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风暴魔域幻兽多少星进阶好:姆潘巴效應的命題假設與驗證

時間:2019-05-27 來源:中國高新區 作者:劉顯龍 本文字數:2964字

风暴魔域挂机刷魔石,快速培养幻兽升星教程 www.awyiy.icu   摘    要: 姆潘巴現象 (Mpemba effect) 指的是在同等冷卻環境和同等體積下, 溫度高的液體相對于溫度略低的液體要先結冰的一種現象。對權威的牛頓冷卻定律提出了挑戰。對于姆潘巴現象的研究依然缺乏學實驗數據以及定量分析, 本文通過對命題假設和實驗驗證, 對姆潘巴現象展開探究, 并作出個人學習總結。

  關鍵詞: 姆潘巴現象; 試驗; 總結;

  在二十世紀六十年代初, 一名剛上中學的坦桑尼亞的學生姆潘巴和他的同學一起去做冰淇淋吃, 他將牛奶放進鍋里煮沸后放入適量的糖, 在沒有冷卻前將滾燙的牛奶倒入冰格中, 然后和一瓶沒有加熱的冷牛奶一同放進冰箱中, 在30分鐘后, 姆潘巴發現:他之前放入冰箱的兩瓶牛奶中, 滾燙的牛奶已經結成了冰, 而冰箱中冷卻的牛奶卻還是粘稠的液體, 按照常規思維來說, 溫度越低的牛奶應該越容易結冰, 溫度高的牛奶應該不容易結冰, 隨后, 姆潘巴將這個事情告訴了博士, 這位博士聽了姆潘巴的說法后, 又做了一次冷熱牛奶和冷熱水的物理實驗, 實驗結果發現, 姆潘巴所描述的現象的確顛覆了人們常識的看法, 為此, 博士邀請姆潘巴一起對這一實驗現象進行了研究, 不過在很多時候, 這種熱水相對于冷水要先結冰的實驗并不是都可以發生的, 目前, 姆潘巴效應仍然是一個謎。

  1 、命題假設

  博士對“姆潘巴現象”做了進一步的實驗和研究, 其發現, 如果將熱水放置在冰箱中冷卻, 起初熱水的上層表面和底部沒有溫差, 不過經過急劇冷卻后, 上層表面和底部的溫差就會發生變化, 通過不同的實驗分析發現, 如果放置的水溫在70攝氏度, 那么上層表面和底部的溫差在14攝氏度左右, 如果放置的水溫在47攝氏度, 那么上面表面和底部的溫差則在10攝氏度, 由此看出, 溫度較高的液體在放置冰箱中凍結前, 所產生的溫度差要大于溫度較低的液體, 不過對于溫差越大越容易先結冰這一現象, 可以解釋為:水體表面溫度越高, 其散發的熱量也就越多, 所以降溫和凍結起來也就越快, 這也就是熱牛奶相對于冷牛奶更容易先結冰的道理。

  結合物理理論可以知道:冷水的蒸發強度要遠遠小于熱水, 而密度要大于熱水, 選取兩個相同的非密封容器, 在兩個容器中分別加入同等量的熱水和冷水, 將兩個容器同時放在一個環境溫度中, 由于冷水在降溫過程中很難蒸發, 而熱水在降溫環境下蒸發的水分較多, 因此冷水的降溫速度要遠遠小于熱水的降溫速度, 初溫低的水最終大于初溫較高的水。

姆潘巴效應的命題假設與驗證

  此外, 選取兩個相同的密封容器, 在兩個容器中分別加入同等量的熱水和冷水, 將兩個容器同時放在一個環境溫度中, 由于冷水在降溫過程中在密度和體積方面的變化都沒有熱水變化的大, 所形成的容器內氣壓也有所不同, 熱水容器內的氣壓遠低于冷水容器內的氣壓, 冷水的沸點溫度高于熱水, 對流強度方面也小于熱水, 冷水在一定時間內所失去的能量相對于熱水要少很多, 因此冷水的降溫速度最終相對于熱水要慢。

  2、 實驗驗證

  2.1、 實驗器材和原材料

  兩個完全相同的密閉容器、300ml約10攝氏度的冷水、300ml約90攝氏度的熱水、量程為0~100℃的溫度計兩支、一臺制冷冰箱。

  2.2、 實驗過程

  將300ml約10攝氏度的冷水和300ml約90攝氏度的熱水分別加入到兩個完全相同的密閉容器中, 然后將兩個裝有等量水的容器置于冰箱的冷凍室中的相同位置, 設置冰箱的冷凍溫度為零下10攝氏度, 相距一定的時間分別記錄兩杯水中的溫度, 并注意觀察杯容器中水的現象。

  2.3、 實驗結果

  實驗所測的溫度數據繪制成曲線如圖1所示:

