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2006年《发明与创新》第3期登载了罗耀春先生的一篇文章,题目是“揭开穆宾巴效应的面纱”,文中对产生穆宾巴效应的原因进行了详细的解释。笔者对穆宾巴效应也非常感兴趣,并着手对其进行了研究。经过一系列实验,得到了和罗先生基本相同的结论,同时也发现了两个罗先生没有提到但对结论又非常重要的实验现象。笔者把对穆宾巴效应的理解和在实验中的发现介绍出来,和大家共同探讨。
一、应该用物理规律解释穆宾巴效应
1963年,穆宾巴发现热水比冷水先完全结冰的穆宾巴效应后,于1969年与奥斯博尔博士共同撰写了一篇文章,对此现象做出物理方面的尝试性解释。而后来许多人又在这方面进行了大量的研究,发现穆宾巴效应要比想象的复杂得多,它不仅涉及到物理方面的原因,而且还涉及到微生物作为结晶中心的生物学问题。笔者的研究小组认为,微生物作为结晶中心肯定会影响结冰速度,但这种影响是微乎其微的,在实验中,两个容器使用同样的水,它们只有温度高低的区别,微生物的数量相差微乎其微。笔者认为引入微生物作为结晶中心,是把简单问题复杂化,这种研究方法是不可取的,甚至可能阻碍人们对客观事物的认识。对于热水比冷水先完全结冰这样一个宏观的物理问题,通过辐射、传导、对流、汽化就能解释,而穆宾巴效应正是这四种热传递方式综合作用的结果。
二、冷水冰和热水冰比较下的启示
在研究穆宾巴效应的实验中,经常会得到热水冰和冷水冰,经过仔细比较后发现,冷水冰比较“混浊”,透明度不高,特别是冰的中心区域更是如此。而热水冰要比冷水冰晶莹剔透得多,甚至可以直视到容器的底部。两种冰的差异和结冰的速度有关系吗?经过实验发现:冷水结冰时,冰是由四周向中心冻结,而溶解在冷水中的气体分子却不易冻结,而被排挤到容器中心,逐渐形成一个个小小的汽泡,被冻在冰的中心。正是溶解在冷水中的气体分子,影响冷水结冰的速度。而热水由于有较强烈的对流,能把溶解在热水中的气体分子带到液面并释放在环境中,即使内部出现絮状冰后,对流仍然存在,所以能继续向液面运送并释放气体分子。由于气体是热的不良导体,对流又能使气体分子源源不断输送到液体表面,液体表面的气体分子比内部要多,所以液体表面维持着比内部更高的温度,直到完全结冰。
观察冷水冰和热水冰的表面也能发现区别。冷水冰的表面平整如镜,这是因为冷水先从液面向内结冰;热水冰表面凸凹不平,说明它是从内部向外结冰的,由于水结冰后体积变大,所以热水冰表面的中间要高些。
三、热传递中的“惯性”现象可证明对流使液体内部温度低于液体表面
研究穆宾巴效应时,我们经常要把冷水烧成热水,在烧水的过程中,发现了一个奇怪的现象:把正在沸腾的水壶拿离热源后,壶底的温度并不是很高,只有30~C~40~C,完全可以用手去触摸,而此时壶内的水仍在沸腾。三四秒后,壶底的温度才升高至近100度,再用手触摸壶底就烫手了。笔者的研究小组对此现象进行了深入研究:沸腾是一种强烈对流现象,它把从壶底吸收的能量,通过蒸汽(气体)从液面处放出,气体有比液体更多的能量,即使把水壶拿离热源,由于惯性的作用,对流还在继续,液面处还有液体汽化,根据能量守衡定律,壶底的温度只能降低,直到对流停止,壶底才能恢复到和壶内水相同的温度。
由于对流的存在,壶底的温度才会低于壶内水上的温度,也正是由于对流的存在,才会有热水结冰时液体内部的温度低于液面的温度,才有热水比冷水先完全结冰的现象。
