用热水冻冰比用冷水快吗(2)

2019-01-04 03:39:21 / 打印

用热水冻冰比用冷水快吗(2)

但是,如果原来的温度为40℃左右,那么,在桶内任何部分的水都还没有来得及结冰的情况下就会有强烈的对流,于是桶内的全部水会整体快速而均匀地冷却。所以,装热水的金属桶内尽管会较迟才开始结冰,但是所有热水全部结成冰所需要的时间却要比冷水全部结成冰所需要的时间短。

实验条件是关键。比如说,如果冷水桶开始时的温度是℃,而热水桶开始时的温度是℃,那么当然不会得到出乎意料的结果。容器还必须足够大,能够以不大的温度梯度维持对流;同时也不能太大,以保证水的热量能够通过金属桶表面迅速散失。夜间有风,流动的空气自然有助于散热。

家用冰箱的冷冻室很难满足上述的实验条件。在工业冷冻机或者实验室内则不难演示这种好似不合常理的现象。

我用实验进行验证,结果证明问题中提到的说法是正确的。唯一的要求,是盛水的容器不能太大,须保证冰箱冷冻室的制冷能力足以及时移除容器内水的热量。

冷水总是开始在它的表面形成浮冰,这将阻止热量通过对流传递到表面。热水则是在靠近容器的底部和侧壁位置先结冰,它的表面仍保持为液体,而且温度相对较高,能够继续以较快的速度向外辐射热量。热水内部的这种温度差异会引起剧烈的对流循环,不断将水中的热量带到表面,直到大多数的水都冻结成冰。

这其实是一种被误解的说法。放入冰箱冷冻室的热水并不会比冷水冷冻得更快,而是加热后冷却到室温的水要比没有加热过的水冷冻得更快。这是因为加热过程使水失去了溶解在其中的气体(基本上是氮和氧),而水中的这些气体会降低冰晶体的生长速度。

上面这位住在澳大利亚塔斯马尼亚大学的读者F对热水比冷水冰冻更快的说法有怀疑,他其实可以就近去这次第一个来信的读者A那里看一看他的实验,后者恰好也住在塔斯马尼亚大学。实验证明确实有这种现象。当然,失去原来溶解的气体也可能是晶体生长得以加快的一个因素。

还有一个可能的因素是我们收到的读者来信中没有提到的,即超冷却,或者说“过冷”。最近的研究表明,水的凝固其实有一个温度范围,热水有可能比冷水先冻结。不过,热水是否会全部先冻结,是与那不同的一个问题。——《新科学家》编者

对条件严格加以控制的科学实验似乎证明确实存在着这种效应。我们假定了冷冻室的温度在冷冻期间一直保持不变,而实验样品的各种变量,如容器的大小、容器内和容器外的热传导和热对流等条件也始终一样。

但是,我以为有一个条件其实是在变化的,那就是被忽略的冷冻室内温度的起伏。冰箱冷冻室温度的上下起伏取决于控温系统的测温元件和定时器的灵敏度。我们可以假定当冷冻室处于标准温度时冰箱输出的制冷功率也有一个与之对应的标准值。这时如果在冷冻室内放入的是一桶冷水,由于它的温度比冷冻室原来的标准温度高不太多,很可能不会触发温度敏感元件,因而对冰箱输出的制冷功率的影响很小。但是,如果放入的是一桶热水,那就很容易触发温度敏感元件,通过加大输出制冷功率来加强对冷冻室的冷却,使之低于标准温度。这个加强冷却的过程要持续一段时间,而时间的长短则取决于定时器的灵敏度。

冷冻室温度起伏引起输出制冷功率的变化,在家中用家用冰箱做实验多半是注意不到的。我在电桑拿(蒸汽浴)炉上就看到了类似的效应。我把水浇在电桑拿灶的温度敏感器上,让它误以为浴室的温度降低了,结果,电桑拿炉的输出立即增加了。

最近传来还没有证实的消息说,美国位于密苏里州圣路易斯城郊的华盛顿大学对这个问题进行了研究,又提出一种新的解释。将水加热,能够使溶解在水中的诸如碳酸氢钙和碳酸氢镁等溶质沉淀出来。但是,没有被加热过的水,其中仍然含有这些溶质。当这种水被冷冻形成冰结晶时,这些溶质便被逐出,存留在冰块周围的水中,使得还没有凝固的水中的溶质的浓度越来越高。这种情况当然会使水的凝固点降低,就像冬季在道路上撒盐可以使积雪融化。于是,剩余的水将会继续冷却而不结冰。同时,由于凝固点降低,这剩余的水与周围的温度差也减小了,从而使它散失热量的速度大为减小。——《新科学家》编者

上海冷冻机股份有限公司栏目导航