Эффект Мпембы

Графики зависимости температуры от времени, показывающие эффект Мпембы.

Эффект Мпембы — это название, данное наблюдению , что жидкость (обычно вода ), которая изначально горячая, может замерзнуть быстрее, чем та же жидкость, которая вначале становится холодной, при аналогичных условиях. Существуют разногласия относительно его теоретической основы и параметров, необходимых для достижения эффекта.

Эффект Мпембы назван в честь танзанийского ученого Эрасто Бартоломео Мпембы , который описал его в 1963 году, будучи учеником средней школы . Первоначальное открытие и наблюдение эффекта восходят к древним временам; Аристотель говорил, что это общеизвестно.

Определение

Это явление, которое означает «горячая вода замерзает быстрее, чем холодная», трудно воспроизвести или подтвердить, поскольку оно нечетко определено. Монвеа Дженг предложил более точную формулировку: «Существует такой набор начальных параметров и пара температур, что при наличии двух водоемов, одинаковых по этим параметрам и различающихся только начальными однородными температурами, горячий из них замерзнет раньше. "

Даже с учетом определения Дженга неясно, относится ли «замерзание» к моменту, в котором вода образует видимый поверхностный слой льда, к моменту, когда весь объем воды становится твердым куском льда, или к моменту, когда вода достигает 0 ° С (32 ° F; 273 К). Определение Дженга предлагает простые способы наблюдения этого эффекта, например, если более высокая температура плавит иней на охлаждающей поверхности, тем самым увеличивая теплопроводность между охлаждающей поверхностью и контейнером с водой. С другой стороны, эффект Мпембы может быть неочевиден в ситуациях и обстоятельствах, которые на первый взгляд кажутся подходящими.

Наблюдения

Исторический контекст

Различные эффекты тепла на замерзание воды описывали древние ученые, в том числе Аристотель : «Тот факт, что вода предварительно была нагрета, способствует ее быстрому замерзанию: ибо так она быстрее остывает. Отсюда многие люди, когда хотят охладить воду быстро, начните с того, что поместите его на солнце». Объяснение Аристотеля включало антиперистазис : «...предполагаемое увеличение интенсивности качества в результате окружения противоположным ему качеством».

Фрэнсис Бэкон заметил, что «слегка прохладная вода замерзает легче, чем совершенно холодная». Рене Декарт писал в «Рассуждении о методе» , связывая это явление со своей вихревой теорией : «На опыте можно увидеть, что вода, которую долго хранили на огне, замерзает быстрее, чем другая, причина в том, что частицы ее те, которые меньше всего способны перестать изгибаться, испаряются во время нагрева воды».

Шотландский ученый Джозеф Блэк исследовал особый случай явления, сравнивая ранее кипяченую и некипяченую воду; он обнаружил, что ранее кипяченая вода замерзала быстрее. испарение Контролировали . Он обсуждал влияние перемешивания на результаты опыта, отмечая, что перемешивание сырой воды приводило к ее замерзанию одновременно с предварительно кипяченой водой, а также отмечал, что перемешивание очень холодной некипяченой воды приводило к немедленному замерзанию. Затем Джозеф Блэк обсудил воды Дэниелом Габриэлем Фаренгейтом описание переохлаждения , утверждая, что ранее кипяченую воду нельзя было так легко переохладить.

Наблюдение Мпембы

Эффект назван в честь танзанийского ученого Эрасто Мпембы . Он описал это в 1963 году в третьем классе средней школы Магамба, Танганьика ; замораживая горячую смесь мороженого на уроке кулинарии, он заметил, что она замерзла раньше холодной смеси. Позже он стал учеником средней (ранее средней) школы Мквава в Иринге . Директор пригласил доктора Дениса Осборна из университетского колледжа Дар-эс-Салама прочитать лекцию по физике. После лекции Мпемба спросил его: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равными объемами воды, один с температурой 35 °C (95 °F), а другой с температурой 100 °C (212 °F), и поместите их в морозильную камеру. , тот, который начался при температуре 100 °C (212 °F), замерзает первым. Почему?» Мпембу поначалу высмеивали как одноклассники, так и учитель. Однако после первоначального потрясения Осборн поэкспериментировал с этим вопросом на своем рабочем месте и подтвердил выводы Мпембы. Они вместе опубликовали результаты в 1969 году, когда Мпемба учился в Колледже управления дикой природой Африки .

Мпемба и Осборн описали размещение образцов воды объемом 70 мл (2,5 имп. жидких унций; 2,4 жидких унций США) в стаканах емкостью 100 мл (3,5 имп. жидких унций; 3,4 жидких унций США) в холодильной камере бытового холодильника на листе пенополистирола. Они показали, что время начала замерзания было самым продолжительным при начальной температуре 25 ° C (77 ° F) и намного меньше при температуре около 90 ° C (194 ° F). Они исключили потерю объема жидкости за счет испарения и влияние растворенного воздуха как значимые факторы. Было обнаружено, что в их установке большая часть потерь тепла происходит с поверхности жидкости.

