[科普中國]-冷卻定律

牛頓冷卻定律是由英國物理學(xué)家艾薩克·牛頓爵士(1642-1727)所提出的一個經(jīng)驗性的關(guān)系。其論述一個物體所損失的熱的速率與物體和其周圍環(huán)境間的溫度差是成比例的。

簡介牛頓冷卻定律是由英國物理學(xué)家艾薩克·牛頓爵士(1642-1727)所提出的一個經(jīng)驗性的關(guān)系。其論述一個物體所損失的熱的速率與物體和其周圍環(huán)境間的溫度差是成比例的。

一個物體和其周圍處于一個不同的溫度下的話，最終這個物體會和其周圍達成一個相同的溫度。一個比較熱的物體將會冷卻，因為它使其周圍變溫暖。一個比較冷的物體會因為其周圍的高溫而溫度上升。當(dāng)我們在考慮一個物體冷卻有多快時，我們會說他冷卻的速率是－單位時間內(nèi)，有多少的溫度改變了。

一個物體的冷卻速率是依據(jù)物體比其周圍溫度高上了多少而做改變。一個放在冰箱里的熱蘋果派在每分鐘的溫度變化會比放在廚房里的還來的多。當(dāng)蘋果派在冰箱里冷卻的時候，蘋果派和其周圍的溫度差是比較大的。

一個較周圍熱的物體溫度為T，忽略表面積以及外部介質(zhì)性質(zhì)和溫度的變化。它的冷卻速率(dT/dt)與該物體的溫度與周圍環(huán)境的溫度C的差(T-C)成正比。

即dT/dt=-k(T-C)。其中，t為時間，k為一個常數(shù)。

計算方法是：對dT/dt=-k*(T-C)進行積分，得 ln(T-C)=-kt+B (B為積分常數(shù)) (T-C)=e^(-kt+B) 公式1 設(shè)t=0，也就是物體的初溫，上述公式1變成 (T0-C)=e^B 然后代入公式1得 T=C+(T0-C)*e^-kt 算出B與k，代入t的值，就可以算出某個時間物體的溫度。

冷卻定律推導(dǎo)出來，在忽略表面積以及外部介質(zhì)性質(zhì)和溫度的變化，物體溫度變化是越來越慢的。

牛頓冷卻定律揭示了任何物體冷卻共同遵守的數(shù)學(xué)規(guī)律，并且在提出后應(yīng)用于各學(xué)科研究直到至今。但是在實際生活中，不斷有人發(fā)現(xiàn)，某些情況下，物體冷卻速率并非只和外部與物體的溫差有關(guān)。比如有人觀察到，兩杯除了溫度分別是100℃和70℃其他各種狀態(tài)都相同的水，放到冰箱里，居然是100℃的水先結(jié)冰。這種現(xiàn)象被稱為彭巴現(xiàn)象。1

姆潘巴現(xiàn)象姆潘巴現(xiàn)象（Mpemba effect）的多種表述：

游隆洲：在同等質(zhì)量和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體在其與該冷卻環(huán)境直接接觸的分子將比溫度略低的溫度下降的快，若其冷卻環(huán)境能始終維持一致（溫度不變）的冷卻能力，則溫度高的液體將先降至冷卻環(huán)境溫度，若溫度低于該液體冰點則高溫液體先結(jié)冰。

指在同等質(zhì)量和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結(jié)冰的現(xiàn)象。

亞里士多德：“先前被加熱過的水，有助于它更快地結(jié)冰。”可理解為“先前加過熱的水與先前未加過熱的水在同溫下比較加熱過的水更快結(jié)冰”

亞里士多德、弗蘭西斯·培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現(xiàn)象，但是均未能引起廣泛的注意（注意亞里士多德的描述與上述大不相同）。1963年，坦桑尼亞的一位中學(xué)生姆潘巴在制作冰淇淋時發(fā)現(xiàn)，熱牛奶經(jīng)常比冷牛奶先結(jié)冰，1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士（Denis G. Osborne）共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以其名字命名。

液體降溫速度的快慢不是由液體的平均溫度決定，而是由液體溫度梯度決定的，當(dāng)熱的液體冷卻時，梯度較大，而且在凍結(jié)前的降溫過程中，熱的液體的溫度差一直大于冷的液體的溫度差。這種情況是由于上表面的溫度愈高，從上表面散發(fā)的熱量就愈多，因而降溫就愈快。

也有人說亞里士多德描述的可能不是姆潘巴現(xiàn)象。書中的原話是：“先前被加熱過的水，有助于它更快地結(jié)冰?！敝傅氖潜患訜徇^的（warmed）水，而非熱水或溫水（warm water）。1

試驗論證“一篇《二十世紀十大科學(xué)騙局》的文章，里面提到姆潘巴現(xiàn)象只是愚人節(jié)的產(chǎn)物?！边@被很多文章和論文引用。

據(jù)科學(xué)網(wǎng)2010年報道，紐約州立大學(xué)賓厄姆頓分校負責(zé)輻射安全的官員詹姆斯·布朗里奇最終發(fā)現(xiàn)證據(jù)，證明這種現(xiàn)象可能與水中雜亂無章的雜質(zhì)有關(guān)。布朗里奇認為，雜亂無章的雜質(zhì)才是導(dǎo)致熱水更快速凍結(jié)的關(guān)鍵因素。過去10年時間里，他利用空閑時間進行了數(shù)百次有關(guān)姆佩巴效應(yīng)的實驗，最終發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)基于不穩(wěn)定過度冷卻現(xiàn)象的證據(jù)。布朗里奇說“水幾乎從不在溫度降到零度時凍結(jié)，通常是在更低溫度下才開始凍結(jié)，也就是所說的過度冷卻現(xiàn)象。凍結(jié)點取決于水中與冰晶形成有關(guān)的雜質(zhì)。通常情況下，水可能含有幾種類型雜質(zhì)，其中包括塵粒、被溶解的鹽類以及細菌，每一種雜質(zhì)都能在特定溫度下觸發(fā)凍結(jié)機關(guān)。核化溫度最高的雜質(zhì)決定了水的凍結(jié)溫度。”

在近期的研究中，2012年，英國皇家化學(xué)學(xué)會舉辦比賽，解釋姆潘巴現(xiàn)象。表明對流和過冷是可能的原因。

2013年新加坡南洋理工大學(xué)宣稱，氫鍵（hydrogen bonds）在水溫高時較長，以延展儲蓄能量；遭遇低溫時迅速縮短，釋出能量冷卻，造成姆潘巴現(xiàn)象。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)