为什么热水比冷水结冰得更快？
多年来，许多科学家对不符合我们生活常识的现象感到困惑：由于某种原因，热水似乎比冷水冻结得更快。
后来由张曦领导的物理学家团队发现，这种效应背后的原因是由于水中存在的共价键。每个水分子由两个与单个氧原子共价键合的氢原子组成。这些涉及原子共享电子的键。如下图所示：
当来自一个水分子的氢原子靠近水的氧原子时，单独的水分子也被氢键产生的较弱力结合在一起。 它们会产生许多水的有趣特性，如奇怪的高沸点。如果让水分子紧密接触，分子之间的自然排斥导致共价键伸展并储存能量。随着液体升温，氢键当水变得不那么密集并且分子进一步分开时伸展。氢键中的额外拉伸使得共价键松弛和收缩一点，放弃它们的能量。共价键释放能量的过程相当于冷却，因此理论上冷水应该冷却更快。
一般人的理解是假设最初较冷的水从30°C开始并需要10分钟冷冻，而最初较温暖的水从70°C开始。现在，最初温暖的水必须花一些时间冷却才能降至30°C，之后，需要再花10多分钟才能结冰。因此，由于最初较温暖的水必须完成最初较冷的水必须做的所有事情，再多一点，它至少需要一点时间，对吧？这个理解有什么不对？
这个证理解有什么问题，它隐含地假设水的特征仅仅是一个数字 - 它的平均温度。但是，如果除了平均温度之外的其他因素很重要，那么当最初较暖的水已经冷却到30°C的平均温度时，它可能看起来与最初较冷的水（均匀的30°C）在开始时的情况非常不同。为什么？原因可能是因为当水从均匀的70°C冷却到平均30°C时，水可能已经发生变化。它可以具有较少的质量，较少的溶解气体或产生了对流，从而产生不均匀的温度分布。或者它可能改变了冰箱内容器周围的环境温度。事实上，在许多对照实验中已观察到姆潘巴现象（姆潘巴现象（Mpemba effect）的3种表述：游隆洲：在同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体在其与该冷却环境直接接触的分子将比温度略低的温度下降的快，若其冷却环境能始终维持一致（温度不变）的冷却能力，则温度高的液体将先降至冷却环境温度，若温度低于该液体冰点则高温液体先结冰。.2指在同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。3.亚里士多德：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰。”可理解为“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下比较加热过的水更快结冰”）
为什么温水会先结冰呢？
1. 蒸发 由于最初较暖的水冷却到最初较冷的水的初始温度，它可能会损失大量的水来蒸发。质量减少将使水更容易冷却和冻结。然后，最初较暖的水可以在最初较冷的水之前冻结，但会产生较少的冰。理论计算表明，如果假设水仅通过蒸发损失热量，蒸发可以解释姆潘巴现象。这种解释直观的，在大多数情况下蒸发无疑是重要的。但是，它不是唯一的机制。蒸发不能解释在密闭容器中进行的实验，其中蒸发没有损失质量。许多科学家声称单靠蒸发不足以解释他们的结果。
2. 溶解气体 - 热水可以比冷水容纳更少的溶解气体，并且沸腾时会有大量气体逸出。因此，最初较温暖的水可能比最初较冷的水具有更少的溶解气体。据推测，这会以某种方式改变水的性质，可能更容易产生对流（从而使其更容易冷却），或减少冷冻单位质量水所需的热量，或者改变沸点。有一些实验支持这种解释，但没有支持理论计算。
3. 对流 - 随着水的冷却，它最终会产生对流和不均匀的温度分布。在大多数温度下，密度随着温度的升高而降低，因此水的表面将比底部温暖：这被称为“热顶”。现在，如果水主要通过表面失去热量，那么具有“热顶”的水将比我们根据其平均温度所预期的更快地失去热量。当最初较暖的水冷却到与最初较冷的水的初始温度相同的平均温度时，它将具有“热顶”，因此其冷却速率将比最初冷却器的冷却速度快。然实验已经看到了“热顶”和相关的对流，但是对流是否可以解释姆潘巴现象尚不清楚。
4. 环境 - 两个容器的冷却温度之间的最终差异不是与水本身有关，而是与周围环境有关。最初较温暖的水可能以某种复杂的方式改变其周围的环境温度，从而影响冷却过程。例如，如果容器位于一层导热不良的霜层上，热水可能会熔化该层霜，从而冷却得更快。显然，这样的解释并不是很普遍，因为大多数实验都不是用容器放在霜层上完成的。
简而言之，在各种情况下，热水比冷水更快冻结。这不是不可能的，并且已经被发现在许多实验中发生。然而对于这种现象如何发生并没有得到很好的解释。虽然已经提出了不同的假设，但实验证据尚无结论。
