姆佩巴现象原理猜想
陈清瑶（成都实验外国语学校，四川成都610000）
【摘 要】 根据本人实验结果，姆佩巴现象重新定义如下：在同等容器、同等质量、同等的零下冷却环境下（一定范围内），沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水比温度略低的水先结冰。热水先结冰现象的原理是：沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水中，存在大量不稳定的单个H2O分子。这些不稳定的单个H2O分子，在常温环境中会快速结合成不利于结成冰核分子团或被原有氢键不饱和分子团俘获；在零下环境中会快速结合成利于结成冰核分子团-氢键饱和分子团。
【关键词】 姆佩巴现象；水分子团；过冷度
技术背景
姆佩巴现象（Mpemba effect），又名姆佩巴效应，指在同等容器、同等质量、同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。姆佩巴现象自提出以来，一直存在大量争议。一方面，大量按照姆佩巴现象定义完成的实验成功与失败参半。另一方面，目前关于姆佩巴现象的解释，没有一种得到广泛认可。本文初步推测了姆佩巴现象产生的原因，判断与水分子团等有关
本人尝试完成了几个实验，成功与失败数量参半。本人根据实验数据和目前被学术界认可的相关知识对姆佩巴现象产生的原理进行了一次大胆的猜想。
1 实验
由于家中老式冰箱性能差，且不稳定。实验一部分利用家中的冰箱完成，另一部分用父亲单位的冰柜完成。
家中实验有多次，中间未受打扰且较为完整的有5个。用父亲单位的冰柜完成的实验有2个。
1.1 家中实验
家中实验工具：老式家用冰箱一台；经过对比校正的同品牌同型号电子温度计2支；相同玻璃杯2支。
设低温水从T1到T2的降温阶段耗时为h1；从T2到0℃的降温阶段耗时为h2；0℃到出现冰花阶段耗时为h3；结冰阶段耗时为h4。
实验一
98℃开水105mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。电子测温仪探头置于水正中位置见图1。
图1
显示屏置于冰箱外，用胶条固定在冰箱侧壁，见图2图3。
实验过程：出现冰花之前保持持续观测，出现冰花之后半小时再观测一次。
调温水：用两种不同温度的水混合后，再静置5min，而成的水。
针对内河水、水库水低温低浊、矾花较轻易堆积的特点，首先该工艺设计泥水回流池，将澄清池排出的含聚合氯化铝的活性泥浆回收利用，增加絮凝碰撞面积，使泥浆迅速沉降，节约药剂成本；其次设计自动冲洗斜管装置，每天用水低谷时关闭原水，采用压力水自动冲洗斜管上面的絮状矾花。这些措施均有效保证了澄清工艺的良好高效运行。
实验结果：
图2
图3
（1）98℃开水
从98℃降温到35℃耗时：23min；
综上所述,给予糖尿病肾病患者羟苯磺酸钙治疗临床效果显著,可有效改善患者肾功能,且无明显药物不良反应,值得临床推广。
从35℃降温到0℃耗时：41min；
从0℃到出现冰花耗时：15min（可能有误差）；
广西多年来深入实施珠防林、海防林、退耕还林、石漠化综合治理、“绿满八桂”等造林绿化工程、公益林保护及生态环境保护建设工程，生态保护与修复稳步推进。从《2017年广西壮族自治区环境状况公报》可知：广西植被生态质量和植被生态改善程度均居全国首位；森林面积达1480万公顷，居全国第六位；森林覆盖率为62.31%，居全国第三位，西部地区第一位；石漠化综合治理工程成效突出，据第三次石漠化监测成果显示：广西石漠化土地面积减少率是8个石漠化省 （区）中最高的。
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
总耗时109min。
55℃调温水100mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。
从35℃降温到0℃耗时：46min；
从0℃到出现冰花耗时：62min（可能有误差）；
式中,Dxx为纵向弥散系数主值；Dyy为横向弥散系数主值；Dzz为横向弥散系数主值；c为溶质浓度，mol/l；u为实际平均流速，m/d。
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
（2）35℃自然降温水
设高温水水温T1，低温水水温T2，冷冻环境温度T0。设高温水从T1到T2的降温阶段耗时为H1；从T2到0℃的降温阶段耗时为H2；0℃到出现冰花阶段耗时为H3；结冰阶段耗时为H4。
（3）结论：