Современная экспериментальная работа

Дэвид Ауэрбах описал эффект, который он наблюдал в образцах в стеклянных стаканах, помещенных в ванну с жидкостным охлаждением. Во всех случаях вода переохлаждалась, достигая температуры обычно от -6 до -18 ° C (от 21 до 0 ° F; от 267 до 255 К), прежде чем самопроизвольно замерзнуть. Значительные случайные изменения наблюдались во времени, необходимом для начала самопроизвольного замерзания, и в некоторых случаях это приводило к тому, что вода начинала более горячую (частичное) замерзание первой.

В 2016 году Берридж и Линден определили критерий как время достижения 0 ° C (32 ° F; 273 К), провели эксперименты и рассмотрели опубликованные на сегодняшний день работы. Они отметили, что первоначально заявленная большая разница не была воспроизведена, и что на исследования, показавшие небольшой эффект, могли повлиять различия в расположении термометров: «Мы заключаем, к несколько печальному выводу, что нет никаких доказательств, подтверждающих значимые наблюдения за Мпембой. эффект."

В контролируемых экспериментах эффект целиком можно объяснить переохлаждением, а время замораживания определялось тем, какой контейнер использовался. Экспериментальные результаты, подтверждающие эффект Мпембы, подверглись критике за ошибочность и отсутствие учета растворенных твердых веществ и газов, а также других мешающих факторов.

Филип Болл, обозреватель журнала Physics World, писал: «Даже если эффект Мпембы реален — если горячая вода иногда может замерзнуть быстрее, чем холодная, — неясно, будет ли это объяснение тривиальным или проясняющим». Болл писал, что исследование этого явления требует контроля большого количества исходных параметров (включая тип и начальную температуру воды, растворенного газа и других примесей, а также размера, формы и материала контейнера, а также температуры холодильника). остановиться на конкретном методе установления времени замерзания, каждый из которых может повлиять на наличие или отсутствие эффекта Мпембы. Требуемый обширный многомерный массив экспериментов может объяснить, почему этот эффект до сих пор не изучен.

New Scientist рекомендует начинать эксперимент с контейнерами при температуре 35 и 5 °C (95 и 41 °F; 308 и 278 К) соответственно, чтобы максимизировать эффект.

Предлагаемые объяснения

Хотя фактическое возникновение эффекта Мпембы оспаривается, несколько теоретических объяснений могли бы объяснить его возникновение.

В 2017 году две исследовательские группы независимо и одновременно обнаружили теоретический эффект Мпембы, а также предсказали новый «обратный» эффект Мпембы, при котором нагрев охлажденной, далекой от равновесия системы занимает меньше времени, чем другой системы, которая изначально ближе к равновесию. Чжиюэ Лу и Орен Раз предложили общий критерий, основанный на марковской статистической механике, предсказывающий появление обратного эффекта Мпембы в модели Изинга и диффузионной динамике. Антонио Ласанта и соавторы также предсказали прямые и обратные эффекты Мпембы для гранулированного газа в исходном состоянии, далеком от равновесного. В статье Ласанты также предполагается, что очень общий механизм, приводящий к обоим эффектам Мпембы, обусловлен функцией распределения частиц по скоростям , которая значительно отклоняется от распределения Максвелла-Больцмана .

Джеймс Браунридж, физик из Бингемтонского университета , сказал, что переохлаждение . здесь задействовано Несколько моделей молекулярной динамики также подтвердили, что изменения в водородных связях во время переохлаждения играют важную роль в этом процессе. В 2017 году Юнвэнь Тао и соавторы предположили, что этому эффекту может способствовать огромное разнообразие и своеобразное возникновение различных водородных связей. Они утверждали, что количество сильных водородных связей увеличивается с повышением температуры и что существование небольших сильносвязанных кластеров, в свою очередь, способствует зарождению гексагонального льда при быстром охлаждении теплой воды. Авторы использовали колебательную спектроскопию и моделирование с помощью теории функционала плотности - оптимизированные кластеры воды.

