有人說(shuō)在冰箱冷凍室內(nèi)放入熱水比放入冷水凍結(jié)得更快，是這樣嗎？如果是這樣，那是為什么？

這個(gè)問(wèn)題在《新科學(xué)家》上提出來(lái)已經(jīng)有好些年了，一直沒(méi)有得到令人滿意的答案。這一次，我們有意給出幾位做過(guò)實(shí)驗(yàn)的讀者的答案，希望能夠引起討論。事實(shí)好像違反直覺(jué)，但是，熱水似乎確實(shí)比冷水凍結(jié)得更快。對(duì)這種現(xiàn)象的最好解釋，大概是把盛熱水的容器放進(jìn)制冰室，熱接觸變得更好了，同時(shí)，出現(xiàn)了一種不同的熱對(duì)流方式加快了水凍結(jié)成冰。究竟哪一種效應(yīng)是主要的，則取決于冰箱、盛水容器和容器擺放的位置?！缎驴茖W(xué)家》編者

提問(wèn)題的朋友提到的那種說(shuō)法是正確的。制冰塊用熱水的確比用冷水凍結(jié)得更快。如果把盛熱水的容器擺放在冷凍室的霜層或冰層上面，就會(huì)出現(xiàn)這種效果。這時(shí)，溫度較高的容器底將下面與之接觸的冰層表面融化，極大地改善了容器底與冰層的熱接觸，加快了容器的散熱效率。散熱效率的提高，足以抵償因?yàn)槭菬崴枰⑹Ц酂崃慷杏?。如果將容器架空，或者擺放在冷凍室的沒(méi)有霜或冰的干表面上，就不會(huì)有這種效果。

最早注意到這種效應(yīng)的是生活在16~17世紀(jì)的那位大名鼎鼎的哲學(xué)家弗朗西斯·培根，他把一只盛水的木桶放在冰上做實(shí)驗(yàn)。我做的實(shí)驗(yàn)表明，只要冰箱冷凍室的結(jié)霜足夠厚，用熱水，15分鐘就結(jié)成了冰塊，而用冷水，則需要20分鐘。顯然，住在澳大利亞的人要比住在寒冷國(guó)家的人更希望利用冰箱制冰塊的時(shí)間能夠短一些。最早注意到這種效應(yīng)的不是弗朗西斯·培根，而是亞里士多德。亞里士多德在他的《氣象學(xué)》一書(shū)中有一段敘述指的就是這種效應(yīng)：“許多人為了將水盡快冷卻，會(huì)把水先在太陽(yáng)下曬一會(huì)兒。在冰上捕魚(yú)（在冰層上鑿洞，然后在洞口捕魚(yú)）的人，為了在冰上搭建臨時(shí)棚屋，會(huì)在立桿周圍澆熱水加快凍結(jié)，使它們盡快穩(wěn)固?！?/p>

但是，說(shuō)“如果將容器架空，或者擺放在冷凍室的沒(méi)有霜或冰的干表面上，就不會(huì)有這種效果”，似乎不一定對(duì)……——《新科學(xué)家》編者

這個(gè)問(wèn)題，《新科學(xué)家》早在1969年就提出來(lái)了，提問(wèn)題的讀者是坦桑尼亞的一位學(xué)生伊拉斯托·姆佩姆巴。他發(fā)現(xiàn)，將制冰淇淋的混合液趁熱放入冰箱，要比等它涼至室溫再放入冰箱，凍結(jié)得要快些。我在完成六年級(jí)布置的自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)作業(yè)時(shí)，也同姆佩姆巴一樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到了老師的懷疑。

我的實(shí)驗(yàn)首先證明了，無(wú)論用自來(lái)水還是用蒸餾水，結(jié)果同姆佩姆巴的冰淇淋混合液是一樣的。這說(shuō)明，這種效果與液體的化學(xué)組成無(wú)關(guān)。其次，我的實(shí)驗(yàn)還證明，熱水凍結(jié)得反而更快，不是熱水蒸發(fā)體積變小了的緣故。我把熱電偶插入水中測(cè)量溫度，發(fā)現(xiàn)溫度為10℃的水要比溫度為30℃的水更快達(dá)到凝固點(diǎn)，這與牛頓的冷卻定律是一致的。但是，達(dá)到凝固點(diǎn)之后，原來(lái)溫度較高的水反而會(huì)凝固得更快。

我的實(shí)驗(yàn)表明，把水放入冰箱凍結(jié)為固體，所需時(shí)間最長(zhǎng)的是溫度大約為5℃的水；所需時(shí)間最短的是溫度大約為35℃的水。這個(gè)好像不合理的結(jié)果可以用水中的垂直溫度梯度來(lái)加以說(shuō)明。如果表面一層液體的溫度始終都比下面液體的溫度高的話，那么，從液面散失熱量的速度就會(huì)比液體內(nèi)溫度作均勻分布時(shí)，從僅具有平均溫度的液面散失熱量的速度更快。如果不是把水盛在一個(gè)淺碟中，而是盛在一個(gè)高金屬罐中，就不會(huì)有熱水先凍結(jié)的結(jié)果。我猜想，這大概是高金屬罐的側(cè)壁散熱效果也很好，使得水中的熱傳導(dǎo)出現(xiàn)了短路的緣故。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與根據(jù)原來(lái)知道的正確知識(shí)所預(yù)料的結(jié)果不相符時(shí)，我也是一下子難以放心地接受的。

驗(yàn)證這個(gè)問(wèn)題的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方法，是在寒冷的冬天用兩只金屬桶分別裝上冷水和熱水于夜間放置在露天，有風(fēng)的天氣更好。靜置不動(dòng)的水導(dǎo)熱性能不好，它的頂層和周圍很快就會(huì)結(jié)冰。如果原來(lái)的溫度為10℃左右，水體的核心部分會(huì)冷卻得非常慢，尤其在頂層有浮冰的場(chǎng)合，正常的對(duì)流將受到抑制。沒(méi)有對(duì)流，核心部分溫度較高的水便沒(méi)有辦法移動(dòng)到溫度較低的金屬桶壁，在那里把能量傳遞到外界。