这种“叛逆”的特质首先体现在“我”对读书的坚持上，这一点是与兄弟姊妹们的形象直接形成对比的。面对强硬而冷淡的父亲，“我”并不退缩，反而出言顶撞：“你不是说，万般皆下品，唯有读书高吗？”幼时对父亲权威的“叛逆”，为“我”争来了可贵的教育启蒙，也让“我”明白了坚定自我的必要性。事实上，“我”与贺玉的相识同样源于“叛逆”之举——如果没有离家出走，“我”就不会在与贺玉相知相爱。
98℃开水105mL及35℃调温水100mL同时放入-8℃冰箱。98℃开水结冰量接近一半，耗时109min；35℃水结冰量接近一半，耗时138min。
98℃开水先结冰。结果与姆佩巴现象相符。
注：检测温降过程没有开启冰箱，实验数据相对真实。检测出现冰花的过程，由于是不断开启冰箱会有检测误差。
随着东南亚进入后殖民时代和民族国家的建立，华人移民企业家面临成为“少数民族企业家”的挑战。少数民族企业家从旅居者到定居者到现代民族国家国民的身份转换过程是一个不断地适应环境变化的结果。一方面他们要在市场环境中不断争取商业上的成功，另一方面要新的民族国家之下求得生存和发展的空间。跨界华商企业家在除了新加坡之外的东南亚国家都是少数民族企业家，但其却是东南亚战后国家经济发展的最重要商业力量。Reid研究东南亚华人与中欧犹太人的文章[11]33-75指出，在现代民族国家背景之下，民族主义政策和文化歧视能够影响和改变作为少数族群的犹太与华人企业家的身份认同、适应性策略和同化过程。
实验二
98℃开水105mL及35℃自然降温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。电子测温仪探头置于水正中位置，显示屏置于冰箱外，用胶条固定在冰箱侧壁。
观测过程同实验一。
自然降温水：由开水在室温下自然降温生成的水。
实验结果：
（1）98℃开水
从98℃降温到35℃耗时：23min；
从35℃降温到0℃耗时：41min；
从0℃到出现冰花耗时：15min（可能有误差）；
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
总耗时109min。
总耗时138min。
从35℃降温到0℃耗时：46min；
从0℃到出现冰花耗时：69min（可能有误差）；
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
总耗时145min。
（3）结论：
实验结果：与实验一的结果基本一致。98℃开水先结冰。结果与姆佩巴现象相符。
唯一不同的是35℃自然降温水从0℃到出现冰花耗时69min，增加了 7min。
实验三
（2）35℃调温水
2.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量略大于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象不符。
实验四
2型糖尿病是一种慢性疾病，多为成人发病，占糖尿病患者的大多数。2型糖尿病主要由于胰岛素产生量减少或胰岛素量不少，但有胰岛素抵抗，胰岛素的作用较正常人明显减弱。2型糖尿病主要是由于代谢紊乱引起，对多器官、多组织具有慢性的损害，严重影响患者的生存质量。
75℃调温水100mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。
2.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量明显大于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象不符。
实验五
75℃持续加热水100mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-4℃的冰箱冷冻室内。
作文的题材、主题的范围通常是较广的，要使学生学会写作，需要提升其综合的写作能力，需要其能够把握各类题材、主题的文章，因此就需要学生有较为广阔的写作视野，以为其想象力的开展奠定空间基础。拓宽学生的写作视野，不仅要从学习中出发，还要能够结合日常生活、周围环境、大自然等，利用一切有利因素，使学生脑海中能够积累丰富的作文素材，从而以更加独特、多样的视角去展开写作。
2.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量小于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象相符。
持续加热水：通过火或微波炉等方式加热一段时间后的水。
1.2 家外实验
家外实验工具：冰柜一台；650g，215X145X25mm冰板2支。冰柜温度-24℃。
