姆佩巴效应是指,在相同容器、同等质量和同等冷却环境下(以下简称三同条件),温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象(注:姆佩巴效应不是无条件的必然现象,而是有条件的偶然现象)。 姆佩巴效应的原理是什么,至今是未解之迷。以下仅从传热学方面作初步探讨: 已知:1、同等质量的水从冰点到凝固需要同样的冷量,而热水温度降到冰点时,比冷水需要更多的冷量。 2、三同条件下,传热面积相同(冰点前热水壁面积略大,但对结果无影响)。
姆佩巴效应的原理是什么,至今是未解之迷。以下仅从传热学方面作初步探讨:
已知:1、同等质量的水从冰点到凝固需要同样的冷量,而热水温度降到冰点时,比冷水需要更多的冷量。
2、三同条件下,传热面积相同(冰点前热水壁面积略大,但对结果无影响)。
推导:1、三同条件下,主导姆佩巴效应的唯一可变量:冰点。
2、改变冰点的主要因素:晶核的稳定性。
论证: 1、冷水结冰慢,源于冰点降低:冷水降温过程中,初期内、外温差小、无法建立惯性对流循环(处于弱循环状态),不足以抵抗晶核凝集力。即使水温低于冰点也不结冰,形成过冷水。此时,传热温差减小、达到过冷水冰点的传热时间延长。
2、热水结冰快,源于初期建立了惯性对流循环:热水降温过程中,初期内、外温差大、建立的惯性对流循环足以抵抗晶核凝集力。在晶核未及时组织凝集力、并协同达到最大值前,已达到冰点,完成结冰。
3、姆佩巴效应对纯水无效(已证实):缺乏晶核。
拓展:如何破坏姆佩巴效应(对制冰节能有借鉴作用)
1、加入大晶核:如筷子、吸管等。
2、适当搅拌,破坏小晶核的稳定性。
3、成为过冷水前,振动容器(成为过冷水后则不可振动,否则瞬间结冰涨破容器)。
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关于晶核
晶核实际就是物质气、液、固三态中微小的固体杂质。
晶核很少有人去关心,但在人类生活中必不可少。晶核基本作用如下:
1、降雨:依赖灰尘等晶核对水汽的捕集,无晶核不能降雨。
2、自来水:利用氯化铝(注:诱化老年痴呆的主要凶手)等晶核对水中悬浮杂物的捕集,无晶核没有清澈的自来水。
3、合金:简单结构的纯金属柔若无骨,依赖晶核的凝集力合金才能更坚硬。
4、飞机发电机:这是举全国之力几十年,仍未攻克的难题。其中,核心的核心就是专家无法控制晶核。
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晶核对水基本特性的改变:
1、沸点:常温常压下水的沸点是100℃,但是极微小的晶核可以改变水的沸点。
如:用微波炉烧开水,因为几乎没有对流发生,晶核的凝集力没有受到破坏,超过100℃水也不沸腾,即过热水。只要额外加入晶核(牛奶、咖啡、汤匙等)或震动,水会瞬间爆沸、导致烫伤。
2、冰点:只要你的降温过程足够缓慢(几乎没有对流发生),低于0℃水也不结冰,即过冷水。只有消除晶核(纯水)才不会产生过冷水。条件足够时,过冷水会瞬间结冰、涨坏容器。
3、浮点:常识告诉我们,只有体积密度比水小才可能浮于水面。但是,有了晶核作用,您的常识一样可以修改。如,比较硬、温度较低的山水,就可以使体积密度大2.7倍的铝质硬币浮于水面,甚至积密度大7.8倍的铁基硬币也可以浮于水面。但是,只要稍加震动、破坏了晶核凝集力,硬币立即沉入水底。科学界以水的张力解释这一现象,是本质上的错误,实质是晶核凝集力发生了作用。
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