为什么热水结冰比冷水快

为什么热水结冰比冷水快

从物理方面来说，致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流，通过实验观察，对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果，如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析原因就更能说明问题了:盛有4℃冷水的结冰要很长时间，因为水和玻璃都是热的不良导体，液体内部的热量很难依靠传导有效地传递到表面，杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面，所以在水表面处最先结冰，其次是底部和四周，形成了一个密闭的“冰壳”，这时内层的水与空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止内层水温继续下降的正常进行，另外由于水结冰时体积要膨胀，“冰壳”起着一种抑制作用。盛有100℃热水那一杯冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”的现象，沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶(在初温低于12℃时，看不到这种现象)。随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成液体内部的对流，使水分子围绕各自的结晶中心结成冰，初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大。正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖，由于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大，当水面温度降到0℃以下并有足够的低温，水面就开始出现冰晶。初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后我们观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的表面能，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比较初温低的水快得多。

从生物作用方面来看，水要结成冰，水中需要许多结晶的中心，生物实验发现，水中的微生物往往是“结晶中心”。而某些微生物在热水(水温在100℃以下一点)中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”比冷水中的多得多，加速了热水结冰的协同作用，围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核，对流使各种取向的分子都流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中，结晶释放的能量通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部结冰为止。

1. 在冷却过程中，热水有更快的蒸发速度，而水的蒸发会加速带走热量。

2. 热水中还有较少的溶解气体，所含溶解气体的多寡导致水的基本属性发生些许变化（冰冻是水的结晶过程，不同温度的水可能会导致结晶方式的不同），变化之一是溶解气体少的水（热水），具有较高的冰点，所以可能导致热水结冰比冷水快。

3. 热水在冷却过程中更容易由于温差形成对流和密度差异，导致温度较高的部分向上运动，形成温度高的水很快到达水表面，更快的接触外界低温，加速温度流失。

4.热水容器周围形成较之冷水形成较强的温度梯度，导致容器周围形成较大的冷热空气交换，加速带走热水容器周围散失的热量。

另外，民间实验通常比较粗糙，没有顾及严格的外界条件的同一性。所以导致热水和冷水冰冻的比较过程并不相同，尽管貌似相同。比如把一杯等量冰水和一杯等量冷水同时放进冰箱，做冰冻速度比较。看起来比较条件一致，实际并非如此，比如因为两个杯子都敞着口，热水在比较过程中损失的水蒸气多于冷水，所以在接近冰冻的时候，可能热水杯里的水已经远远少于冷水杯里的水，也就导致水少的杯子里的水更容易冻结。如果杯子不是保温杯，如上所述，那么两个杯子周围的环境也会因为水温的不同而不同。这样的比较也就缺乏准确性了。这也是某些实验中热水结冰快于冷水结冰结果的原因之一。

热水是热的，可为什么比冷水更快结冰

热水与冷水在同质同量同外部环境温度条件下不但它们的温度在变化，它们各自的密度、体积、质量和密封状态下受到的气压等等都在发生变化，使得初温高的水降温速度始终快于初温低的水，只要外部环境温度持续下降，最终必然是初温高的水温度更低。