職言無妨2018-04-11 19:52:53希望下面的故事能幫到你。
“姆潘巴問題的奧秘”
1963年，坦尚尼亞的馬乾巴中學三年級的學生姆潘巴經常與同學們一起做冰淇淋吃，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻後倒入冰格中放進冰箱的冷凍室內冷凍。因為學校裡做的同學多，所以冷凍室放冰格的位置一直比較緊張。有一天，當姆潘巴來做冰淇淋時，冰箱冷凍室內放冰格的空位已經所剩無幾了，一位同學為了搶在他前面，竟把生牛奶放入糖後立即放在冰格中送進了冰箱的冷凍室，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不得冷卻，立即把滾燙的牛奶倒入冰格里，送入冰箱的冷凍室內，過了一個半小時後，姆潘巴發現他的熱牛奶已經結成冰而其他同學冷牛奶還是很稠的液體，沒有凍結，這個現象使姆潘巴驚愕不已！他去請教物理老師，為什麼熱牛奶反而比冷牛奶先凍結？老師的回答是：“你一定弄錯了，這樣的事是不可能發生的。”後來姆潘巴進了伊林加的姆克瓦高中，他向物理老師請教：“為什麼熱牛奶和冷牛奶同時放進冰箱，熱牛奶先凍結？”老師的回答是：“我所能給你的回答是：你肯定錯了。”當他繼續提出問題與老師辯論時，老師譏諷他：“這是姆潘巴的物理問題。”姆潘巴想不通，但又不敢頂撞老師。一個極好的機會終於來到了，達累斯薩拉姆大學物理系主任奧斯玻恩博士訪問該校，作完學術報告後回答同學的問題。姆潘巴鼓足勇氣向他提出問題：如果你取兩個相似的容器，放入等容積的水，一個處於35℃，另一個處於100℃，把它們同時放進冰箱，100℃的水先結冰，為什麼？奧斯玻恩博士的回答是：“我不知道，不過我保證在我回到達累斯薩拉姆之後親自做這個實驗。”結果他和他的助手做了這個實驗，證明姆潘巴說的現象是事實！這究竟是怎麼一回事呢？發表在1969年英國《物理教師》雜誌上的由姆潘巴和奧斯玻恩兩個撰寫的一篇文章中作了第一次嘗試性的解釋：他們做了一系列的實驗，實驗用的是直徑4。5釐米容積100毫升的硼矽酸玻璃燒杯，同放70毫升沸騰過的各種不同溫度的水。透過對實驗結果的定量分析得出的結論是：冷卻主要在於液體表面，冷卻速率決定於液體表面的溫度而不是它的整體的平均溫度，液體內部的對流使得液麵溫度維持比體內溫度高（假定溫度高於4℃），即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度，原來熱的系統的熱量損失仍要比原來冷的系統來得多，液體在凍結之前必須經過一系列的過渡溫度，所以用單一的溫度來描述系統顯然是不夠的，還要取決於初始條件的溫度梯度。後來許多人在這方面進行了大量的研究，發現這個看來似乎簡單的問題，實際上要比我們的設想複雜得多，它不但涉及到物理上的原因，而且還涉及到微生物作為結晶中心的生物作用問題。從物理方面來說，致冷有四種並存的機制：輻射、傳導、汽化、對流，透過實驗觀察，對結果進行比較，發現引起熱水比冷水先結冰的原因主要是傳導、汽化、對流三者相互作用的綜合結果，如果把熱水和冷水結冰的過程敘述出來並分析原因就更能說明問題了：盛有4℃冷水的結冰要很長時間，因為水和玻璃都是熱的不良導體，液體內部的熱量很難依靠傳導有效地傳遞到表面，杯子裡的水由於溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結在表面，所以在水錶面處最先結冰，其次是底部和四周，形成了一個密閉的“冰殼”，這時內層的水與空氣隔絕，只能依靠傳導和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止內層水溫繼續下降的正常進行，另外由於水結冰時體積要膨脹，“冰殼”起著一種抑制作用。盛有100℃熱水那一杯冷凍的時間相對來說要少得多，看到的現象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到“冰殼”的現象，沿冰水的介面向液體內生長出針狀的冰晶（在初溫低於12℃時，看不到這種現象）。隨著時間的流逝，冰晶由細變粗，這是因為初溫高的熱水，上層水冷卻後密度變大向下流動，形成液體內部的對流，使水分子圍繞各自的結晶中心結成冰，初溫越高，這種對流越劇烈，能量的損耗也越大。正是這種對流，使上層的水不易結成冰蓋，由於熱傳遞和相變潛熱，在單位時間內的內能損耗較大，冷卻速率較大，當水面溫度降到0℃以下並有足夠的低溫，水面就開始出現冰晶。初溫較高的水，生長冰晶的速度較大，這是由於冰蓋未形成和對流劇烈的緣故，最後我們觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由於水內部冰晶已經生長而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長速率與單位表面能成正比，所以生長速度仍然要比較初溫低的水快得多。從生物作用方面來看，水要結成冰，水中需要許多結晶的中心，生物實驗發現，水中的微生物往往是“結晶中心”。而某些微生物在熱水（水溫在100℃以下一點）中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的“結晶中心”比冷水中的多得多，加速了熱水結冰的協同作用，圍繞“結晶中心”生長出子晶，子晶是外延結晶的晶核，對流使各種取向的分子都流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中，結晶釋放的能量透過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結成冰，直到水全部結冰為止。以上是對觀察到的現象進行分析，得出的一些結論和提出的一些解釋。但要真正解開“姆潘巴問題”的謎，對其作出全面定量的令人滿意的結論，還有待進一步探索。
