可能是導致更快結晶的原因。

彭巴效應讓我們重新審視自然界的神祕之處,縱使水是從古至今人們最常接觸的物質,也是眾多學者的研究對象,仍然存在著未被探索的領域。雖然效應的詳細機制尚未釐清,但彭巴這種勇於提問的精神,提醒我們好奇心與求知欲才是推動科學進步的不竭動力。

07 02 2025

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