Mpemba效應(Mpemba effect)也稱MPEMBA效應，是指在同體積、同質量、同冷卻環境下，溫度稍高的液體先於溫度稍低的液體結冰的現象。
亞裏士多德、培根和笛卡爾都以不同的方式描述了這壹現象，但都未能引起廣泛關註。1963坦桑尼亞馬坎巴中學初三學生姆班巴經常和同學壹起做冰淇淋。在烹飪的過程中，他們總是將生牛奶煮沸，加入糖，冷卻後倒入冰塊中，然後放入冰箱冷凍。有壹天，當姆潘巴在做冰淇淋的時候，冷凍室已經沒有多少空間了。為了搶占冰箱的剩余空間，姆潘巴不得不匆忙將牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就將煮沸的牛奶倒入冰塊中，送進冰箱。壹個半小時後，姆潘巴發現了壹個讓他非常不解的現象:他放進去的熱牛奶已經變成了冰，而其他同學放進去的冷牛奶還是很濃的液體。按理說水溫越低結冰越快，牛奶含有大量水分。應該是冷牛奶比熱牛奶結冰快，但是事實怎麽反過來呢？Mpamba把這個疑問從初中帶到了高中。他先後咨詢了幾位物理老師，都沒有得到答案。壹位老師覺得他問的問題近乎荒謬，於是用諷刺的口吻說:妳說的這叫姆彭巴效應！然而，執著的Mpamba並不認為他的問題很可笑。他抓住達累斯薩拉姆大學物理系系主任奧斯本博士來他們學校參觀的機會，提出了自己的問題。醫生沒有嘲笑他的問題。回到實驗室後，醫生按照Mpamba的說法做了冷熱牛奶和冷熱水物理的實驗。結果他觀察到了Mpamba描述的顛覆常識的奇怪現象。於是他邀請Mpamba和他壹起深入研究這壹現象。1969年，他和Denis G. Osborne)***博士就此現象寫了壹篇論文，因此該現象以此命名。
“mpemba效應”真的能顛覆我們之前關於水結冰的常識嗎？四十多年來，許多論文和實驗都試圖證實這壹現象背後的原理，但由於缺乏科學的實驗數據和定量分析，至今沒有定論。
[編輯本段]壹個無法解釋的現象
最早證實“姆彭巴效應”存在的博士發現，熱水體在放入冰箱冷卻的初始時刻，上表面和底部沒有溫差，但壹旦急劇冷卻，溫差立即出現，其中初始溫度為70℃的熱水中產生的高低溫差接近14℃，而初始溫度為47℃的熱水中產生的高低溫差只有65438。這說明在結冰前的冷卻過程中，壹段時間內熱液體的溫差大於相對冷的液體。但是為什麽溫差大的水要先結冰呢？只有壹個合理的解釋，就是水體上表面溫度越高，上表面散發的熱量越多，所以溫度下降越快，結冰越快。這就是熱牛奶比冷牛奶先結冰的秘密。
但後來，其他研究者的實驗結果與上述大相徑庭。有研究人員用純水反復做類似實驗，結果始終沒有發現“姆彭巴效應”。壹些對此感興趣的研究人員通過實驗證實，只有當冰箱內有明顯的溫差，或者牛奶的含糖量不同，或者糖沒有溶解，或者制作冰淇淋的液體中含有較多澱粉等非液體成分時，才會出現“姆彭巴效應”。也就是說，“姆彭巴效應”是個體現象，它所包含的物理現象不能否定我們的常識。
[編輯此段]硬東西在作怪
近日，美國華盛頓大學的喬納森？通過對mpemba效應的深入研究，Katz抓住了隱藏的幽靈。他證實，這種現象不僅是真實的，而且是造成這種現象的鬼魂。然而，鬼只是壹些隱藏在水中的普通“硬物”。
在破譯mpemba效應的過程中，Katz把目光盯在了水面上。我們知道，當水被加熱時，隱藏在水中的壹些可溶性硬物質，如碳酸鈣、碳酸鏡等，會被排出，形成沈澱物。我們日常生活中常見的水壺內壁附著的水垢就是它們被趕出去的證據。達到沸點後，水將因除去大多數硬物而變軟。卡茨發現，不加熱的硬水的冰點低於加熱的軟水，是因為裏面有堅硬的物體，減緩了硬水的凍結速度。這個原理就像雪後在路面撒鹽會防止結冰壹樣。鹽的混合會降低雪的冰點，所以雪結冰的過程會被拉長。