综上所述,笔者对罗先生的结论作如下补充:①热水比冷水有更强烈的对流现象,对流使溶解在液体内的气体分子集中在液面,所以液面的温度比内部高许多,这会加速能量传递。②溶解在水中的气体分子影响水分子的有序排列,气体分子少的水结冰的速度快。③由于热水液面的温度比内部的温度高,汽化现象明显,对结冰的速率也有一定的影响。
一、应该用物理规律解释穆宾巴效应
1963年,穆宾巴发现热水比冷水先完全结冰的穆宾巴效应后,于1969年与奥斯博尔博士共同撰写了一篇文章,对此现象做出物理方面的尝试性解释。而后来许多人又在这方面进行了大量的研究,发现穆宾巴效应要比想象的复杂得多,它不仅涉及到物理方面的原因,而且还涉及到微生物作为结晶中心的生物学问题。笔者的研究小组认为,微生物作为结晶中心肯定会影响结冰速度,但这种影响是微乎其微的,在实验中,两个容器使用同样的水,它们只有温度高低的区别,微生物的数量相差微乎其微。笔者认为引入微生物作为结晶中心,是把简单问题复杂化,这种研究方法是不可取的,甚至可能阻碍人们对客观事物的认识。对于热水比冷水先完全结冰这样一个宏观的物理问题,通过辐射、传导、对流、汽化就能解释,而穆宾巴效应正是这四种热传递方式综合作用的结果。
二、冷水冰和热水冰比较下的启示
在研究穆宾巴效应的实验中,经常会得到热水冰和冷水冰,经过仔细比较后发现,冷水冰比较“混浊”,透明度不高,特别是冰的中心区域更是如此。而热水冰要比冷水冰晶莹剔透得多,甚至可以直视到容器的底部。两种冰的差异和结冰的速度有关系吗?经过实验发现:冷水结冰时,冰是由四周向中心冻结,而溶解在冷水中的气体分子却不易冻结,而被排挤到容器中心,逐渐形成一个个小小的汽泡,被冻在冰的中心。正是溶解在冷水中的气体分子,影响冷水结冰的速度。而热水由于有较强烈的对流,能把溶解在热水中的气体分子带到液面并释放在环境中,即使内部出现絮状冰后,对流仍然存在,所以能继续向液面运送并释放气体分子。由于气体是热的不良导体,对流又能使气体分子源源不断输送到液体表面,液体表面的气体分子比内部要多,所以液体表面维持着比内部更高的温度,直到完全结冰。
观察冷水冰和热水冰的表面也能发现区别。冷水冰的表面平整如镜,这是因为冷水先从液面向内结冰;热水冰表面凸凹不平,说明它是从内部向外结冰的,由于水结冰后体积变大,所以热水冰表面的中间要高些。
三、热传递中的“惯性”现象可证明对流使液体内部温度低于液体表面
研究穆宾巴效应时,我们经常要把冷水烧成热水,在烧水的过程中,发现了一个奇怪的现象:把正在沸腾的水壶拿离热源后,壶底的温度并不是很高,只有30~C~40~C,完全可以用手去触摸,而此时壶内的水仍在沸腾。三四秒后,壶底的温度才升高至近100度,再用手触摸壶底就烫手了。笔者的研究小组对此现象进行了深入研究:沸腾是一种强烈对流现象,它把从壶底吸收的能量,通过蒸汽(气体)从液面处放出,气体有比液体更多的能量,即使把水壶拿离热源,由于惯性的作用,对流还在继续,液面处还有液体汽化,根据能量守衡定律,壶底的温度只能降低,直到对流停止,壶底才能恢复到和壶内水相同的温度。
由于对流的存在,壶底的温度才会低于壶内水上的温度,也正是由于对流的存在,才会有热水结冰时液体内部的温度低于液面的温度,才有热水比冷水先完全结冰的现象。
综上所述,笔者对罗先生的结论作如下补充:①热水比冷水有更强烈的对流现象,对流使溶解在液体内的气体分子集中在液面,所以液面的温度比内部高许多,这会加速能量传递。②溶解在水中的气体分子影响水分子的有序排列,气体分子少的水结冰的速度快。③由于热水液面的温度比内部的温度高,汽化现象明显,对结冰的速率也有一定的影响。