一杯開水和一杯冷水同時放進一個冰箱裡,誰會先結冰?

題目：

一杯開水和一杯冷水同時放進一個冰箱裡,誰會先結冰?

解答：

開水.
如果向你提問：「同樣多的開水和冷水一同放進冰箱裡,哪個先結冰?」,你很可能帶著譏笑回答：「當然是冷水了!」錯啦!
1. 姆潘巴的物理問題
坦尚尼亞的馬乾巴中學三年級曾有一位名叫姆潘巴的學生,在學校他經常與同學一起做冰淇淋吃.他們的做法是這樣的：先把生牛奶煮沸,加入糖,等冷卻後再倒入冰格中,然後放進冰箱的冷凍室內冷凍.因爲學校里的同學很多,所以冷凍室放冰格的位置一直供不應求.一九六三年的一天,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.一位同學爲了搶在他前面,竟把生牛奶加糖後立即搶先放在冰格中送進了冰箱的冷凍室.而姆潘巴只好急忙忙把牛奶煮沸,放入糖,等不得冷卻,立即把滾燙的牛奶倒入冰格,送入冰箱的冷凍室里.奇蹟發生了,過了一個半小時後,姆潘巴發現他的熱牛奶已經凍結了,而其他同的冷牛奶卻還是粘稠的液體,並沒有結冰,這個現象使姆潘巴驚愕不已!
2. 嘲笑和回答
姆潘巴百思不得其解,就去請教物理老師：爲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.」姆潘巴並沒有就此罷休,他牢牢地記下了這個不同尋常的現象,常陷入深思之中……
姆潘巴後來升入了伊林加的姆克瓦高中,他並沒有忘記這個問題,又向高中的物理老師請教：「爲什麼熱牛奶和冷牛奶同時放進冰箱,熱牛奶先凍結?」他沒想到老師卻這樣嘲笑說：「我所能給你的回答是：你肯定錯了.」當他繼續提出疑問與老師辯論時,老師又譏諷他：「這是姆潘巴的物理問題.」姆潘巴想不通,不滿意,但又不敢頂撞教師.
3. 博士的答卷
終於,一個極好的機會來到了,三蘭港大學物理系主任奧斯玻恩博士訪問姆克瓦高中.奧斯玻恩博士給學生作完了學術報告,接下去是回答同學的問題.姆潘巴經過充分的醞釀,鼓足勇氣向他提出了那個多年思慮的問題：
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,爲什麼?
奧斯玻恩博士在小姆潘巴面前接到了一份嚴肅認真的「考卷」,他還是第一次聽說到這個不同尋常的現象.感到爲難和迷惑的博士並不掩飾什麼,而是實事求是地回答道：「這個,我不知道,不過我保證在我回到三蘭港之後親自做這個實驗.」回去後,他立即和他的助手做了這個實驗.結果證明,姆潘巴說的那個現象是一個實實在在的事實!這究竟是怎麼一回事?爲什麼會這樣呢?
一九六九年,由姆潘巴和奧斯玻恩兩人撰寫的一篇文章發表在英國《物理教師》雜誌上,文章對「姆潘巴的物理問題」做了詳細的實驗記錄,並對問題的原因作了第一次嘗試性的解釋.
他們做了一系列的實驗.實驗用品是直徑4.5厘米,容積100毫升的硼矽酸玻璃燒杯,內放70毫升沸騰過的各種不同溫度的水.通過對實驗結果的定量分析得出了這樣的結論：
冷卻主要取決於液體表面；
冷卻速率決定於液體表面的溫度而不是它整體的平均溫度；
液體內部的對流使液面溫度維持得比體內溫度高（假定溫度高於4℃）；
即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度,原來熱的系統其熱量仍要比原來冷的系統損失得多；
液體在凍結之前必然經過一系列的過渡溫度,所以用單一的溫度來描述系統的狀態顯然是不夠的,還要取決於初始條件的溫度梯度.
奧斯玻恩博士雖然沒有最終解決姆潘巴的物理問題,但面對科學和事實,他給了小姆潘巴和我們一份科學求實的答卷.
問題遠比想像的要複雜
後來許多人也在這方面做了大量的實驗和研究,人們發現,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,而且還涉及到作爲結晶中心的微生物的作用,是一個地地道道的「多變量問題」.
(1). 物理原因
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.通過實驗觀察並對結果進行比較,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效果.如果把熱水和冷水結冰的過程敘述出來並分析其原因就更能說明問題了：
盛有初溫4℃冷水的杯,結冰要很長時間,因爲水和玻璃都是熱傳導不良的材料,液體內部的熱量很難依靠傳導而有效地傳遞到表面.杯子裡的水由於溫度下降,體積膨脹,密度變小,集結在表面.所以水在表面處最先結冰,其次是向底部和四周延伸,進而形成了一個密閉的「冰殼」.這時,內層的水與外界的空氣隔絕,只能依靠傳導和輻射來散熱,所以冷卻的速率很小,阻止或延緩了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,已經形成的「冰殼」也對進一步結冰起著某種約束或抑制作用.
盛有初溫100℃熱水的杯,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」形成的現象,只是沿冰水的界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,這是因爲初溫高的熱水,上層水冷卻後密度變大向下流動,形成了液體內部的對流,使水分子圍繞著各自的「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時,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,最後可以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初溫低的水快得多.
(2). 生物原因
同雨滴的形成需要「凝結核」一樣,水要結成冰,需要水中有許許多多的「結晶中心」.生物實驗發現,水中的微生物往往是結晶中心.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」就要比冷水中的「結晶中心」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.對流又使各種取向的分子流過子晶,依靠晶體表面的分子力,抓住合適取向的水分子,外延生長出分子作有序排列的許多晶粒,懸浮在水中.結晶釋放的能量則通過對流放出,而各相鄰的冰粒又連結成冰,直到水全部凍結爲止.
以上是科學家對觀察到的現象進行綜合分析所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,對其做出全面定量而令人滿意的結論,還有待於進一步的探索.現在有的學者提出用高錳酸鉀作液體示蹤劑,用雙層通電玻璃觀察窗來進一步觀察,有興趣的讀者不妨一試,或許揭開這個歷時二十多年奧祕的人將是你.