但僅憑這壹發現並不能直接解決mpemba效應，因為MP emba的學生在制作冰淇淋的過程中，先將生牛奶煮熟。那為什麽Mpamba的熱牛奶會先結冰？卡茨發現原因還是水中的硬物:為了吃到美味的冰淇淋，他們都在牛奶中加入了糖，糖實際上使牛奶液體變硬了。但熱奶液的硬度其實比冷奶低，導致兩者冰點的差異。硬度較高的冷牛奶冰點相對較低。這樣，冰點稍高的熱牛奶自然比冰點稍低的冷牛奶先結冰。
當然，降低低溫水的結冰速度還有壹個原因，因為實驗證明，水散熱的速度取決於溫差，也就是說，在同樣的低溫環境下，溫度相對較高的水比溫度相對較低的水散熱更快。牛奶也是如此。
那麽為什麽mpemba效應在很多實驗中並不是每次都出現呢？卡茨認為，原因是實驗者壹開始用的是軟水。用同樣的軟水做冷熱實驗，由於水的冰點相同，散熱速度對凍結速度影響不大，所以mpemba效應沒有那麽明顯。
有科學家指出，卡茨的發現可能不是mpemba效應的最終答案，但與現有答案相比，這個答案是最有說服力的。
“硬水理論”的誤區；
第壹，自然界中能滿足人類生活要求的水的硬度不能很高，否則會危害健康。所以，人類使用的硬水即使燒開後，冰點溫度也不會明顯升高，壹般冰箱制冷的情況下，熱水也很難先結冰。不然經常會出現熱水比冷水先結冰的情況，物理老師也不能說mpemba效應是騙人的。如果“硬水理論”成立，前提是所有完成沸水冷凍實驗的研究人員首先選擇了硬度極高的水，這對人類是有害的，這顯然不符合常識。
其次，理論上，自然界有很多情況可以使水沸騰後冰點上升。比如水或牛奶被微生物汙染時，冰點溫度會下降，但煮沸後也會上升，等等。
再次，根據水的基本物理特性，mpemba效應的實驗也可以用軟水來完成，現實中也有很多用軟水來完成這個實驗的例子。
[編輯本段]擺脫常識的束縛
現在看來，mpemba效應作為結冰的特例，並沒有顛覆我們之前的常識，但畢竟對我們的常識提出了激烈的挑戰，豐富了我們對水的認識。如果我們被常識束縛，把這種奇怪的現象當成荒謬，那麽我們就不會對水在特殊條件下的結冰特性有新的發現。相反，如果我們尊重常識，善於擺脫常識，就會有新的發現。
以水為例，美國研究人員發現水分子可以用來制作水膜，可以起到像蠟壹樣的防水作用。他們在鈾表面鋪了壹層水膜，發現新溢出的水就像打蠟車上的雨滴壹樣，很快被水膜趕走。
還有，作為常識，大家都知道水的冰點是0℃。但是壹個韓國研究小組發現，水在20℃時也能凝結成冰。這些研究人員在使用掃描隧道顯微鏡觀察電子如何穿過水膜並到達水膜下的電極時，有了這壹意外發現。在觀察過程中，他們從檢測儀器顯示的異常數據得知，掃描隧道顯微鏡的帶電金屬尖端在水膜中上下振動時被堵塞。出現這種情況的原因是下落的金屬尖端下方的水分子瞬間凝固，對尖端形成障礙。後來經過反復實驗證實，掃描隧道顯微鏡的帶電金屬尖端越靠近水膜下方的電極，它們之間形成的電場越強。當達到2個水分子左右的距離時，在強電場的作用下，水轉化為固體形態。
如果研究人員堅持只有冷卻才能將水變成固體的常識，他們將很難做出這壹重要發現。
另外，過去我們認為水分子的圖像是像金字塔壹樣手牽手的四面體，但科學家最近對水分子的研究表明，它們的圖像不是單壹的四面體，而是多種多樣的。還發現水可以凍結成13典型晶體。
僅僅是普通的水就有這麽多奇怪的特性，自然界壹定有無數奇怪的現象挑戰著我們的常識。
姆彭巴效應的原因:
根據中學物理理論，熱水和冷水在質量相同、外界環境溫度相同的情況下，不僅溫度在變化，而且它們在密封狀態下各自的密度、體積、質量和氣壓都在變化，這就使得初始溫度高的水的冷卻速度總是比初始溫度低的水快。只要外界環境溫度持續下降，初始溫度高的水最終會有更低的溫度。(註:在常壓條件下，兩者初始溫度不低於4攝氏度時成立；當兩者的初始溫度都不高於4攝氏度時不成立；當其中壹個不高於4攝氏度，另壹個不低於4攝氏度時，需要討論它們在密封狀態下的初始溫度、密度、體積、質量和氣壓。)討論Mpamba問題。初始溫度為35攝氏度的水和初始溫度為100攝氏度的水都高於4攝氏度，所以會產生mpemba效應。