  圖1 熱水和冷水溫度隨時間的變化曲線
圖1 熱水和冷水溫度隨時間的變化曲線

  從以上的實驗數據曲線可以看出, 熱水的溫度下降的速度遠大于冷水的下降速度, 最終熱水比冷水先到達零, 因此說明熱水比冷水先結冰是正確的。從圖2所觀察到的實驗現象來說, 左圖為熱水容器, 右圖為冷水容器, 顯然熱水杯中比冷水杯中先結冰。以上實驗很好的驗證的實驗的假設, 證明了該實驗現象的真實存在。

  3、 個人總結

  通過查閱相關文獻資料和向專業人員請教, 總結出以下幾種較為合理的解釋:

  3.1、 蒸發

  較熱的水在冷卻過程中, 會因為蒸發而失去一定量的水。而減少的水量會讓誰比較容易冷卻而凍結, 理論上的計算已經表明, 蒸發能解釋姆潘巴效應, 但如果假設水通過蒸發而失去大量熱量而導致熱水結冰快, 這種解釋會很牽強。蒸發毫無疑問在大多數情形下是重要的, 不過, 這種影響因素還不是唯一的, 蒸發無法解釋在封閉的容器下所做實驗得出的結論, 而且許多科學家都認為光是蒸發不能夠解釋他們的結果。

  3.2、 水中溶解的物質

  在加熱過程中可溶性氣體溢出, 碳酸鹽變成水垢, 使熱水相比于冷水含有更少的可溶性氣體以及碳酸鈣和碳酸鎂等碳酸鹽, 沒有通過加熱的水中依然存在這些物質, 在水結冰的過程中會不斷的形成冰晶, 對于水中沒有結冰的物質濃度會不斷升高, 最高可達正常水平的五十倍, 在達到這種濃度時, 水就會降低到冰點, 進而影響冷水的結冰速度, 此原理和雪后向路面撒鹽防止結冰相似。

  3.3 、液體中的對流

  在水的冷卻過程中會形成對流, 水的溫度也會變得不均勻, 在水溫上升過程中, 水的密度也會不斷的發生變化, 當熱水冷卻到冷水的初溫時, 它會有一熱頂, 所以和平均溫度相同, 不過和溫度均勻的水相比, 其冷卻速率會相對較快。盡管在實驗中, 能看到熱頂和相關的對流, 不過對流是否可以解釋姆潘巴先向還不得而知。

  3.4、 實驗環境

  初溫相對較高的水大多會以復雜的方式改變其周圍的環境, 進而影響到冷卻的過程。例如, 將實驗的水放在一層霜上面, 霜的導熱性能比較差。熱水可能會熔化這層霜, 從而形成了一個較好的冷卻系統。很顯然, 很多實驗都不會將容器放在霜層上。

  3.5、 過冷現象

  過冷現象指的是水在低于0℃時才結冰的現象。有相關實驗顯示, 熱水比冷水較少會過冷。這說明熱水會先結冰, 因為其在較高的溫度下結冰。不過這也不能完成解釋Mpemba效應, 因為我們還需要解釋為什么熱水較少會產生過冷。

  3.6、“硬物”理論

  美國一名著名學者對姆潘巴現象也做了進一步的研究, 其發現這種現象不僅存在而且造成這種現象存在的鬼怪也是存在的, 這里所說的鬼怪主要是指在水中存在著一種非同尋常的“硬物”, 在對這一現象進一步試驗中, 該學者在做實驗中水通過加熱, 其鈣、鎂離子等會驅逐出去, 就像生活中燒開水會形成水垢一樣存在水底, 在水燒開后, 水的硬度就會被軟化, 對于冷水和加熱后的冷水其硬度有所不同, 并且其在結冰過程中, 硬度較高的水其冰點要高于軟水, 因此, 硬水結冰的速度就會放緩。

  不過只憑借這個實驗還無法解釋姆潘巴現象, 因此以上實驗受到諸多不同因素的影響, 需要對這些影響進行具體的劃分, 例如牛奶的溫度、冰箱內的溫差、水中的雜質或者添加物等, 這些都會影響姆潘巴現象的存在, 姆潘巴同學們在此次實驗中添加了糖在牛奶中, 糖可以使得牛奶變硬, 并且加熱的牛奶相對于沒有加熱的冷牛奶其硬度變化也不盡相同, 所以這個硬度也會對冰點的差異存在一定的影響, 硬度相對較低的冷牛奶其冰點要稍微低點, 所以冰點較高的熱牛奶要慢于冰點較低的冷牛奶。

  與此同時, 對于影響低水溫結冰速度的因素還有其他方面, 通過多次實驗可以發現, 溫差可以決定水的熱量的流失速度, 所以說在同等低溫環境下, 水溫相對較低的其散熱速度相對于水溫較高的要慢些, 對于牛奶實驗也同樣如此。

  4、 結語

  總的來說, 在通過多次實驗可以發現, 姆潘巴現象并非每次都會存在, 究其原因主要在于實驗人最初用的是軟水, 采用相同的軟水的做此次實驗, 水的冰點都是相同的, 并且散熱的速度是否快或慢對冰速度影響非常的小, 因此姆潘巴現象就不是太明顯了。

    論文來源參考:劉顯龍.姆潘巴現象探究學習報告[J].中國高新區,2018(02):89-90.
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