1.2.1 实验六
2支冰板分别装入75℃持续加热水600mL及35℃调温水600mL。再置于-24℃的冰柜内。
1.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量大于初始温度高的水的结冰量。
图3显示了工况二时，幅流风机作用下的满载地铁车厢截面半个周期的风速分布云图。由图3可以清楚地看出，幅流风机在由7 s向左下方吹风转换到23 s向右下方吹风的整个变化过程中时，最大风速出现在幅流风机出风口处，约为2.8 m/s，当靠近人体区域时，风速已经减弱到2 m/s以下，截面平均风速约为0.50 m/s，符合人体舒适性要求。
结果与姆佩巴现象不符。
1.2.2 实验七
2支冰板分别装入 98℃开水 600mL及 35℃调温水600mL。再置于-24℃的冰柜内。
1.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量大于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象不符。
2 现有关于姆佩巴现象的解释
现有关于姆佩巴现象的解释大致可以分为4类。
在美国康涅狄格州为期两周的观摩培训过程中，笔者近距离见识了当今世界最先进的高中教育。笔者从一名历史教师的视角观察美国的高中课堂，得到了一些直观的认识，也引发了些许思考。
2.1 质量差异
热水由于蒸发会失去一部分水，质量较少，令热水较容易冷却和结冰。以及热水密度低，同等容积下质量较少，令热水水较容易冷却和结冰。
这以一类解释几乎没有支持者，不列入以后的分析和讨论。
2.2 惯性原理
当热水冷却到冷水的初温时，由于惯性原理，它的冷却速率会较快。
对流原理和共价键原理均属于这一类。
2.3 溶解物质
热水与冷水中溶解的物质不同，造成2者降温和结冰速率不一致。
溶解气体影响和矿物质影响等均属于这一类。
回首40年如歌岁月，中国作为拥有全球近五分之一人口的庞大经济体，在40年时间里以年均近两位数的速度持续增长，这在人类社会的发展历史上是空前的。习近平曾总结说：“党的十一届三中全会开启了改革开放历史新时期。30多年来，尽管遇到各种困难，但我们创造了第二次世界大战结束后一个国家经济高速增长持续时间最长的奇迹。我国经济总量在世界上的排名，改革开放之初是第十一；2005年超过法国，居第五；2006年超过英国，居第四；2007年超过德国，居第三；2009年超过日本，居第二。2010年，我国制造业规模超过美国，居世界第一。我们用几十年时间走完了发达国家几百年走过的发展历程，创造了世界发展的奇迹。”[4]
2.4 其它杂类
氢键和过冷度原理属于这一类。但是没有查到逻辑完整的解释。
3 实验结果分析
第四，数据库的事务管理与运行管理功能。该功能特指在建立、运用与维护数据库的同时对数据库管理系统进行统一管理和控制，以此确保数据的安全性、完整性与多用户并发使用性以及发生故障后的系统恢复性。
冰箱冷冻室温度-8℃左右。
后来有人从上海带来几本书，何禾看完了以后说：你看，大都市里的人都只叫别人的名，不叫别人的姓的，和我们一样。你看这行：“安，你好吗？童问道。”何禾合上书，说道：我们会很快地融入大城市的，如果我离开了这里。
0℃到出现冰花阶段后称结冰临界阶段。
根据实验数据分析结果如下：
（1）根据实验一及实验二的结果
H2=41minh2=46min；
时间差为5min。
以上数据可以证明惯性原理的确存在，但其产生的降温时间差不大，不足以抵消到H1。对最终结果的影响不大。故，惯性原理类不是姆佩巴现象形成的关键原因。
（2）实验一采用相对同质水进行实验，实验二采用完全同质水
进行实验。对比实验一与实验二，其结果唯有h2不同。
实验一h2=42min；
实验二h2=49min；
时间差为7min。
以上数据可以证明溶解物质对时间的影响的确存在，但其产生的时间差不大，不足以抵消到H2。对最终结果的影响不大。
故，溶解物质类同样不是姆佩巴现象形成的关键原因。
（3）根据实验一及实验二的结果
实验一H3=15minh3=62min；
时间差为47min；
实验二H3=15minh3=69min；
时间差为54min。
以上数据可以证明跨越结冰临界阶段耗时有明显差异，远远超过H1。那么，造成跨越结冰临界阶段耗时差异的原因是姆佩巴现象形成的关键原因。
初步估计和过冷现象有关。
（4）根据实验二的结果。开水与冷水降温结冰过程比较如下：
①H2与h2相差不大；H4与h4基本相同。H3与h3有明显差异。
