为什么热水结冰更快？| No.345
有没有可能
热水结冰更快
还有没有可能
你到现在都不知道
Q1
自来水倒入模具中，放入冰箱，怎么才能冻出来透明的冰块？需要添加什么化学原料？
by 匿名
答：首先啊，快餐店可乐里的透明冰块都是用商用制冰机制作出来的，在家里复现比较困难。
如果真想在家里制作透明冰块，这里倒也有个法子。找一个保温箱，放满水，不要加盖子，放在冰箱里慢慢冷冻，切记，不能冻透，冻住上半部分即可，保证下面还是液态，这样冻住的上半部分就是没有气泡的透明冰块了。如果你嫌这样的冰块太大又不够方正，可以自己用工具切割。
水结成冰本质上是一种结晶现象，一般可以用成核理论来解释，简单来说，结晶首先需要一个晶核，再依附晶核不断生长。一般对于纯净的液相，成核的动力有三种，即恒压下的过冷度，恒温下的过饱和蒸气压以及恒温恒压下的过饱和浓度。水结冰的动力就来自于第一种，也就是在压强不变的情况下，当温度达到液相的凝固点之下，晶体便可以克服势垒成核。
但当溶液中存在杂质时，会发生非均匀成核。这是因为杂质粒子与液相的分界面的界面能会降低成核的势垒，更容易成核。这里的杂质就是水里的固体粒子、气泡等。所以对于一般的水，在结冰时往往是从气泡处开始，结成的冰就把气泡冻了进去，冰看起来就白花花的。
上面给出的方案，让水的表面接触冷源，表面没有气泡的水在低温下成核结晶，并不断向下生长，这样就可以排除气泡的影响，把气泡挤到下面的液态水里。当然，如果你能把水里的气泡等杂质完全去除，也是可以冻出透明的冰的，但一般的煮沸并不能达到这样的纯净度，可以考虑蒸馏试试看。
by 霜白
Q.E.D.
Q2
马路在弯道处为什么有倾斜?
by 普通高中生
答：打开高中物理新教材必修二，然后找到向心力这一个章节。答案也就呼之欲出了，那就是提供向心力。
当汽车在马路弯道处行驶时，如果没有倾斜，那么只能靠汽车轮胎与地面之间的静摩擦力来提供向心力。但是静摩擦力是有最大值的，如果车速过快，静摩擦力无法提供转弯所需要的向心力，那么汽车就会滑出弯道，发生危险。
弯道示意图 而当马路弯道倾斜以后，向心力就可以通过地面支持力提供。
受力分析示意图 最后，其实关于弯道倾斜有一个专业的术语：超高（Super-elevation）。感兴趣的小伙伴可以去看一下参考资料，我在这里就不过多赘述了~
参考资料：
[1]王贵山,胡昌亮,白浩晨,李瑞杰.高速公路圆曲线超高及过渡段设计研究[J].公路交通科技,2021,38(12):47-55.
by justiu
Q.E.D.
Q3
大豆做豆腐的过程发生的是物理变化还是化学变化？
by 佚名
答：应该说，从大豆到豆腐一定经历过化学变化。
首先还是要强调，中学物理中将物质变化分为物理变化和化学变化的分类方法是非常粗糙的，在学习过程中还是应该重点学习物质变化的过程和机理。
回到正题，做豆腐大致分为以下几步：首先筛选豆子，加水浸泡；再将泡好的豆子研磨出豆浆；磨好的豆浆加水稀释后过滤；过滤完以后上锅，煮！将豆浆煮熟；最后点浆，也就是往熟豆浆里加入凝聚剂，传统的有石膏、卤水，现在很多豆腐则使用葡萄糖酸-δ-内酯点豆腐。
在上述过程中，很明显，浸泡、研磨、过滤都是典型的物理变化，煮豆浆过程中需要加热，这会导致蛋白质变性，破坏了蛋白质的空间结构。毫无疑问，这一步是化学变化。
关键在于点豆腐这个过程，从结果来看，这一步发生了蛋白质的聚沉。原本的豆浆是一种胶体，蛋白质分子作为胶粒均匀地分散在其中，聚沉则是胶粒发生了聚集，最终沉降下来。这一步蛋白质只是聚集到了一起，应该算是物理变化。
当然，我在这里简单介绍一下点豆腐的过程，大家可以自行评判一下这究竟是不是物理变化。
石膏和卤水本质上是盐类凝固剂，关于其机理目前尚没有一个统一的解释。我们把重点放在内酯豆腐上。葡萄糖酸-δ-内酯是酸类凝固剂。在加热时，蛋白质变性，内部的疏水区域暴露出来，同时葡萄糖内酯在加热过程中释放出氢离子，中和了大豆蛋白的负电荷形成中性分子，疏水作用导致中性的蛋白质分子聚集在一起，最终沉降成豆腐。
不知道在你们眼中这算物理变化还是化学变化呢？
参考文献：
[1]乔晓明.豆腐制作技术[J].农产品加工,2013(11):35.
