#为何有时热水结冰比冷水更快#
如果有人问你:“冷水和热水哪个先结冰?”相信你一定会觉得这个人是不是傻了,当然是冷水先结冰了。然而,事实上有时候还真未必。特定条件下可能热水结冰比冷水还要快,这是怎么回事呢?
其实,历史上诸多学者如亚里士多德、培根和笛卡尔等都曾对类似现象有所描述但是均未能给出完美的解释。甚至现代科学家们面对这样一个“简单”的问题也仍然存在争议。
颠覆常识的姆潘巴现象
说起来,这个既简单又复杂的物理现象还有一个有趣的故事。
1963年的一天,坦桑尼亚的一个初中生姆潘巴和小伙伴们一起用牛奶制作冰激凌。当他还在煮牛奶时,身旁的小伙伴已经陆续把牛奶晾凉开始往冰箱里塞了,眼看就要没有位置了,一时心急,姆潘巴就把煮热的牛奶直接放进了冰箱。一个半小时后,他惊奇的发现,他的冰激凌已经冻结成块,而其他小伙伴的冰激凌却还是黏稠状。
这与我们对热现象的直观理解以及经验直觉完全相反。但为什么相反呢?姆潘巴带着这个疑惑从初中直到高中,先后请教了多位物理老师都没有答案,甚至有位老师讥讽地说:“看来有两种物理,一种是放置四海皆准的物理,一种是‘姆潘巴物理’。”
倔强的姆潘巴仍不停地寻找答案,直到他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会,又提出了自己的疑问。博士并没有对姆潘巴的问题嗤之以鼻,而是回到实验室按照姆潘巴的陈述进行了冷热牛奶实验和冷热水实验,结果都观察到了姆潘巴提到的奇怪现象,于是,博士邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行研究,并于1969年共同撰写了关于此现象的一篇论文,引起学界广泛关注。于是人们将这个在同等体积和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体(非纯水)先结冰的现象,命名为“姆潘巴现象”。
背后的几种解释
为了解释为什么有时候热水结冰比冷水快,50多年来,许多物理学研究者先后对此现象进行了大量的研究,尝试着从不同的角度去解释。
1
冰霜融化说
据了解,为了研究姆潘巴现象,很多学者进行了实验观察。液体表面凝结的冰霜会影响其向周围导热的速率。冰霜导热性比水差,热水使得冰霜融化,减少了其阻碍作用,优化传热。不过有充分的证据证明,在试验过程中全部排除冰霜的干扰或抑制冰霜的融化,姆潘巴现象依然存在。因此,这种说法并不成立。
2
水汽蒸发说
一些学者相信,由于热水温度较高导致水蒸发的速率变快是造成姆潘巴现象的首要原因,因为蒸发使得水分子减少,要冻结的水分子也相应变少,所以加速了热水结冰速度。不过,一些科学家对结冰前后水的质量进行了测量,发现质量差从未超过3%,尽管蒸发后的水减少了,但是这3%的水分子并不能够显著影响水结冰需要的时间。与此同时,水汽蒸发过程中消耗的热量也不能够忽视,可惜的是,对于热量消耗的对照试验并不容易实现,因为它需要对开放容器和密闭容器进行测量,但是在密闭环境下,水汽蒸发和热量的传导都会受到阻碍,无法测量单一变量的影响。
3
可溶解气体说
温度越高,气体在水中的溶解度就越小,因此热水里溶解的气体要少于冷水,由于水在溶解一些气体后凝固点会降低,而热水的气体含量更低,凝固点也相应变高,这可能是热水结冰较快的一个原因,同时也有实验发现脱气水比非脱气水结冰更快。
4
热梯度对流说
热梯度对流观点认为,热水比冷水结冰更快是因为对流的增加。由于水的冷却是从容器的表面以及侧面开始,使得冷水下沉,热水上升,因此产生对流。当热水放入低温环境中,靠近容器的水迅速降温,而内部水温不变,这样就产生了温度差并引起热对流。在冷却的过程中,这个热对流一直存在,温差越大对流就越激烈,水冷却就越快。
5
过冷现象说
在2013年初,英国皇家化学会特意举办了一场比赛,评选姆潘巴现象的最佳原理解释。而比赛获胜者提出的解释就是过冷现象。过冷现象指液体或气体的温度到其凝固点以下,但没有凝固的现象,而原本温度较低的水比原本温度较高的水更易发生过冷,那么它的确可能比热水结冰更慢。
目前,尽管对于姆潘巴现象并没有一个令所有人都信服的完美解释,但是科学家仍然在不断提出各种理论来解释这一现象。
并非总是如此
正如开头所申明的,热水结冰比冷水快只是“有时候”,也就是说这并不是一个必然现象。《物理通报》杂志社所属的《中学生物理》杂志曾对这一现象进行过历时1年的讨论,其中有12篇“实验报告”,偶有成功之例。这说明姆潘巴现象确实存在,但控制条件难寻,复现不易。这也就意味着,姆潘巴现象只是在特定条件下出现的物理现象,而不能一般性地得出“热水比冷水先结冰”的物理结论。
针对这一问题,9月4日,科技日报记者采访了中国科学院物理研究所李治林博士。他指出,因为水中不同的杂质离子可能带来实验上的干扰,甚至有一种说法认为,通常环境下,普通水中不可避免地有一些微生物,它们在热水中繁殖得更快,这些大小在微米量级的微生物恰好可以充当水结冰所需要的凝结核,成为其优先结冰的优势条件。而一些研究者用更加纯净的水进行实验时,常常不能重复这样的结果。此外,水本身因氢键的存在,性质复杂多变;而水降温结冰更是多因素且动态的过程。因此,李治林表示,姆潘巴效应并不普遍成立,应当以更加审慎的态度对待和研究这一现象。
研究姆潘巴现象有啥意义?
那么对姆潘巴现象的研究有意义吗?李治林认为,有意义,而且很重要。水是一种性质独特的物质,有着非常丰富的物理现象,且在工业生产和生命科学中扮演极其重要的角色,然而人类目前对水的研究还很不透彻。
“30摄氏度的水”与“从100摄氏度冷却到30摄氏度的水”一样吗?这个问题看上去毫无意义,似乎理所当然,但事实可能并非如此。实际上,许多物理量和物理现象不仅取决于物质所处的状态,而且与其历经过程密切相关,最终结果是否一样还是需要实验研究来确认。例如,由于冶金技术在工业上的价值,人类对钢铁的研究非常详细。众所周知,不同初始温度、不同降温速率处理过的钢铁,性质有很大不同,其中晶粒的特点和形成过程也有所不同。类似地,实验研究发现,不同过程和条件下产生的冰,晶体结构和物理性质也有很大不同。
尽管我们很早就知道“常压下水在0摄氏度结冰”但这个温度其实只是一个范围,冰也有各种不同的冰。
然而,对于水,很遗憾,由于微观上太复杂,我们对其更细节的性质还知之甚少。但有一点是肯定的,科学不能“想当然”,实验才是检验真理的最终标准。正是科学家们看似无聊的“较真”、严谨的质疑、严格的检验、不断的追求,才促进科学不断地接近真理。

