对于“将热水和冷水同时放到冰箱里，哪个先结冰？”这个问题，我想大多数人第一感觉就是冷水结冰比较快，觉得冷水本来就温度低，但是上物理课有认真听课的同学都知道是热水先结冰。下面我用通俗和举例的方式给大家简单说下是什么原因：

第一个原因，传热有三种基本的方式，导热、对流和辐射，三种传热方式的传热量（速率）均与其传热系数和冷热源之间的温差相关，有的传热方式甚至与温度的4次方成正比，而热水的绝对温度以及与冷冻室环境温度之间的温差远大于冷水，同时，传热系数亦会随着温度的升高而有一定的变大，所以，尽管热水热容量大，但综合下来，热水的传热速率远远大于冷水。

就象两个赛跑能力相近的人赛跑，终点在同一地点，第一个人跑50米，另一人在60米外启功，以正常速度跑到还有50米处时第一人再从0启动，这时，两人的终点相同、距离相同，同为50米，但显而易见，第二个人占有绝对优势，会先到达终点，其实是赢在了起点。

第二个原因，传热具有热惯性，当冷水和热水与环境之间温差缩小甚至消失后，冷水由于传热速率小，传热惯性小，其传热过程会很快终结，结冰的过程会相对较慢，而热水由于传热速率高，传热惯性大，虽然与环境之间温差已基本消失，仍会继续高速传热，这个特性会让结冰的时间相对于冷水要短很多。

就象一个速度快的人到达终点后一定会多跑过十几甚至二十几米才能停下来一样，而一个速度慢的人会很快停下来。

以上两方面就是热水比冷水先结冰的主要原因。

1，如果给热水和冷水设置同样的自动搅拌装置，那么，肯定会冷水先结冰，热水后结冰。因为这时传热条件都很好，温度高的，热容量大，需要的降温结冰的时间就更长；温度低的，热容量较小，需要的降温结冰的时间就更短。这时热水初温降到冷水初温后，一样要经过冷水初温到结冰的降温过程，所以，热水初温降到冷水初温的时间就是多出来的。

2，经过静置的静止的热水和冷水（当然其它条件都相同，只有温度不同）一起冷冻结冰时，关键看它们在冷却降温过程中会自动生成怎样的传热方式。

当热水和冷水放置在冷冻环境开始冷却降温时，最初的瞬间只有水的上表面和容器的外表面靠辐射和传导向外散热，开始降温；

接着是贴附在容器内表面的水开始降温；而这时容器中心的水还没有来得及降温。温度降低后的水比重增大，就要贴附着容器内表面下沉；但是这时下沉的速度和产生的结果是有差别的：

对于盛放热水的容器，贴附着容器内表面的冷水与容器中心的热水有较大的温差，所以有较大的比重差，所以冷水有较大的下沉速度。较大的下沉速度使下沉的冷水有较大的动能，较大的动能就能冲乱容器底部的水体，形成紊流。紊流的形成阻止了下沉冷水在容器底部的沉淀集聚。从而能使容器内的水能形成整体的良好的对流循环。

而对于盛放冷水的容器，贴附着容器内表面的冷水与容器中心的冷水有较小的温差，所以有较小的比重差，所以冷水有较小的下沉速度。较小的下沉速度使下沉的冷水有较小的动能，较小的动能不能冲乱容器底部的水体，所以就造成下沉冷水在容器底部的沉淀集聚。这就使容器内的水不能形成整体的良好的对流循环。

由于盛放热水的容器内的水能形成整体的良好的对流循环，所以大大提高了传热效率；而盛放冷水的容器内的水不能形成整体的良好的对流循环，所以其传热效率远不如盛放热水的容器。