1.冰箱的溫度不均勻。如果Mpamba恰好把它的冰盒放在冷卻管附近，甚至與冷卻管接觸，熱牛奶完全有可能先於冷牛奶結冰；
2.如果Mpamba不愛吃甜的，他在雪糕裏放的糖少了，或者因為匆忙沒時間攪拌，糖粒沈在箱底形成固體，實驗證明可以先結冰；
3.Mpamba自制的雪糕，不僅在牛奶中加了糖，還加了澱粉類物質，少放糖少放牛奶會先結冰；
4.把它放在冰箱熱管附近。
[編輯本段]其他說明:
目前，這壹現象已被向明中學中國三名女學生證明只是上述四個因素的巧合。壹般情況下，冷水還是先結冰。三個學生寒假的大部分時間都是和黃增新老師壹起在實驗室度過的。超過100次的實驗，最終帶來了數萬條有價值的數據。開學前，實驗階段結束，課題組迎來了更加枯燥的數據分析階段。雖然有先進的自動化儀器幫助，但是整理、分析、匯總成千上萬的數據還是挺麻煩的。暫且不論課題組花了多長時間畫出11的分析示意圖，我們只需要摘錄論文的“數據記錄分析”部分，其復雜程度可見壹斑:冷熱純牛奶的對比；冷熱糖奶的比較；不加糖和澱粉的冷牛奶和熱牛奶的比較；含糖和澱粉的冷牛奶和熱牛奶的比較:冷熱純水的比較；冷熱糖水的對比；冷鹽水和熱鹽水的比較；冷純凈水對比純牛奶；糖冷熱澱粉與無糖冷熱澱粉的比較...經過嚴格分析，結論自然得出:在同等質量、同等外界溫度環境條件下，不會出現mpemba效應，熱液體不可能先結冰。最近，向明中學將邀請相關專家對這壹實驗課題進行評估和鑒定。
從去年6月165438+10月開始，在向明中學科技名師黃增新老師的指導下，上海市三名女中學生——向明中學俞順喜、葉莎莎、上海中學董開始研究mpemba效應。最後四個月得出結論:在均質等量和外界溫度環境條件下，熱液體不可能先於冷液體凍結，並提出造成誤解的三種可能。他們認為，只有當冰箱存在溫差，牛奶中的糖分含量不同，或者糖分沒有溶解，含有較多澱粉等非液體成分時，才可能發生mpemba效應。(央視V2 2005年7月6日20: 30播出Mpamba)
姆彭巴效應的證明
被稱為世界物理難題的Mpemba效應，40多年來壹直被物理老師否認，甚至被媒體形容為謊言。但是根據中學物理的理論可以發現，Mpamba問題只是壹個中學生知識的綜合問題，每個中學生都能掌握證明的方法。
證明:假設熱水能先於冷水結冰，必要條件要麽是熱水的冰點高於冷水，要麽是熱水的冷卻速度快於冷水。因為在常壓下，純熱水的冰點與冷水的冰點相同，所以要證明mpemba效應，必須證明熱水的冷卻速度比冷水快。
根據物理學的基本理論，熱水的蒸發強度大於冷水，密度小於冷水。如果妳拿兩個相同的未密封的容器，放入等量的水，壹個是熱水，壹個是冷水，同時把它們放在相同的外部環境溫度下。在冷卻的過程中，熱水由於蒸發損失的水分比冷水多，所以初始溫度高的水最終質量必然小於初始溫度低的水，熱水的冷卻速度必然總是比冷水快。
如果妳拿兩個完全相同的密封容器，放入等量的水，壹個是熱水，壹個是冷水，同時把它們放在相同的外界環境溫度下。在冷卻的過程中，熱水密度的增加和體積的減少所形成的容器內的氣壓必然低於冷水。熱水的沸點溫度比冷水低，對流強度比冷水大。熱水在單位時間內損失的熱量總是比冷水多，所以熱水的冷卻速度總是比冷水快。同時，根據水的三相圖理論，當水的氣壓降低時，冰點溫度升高。初始溫度高的沸水的冰點比冷水的冰點高，是因為它受到的氣壓比初始溫度低的冷水低。
