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2006年《发明与创新》第5期(3月综合版)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。
我对穆宾巴效应也非常感兴趣,所以就和两个学生组成一个小组,一起研究穆宾巴效应。我们借助学校的实验器材,通过一系列实验,得到了和罗先生基本相同的结论。
但是,有两个实验现象罗先生没有提到,而它对得出结论又是非常重要的。我们把对穆宾巴效应的理解和实验中的发现公示出来,与罗先生及各位“穆宾巴效应”爱好者共同探讨。
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,1969年,奥斯博尔博士和穆宾巴共同撰写了一篇文章,对此现象做出了物理方面的尝试性解释。
随后,许多人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,它不仅涉及物理方面的知识,而且还涉及到微生物作为结晶中心的生物学问题。
我们研究小组认为: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,微生物的数量差距是微乎其微的。我们认为: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。
比较冷水冰和热水冰的启示
在研究“穆宾巴效应”的实验中,我们得到了热水冰和冷水冰。
仔细比较后我们发现: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。差异的出现与结冰的速度有关系吗?
在实验过程中,冷水结冰时,冰是由四周向中心冻结,溶解在冷水中的气体分子不易冻结,被排挤到容器中心,逐渐形成一个个小气泡,影响了冷水的结冰速度;而热水由于有较强的对流,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,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地输送到液体表面,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:冷水冰的表面平整如镜,说明冷水是从表面向内结冰;热水冰表面凹凸不平,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。
液体内部温度低于表面的证明
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,我们发现一个奇怪的现象: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℃-40%,完全可以用手去触摸,而此时壶内的水仍在沸腾(实际上是由于惯性,对流还在继续)。三四秒后,壶底的温度才升高到近100℃,再用手触摸壶底就烫手了。
我们对此进行了深入研究:沸腾是一种强烈的对流现象,它把从壶底吸收的能量通过蒸气从液面处放出。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,壶底才恢复到与壶内水相同的温度。
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,才会有热水结冰时内部温度低于液面温度、热水比冷水先完全结冰的现象。
综上所述,我对罗先生的结论做了如下补充:
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,这个过程加速了能量传递。
2 溶解在水中的气体分子影响水分子的有序排列,含气体分子少的水结冰速度快。
3 由于热水液面的温度比内部的温度高,汽化现象比较明显,对结冰速度也有一定的影响。
我对穆宾巴效应也非常感兴趣,所以就和两个学生组成一个小组,一起研究穆宾巴效应。我们借助学校的实验器材,通过一系列实验,得到了和罗先生基本相同的结论。
但是,有两个实验现象罗先生没有提到,而它对得出结论又是非常重要的。我们把对穆宾巴效应的理解和实验中的发现公示出来,与罗先生及各位“穆宾巴效应”爱好者共同探讨。
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,1969年,奥斯博尔博士和穆宾巴共同撰写了一篇文章,对此现象做出了物理方面的尝试性解释。
随后,许多人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,它不仅涉及物理方面的知识,而且还涉及到微生物作为结晶中心的生物学问题。
我们研究小组认为: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,微生物的数量差距是微乎其微的。我们认为: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。
比较冷水冰和热水冰的启示
在研究“穆宾巴效应”的实验中,我们得到了热水冰和冷水冰。
仔细比较后我们发现: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。差异的出现与结冰的速度有关系吗?
在实验过程中,冷水结冰时,冰是由四周向中心冻结,溶解在冷水中的气体分子不易冻结,被排挤到容器中心,逐渐形成一个个小气泡,影响了冷水的结冰速度;而热水由于有较强的对流,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,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地输送到液体表面,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:冷水冰的表面平整如镜,说明冷水是从表面向内结冰;热水冰表面凹凸不平,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。
液体内部温度低于表面的证明
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,我们发现一个奇怪的现象: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℃-40%,完全可以用手去触摸,而此时壶内的水仍在沸腾(实际上是由于惯性,对流还在继续)。三四秒后,壶底的温度才升高到近100℃,再用手触摸壶底就烫手了。
我们对此进行了深入研究:沸腾是一种强烈的对流现象,它把从壶底吸收的能量通过蒸气从液面处放出。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,壶底才恢复到与壶内水相同的温度。
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,才会有热水结冰时内部温度低于液面温度、热水比冷水先完全结冰的现象。
综上所述,我对罗先生的结论做了如下补充:
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,这个过程加速了能量传递。
2 溶解在水中的气体分子影响水分子的有序排列,含气体分子少的水结冰速度快。
3 由于热水液面的温度比内部的温度高,汽化现象比较明显,对结冰速度也有一定的影响。