這個看似簡單的問題持續引發相當大的爭議。聖諾伯特學院(位於威斯康星州德佩爾)的物理學家高橋隆正試圖給出一個明確的答案
“冷水煮沸的速度並不比熱水快。液體的加熱速率取決於液體與其周圍環境(例如爐子上的火焰)之間的溫差大小。因此,冷水在仍然是冷水時會更快地吸收熱量;一旦它達到熱水的溫度,加熱速率就會減慢,從那時起,將其煮沸所需的時間與最初就是熱的水一樣長。因為冷水需要一段時間才能達到熱水的溫度,所以冷水顯然比熱水需要更長的時間才能煮沸。可能存在一些心理效應在起作用;冷水比人們預期的更早開始沸騰,這是因為上述的水較冷時具有更大的熱吸收率。
“對於問題的第一個部分——‘熱水是否比冷水結冰更快?’——答案是‘通常不是,但在某些條件下可能。’ 汽化一克水需要 540 卡路里熱量,而將一克液態水從 0 攝氏度加熱到 100 攝氏度需要 100 卡路里熱量。當水溫高於 80 攝氏度時,快速汽化造成的冷卻速率非常高,因為每蒸發一克水至少會從剩餘的水中吸走 540 卡路里熱量。與每克水透過正常熱傳導冷卻時吸走每攝氏度 1 卡路里熱量相比,這是一個非常大的熱量。
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“這一切都取決於冷卻發生的速度,事實證明,熱水不會比冷水先結冰,但會比溫水先結冰。例如,100 攝氏度的水會比高於 60 攝氏度的水先結冰,但不會比低於 60 攝氏度的水先結冰。當透過快速蒸發冷卻的表面積與所涉及的水量相比很大時,這種現象尤其明顯,例如在寒冷的冬天用熱水洗車時。[有關參考,請參閱保羅·G·休伊特 (Paul G. Hewitt) 的《概念物理學》(Conceptual Physics)(哈珀柯林斯出版社,1993 年)。]
“另一種熱水可能更快結冰的情況是,將質量相等的冷水和平底鍋熱水放入冷凍室。存在上述蒸發效應,並且與冷凍室擱板的熱接觸也會冷卻水體的底部。如果水足夠冷,接近 4 攝氏度(水密度最大的溫度),那麼底部的近冰點水將上升到頂部。對流會持續到整個水體達到 0 攝氏度,此時所有水最終結冰。如果水最初是熱的,底部的冷卻水比頂部的熱水密度更大,因此不會發生對流,底部會開始結冰,而頂部仍然是溫熱的。這種效應,加上蒸發效應,可能使熱水在某些情況下比冷水更快結冰。當然,在這種情況下,冷凍室在給定的時間內會更努力地工作,從熱水中提取更多的熱量。”
喬治梅森大學(位於弗吉尼亞州費爾法克斯)的羅伯特·埃爾利希補充了高橋提出的一些觀點
“熱水可能比冷水結冰更快有兩種方式。一種方式[在傑爾·沃克的著作《飛行的馬戲團物理學》(The Flying Circus of Physics)(威利出版社,1975 年)中描述]取決於熱水蒸發得更快這一事實,因此,如果您從質量相等的冷水和熱水開始,熱水的量很快就會減少,因此它會超過冷水並首先結冰,因為質量越小,結冰時間越短。另一種可能發生的情況(在將平底水盤放入冷凍室的情況下)是,熱水融化了盤子底部的冰,從而在重新結冰時導致更好的熱接觸。” �
仍然感到懷疑?俄勒岡州立大學(位於科瓦利斯)的氣象學家弗雷德·W·德克爾鼓勵讀者親自解決這個問題
“您可以很容易地進行一項實驗,以瞭解哪種水先結冰:最初是熱的水,還是最初是冷的水。在電熱板上使用給定的設定,並記錄一個鍋中(例如,一夸脫水)從開始到沸騰的時間;首先從自來水提供的最冷的水開始,然後在自來水提供的最熱的水中重複此操作。我敢打賭,最初是熱的一夸脫水比最初是冷的一夸脫水更快沸騰。
“冷凍實驗更難進行,因為它理想情況下需要一個步入式冷藏室,該冷藏室設定為低於冰點的溫度。帶兩個裝滿水的夸脫容量牛奶瓶進入冷藏室,一個來自熱水龍頭,另一個來自冷藏室外的冷水龍頭。計時它們結冰的時間,我再次敢打賭,最初較冷的水會比最初較熱的水更快結冰。”
[我們要補充一點,如果您不想在步入式冷凍室中受苦,您可以在冰箱的冷凍室中進行上述實驗的合理版本;只是不要太頻繁地檢查水——在這種情況下它永遠不會結冰——或者太不頻繁地檢查,在這種情況下,您可能會錯過一個容器已經結冰但另一個容器沒有結冰的時刻。]
德克爾總結道,“許多民間傳說源於試圖在‘所有其他條件都相同’的條件下回答這樣的問題,而上述實驗做到了這一點。”
