為什么熱水比冷水凝固得快

結(jié)冰得滿足兩個(gè)條件，一是達(dá)到臨界形核尺寸的形核核心，二是要有足夠的過冷度。只要滿足上述兩個(gè)條件，即使是熱水也能比冷水先結(jié)冰。對(duì)兩杯完全一樣的水（液體），我們可以認(rèn)為未加熱前完全一樣，而經(jīng)過加熱后的水由于溫度高，會(huì)使得其中生成大量的硅鎂酸鹽等溶質(zhì)粒子，而這些溶質(zhì)粒子會(huì)充當(dāng)結(jié)晶過程中的形核點(diǎn)，并且相比于冷水，這些溶質(zhì)粒子尺寸會(huì)更接近臨界形核尺寸，這樣，形核更易進(jìn)行。而在冷水中這些形核點(diǎn)尺寸會(huì)小，更難達(dá)到臨界形核尺寸，這也就是說形核過程會(huì)更難進(jìn)行，更難結(jié)晶。因?yàn)榧儍羲袔缀鯖]有能提供形核點(diǎn)的溶質(zhì)粒子。

只有當(dāng)冰箱內(nèi)有顯著溫差、或牛奶含糖量不同、或糖沒有溶解、或做冰淇淋的液體中含有較多淀粉等非液體成分時(shí)，“姆潘巴現(xiàn)象”才會(huì)出現(xiàn)。這也說明溶質(zhì)粒子對(duì)結(jié)冰過程是很重要的，而要使結(jié)冰得以進(jìn)行還得保證足夠過冷度。

我們常說兩杯水溫度不同，指的是平均溫度不同，并不是說水中各處溫度都一樣。由平均溫度計(jì)算得到的過冷度并不能代表形核局部的實(shí)際過冷度。在凝固未開始前，水中各處溫度相同，過冷度一樣；但凝固一旦開始，那么這種狀態(tài)就會(huì)被打破，溶液中各處溫度就會(huì)不一樣，過冷度也會(huì)呈現(xiàn)差異，過冷度大的地方就會(huì)開始優(yōu)先形核并結(jié)晶；同時(shí)，由于水中各處溫度不一樣，水中就會(huì)形成一個(gè)各處溫度梯度不同的溫度場(chǎng)，并進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)流。

熱量的傳輸方式有三種，傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱與輻射換熱。對(duì)熱水而言，熱水的溫度高，分子動(dòng)能較冷水高，其能量交換會(huì)比冷水快，在傳熱速率上的表現(xiàn)即為熱水的傳導(dǎo)傳熱和輻射換熱會(huì)比冷水強(qiáng)，散熱更快；同時(shí)，在凝固過程中形成的對(duì)流、氣泡冒出和不均勻的溫度分布會(huì)使得水的對(duì)流換熱速率比冷水快，使得水的表面比水底部熱，形成一個(gè)熱頂，而熱頂?shù)乃釙?huì)比溫度均勻的快。當(dāng)熱水冷卻到冷水的初溫時(shí)，便會(huì)形成一熱頂。因此與平均溫度相同，但溫度均勻的冷水相比，它的冷卻速率會(huì)更快，會(huì)更易過冷，從而使得結(jié)晶更易進(jìn)行。