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B27阴性是强直性脊柱炎吗?

  临床中有很多患者都有炎性腰背痛症状,去医院检查都会建议检查HLA—B27,而这个B27检查出来有什么意义呢?

  HLA-B27是什么?

  简单地说,HLA-B27可以指的是HLA-B27基因,也可以指的是HLA-B27分子。HLA-B27基因是存在于人体细胞的细胞核里面的遗传物质DNA的一部分。

  B27与强直性脊柱炎具有的相关性,HLA基因是人体固有的部分,HLA可以分成HLA-A, HLA-B, HLA-C等。HLA-B有更多种,当然也包括有HLA-B27。HLA-B27就像人的血型一样,A型血的人不会下次查变成B型血,HLA-B27也不是痛的厉害时是阳性,缓解后变阴性。它是一旦查出是阳性的,就说明这个人的基因具有这种特征,就不可能再转变成阴性了。

  HLA-B27并不是人人都有的基因。首先我们来看,中国人群的B27阳性率为2%-8%,强直性脊柱炎发病率约为0.3%,从这个数据可以看出,B27阳性并不一定是强直。有很多人还是B27阳性,但也好好的,什么症状都没有。没有症状,即使B27是阳性也不代表一定就是强直,而我们也会见到B27检测是阴性,但最后被确诊为强直性脊柱炎的病例也有很多。

