姆潘巴現象（Mpemba effect）的多種表述：1.游隆洲：在同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體在其與該冷卻環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境溫度，若溫度低於該液體冰點則高溫液體先結冰。2.指在同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結凍的現象。3.亞里士多德：“先前被加熱過的水，有助於它更快地結冰。”
基本介紹
- 中文名：姆潘巴現象
- 外文名：Mpemba effect
- 別稱：姆佩姆巴效應
- 命名人：埃拉斯托·姆潘巴
簡介,理論模型及實驗驗證,
簡介
姆潘巴現象（Mpemba effect）的多種表述：
- 游隆洲：在同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體在其與該冷卻環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境溫度，若溫度低於該液體冰點則高溫液體先結冰。
- 指在同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結凍的現象。
- 亞里士多德：“先前被加熱過的水，有助於它更快地結冰。”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，坦尚尼亞的一位中學生姆潘巴在製作冰淇淋時發現，熱牛奶經常比冷牛奶先結冰，1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士（Denis G. Osborne）共同撰寫了關於此現象的一篇論文，因此該現象便以其名字命名。
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，當熱的液體冷卻時，梯度較大，而且在凍結前的降溫過程中，熱的液體的溫度差一直大於冷的液體的溫度差。這種情況是由於上表面的溫度愈高，從上表面散發的熱量就愈多，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象。書中的原話是：“先前被加熱過的水，有助於它更快地結冰。”指的是被加熱過的（warmed）水，而非熱水或溫水（warm water）。
理論模型及實驗驗證
一篇《二十世紀十大科學騙局》的文章，裡面提到姆潘巴現象只是愚人節的產物。這被很多文章和論文引用。起初也有不少學者並不相信姆潘巴現象。但隨著姆潘巴現象一次次的被重複驗證，人們開始不解並研究其中的原因。
在過去長期研究中，雖有不少研究者提出一些理論模型機制，但由於該現象本身敘述較為籠統，且涉及大量複雜的數學層面分子模型機制建立和熱學實驗，使這些模型理論並未受所有人接受。《物理世界》的一位評論家寫道：“即使姆潘巴效應是真實的——如果熱水有時比冷水凍結得更快——也不清楚這種解釋是微不足道的還是有啟發性的。”初始參數（包括水的類型和初始溫度、溶解氣體和其他雜質，以及容器的大小、形狀和材料，以及冰櫃的溫度），並且需要確定確定凍結時間的特定方法，所有這些都可能影響姆潘巴效應的存在或不存在。所需的大量多維實驗可能可以解釋為什麼還不能理解這種效應。《新科學家》建議在35和5°C(95和41°F)的容器上開始實驗，以使這種效應最大化。在相關的研究中，人們發現冷凍溫度也影響觀察Mpemba現象的可能性以及容器溫度。
2012年，英國皇家化學學會舉辦比賽，解釋姆潘巴現象。超過22000人參加，最後Erasto Mpemba本人宣布Nikola Bregovivic為獲勝者。Bregović提出了造成這種影響的兩個原因——較冷的樣品過冷而不是凍結，較溫暖的樣品中的增強對流通過保持容器壁上的熱梯度而加速冷卻。
然而不少研究者對上述見解仍有爭議。主流觀點認為水中的氫鍵對這一現象至關重要。2015年Jin Jaehyeok等人從結晶層面提出在溫水中水六聚體態的較高占比是姆潘巴效應下更快結晶的原因。陶和同事在2016年根據振動光譜和密度泛函理論最佳化水團簇模擬的結果提出了另一種可能的解釋：隨著溫度升高，總體氫鍵作用減弱其中弱靜電氫鍵斷裂而強氫鍵的數量增加；當溫水快速冷卻時，由這些少量的強氫鍵帶來的小而強結合的團簇的存在促進了六邊形凍的成核，因此出現了姆潘巴現象。
在2017年，兩個研究小組獨立且同時發現了姆潘巴效應的理論證據，並且還預測了一種新的“反向”姆潘巴效應，其中加熱冷卻的、遠離平衡的系統比最初更接近平衡的另一個系統花費更少的時間。Lu和Raz給出了基於馬爾可夫統計力學的一般準則，預測了Ising模型和擴散動力學中逆姆潘巴效應的出現。Lasanta及其同事還預測了顆粒氣體在遠離平衡的初始狀態下的直接和反向姆潘巴效應，這篇最新的研究中提出導致這兩種姆潘巴效應的一個非常普遍的機制是由於粒子速度分布函式顯著偏離了麥克斯韋-玻爾茲曼分布。