②结冰临界阶段以前的两个阶段，高温水和低温水降温过程中，容器、质量完全相同。唯一不同的是：热水从T1到T2降温是在-8℃的环境温度下进行的；冷水从T1到T2降温是在常温下进行的。
显然，初始水是开水的情况下，造成跨越结冰临界阶段耗时差异的唯一原因是：水从T1到T2降温过程中的环境温度差异。
那么，热水在高温段降温的低环境温度造成跨越结冰临界阶段耗时大幅降低。
初步估计这里的低环境温度可能是零度以下。
（5）对比实验四和实验五，在其它实验条件相同的情况下，高温水采用持续加热水或是调温水会产生相反的结果。由此可以得出以下结论：水持续加热后到一定温度后，快速进入冰箱，结冰更快。
（6）将实验一、五与实验六、七对比可以发现，在-8℃的环境温度下可以成功的实验，在-24℃的环境温度下全部失败。
显然，过低的环境温度会造成实验失败。
其原因初步估计为：过低的环境温度会造成跨越结冰临界阶段耗时大幅降低，从而造成热水和冷水跨越结冰临界阶段的时间差大幅降低，当这一时间差降低到和H1相当时，姆佩巴现象消失。
（7）从成功的3个实验来看，热水需要具备的条件是：沸腾或接近沸腾的水，以及持续加热水。
（8）综合以上分析，初步确认姆佩巴现象的破解需要从水分子团及水分子团氢键，过冷度等方向进行。
4 目前被学术界认可的相关知识
4.1 水分子团
自然界的水不是以单一水分子（H2O）的形式存在的，而是由若干水分子通过氢键作用而聚合在一起，形成水分子簇，俗称「水分子团」。水分子簇是一种不连续的氢键结构形成的水分子簇合物。它们有多种存在的形式：在冰中、在晶格中以及在液态水中。其中最简单的就是二聚水 （化学式：（H2O）2）。1884年，Whiting首次报导液态水高密度矩阵模型；1933年，Bemal和Fowler提出高低密度下簇状结构；1959年，Pauling提出具有空隙的水分子簇状结构；1957年，Bontron和Alben提出了水的环状结构；2000年以後，提出了水的二十面体结构，即水是由280个水分子组成的。人类目前对自由水中水分子簇的瞭解很少，於2009年，这被科学杂志（Science）认为是未解决的化学问题之一。[1]
实验观察水分子簇需要精密的光谱仪器，例如远红外振动转动隧道光谱。将水分子困在液氦环境中，可以发现六聚体是一个平面环状结构，在气相中是笼状结构，而将液氦换成某些有机物，就会发现它的构象类似於熟悉的环己烷构象。结合红外光谱和质谱进行观测可以发现立方形的结构存在於8到10个水分子的簇合物中。
对於任何自由液态水（即普通意义上的水，而不是数个水分子）中，超分子结构的研究是十分困难的，因为它们存在时间非常短。氢键不断断裂和形成所需时间小於200飞秒。[2]
沸腾水是水和蒸汽的临界状态，以单个的H2O及部分小分子团的形式存在。水蒸汽以单个的H2O的形式存在。
4.2 氢键
水分子间有较强的氢键，氢键增加了水分子间的结合力。氢键的键能比共价键的键能小得多。在温度、压力或磁场等各种外界作用下，水结构会发生变化。氢键的断裂是水结构变化的必要前提。这种变化需要消耗能量。水加热会破坏分子间的氢键。
水蒸气中不存在氢键了。冰中的氢键达到饱和状态。
水从沸腾到结冰的过程中，氢键不是持续增加的过程，而是有一个由低到高，再到低，再到最高的反复过程。
冰的氢键浓度达到最高，达到全饱和。冰开始溶解时，氢键浓度开始降低。随着水温升高，氢键浓度进一步降低。
4.3 过冷现象
每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度。
水存在过冷现象。
水的过冷现象与冰核的形成密切相关。
4.4 凝华现象
水的凝华现象是指水蒸气在零下环境中，不经历液态水的过程直接凝结成冰。
5 猜想
人类目前对水分子团的了解尚且不足。要破解姆佩巴现象，只能依靠合理的猜想来解决。
（1）猜想一：假设把水分子团分成2类，一类是利于结成冰核分子团（例如：六聚体），一类是不利于结成冰核分子团。因为冰中的氢键达到饱和状态，故而猜想：利于结成冰核分子团内部水分子的氢键达到饱和，是氢键饱和分子团。那么，不利于结成冰核分子团是氢键不饱和分子团。
常温水中有氢键饱和分子团和氢键不饱和分子团两种分子团。
（2）猜想二：沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水中，存在大量不稳定的单个H2O分子。这些不稳定的单个H2O分子，在常温环境中会结合成不利于结成冰核分子团或被原有不利于结成冰核分子团俘获；在零下环境中会结合成利于结成冰核分子团-氢键饱和分子团。
即，常温下冷却的水中氢键饱和分子团浓度较低。沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水在零下环境中冷却，氢键饱和分子团浓度很高。
