为什么温度高的水先结冰？

人们通常认为，一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱，冷水会很快结冰。事实并非如此。1963年的一天，在热带非洲坦桑尼亚的一所中学里，一群学生想做一些冷冻食品降温。一位名叫伊拉斯托·穆宾巴(Erasto Mubimba)的学生在热牛奶中加入糖，准备放入冰箱制成冰淇淋。他认为如果热牛奶冷却后放在冰箱里，其他同学会装满冰箱，所以他把热牛奶放在冰箱里。没过多久，他打开冰箱一看，令人惊讶的是，他的那杯热牛奶已经变成了美味的冰淇淋，而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。他的发现没有引起同学们的注意，反而成了他们的笑料。

他去问物理老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰。老师的回答是:“你一定搞错了，这样的事不可能发生。”后来，穆比姆巴进入伊林加的Mkwa高中。他问物理老师:“为什么热牛奶和冷牛奶同时放入冰箱，热牛奶先结冰？”老师的回答是:“我能给你的答案是:你肯定错了。”当他继续提问并与老师争论时，老师嘲讽道:“这就是Mubimba的身体问题。”穆宾巴想不通，但又不敢顶撞老师。一个绝佳的机会终于来了。达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯本博士在完成学术报告后参观了学校并回答了学生的问题。穆宾巴鼓足勇气问他一个问题:“如果你拿两个类似的容器，放同样体积的水，一个35℃，一个100℃，同时放进冰箱，100℃的水先结冰，为什么？”奥斯本博士的回答是:“我不知道，但我保证回到达累斯萨拉姆后，我会亲自做这个实验。”结果他和助手做了这个实验，证明穆宾巴说的是真的！这到底是怎么回事？

有科学家做了大量实验来解开上述令人费解的谜团，惊讶地发现不同初始温度的水形成的冰的结构是不同的。这激励科学家去观察水结冰时会发生什么。结果真的不一样。冷水结冰时:冰从外到内被层层冻结包围。而热水则大多是内外同时形成絮状冰，然后同时迅速结冰。这足以证明冷水结冰时内部还没有达到冰点。因为强对流，热水内外都达到冰点。这种水在出现絮状冰时仍有对流，能及时引出内部散热，所以这种水先完全结冰。热水最终形成的冰是上下垂直排列的“残茬冰”，是絮状冰出现后垂直对流依然存在的物理证据。冷水的冻结是由外向内逐渐进行的。只有当外层的温度低于0℃时，内层才能开始结冰。当它冻结时，热传导是主要的散热方式，所以从开始到完全冻结需要更长的时间。

如果两杯水的初始温度与冷冻室温度之差低于20℃，冷却时很难形成强对流，所以散热主要是传热，这样两杯水同时冷却时，初始温度较低的那一个先结冰。如果两杯水的初始温度与冷冻室温度的差值不同，且只有初始温度高的那一杯水对流强，则可形成絮状冰，内外同时冻结，然后先完全冻结。如果两杯水的温度都高，初始温度低的先形成絮状冰，那么初始温度低的先完全结冰。所以，不是温度越高冻结越快，也不是温度越低冻结越快。