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在相同的情況下，把一杯熱水與冷水同時放入冰箱，哪一個先結冰？

在我們的直觀印象中 ， 如果把一杯熱水和一杯冷水同時放入冰箱 ， 那么應該是冷水先結成冰 ， 我們的判斷依據 ， 一方面是熱水要凍成冰塊 ， 其所釋放出來的熱量肯定要比冷水多 ， 在相同的制冷條件下 ， 熱水釋放能量的時間要比冷水長；另一方面 ， 熱水在冷卻的過程中 ， 肯定要先到達冷水的溫度 ， 然后再繼續冷水的凝結過程 ， 因此所花費的時間較長 。 但是 ， 這僅是我們的直覺 ， 實際上在很早的時候 ， 亞里士多德、笛卡爾等科學家都曾經描述過與直覺相反的水冷卻現象 ， 而在1963年的時候 ， 當姆潘巴在做熱牛奶與涼牛奶冷卻實驗時 ， 通過多次實驗對比 ， 發現溫度略高的牛奶比溫度略低的牛奶要先凝固 ， 他的導師也通過多次實驗印證了這一結論 ， 后來人們將這一現象稱為姆潘巴效應 。

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當我們在家重復做這個實驗的時候 ， 結果可能不一樣 ， 有時會熱水先凍結 ， 有的時候冷水會凍結 ， 之所以這樣 ， 是因為姆潘巴效應的出現 ， 需要相對嚴格的條件 ， 比如熱水和冷水要來源于同一水源 ， 容器形狀要完全一致 ， 冷卻條件要完全相同 ， 更重要的是 ， 熱水和冷水的溫差不能太大 ， 如果你拿90攝氏度的熱水與1攝氏度的冷水相比 ， 那肯定是冷水先結成冰 。 如果我們在相同的實驗條件下 ， 拿50攝氏度的水與40攝氏度的水相比 ， 那極有可能是50攝氏度的水先結冰 。

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為什么會出現這種情況呢？我們首先來看一下水結冰的過程 ， 水從液態變為固態 ， 實質上是水分子在一定的溫度和壓強條件下 ， 其排列結構的重新組合過程 。 具體來說 ， 就是在水分子中 ， 除了氫和氧之間構成的化學鍵之外 ， 還存在著水分子中的氫原子與另外水分子中的氧原子構成的氫鍵 ， 這種氫鍵的作用力 ， 比分子內部的化學鍵的強度要弱 ， 但要比水分子與水分子間的范德華力要大得多 ， 而決定著水相態的主要因素就在于氫鍵的作用力大小 ， 當溫度降到冰點時 ， 水分子之間的運動速度降低 ， 當不能達到掙脫氫鍵的程度時 ， 水分子與水分子之間就會通過氫鍵 ， 有規則地排列起來 ， 對外表現為固態的形式 。

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而在水的結冰過程中 ， 并不是所有水分子所在區域 ， 都均勻出現這種排列的規律性組合 ， 而是先從一定的結晶核開始 ， 這是因為當溫度降低時 ， 一杯水中的水分子 ， 其熱量散失即動能的轉化速率是不同的 ， 一旦結晶核形成 ， 那么在水分子運動過程中流經結晶核的區域 ， 就會被氫鍵所俘獲 ， 從而使結晶核越長越大 ， 直至整杯水都變為固態 。 因此 ， 決定著一杯水結冰速率的快慢 ， 在基本條件都相同的情況下 ， 主要由兩個方面的因素來決定 ， 一個是結晶核的數量 ， 第二則是熱量的散失效率 。

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從結晶核來看 ， 水中的礦物質和因微生物、細小塵埃等構成的雜質是結晶核的主要來源 。 對于熱水來說 ， 在加熱的過程中 ， 其水中溶解的礦物質數量就越多 ， 最后在冷卻的過程中所聚集形成的晶核尺寸也要比冷水大 ， 同時 ， 較熱的水還有利于微生物的生長 ， 因此 ， 溫度較高的水相對于低溫的水 ， 其能夠提供凝結的晶核數量要多一些 ， 從水的內部發生凝結的幾率和速率都要相對較高 。 這也是為什么用純凈水來做實驗 ， 很難出現姆潘巴效應的原因 。