热⽔真的⽐冷⽔更容易结冰吗？“球答”栏⽬上线
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编译叶宣伽张珂撖静宜
1963年，坦桑尼亚的⼀名中学⽣姆潘巴在和他的同学在⼀起制作冰激凌时发现，热⽜奶⽐冷⽜
奶更早结冰。温度较⾼的液体竟然⽐温度较低的液体先结冰，这个乍看之下违反直觉的理论吸
引了众多⼈的兴趣，它被命名为姆潘巴现象（Mpemba effect），正得名于这位发现此现象的中
学⽣。
但是我们的常识告诉我们，热⽔在结冰之前得先变成冷⽔啊，为什么会反⽽结冰更快呢？回想
⼀下物理课堂上⽼师强调的理论：“⽆论初温⾼低，如果⽔想要结冰，那么液体的温度必须先降
到凝固点（freezing point），然后液态的⽔才能从液相转变为固相，凝结成冰。”所以热⽔结冰
理应消耗更多的时间与能量，因为显然⽐起冷⽔，要到达凝固点（约0摄⽒度），热⽔需要降低
更多的温度。想象⼀下，假设热⽔的初始温度是70℃，冷⽔（常温⽔）的初始温度是30℃，当
70℃的热⽔变成30℃的时候，冷⽔的温度只可能更低，因此，看起来热⽔⽐冷⽔先结冰是不可
能的。
⼀次姆潘巴现象实验的照⽚，可以看到，热⽔⽐冷⽔先结成⼀整块冰了。图⽚来源：
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但是，这样的想法是有问题的，问题在哪⾥呢？它认为只⽤温度⼀个变量就可以描述⼀整杯⽔
的系统了。然⽽，当原本的热⽔降温到30℃的时候，它的温度分布、内部流动情况、成分（如
溶解的空⽓等等）都可能与原先30℃的冷⽔⼤不相同，更不⽤说它周围的环境了——我们都知
道，把热⽔放到冰箱⾥的时候，冰箱会更努⼒地制冷，⽽这些因素都可能对⽔结冰与否产⽣很
⼤的影响。
事实上，姆潘巴现象确实不断发⽣于⽇常⽣活之中（虽然不是每次都会发⽣），也有众多⽂献
记录了这⼀现象（见⽂末）。可能的机制有哪些呢？
1. 蒸发
热⽔蒸发得更快，因此热⽔在冷却的过程中蒸发得就更多，剩下的⽔就更少了，所以它结冰就
更快。这是最符合常规的解释，也得到了许多研究的⽀持。不过它并不是姆潘巴现象的唯⼀原
因。
2. 溶解的⽓体
从⽔龙头⾥放出来的⽔，或是从瓶⼦⾥倒出来的⽔不可避免地会溶解了⼀定的空⽓，⽽温度越
⾼，⽓体在⽔中的溶解度就越⼩，因此热⽔⾥溶解的⽓体要少于冷⽔，这可能是热⽔结冰较快
的⼀个原因。不过，这个原因还少有强有⼒的证据⽀持。
3. 对流
同时放在寒冷环境中，热⽔的冷却速度要⽐冷⽔快得多，这可能会导致温度不均匀，从⽽产⽣对流。当原本70℃的热⽔冷却⾄平均温度为30℃（注意是平均！），由于热⽔密度⼩于冷⽔，它表⾯的温度可能⾼于30℃，因此，此时它从表⾯丢失热量的速率实际上要⾼于温度均匀、都为30℃的凉⽔。或者说，在同样平均温度为30℃的时候，原本的热⽔可能降温更快。
4. 冰箱环境
如果你在家做这个实验，你肯定会把⼀杯热⽔和⼀杯冷⽔放在冰箱的冷冻室⾥，⽽你家冰箱的冷冻室很可能铺着⼀层冰霜……热⽔会熔化这层冰霜，从⽽加速⽔与冰箱的热传递。这可能是家庭实验⾥姆潘巴现象的原因之⼀，不过严谨的实验室应该不会发⽣这样的情况。
5. 超冷效应
在2013年初，英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry，简称RSC）特意举办了⼀场⽐赛，评选姆潘巴现象的最佳原理解释。⽽⽐赛的获胜者提出的解释就是过冷（supercooling）。过冷指液体或⽓体的温度到其凝固点以下，但没有凝固的现象，⽽原本温度较低的⽔⽐原本温度较⾼的⽔更易发⽣过冷，那么它的确可能⽐热⽔结冰更慢。
不过，如果你⾃⼰在家做实验，⽤从⽔龙头⾥哗哗流出来的正常⾃来⽔的话，对⽔冰点影响更⼤的是杂质的存在，⽐如⽔⾥溶解的盐类和⽓体（当然也包括⾃制冰激凌⾥存在的那些组分），那就什么事情都有可能发⽣了。因此，如果你问“热⽔可能⽐冷⽔结冰更快吗？”，答案是Yes，但要是问“热⽔⽐冷⽔结冰更快吗？”答案是“看情况，谁先结冰都有可能发⽣。”
参考资料：
记录了姆潘巴现象的⽂献：
1.  Mpemba and Osborne, 'Cool', Physics Education 4, pgs 172–5 (1969)
2.  Ahtee, 'Investigation into the Freezing of Liquids', Phys. Educ. 4, pgs 379–80 (1969)
3.  I. Firth, 'Cooler?', Phys. Educ. 6, pgs 32–41 (1979)
4.  E. Deeson, 'Cooler—lower down', Phys. Educ. 6, pgs 42–44 (1971)
5.  Osborne, 'Mind on Ice', Phys. Educ. 14, pgs 414–17 (1979)
6.  M. Freeman, 'Cooler Still', Phys. Educ. 14, pgs 417–21 (1979)
7.  G.S. Kell, 'The Freezing of Hot and Cold Water', American Journal of Physics, 37, #5, pgs 564–5 (May 1969)
8.  D. Auerbach, 'Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold', American Journal of Physics, 63, #10, pgs 882–5 (Oct 1995)
9.  J. Walker, 'The Amateur Scientist', Scientific American, 237, #3, pgs 246–7 (Sept. 1971)
10.  B. Wojciechowski, 'Freezing of Aqueous Solutions Containing Gases', Cryst. Res. Technol., 23, #7, pgs 843–8 (1988)
11. J. Elsker, 'The Freezing of Supercooled Water', Journal of Molecular Structure, 250, pgs 245–51 (1991)
12.  R.A. Brewster and B. Gebhart, 'An experimental study of natural convection effects on downward freezing of pure water', Int. J. Heat Mass Trans. 31, #2, pgs 331–48 (1988)
13.  R.S. Tankin and R. Farhadieh, 'Effects of Thermal Convection currents on Formation of Ice', Int. J. Heat Mass Trans., 14, pgs 953–61 (1971)
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