我们可以用一个实验来证明以上说法。将经过静置的有同样质量的一杯热水（全部刚烧开的水，和杯子热平衡后约90°C左右）和一杯冷水（1/3杯刚烧开的水+2/3杯自来水）放到盛有更冷的冷却水（自来水）的脸盆中，并搅拌脸盆中的水来加快冷却，这时我们可以看到盛放热水的杯子底部的水出现云翳状的光影，而盛放冷水的杯子底部则看不到云翳状的光影。云翳状光影是光线穿过不同密度的水层时有不同的折射率造成的，说明沿着杯子内表面下沉的冷水冲动了杯子底部的水体。而没有云翳状的光影，则说明沿着杯子内表面下沉的冷水没有冲动杯子底部的水体，下沉的冷水只是在杯子底部沉淀集聚。沉淀集聚的冷水没有温度密度的突变界面，所以不会出现云翳状光影。这说明热水杯内能自动形成良好的对流循环，而冷水杯内不会自动形成良好的对流循环。

所以热水比冷水更快结冰是可能的。

但是这个结论不会是绝对的，例如99°C的热水和0.1°C的冷水，恐怕是不可能热水先结冰的。

3，为什么热水比冷水更快结冰只是可能，而不是一定？

因为沿着杯子内表面下沉的冷水从沉淀集聚到冲乱容器底部的水体，是一个传热效率由量变到质变的突变过程：

我们从0°C开始并按一定的温度间隔来测量“相同质量，不同初温”的水的结冰过程。我们发现，随着水的初温逐渐上升，其结冰时间逐渐延长。

但是，当水的初温上升到某一温度时，水的结冰时间没有继续延长反而变短了。然后，水的结冰时间又随着水的初温上升而逐渐延长。如图1。

从图1我们看到，不同初温的水冷冻至结冰的时间呈中断的俩段曲线HMAK和CDEBFG。其中断的地方就是发生了下沉冷水从沉淀集聚到冲动水体的突变。而下沉冷水从沉淀集聚到冲动水体的突变，必然引起传热效率的突变：

图1  不同初温的水的降温结冰时间

沉淀集聚的冷水在下沉通道冷却过程中，其温度比初温有较大下降，所以沉淀集聚的冷水与容器外冷冻环境温度的温差也就减小，尤其沉淀集聚的冷水与相邻的下沉冷水的温差很小，这成为热量由杯内向杯外传导的瓶颈，所以，这时候无论传导和辐射都处于较低的效率。形象的说就是，进入沉淀集聚的冷水处于偷懒，消极怠工的状态。问题还在于，沉淀的冷水会随时间的延长而不断增加，所以，其低效传热的部分也会越来越扩大。

而当下沉冷水冲动杯子底部水体时，则下沉冷水和杯子底部的热水会碰撞混合，混合后的水则会热升冷降，从而形成对流循环。这种情况下就不会出现沉淀集聚的冷水与容器外冷冻环境的温差减小的低效传热部分，尤其是不会出现沉淀集聚的冷水与相邻的下沉冷水温差很小的情形（这个很小的温差会是传热的最大阻力），而总是保持杯子中心与杯外冷冻环境有较大的温差，从而保持有较高的传热效率。      

但是，这个传热效率的差别只维持到下沉冷水至4°C以下的某个温度。因为4°C的水比重最大，低于4°C时热胀冷缩将出现逆转，这时容器内壁的下沉冷水不再下沉而开始上浮。这也就能解释为什么杯子中的水总是上表面和杯子上部周边的水会先结冰，生成冰盖。

从图1我们可以看到，热水比冷水结冰快只发生在俩平行线MN,PQ之间（PQ通过下半段曲线的最长时间点，MN通过上半段曲线的最短时间点）。但不是平行线间的任意俩点都能表现热水比冷水更快结冰：当俩点连线与水平线的夹角为90°时(图中AB)，则是热水与冷水同时结冰；当俩点连线与水平线的夹角β＜90°时(如图中AF,AG)，仍然是热水比冷水结冰慢；只有使夹角α＞90°时(如图中AC,AD,AE)，才是热水比冷水结冰快。

可以想见，在不了解热水比冷水更快结冰的机理，尤其没有绘制出如图1所示的完整的曲线图像时，盲选冷水热水的初温来实验比较，那就像买彩票中奖一样，靠运气了。还是参照图1，在不了解机理没有曲线图像时，即使选择了图1中的A点，你对另一点的选择也还有俩种可能：