  检查HLA-B27阴性或者阳性的价值

  虽然不能得出确切的结果,但是可以得出很有价值的提示,即HLA-B27阳性的要高度警惕强直性脊柱炎这类疾病,需要进一步通过病史和检查来判断是否为强直性脊柱炎。当出现这种即使HLA—B27检查为阴性,还是要进行必要的检查,而不像想当然的认为B27是阴性便可以排除强直性脊柱炎这个疾病。这种更深入的检查包括各种相关的影像学检查如彩超,X片,CT,甚至核磁共振。检查的部位包括脊柱,骶髂关节,髋关节以及肌腱附着处等。

  理论上来说HLA—B27只查一次就好,不会随着治疗而改变,当然B27阴性也不能确诊就不是强直性脊柱炎,所以B27阳性或者阴性并不是确诊强直的唯一因素,在临床上诊断强直性脊柱炎的标准更多的临床症状、骶髂关节片,以及详细的体格检查就能确诊。

  以上就是关于HLA—B27阴性是否是强直的问题,不管阴性或者阳性,只要有症状的产生都应该注意是否患上了强直性脊柱炎,早发现、早诊断、早治疗。

  TMT抗复发检查:

  采用TMT医用红外热成像仪,精确定位炎症分布、多少、轻重及炎症扩散程度、免疫指数的高低和体质状况,准确的判断病情是否处于活动期;

  1无菌性炎症检查 指导局部袪炎治痛治疗

  准确定位关节、脊柱哪些部位有炎症及炎症多少,炎症附着点是否增生、增厚,阻碍了药物营养通道等。

  2个体免疫检查 综合分析机体免疫 做到准确调节

  检查个体患者机体免疫紊乱指数高低以及具体免疫高/底的诱发因素,如:遗传、感染、内分泌等8大因素的某一/某几种因素,为准确调节免疫紊乱提供指导。

  3体质分型检查 辨别患者体质 做到一人一方

  能够辨别患者属于中医9种体质中的某一种(一般综合医院骨科、风湿免疫科也难以辨别),从而进行针对体质差异,辨证、对应的中西医调理,起到抗复发效果。

  当然,在常规检查的基础上,也可以通过专项检查进一步确诊和治疗。

  1电子计算机断层扫描(CT)

  对于临床怀疑而X线不能确诊者,可以行CT检查,它能清晰显示骶髂关节间隙,对于测定关节间隙有无增宽、狭窄、强直或部分强直有独到之处。

  2X线检查

  对AS的诊断有极为重要的意义,98%~100%病例早期即有骶髂关节的X线改变,是本病诊断的重要依据。早期X线表现为骶髂关节炎,病变一般在骶髂关节的中下部开始,为两侧性。开始多侵犯髂骨侧,进而侵犯骶骨侧。可见斑点状或块状,髂骨侧明显。继而可侵犯整个关节,边缘呈锯齿状,软骨下有骨硬化,骨质增生,关节间隙变窄。最后关节间隙消失,发生骨性强直。骶髂关节炎X线诊断标准分为5期:0级为正常骶髂关节,Ⅰ期为可疑骶髂关节炎,Ⅱ期为骶髂关节边缘模糊,略有硬化和微小侵袭病变,关节间隙无改变,Ⅲ期为中度或进展性骶髂关节炎,伴有一项(或以上)变化:近关节区硬化、关节间隙变窄/增宽、骨质破坏或部分强直,Ⅳ期为关节完全融合或强直伴或不伴硬化。

  3磁共振(MRI)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)

  研究者认为,MRI和SPECT闪烁造影骶髂关节拍片,非常有助于极早期诊断和治疗,从这个角度看明显优于普通X线,但费用昂贵,不提倡作为常规检查。

  合理锻炼

  1、每天早晚做俯卧,坚持半个小时,要是觉得无聊可以放一些轻音乐来放松身心。维持直立的姿势,防止畸形。

  2、经常做脊柱旋转运动。

  3、常做深呼吸运动,把胸廓充分扩张,深呼吸这个动作看似简单,但是好处很多哦!

  4、昂首挺胸,睡硬床板,不宜侧卧,不坐矮凳子,工作时避免弯腰过久,更不要蹲位工作。


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