王梦川 : 热水比冷水先结冰的原因推测及可能的实验验证建议

关于热水比冷水先结冰的现象，英国皇家化学学会曾在去年向全球悬赏解决此问题，悬赏征稿提交期限在去年七月底之前，在提交期限内收到数万征稿但研究至今无一人完美解决此问题，详见网址：http://www.rsc.org/AboutUs/News/PressReleases/2012/mpemba-effect-water-ice-hot.asp，这个问题在历史上曾难倒了亚里士多德、培根、笛卡尔等多位名人，这个现象发生的发生温度范围至今在科学界尚未有确认的范围，本文已表示过在不同降温速度下热水比冷水先结冰的领先程度是不同的，（在极速降温的情况下热水比冷水高出几十度也可以先结冰，在降温较慢的情况下热水只有比冷水温度稍高才能先结冰，而降温慢到一定程度热水比冷水后结冰，且先结冰的领先时间值在不同的水温和降温速度下也不同），要用数值表示就要统计各组不同温度的水在每秒于每单位体积散发不同焦耳量的热能的情况下发生的结冰先后关系，显然这类统计在不同情况下可得到无穷的不同的多组数据而且要求具有精密的实验条件才可完成，显然这是实验科学家才有条件完成的任务，不具备实验条件的理论研究者没条件完成此任务。科学史上往往出现理论研究走在实验科学的前面，由后来的实验科学家为先行的理论研究者完成实验补充数据，若是没有明确的数据范围就不能发科学论文则等于禁止理论研究走在实验科学的前面并全面禁止科学猜想。希望中科院不要比一百年前的外国科学机构的思想更保守落后，不要以官僚作风压制异见思想。

水的冻结过程中有时会发生一种和直觉相违背的姆潘巴现象，此现象就是有时会发生相同质量的热水比冷水先结冰。对此人们曾有各种解释，认为可能是因为水的对流、杂质、过冷却、蒸发等原因造成，也做过各种实验，但不同情况下实验结果并不一致不能确定主要是什么原因造成了姆潘巴现象，对此现象一直没有准确公认的科学解释。笔者故为此根据有序的组合实验的结果和已知常识作出一些推测，并由所作推测而设计进一步的实验以求证实所作推测。

首先根据采用相同密闭容器容纳相同成分和质量的水在制冷装置内可能发生热水比冷水先结冰的现象可以证明热水比冷水先结冰的主要原因不是蒸发和杂质所造成。接着做一个实验可证明热水比冷水先结冰的主要原因不是对流造成。在两个容器中分别装入同等质量的热水与冷水，并在水中加入等质量的棉纤维使水被棉纤维约束失去流动性而不可能发生对流。再将两个容器放入制冷装置内，在制冷装置可快速降温且容器周围环境温度均匀降低的情况下依然可能发生热水比冷水先结冰，而在制冷装置降温较慢或在降温过程中多次中断降温又重启降温的情况下更多发生的是热水比冷水后结冰。这个实验证明热水比冷水先结冰不是由对流所决定，但实验结果受到制冷环境降温速度的影响。

再在不同的制冷条件下做冻结对比实验。可发现在制冷效果弱而降温缓慢的情况下容易发生热水比冷水后结冰，在制冷效果强而降温快的情况下容易发生热水比冷水先结冰，且降温越快则热水比冷水先结冰的领先程度越明显。再用高纯净度的水制作在零摄氏度以下未凝结的过冷水，可发现制冷效果太强降温太快则不容易制得大体积的过冷水往往只能制得大量冰块，但降温相对较慢时则可制得大量的甚至满容器的未凝结过冷水。据这些现象则可推测热水比冷水先结冰应该与过冷水的产生以及过冷水被解除过冷状态而冻结有关。大体积的过冷水受到外物撞击会迅速解除过冷状态立即冻结是容易观察到的常识现象，而微体积的过冷水受到外物撞击也会迅速解除过冷状态而立即冻结，飞机在含有过冷水的云层中飞行时，众多的微小的过冷水滴撞到飞机会立即在飞机表面冻结形成冰壳，向过冷水发射高速运动的物质微粒也可促进过冷水解除过冷状态发生冻结,这些现象就是所谓的过冷水的“撞冻”。在实际观察中还可发现大体积的过冷水在与其温差很小的盛装过冷水的容器壁上缓慢流动时并不会立即冻结，但是过冷水流到其它与其温差较大的容器上时更容易解除过冷状态而迅速冻结，在接触到温暖的手时可在人手上迅速冻结成冰粘紧皮肤然后被手的温暖所融化。根据这些现象进一步推测：当容器中的水受外部的强冷环境影响而迅速降温时，水的外层不断出现了微量得难以被现有技术观察到的过冷水，而内部的水体与外层的过冷水的温差较大时比温差较小时更容易让过冷水解除过冷状态而冻结。水体在强冷环境中的结冰过程是一个水体的液态外层表面不断出现微量过冷水而过冷水又不断被解除过冷状态而冻结使水体从外到内逐渐冻结为固态的过程，微观尺度下水体外围微量的过冷水水分子受到做热运动的附近水体水分子的碰撞时相比较于更大体积的过冷水受到外物宏观尺度的撞击时可能有着类似的“撞冻”效应，热水比冷水的水分子的热运动更为剧烈，当微量的过冷水产生时，热水水分子对微量过冷水的碰撞更为强烈就更快地使过冷水解除过冷状态而冻结，使强冷环境中的热水比冷水先完成结冰过程。

根据上述推测还可推导出两个应有现象：1、在降温缓慢到致使水体内层与外层的温差小到一定程度时，等质量的热水相比于冷水只能后完成结冰过程。2、在强冷环境快速降温时，对热水和冷水水体都采用强烈扰动、强超声波干扰等方法尽快解除降温过程产生的可观察到和观察不到的一切过冷水的过冷状态，则等质量的热水相比于冷水只能后完成结冰过程。做实验验证这两个现象是否成立就可验证上述推测。