温水和冷水哪一个结冰更快?

Emm……冷水吧

水可能是地球上最丰富的一种化合物，也是相当神秘的一种化合物。大多数液体的密度会随着温度的降低而增加而水却有些不同，其密度会在4℃时达到最大，但是结冰前，密度却会变小。

水的固体形式——冰的密度更小，因此普通的冰块才能浮在水面上。这也造就了地球上繁荣的生命——如果冰的密度比水大，冰块就会聚集在海洋和湖泊的底部，阻碍化学物质反应形成生命。

除此之外，水还有一种奇怪的特性：姆彭巴效应（Mpemba effect）。这一效应以一名坦桑尼亚学生的名字命名的。20世纪60年代早期，他在烹饪课上发现：热冰淇淋比冷冰淇淋结冰快。(事实上，历史上许多科学家都已经注意到了这种效应，比如亚里士多德、弗朗西斯·培根和勒内·笛卡尔。)

姆彭巴效应是指温水比冷水结冰快的现象。许多实验已经证实了这种现象，并给出了诸多解释。一种是，温热的容器与冰箱的热接触（thermal contact）更好，因此能够更有效地传导热量。所以结冰的速度更快。另一种解释时，温水蒸发快，由于该过程吸热，所以能够冷却水，因而冻结冰的速度更快。

这些解释都不曾令人信服，所以真正的原因仍有待研究。

近日，新加坡南洋理工大学的张熙和几个朋友给出了一个解释：姆彭巴效应是多种因素相互影响的结果。

水中的化学键有何独特之处呢？一个水分子由一个相对较大的氧原子和两个较小的氢原子通过标准共价键连接而成。但是把水分子结合在一起，氢键也开始发挥重要作用。当一个分子中的氢接近另一个分子中的氧并与之结合时，氢键之间的作用也就开始了。氢键虽然比共价键弱，但比范德华力强。

化学家早就知道了氢键的重要性。例如，水的沸点比其他类似分子的液体高得多，就是因为水中的氢键。

但近年来，化学家们意识到氢键还发挥着更加微妙的作用。例如，狭窄毛细管内的水分子通过氢键形成了链。这对植物有着重要的意义，在植物中，水分因蒸发通过水分子链从植物根部到达叶片表面。

张熙和他的同事们认为，姆彭巴效应也是氢键导致的。他们认为，氢键使水分子紧密接触，这种情况下，分子间的自然排斥导致共价的O-H键伸展并储存能量。但是随着液体升温，它迫使氢键伸展，水分子相距更远。这使得共价分子再次收缩并释放能量。共价键释放能量的过程就相当于冷却。

因此，这种现象是对传统冷却过程的补充。因此温水应该比冷水冷却得快。这正是在姆彭巴效应的表现。

张熙和他的同事们已经计算了这种冷却效果的程度，准确地解释了在测量热水和冷水的不同冷却速率的实验中的差异。

尽管张熙和他的同事给出了令人信服的解释，但是很多物理学家依旧不能认同这个理论。因为新理论缺乏预测性。张熙和他的同事需要用这一理论预测水的某种新特性，并且对这些特性进行可行的量化和计算。