因為在相同質量、相同外界環境溫度的情況下，熱水的冷卻速度總是比冷水快，所以當外界環境溫度處於持續冷卻狀態時，熱水的溫度會低於冷水的溫度；當外界環境溫度在特定時間或溫度範圍內處於冷卻狀態時，熱水的溫度會等於或高於冷水的溫度。因此，在量和外界環境溫度均質的情況下，熱水的溫度會低於冷水的溫度是壹種普遍現象，而在特定的外界環境溫度條件下，冷水比熱水先結冰是壹種特殊現象。如果我們選擇同樣質量和數量的純凈水，壹個是4攝氏度的冷水，壹個是100攝氏度的開水，在同樣的使兩者冷卻速度非常慢的外界環境溫度條件下做實驗，那麽沒有人能使4攝氏度的冷水先於100攝氏度的熱水結冰。可以通過實驗證明mpemba效應符合物理學的基本理論，人們否定mpemba效應主要是因為自身在觀察客觀事物或冷凍實驗過程中的不足。以上海三名高中生的實驗為例:他們在黃增新老師的指導下，只做了快速冷凍條件下的實驗，沒有觀察到緩慢降溫條件下的冷凍結果，所以他們的實驗不能成為否定mpemba效應的理由。
Mpemba效應作為壹個客觀事實，幾十年來壹直受到世界物理學界的懷疑和爭議，近年來國內也出現了否定的聲音。其實完成這個證明很簡單:將等量的初始溫度為100攝氏度的開水和初始溫度為35攝氏度的冷水同時放入冰櫃。如果冷凍室的溫度條件造成水的快速冷卻，我們經常看到初始溫度低的水先結冰，但這只是片面的現象。只要切斷冰箱的電源，冰櫃裏的溫度就會升高。當凍結的開水和冷水完全溶解後，再進行凍結實驗，結果只能是原來的開水先凍結。如果重復這個實驗過程，所有的結果都是壹樣的。所以在急速冷卻的狀態下，冷水是可以出現的，而且只結冰壹次。
如果冰箱冷凍室的溫度條件對水形成緩慢冷卻狀態，我們看到的是初始溫度高的開水先結冰。如果此時提高冰櫃內的溫度，沸水和冷水完全溶解後再冷卻再次凍結，那麽無論冰櫃內的溫度條件如何，原來的沸水都會先凍結。像這樣反復操作，只能讓原來的開水先結冰。所以冷水不可能在緩冷狀態下先結冰。姆平巴效應使我們對水的特性有了更多的了解，姆平巴效應的經歷表明了科學和認真的態度在認識和掌握自然中的重要性。
附:先完成冷凍開水實驗的操作要點。
四十多年來，世界上很少有人先完成沸水結冰的實驗，因為實驗方法不科學。從理論上講，36℃的水在量均質、外界環境溫度相同的情況下，可以先於35℃的水結冰，但如果兩者溫度接近，蒸發強度和密度相差不大，很難用實驗方法表現出熱水在冷卻速度上的優勢。根據物理學的基本理論，100℃是水在常壓下的沸點，4℃時水的密度最大。為了更清晰地完成熱水先結冰實驗，可以根據Mpamba問題給出已知條件，選擇熱水和冷水盡可能接近100℃，合理的外環境實驗初始溫度，減緩外環境溫度的下降速度。不密封的容器蒸發面積大，密封的容器密封性高。要特別註意沸水的提取方法:沸水壹旦離開加熱源，溫度和蒸發強度下降很快，需要快速準確地提取定量的沸水，然後根據均勻性和數量的要求提取冷水。
先用未密封容器完成沸水結冰實驗的操作方法:(供參考)
1，將冰櫃中實驗的初始溫度控制在4攝氏度，取兩個相同的盤子，放入等量的水，壹個是4攝氏度的冷水，壹個是100攝氏度附近的熱水，同時放入冰櫃中。控制冷凍室的溫度下降速率，使其每小時下降65438±0攝氏度(或每兩小時下降65438±0攝氏度)，記錄冷凍後熱水和冷水的最終質量。
2.冬季，實驗通過自然冷卻完成。當中午室外溫度不低於4攝氏度，夜間最低溫度為-2~3攝氏度時，可以選擇中午取兩個相同的盤子，放入等量的水，壹個是接近100攝氏度的熱水，壹個是室外溫度相同的冷水。將它們同時放在同壹室外位置，記錄熱水和冷水完全凍結的時間及其最終質量。
3.根據上海三名高中生的實驗方法，記錄了熱水和冷水冷凍後的最終質量。根據熱水最終質量小於冷水的事實，證明了熱水能先於冷水結冰是因為它的冷卻速度總是比冷水快。
用密封容器做實驗時，請參照第1號和第2號非密封容器實驗方法。
另外，也有人認為亞裏士多德原文中對這種現象的描述是這樣的:“之前被加熱過的水會幫助它更快地結冰”，而大多數人很可能誤解了這句話的本意，即“相同溫度下之前過熱的水和之前未加熱的水的比較”，而不是“熱水和冷水的比較”。所以按照第二種理解，也就是上面討論的，mpemba效應不成立；在第壹種理解下，mpemba效應是可能成立的。