[2]李蒙. 盐和多糖制作有机豆腐的研究[D].河南工业大学,2014.
by 霜白
Q.E.D.
Q4
烟火内加入的发光的金属元素是其单质还是其对应的化合物？
by 佚名
答：烟花内发光的金属元素，既有单质也有化合物，具体种类一般根据安全因素和价格因素决定。
我们知道，烟花的主要成分是黑火药，通过硫磺、木炭和硝酸钾之间的反应产生爆炸。为了得到五颜六色的烟花，我们就要向其中加入不同的金属元素，利用焰色反应使烟花放出五彩缤纷的颜色。不同金属元素的焰色反应大致如下表所示：
回到问题，烟花中加入的金属单质通常有铝粉、铁粉、锌粉、镁粉和锑粉，而金属化合物通常有钠盐、钡盐、锶盐等，比如硝酸钡等。可以看出，其中的金属单质的化学性质都相对较为稳定、与空气和水反应较为缓慢或不反应，且制备相对简单，因此这些元素通常直接加入单质即可。而金属化合物对应的单质化学性质都较为活泼，与空气和水都会发生反应，不易保存且较为危险。
例如钠元素单质十分活泼，其与水会剧烈反应生成氢氧化钠和氢气，反应方程式如下：
所以通常会向烟花中加入对应金属元素的化合物，以保证安全，便于储存使用。
by 单身男青年
Q.E.D.
Q5
超音速飞行的飞机飞行员能听到飞机发动机的声音吗？我一直想不明白。1，声音被甩出去了，听不到。2，飞机内部空气与发动机保持相对不动，声音可以传播过来。能听到。 哪个是对的呢？求解答，谢谢。
by 佚名
答：超音速飞行的飞机飞行员能听到飞机发动机的声音，但不会听到空气传播的飞机发动机声音。仅考虑声音的速度来回答这个问题是不充分的，声音本质是一种机械波，飞机发动机就是产生波的波源。如果我们设飞机的速度为u,声速为v,那么就会存在三种情况:
波源与波速的对比图 在飞机（波源）的速度接近超过声音（波）的速度时候，飞机的前方的压缩波会呈现出强叠加的状态。而当波源运动速度高于波速时，波面的包络面就呈现圆锥状，这也有个好听的名字：马赫锥。锥面内才能听到飞机的声音，而在圆锥前面的飞行员，他们无法接受到声波，也就无法听到声音。
但是，声音并不只有空气这一种传播方式。声音在不同介质中，传播的速度是不同的。
传播速度对比 考虑这种情况：飞机发动机发出的声音会通过飞机的机身（材料是合金，如上图，声音传播的速度在几千米每秒）传到飞行员的耳朵里。所以，超音速飞行的飞机飞行员能听到飞机发动机的声音。
by justiu
Q.E.D.
