热水真的比冷水结冰更快,还是冷水比热水更快沸腾?

这似乎难以置信,但有些人发誓确实如此

一位女士将热水泼洒到寒冷的空气中。

这个看似简单的问题持续引发相当大的争议。圣诺伯特学院(位于威斯康星州德佩尔)的物理学家高桥隆正试图给出一个明确的答案

“冷水煮沸的速度并不比热水快。液体的加热速率取决于液体与其周围环境(例如炉子上的火焰)之间的温差大小。因此,冷水在仍然是冷水时会更快地吸收热量;一旦它达到热水的温度,加热速率就会减慢,从那时起,将其煮沸所需的时间与最初就是热的水一样长。因为冷水需要一段时间才能达到热水的温度,所以冷水显然比热水需要更长的时间才能煮沸。可能存在一些心理效应在起作用;冷水比人们预期的更早开始沸腾,这是因为上述的水较冷时具有更大的热吸收率。

“对于问题的第一个部分——‘热水是否比冷水结冰更快?’——答案是‘通常不是,但在某些条件下可能。’ 汽化一克水需要 540 卡路里热量,而将一克液态水从 0 摄氏度加热到 100 摄氏度需要 100 卡路里热量。当水温高于 80 摄氏度时,快速汽化造成的冷却速率非常高,因为每蒸发一克水至少会从剩余的水中吸走 540 卡路里热量。与每克水通过正常热传导冷却时吸走每摄氏度 1 卡路里热量相比,这是一个非常大的热量。


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“这一切都取决于冷却发生的速度,事实证明,热水不会比冷水先结冰,但会比温水先结冰。例如,100 摄氏度的水会比高于 60 摄氏度的水先结冰,但不会比低于 60 摄氏度的水先结冰。当通过快速蒸发冷却的表面积与所涉及的水量相比很大时,这种现象尤其明显,例如在寒冷的冬天用热水洗车时。[有关参考,请参阅保罗·G·休伊特 (Paul G. Hewitt) 的《概念物理学》(Conceptual Physics)(哈珀柯林斯出版社,1993 年)。]

“另一种热水可能更快结冰的情况是,将质量相等的冷水和平底锅热水放入冷冻室。存在上述蒸发效应,并且与冷冻室搁板的热接触也会冷却水体的底部。如果水足够冷,接近 4 摄氏度(水密度最大的温度),那么底部的近冰点水将上升到顶部。对流会持续到整个水体达到 0 摄氏度,此时所有水最终结冰。如果水最初是热的,底部的冷却水比顶部的热水密度更大,因此不会发生对流,底部会开始结冰,而顶部仍然是温热的。这种效应,加上蒸发效应,可能使热水在某些情况下比冷水更快结冰。当然,在这种情况下,冷冻室在给定的时间内会更努力地工作,从热水中提取更多的热量。”

乔治梅森大学(位于弗吉尼亚州费尔法克斯)的罗伯特·埃尔利希补充了高桥提出的一些观点

“热水可能比冷水结冰更快有两种方式。一种方式[在杰尔·沃克的著作《飞行的马戏团物理学》(The Flying Circus of Physics)(威利出版社,1975 年)中描述]取决于热水蒸发得更快这一事实,因此,如果您从质量相等的冷水和热水开始,热水的量很快就会减少,因此它会超过冷水并首先结冰,因为质量越小,结冰时间越短。另一种可能发生的情况(在将平底水盘放入冷冻室的情况下)是,热水融化了盘子底部的冰,从而在重新结冰时导致更好的热接触。”

仍然感到怀疑?俄勒冈州立大学(位于科瓦利斯)的气象学家弗雷德·W·德克尔鼓励读者亲自解决这个问题

“您可以很容易地进行一项实验,以了解哪种水先结冰:最初是热的水,还是最初是冷的水。在电热板上使用给定的设置,并记录一个锅中(例如,一夸脱水)从开始到沸腾的时间;首先从自来水提供的最冷的水开始,然后在自来水提供的最热的水中重复此操作。我敢打赌,最初是热的一夸脱水比最初是冷的一夸脱水更快沸腾。

“冷冻实验更难进行,因为它理想情况下需要一个步入式冷藏室,该冷藏室设置为低于冰点的温度。带两个装满水的夸脱容量牛奶瓶进入冷藏室,一个来自热水龙头,另一个来自冷藏室外的冷水龙头。计时它们结冰的时间,我再次敢打赌,最初较冷的水会比最初较热的水更快结冰。”

[我们要补充一点,如果您不想在步入式冷冻室中受苦,您可以在冰箱的冷冻室中进行上述实验的合理版本;只是不要太频繁地检查水——在这种情况下它永远不会结冰——或者太不频繁地检查,在这种情况下,您可能会错过一个容器已经结冰但另一个容器没有结冰的时刻。]

德克尔总结道,“许多民间传说源于试图在‘所有其他条件都相同’的条件下回答这样的问题,而上述实验做到了这一点。”

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