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第103章 第一百〇 在冰箱冷冻室里冷水比热水冻结得更快吗?

是的不是的依情况而定

制冰块用热水,的确比用冷水冻结得更快。但是具体的情况还是依操作而定的。

最早注意到这种效应是亚里士多德。亚里士多德在他的《气象学》一书中,有一段叙述指的就是这种效应:“许多人为了将水尽快冷却,会把水先在太阳下晒一会儿。在冰上捕鱼(在冰层上凿洞,然后在洞口捕鱼)的人,为了在冰上搭建临时棚屋,会在立杆周围浇热水加快冻结,使它们尽快稳固。”后来注意到这种效应的是哲学家弗朗西斯·培根,他把一只盛水的木桶放在冰上做实验。不要对此感到奇怪,因为那个时候,哲学是无所不包的,物理也算是哲学研究的一方面。

这个问题提出来已经有好些年了,一直没有得到令人满意的答案。事实好像违反直觉,热水似乎确实比冷水冻结得更快。但是我们知道,影响结冰的有几个物理因素,传导、对流、辐射和蒸发。对这种现象的最好解释,是由于把盛热水的容器放进制冰室,热接触变得更好了,同时,出现了一种不同的热对流方式,加快了水冻结成冰的过程。究竟哪一种效应是主要的,则取决于冰箱、盛水容器和容器摆放的位置。

如果把盛热水的容器摆放在冷冻室的霜层或冰层上面,就会出现快速结冰的情况。这时,因为温度较高的容器底,将下面与之接触的冰层表面融化,改善了容器底与冰层的热接触,加快了容器的散热效率。散热效率的提高,足以抵偿热水比冷水多余的热量带来的,对结冰速度的降低。如果将容器架空,或者摆放在冷冻室没有霜或冰的干表面上,就不会有这种效果。

现代的实验表明,只要冰箱冷冻室的结霜足够厚,用热水,15分钟就结成了冰块,而用冷水,则需要20分钟。实验证明了,无论用自来水还是用蒸馏水,或者混合液结果都是一样的。这说明,这种效果与液体的化学组成无关。其次,实验还证明,热水冻结得更快,不是热水蒸发,体积变小了的缘故。这与牛顿的冷却定律是一致的。但是,达到凝固点之后,原来温度较高的水反而会凝固得更快。实验表明,把水放入冰箱冻结为固体,所需时间最长的是温度大约为5℃的水;所需时间最短的是温度大约为35℃的水。这个好像不合理的结果可以用水的垂直温度梯度来加以说明。如果表面一层液体的温度,始终都比下面液体的温度高,那么,从液面散失热量的速度更快。

另外,这个问题其实在纯理论上看起来很简单,能够被算出来。只要考虑到传导、对流、辐射和蒸发,根据公式设几个方程,求出可解的边界条件。用数学计算的结果表明,在一些特定的边界条件下,热水是比某些温度的凉水更快达到零度。

“格言”谬误的好处是一时的,真理的好处是永久的;真理有弊病,这些弊病很快就会消灭的,而谬误的弊病则与谬误始终相随。

——狄德罗牛顿冷却定律:温度高于周围环境的物体,向周围媒质传递热量,逐渐冷却时,所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时,单位时间与单位面积散失的热量与温度差成正比,比例系数称为热传递系数。牛顿冷却定律是牛顿在1701年用实验确定的,在强制对流时与实际符合较好,在自然对流时只在温度差不太大时才成立。

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