Q6
为什么有时候发生的事让人感觉经历过，或者是梦里梦到过呢？
by ques
答：这种“感觉未曾经历过的事情曾经发生过”的现象叫做Deja vu，中文一般翻译成“既视感”、“海马效应”，或者干脆叫做“似曾相识”。对于既视感的成因，科学家并没有达成共识。脑科学对既视感的成因有几种假说，包括记忆错误、梦境、左右脑处理信息的延迟不同等理论。下面我们来简要介绍一下记忆错误的理论。
大脑存储记忆的方式是把经历提取出关键词，然后只存储这些关键词，比如某句话或某个动作。如果后来有个时候的经历与这些关键词匹配，那么这些记忆就会被激活，我们就会觉得：“这件事我以前做过”、“这个场景我以前见过”，只不过，有些时候我们真的经历过记忆中的事，有些时候却只是记忆的错误。问题出在经历与记忆关键词匹配的的时候。
问题可能是匹配错了。存储记忆的脑区会对很多记忆都有作用，它有时可能会不能正常工作，读取非对应的记忆，比如把以前看过的一段电影情节和当下的现实经历联系起来，把城门楼子当成了胯骨轴子。还有可能是匹配不准确。大脑把和现实经历匹配度只有60%的记忆挑了出来，西安的城门楼子变成了南京的城门楼子。第三种可能是丢失了细节。大脑在存储记忆时，随着时间流逝可能会丢失一些细节，把一个连续的事件记成了若干离散的片段。比如你曾经穿过西安的和平门左转去了碑林，最开始大脑记得整个过程，但是过了几年，大脑中的记忆只剩下了穿过城门楼子的过程，左转和参观都被忘记了。后来你又穿过和平门右转看见了下马陵，这时候大脑可能会想起之前的记忆，然后开始怀疑人生：“我曾经走过这个城门楼子，难道我之前就见过下马陵？”
上面就是对Deja vu现象的一种解释。目前科学家对这种现象的研究还很粗浅，假说很多，解释也不甚完善。（或许我们的读者里有人以后能给出一个令人信服的解释？）
当然，这个回答所针对的，只是作为正常生理现象的“似曾相识”。故意犯花痴说“这个妹妹我曾见过的”请去隔壁中文系（手动狗头）。
参考资料:
[1]为什么会出现某些场景似曾相识，好像梦中或前世发生过的感觉？这种感觉到底是什么？
[1]既视感
by 藏痴
Q.E.D.
Q7
为什么热水结冰快，是因为蒸发快吗？
by 6
答：在一定条件下，热水比冷水结冰快，这一效应被称为姆潘巴效应（Mpemba effect）。更严格来说，姆潘巴效应指的是在同等初始质量和同等冷却条件下，温度略高的水比温度略低的水结冰快。姆潘巴效应的独特之处在于其表明系统存在历史依赖性（记忆效应），若水的冷却速率仅取决于当前状态，那么热水在冷却一段时间后一定会达到冷水的初始状态，并在此后与冷水以相同形式继续降温，如此热水一定比冷水结冰更慢。
关于姆潘巴效应已有很多解释。一种简单的解释是蒸发消耗了水的质量，因此热水在达到冷水的初始温度时其质量已经小于冷水的初始质量，在此后便以更快的速率降温至冰点。若盛装水的是表面皿之类具有很大敞口面积的容器，这确实会对姆潘巴效应起一定贡献，但在通常实验条件下，蒸发效应并不足以完全解释姆潘巴现象。不过，另外的一些解释借鉴了类似的思路，例如盛有冷水容器表面霜的积累，导致热导率下降，因此降温速率显著低于热水。
另一类解释涉及到液体的过冷现象。静置于光滑容器中的液态水，很容易出现过冷，此时尽管水的温度低于冰点，热力学上倾向于凝固，但由于缺乏凝结核，依然保持为液态。凝结核既可以是杂质，也可以来自液体自身的不均匀涨落（自发形核），热水在冷却过程中，内部的温度梯度更大，起到了扰动液体的作用，因此形核与结晶更为容易，而冷水冷却时内部的对流和涨落均较弱，倾向于过冷。
可以说，由于同时涉及到微观，介观和宏观现象，姆潘巴效应目前尚无一个公认的解释，甚至实验的可复现性也常常被人质疑。但姆潘巴效应的核心--历史依赖的冷凝捷径，已经在更为广阔的情景和领域中得到了证实和应用。
参考文献：
[1]马尔可夫姆潘巴效应：Lu, Z., & Raz, O. (2017). Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse
[2]量子姆潘巴效应：Carollo F, Lasanta A, Lesanovsky I. Exponentially accelerated approach to stationarity in Markovian open quantum systems through the Mpemba effect
by 乐在心中
Q.E.D.
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编辑：穆梓
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