（3）猜想三：热水在冷却过程中氢键不饱和分子团含量会减少，水温降到4℃时，水中氢键不饱和分子团全部分解掉。
热水在冷却过程中氢键饱和分子团含量变化不会太大。水温降到4℃以后，水中氢键饱和分子团含量会逐步增加。而且，水温越低，水中氢键饱和分子团含量增加的速率越大。
根据以上猜想可以解释为什么4℃的水密度最大。
（4）猜想四：水中氢键饱和分子团达到一定浓度，是结冰的必要条件。初结冰时，水中的氢键饱和分子团浓度，后称结冰临界浓度。
在一定的大气压下，每一个环境温度值都对应一个结冰临界浓度。环境温度越低，结冰临界浓度越低。
①根据这一猜想，推论出水过冷度的原理是：水在零度时，如果氢键饱和分子团浓度达不到结冰临界浓度。只有持续降温到一定低温，水中氢键饱和分子团浓度达到结冰临界浓度，结冰才开始。
那么，零度时水中氢键饱和分子团浓度越高，其过冷度就越低。
初始水中含有的不稳定的单个H2O分子越多，零下冷却形成的饱和分子团浓度越高，形成的过冷度越小，结冰速度越快。水蒸气全部由不稳定的单个H2O分子构成，过冷度为零，从而出现凝华现象。
②这一猜想同样可以解释为什么延长跨越结冰临界阶段的时间可以降低过冷度。因为在结冰临界阶段，氢键饱和分子团在不断生成，即水中的氢键饱和分子团浓度在持续不断缓慢地升高。当达到结冰临界浓度时，结冰开始。当然，这一过程耗时会非常长。
③这一猜想还可以解释为什么水在跨越结冰临界阶段后，结冰温度会回升到零度。这是因为：结冰一旦开始，冰晶附近的氢键饱和分子团浓度回远远大于零度时的结冰临界浓度。
6 结论
6.1 结论一
从20世纪70年代到现在，人们按照姆佩巴现象定义完成了大量的实验，但这些实验成功与失败参半。其中，2015年上海中学生完成的近100个实验，全部失败。从这些实验结果来看，姆佩巴现象是存在的，但边界条件规定不够准确。从而导致部分实验失败。
根据本人的实验结果，姆佩巴现象重新定义如下：在同等容器、同等质量、同等的一定范围内的零下冷却环境下，沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水比温度略低的水先结冰。
一定范围内的零下冷却环境下是指该温度环境处于零下，且有上下限。冷却环境温度过低，会造成跨越结冰临界阶段耗时大幅降低，从而造成热水和冷水跨越结冰临界阶段的时间差大幅降低，当这一时间差降低到和H1相当时，冷水先结冰。冷却环境温度过高，同样会造成热水和冷水跨越结冰临界阶段的时间差降低，造成冷水先结冰。
6.2 结论二
热水先结冰现象的原理是：沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水中，存在大量不稳定的单个H2O分子。这些不稳定的单个H2O分子，在常温环境中会结合成不利于结成冰核分子团或被原有不利于结成冰核分子团俘获；在零下环境中会结合成利于结成冰核分子团-氢键饱和分子团。
显然，沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水在零下环境中，所形成的氢键饱和分子团浓度会很高。当水冷却到零度时，氢键饱和分子团浓度亦会很高。那么，其过冷度就远远小于冷水。其跨越结冰临界阶段耗时也就远远小于冷水。从而使热水先结冰。
7 后续问题
以上结论是建立在猜想基础上的。所以，以上4条猜想需要进一步的实验来证明，而目前的技术还不能完成这些证明实验。因而只能期待在不远的将来可以证明这些猜想的正确与否。
参考文献
[1] So much more to know.Science.2005-07,309(5731)：78-102.
[2] Smith,Jared D.;Christopher D.Cappa;Kevin R.Wilson;Ronald C.Cohen;Phillip L.Geissler;Richard J.Saykally(2005).“Unified description of temperature-dependent hydrogen-bond rearrangements in liquid water”(PDF).Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102(40)：14171-14174.
【中图分类号】 C962
【文献标识码】 A
【文章编号】 2095-2066（2019）08-0361-04
收稿日期： 2019-7-9
作者简介： 陈清瑶（2002-），女，汉族，四川成都人。
标签：姆佩巴现象论文; 水分子团论文; 过冷度论文; 成都实验外国语学校论文;