为什么热水更容易结冰（热水竟然比冷水先结冰）

把一杯冷水和一杯热水同时放进冰箱，哪杯水会先结成冰块？

冰与火

很明显，大多数人都会选择冷水先结冰，但事实并非如此。1963年的一天，坦桑尼亚一名中学生的偶然发现，证实在某些情况下，热水会比冷水先结冰。这一实验彻底打破了人们的惯性思维，这种现象以这个学生的名字命名为“姆佩巴效应”(MpembaEffect )。

当时，老师要求学生们自己动手做一些冰品。埃拉斯托·姆佩巴想做冰淇淋。他担心等到自己的热牛奶变凉之后，别的同学可能已经把冰箱占满了，于是他在热牛奶里加了糖后就直接放进了冰箱。当他打开冰箱时，其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰，而自己的那杯热牛奶却已经变成了冰淇淋。姆佩巴感到很奇怪，他左思右想也找不到答案，于是就去请教奥斯博尔内博士，他是达累萨拉姆大学的物理学教授。

虽然奥斯博尔内教授相信姆佩巴的描述是真实的，但这种有悖“常理”的事情依然让他感到困惑。按照常理来讲，如果把一杯20℃和一杯50℃的水同时放入冰箱，假设20℃的水凝结成冰需要10分钟，那么，50℃的水必须先耗用一段时间降到20℃，然后再在10分钟之后结成冰。冷水和热水结冰的某一个阶段是重合的，所以热水结冰应该比较慢才对。这种假设似乎没有什么不合理的地方，那么，为什么会出现热水先结冰的状况呢?

带着疑问，奥斯博尔内教授按照姆佩巴的叙述又进行了同样的实验，结果与姆佩巴的描述完全吻合:在低温环境中，热水比冷水先结成了冰块。奥斯博尔内的实验迅速引起了其他科学家的关注，这种现象逐渐被人们所熟知。
这种现象产生的原因，影响因素可能包括以下四种:

1.对流
在实验中，科学家们发现了热顶现象和水的对流。所谓“热顶”，就是指水的表面比水底部热一些，这是由于在冷却过程中，水会形成对流和不均匀的温度分布。如果温度上升，水的密度就会下降，较热的水就会聚集在表面。如果水的失热主要在表面进行，那么，“热顶”的水失热会比温度均匀的快。所以当热水冷却到冷水的初温时，它会出现热顶，因此与平均温度相同，但与温度均匀的水相比，它的冷却速率会较快。

2.蒸发
热水逐渐冷却的过程中，会由于蒸发而失去一部分水。水的质量就会减少，从而导致水较容易冷却和结冰。所以,热水就可能较冷水早结冰，不过整体的质量却会较少。这个解释存在一定的合理性，似乎能够揭开“姆佩巴效应”的奥秘，但是，当实验在一个封闭的容器内进行时，水蒸气不可能离开，而热水依然先结成了冰。所以很明显，蒸发的确是很重要的一个因素，但并不是唯一的原因。

3.溶解
与冷水相比，热水中的溶解气体比较少。因为在加热甚至沸腾的过程中，大量气体都会从水中逃脱。水的性质因为溶解气体而发生改变，或许会更容易形成对流(因而较易冷却);或许沸点会发生改变;或许单位质量的水结冰所需的热量会减少。这种解释得到了一些实验结果的支持，但目前还没有实际理论数据的支撑。

4.周围的环境
两杯水放在了形状一样的杯子里，有着相同的体积，除了温度不同，似乎一切都没有差别。其实，人们往往忽略了一点:它们周围的环境可能因水温的差异发生了变化。例如，如果这杯水放在了一层霜上面，霜的导热性能很差。热水可能会把这层霜熔化，为自己创立了一个较好的冷却系统。所以，那杯热水可能就是以这种复杂的方式，改变了它周围的环境，从而影响到冷却过程。
虽然科学界已经肯定了姆佩巴效应的存在，但并不是在任何的初始温度、容器形状和冷却条件下，都可看到这种情况。比如一杯99.9℃的热水和一杯0.01℃的冷水,自然是后者先结冰。
至今，姆佩巴效应仍然是个谜，以上的各种推测可能都产生了影响，但都有破绽，仍不能完整全面地解开其中的谜团。