1）把A点对应的初温当成热水。这时候你所选择的冷水初温的结冰时间对应点就一定在曲线HMA上。------这时无论做多少组比对，结论都是热水比冷水结冰慢。

2）把A点对应的初温当成冷水。这时候你在选择热水初温时很可能认为热水越热越好错过曲线上的C,D,E而选择F.G。------如果选择F,G，则结论依然是热水比冷水结冰慢。只有选择如图上的C,D,E点，才会是热水比冷水结冰快。

所以，热水比冷水更快结冰是有条件限制的。并非热水越热越好，冷水越冷越好。

影响传热方式发生突变的因素：

1）  冷冻温度。冷冻温度越低，越有利于发生突变；

2）容器材质。容器材质的导热性越好，越有利于发生突变；

3）容器形状。圆柱，棱柱，上部开口大的圆锥棱锥有利于下沉冷水的汇流，更容易冲动杯子底部的水体，因而有利于发生突变；

4）“水”的性状。以上我们讨论的都是水，其实它也适用于其他流动性好的溶液，例如糖水，牛奶的水溶液等。流动性不好的浆糊，果冻，根本不会发生突变产生对流。

本文的最关键的观点是下沉冷水从沉淀集聚到发生冲动是一个突变，而这个突变必然引起传热方式的突变，对流传热在辐射，传导，对流3种传热方式中是最有效的，这是学界公认的。

相信本文会是姆潘巴问题的终结。

      相同杯子，一杯冷水，一杯热水，放进冷冻室谁先结冰，大多数人的答案应该都是冷水吧，答案到底是冷水？还是热水？接下来让我们一起见证一下。

      之前就有科学家做过实验，两杯一冷一热的水同时放进冷藏室，最后得到的结果是热水先结冰，这是什么原因呢？原来原因是，热水相对于冷水，水分子相对比较活跃，他们太活跃使得他们之间缝隙变得非常大，在放进冷藏室时，冷藏室分子与热水分子交换，冷藏室分子很快就把缝隙填满，从而使得它温度下降速度非常快，还有热水遇到冷藏室冷空气，他们温差比较大，这也是使得热水温度快速下降的原因。冷水放进冷藏室时，冷水分子相对热水分子不太活跃，因此他们之间缝隙就比较小，冷藏室分子很难进入冷水里，所以他们之间的分子交换变得非常缓慢，也就是他们温差太小，不容易引起他们之间分子交换。

      所以我们大多数人都猜错了，热水先结冰，至于热水先结冰，原因上面已经说得很清楚了，是因为热水分子运动比较活跃，冷水分子运动比较缓慢，总的来说就是热水分子比冷水分子运动剧烈。

     现在，随着时代发展，越来越多奇怪小事情也揭秘了，当然了，这些都是伟大的科学家们坚持不懈的成果，如果没有他们，至今都无人发现其中的奥秘，

对于一杯冷水一杯热水，同时放进冷冻室热水先结冰的现象，这也是在告诉我们大家，看人不要只看表面，我们要看他的内在，有的人虽然长得丑，但是他心地善良，有的人长得美，内心却丑陋不堪，所以，我们看人不能只看表面。

热水比冷水更容易冻成冰的原因如下：    

（一）热水温度高，水分子不断运动，这比冷水的水分子运动激烈。液体分子的热运动：实验充分说明，液体中的分子与晶体及非晶态固体的分子一样在平衡位置附近作运动。在同一单元中的液体分子振动模式基本一致， 不同单元中分子振动模式各不相同，这与多晶体有些类似。但是，在液体中这种状况反能保持一短暂时间。以后由于涨落等其他因素，单元会被破坏及重新组成新单元。

我们都知道，热水的温度高，水分子运动激烈，冷水的温度低，水分子运动缓慢。在水成冰的过程中，热水不断放热，当100℃的热水冷却至0℃时，需要一段时间，也就是热水中水分子剧烈运动，不断用碰撞方式给先冷却的部位传递能量，当整个水部分都在0℃的冷水的状态时，也同时结合氢键，而此时，并不是人们想象100℃热水变成0℃冷水，0℃冷水才开始凝聚成冰，这显然，100℃的热水比0℃冷水在冰箱中，0℃的冷水更快结冰。可是，事实正好相反，100℃的热水比0℃的冷水先冻成冰了，这可能由于氢键的作用。 

（二）氢键：由于人们发现了氢键，更让水的特殊性表现出来，冰的形成是水的缔合作用（由简单的分子结合成为较复杂的分子集团，而不引起物质化学性质的改变的过程，称为分子的缔合）

氢键的形成与断裂是水能发生缔合的主要原因。要把水煮沸腾，就必须需要能量，就是把水分子之间的氢键砍断，而热水在冷却时氢键的生成，就构成了一个巨大的分子，从而形成了冰。
水发生缔合是水中含有的简单分子结合成为复杂的分子集团，而不引起物质化学性质改变的过程。可用一个可逆过程的反应式子表示：nH2O=(H2O)n，当缔合分子与简单分子处于平衡状态时就不会有缔合过程与离解过程出现，一旦这个可逆过程被破坏，就是水变成冰，冰变成水，冰与水的反复循环的过程。 

因为缔合是放热的过程，离解是吸热过程，所以，温度升高，水的缔合程度降低（n减小），高温时水主要以单分子状态存在；温度降低，水的缔合程度增大（n变大），0℃时水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大的分子。 

当热水还是100℃时，水主要以单分子状态存在，当热水变成冷水的过程中，水中的单分子逐渐变成缔合分子，但是单分子依然占主导地位，由此可见，反应不断向发生缔合分子方向进行，就更有利成冰，而0℃的冷水，由于温度较低，水的成分有单分子状态和缔合分子状态，而当单分子状态不断向缔合分子状态时，缔合分子逐渐变多，当单分子状态和缔合分子状态达到平衡时，就会达到平衡状态。而100℃的热水在冷却过程中不断放热，从而为氢键的形成提供外界能量，也同时让单分子状态分子占主导地位，不断向生成缔合状态分子发生，也就是生成冰的方向发生。

当氢键不断形成，把缔合分子缔合成一个巨大分子时，热水全部变成冰。而冷水由于达到缔合过程与离解过程平衡，此时虽然有氢键生成，但是很缓慢，因为0℃的冷水无法不断提供外界能量，只有当氢键慢慢地生成时，从而打破上一阶段的平衡，冷水仍然向生成冰的方向反应，而此时，热水早已由于氢键生成较快而缔合成一个巨大分子，即冰。因此热水比冷水先冻成冰。
由以上结论及氢键的生成过程，发生缔合过程可知，热水比冷水更易成冰。

热水比冷水更容易冻成冰，此效应的一个解释是，热水冷却的过程中，会因蒸发而失去质量。质量较少，则液体失去较少的热就冷却，也就冷却得较快。用这个解释，热水就会首先结冰，只是因为它将较少的水结成冰。如果水只是透过蒸发来冷却，和温度分布维持均匀，那么，热水会先结冰。

另一个解释是，认为热水中的溶解气体被逐出，改变了水的一些性质，这些改变能解释此效应。溶解气体的缺乏可能会改变水的传热能力，或改变令单位质量的水结冰所需的热量，又或改变凝固点。热水比冷水留住较少溶解气体是对的，沸水赶走了大部分的溶解气体。
水冷却时，会形成温度梯度和对流。在大部分温度下，水的密度会随着温度的上升而减少。随着水的冷却，会形成水的表面比平均水温或底部的水热。如果水主要透过表面失热，那么有形成热顶的水失热，比假设温度均匀的预期失热速度快。对于一定的平均温度，温度分布越不均匀（即是顶底温差越大），则失热就越快。
热水会迅速地冷却，和很快地形成对流，所以从顶到底，水温变化很大。另一方面，冷水冷却得较慢，因而较迟形成重要的对流。因此，比较热水和冷水，热水会有较大的对流，从而有较快的冷却速率。
热水可能改变周围环境，从而令它以后较快地冷却。有个实验报称，实验数据会跟随冰箱大小的变化而变化。所以，可以相信不只是水，水周围的环境也很重要。

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。