Также были предложены следующие объяснения:

• Теплопередача, вызванная микропузырьками : процесс кипячения вызывает микропузырьки в воде, которые остаются стабильно взвешенными при охлаждении воды, а затем действуют за счет конвекции, передавая тепло быстрее по мере охлаждения воды.
• Испарение : Испарение более теплой воды уменьшает массу воды, подлежащей замораживанию. Испарение является эндотермическим , что означает, что водная масса охлаждается паром, уносящим тепло, но одно это, вероятно, не объясняет всего эффекта.
• Конвекция , ускоряющая теплообмен : снижение плотности воды ниже 4 °C (39 °F) приводит к подавлению конвекционных потоков, охлаждающих нижнюю часть жидкой массы; более низкая плотность горячей воды уменьшит этот эффект, возможно, поддерживая более быстрое начальное охлаждение. Более высокая конвекция в более теплой воде также может быстрее распространять кристаллы льда.
• Мороз : Мороз имеет изолирующий эффект. Вода с более низкой температурой будет иметь тенденцию замерзать сверху, уменьшая дальнейшие потери тепла за счет излучения и конвекции воздуха, тогда как более теплая вода будет иметь тенденцию замерзать снизу и по бокам из-за конвекции воды. Это оспаривается, поскольку есть эксперименты, учитывающие этот фактор.
• Растворенные вещества : карбонат кальция , карбонат магния и другие минеральные соли, растворенные в воде, могут выпадать в осадок при кипячении воды, что приводит к повышению температуры замерзания по сравнению с некипяченой водой, которая содержит все растворенные минералы.
• Теплопроводность :
  1. Контейнер с более горячей жидкостью может расплавиться через слой инея, который действует как изолятор под контейнером (как упоминалось выше, иней является изолятором), позволяя контейнеру вступить в прямой контакт с гораздо более холодным нижним слоем, образованным инеем. (лед, охлаждающие змеевики и т. д.) Контейнер теперь стоит на гораздо более холодной поверхности (или на поверхности, которая лучше отводит тепло, например, охлаждающие змеевики), чем первоначально более холодная вода, и поэтому с этого момента остывает гораздо быстрее.
  2. Проводимость через дно преобладает, когда дно горячего стакана смачивается растаявшим льдом, а затем примерзает к нему. В контексте эффекта Мпембы ошибочно думать, что придонный лед изолирует по сравнению с плохими свойствами охлаждения воздуха.
• Растворенные газы . Холодная вода может содержать больше растворенных газов, чем горячая вода, что может каким-то образом изменить свойства воды по отношению к конвекционным потокам. Это предположение имеет некоторую экспериментальную поддержку, но не имеет теоретического объяснения.
• Водородная связь : В теплой воде водородная связь слабее.
• Кристаллизация . Другое объяснение предполагает, что относительно более высокая популяция состояний гексамера воды в теплой воде может быть ответственна за более быструю кристаллизацию.
• Функция распределения : Сильные отклонения от распределения Максвелла-Больцмана приводят к проявлению потенциального эффекта Мпембы в газах.

Похожие эффекты

Другими явлениями, при которых большие эффекты могут быть достигнуты быстрее, чем малые, являются:

• Скрытое тепло : для превращения льда с температурой 0 °C (32 °F) в воду с температурой 0 °C (32 °F) требуется такое же количество энергии, как и для нагрева воды с температуры от 0 °C (32 °F) до 80 °C (176 °F). .
• Эффект Лейденфроста : котлы с более низкой температурой иногда могут испарять воду быстрее, чем котлы с более высокой температурой.

См. также

• Плотность воды
• Теплоемкость
• Водный кластер
• Закон охлаждения Ньютона

Ссылки

Примечания

Библиография

• Ауэрбах, Дэвид (1995). «Переохлаждение и эффект Мпембы: когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная» (PDF) . Американский журнал физики . 63 (10): 882–885. Бибкод : 1995AmJPh..63..882A . дои : 10.1119/1.18059 .
  • Ауэрбах объясняет эффект Мпембы различиями в поведении переохлажденной, ранее горячей воды, и ранее холодной воды.
• Чоун, Маркус (июнь 2006 г.). «Почему вода после нагревания замерзает быстрее» . Новый учёный .
• Коновер, Эмили (2017). «Споры разгораются из-за утверждений о том, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная» . Новости науки . 191 (2): 14 . Проверено 2 апреля 2018 г.
• Дорси, Н. Эрнест (1948). «Замерзание переохлажденной воды» . Пер. Являюсь. Филос. Соц . 38 (3): 247–326. дои : 10.2307/1005602 . hdl : 2027/mdp.39076006405018 . JSTOR   1005602 .
  • Обширное исследование экспериментов по замораживанию.
• Дженг, Монхеа (2006). «Эффект Мпембы: когда горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная?». Американский журнал физики . 74 (6): 514–522. arXiv : физика/0512262 . Бибкод : 2006AmJPh..74..514J . дои : 10.1119/1.2186331 .
• Найт, Чарльз А. (май 1996 г.). «Эффект MPEMBA: время замерзания горячей и холодной воды» . Американский журнал физики . 64 (5): 524. Бибкод : 1996AmJPh..64..524K . дои : 10.1119/1.18275 .

Внешние ссылки

• «Горячие вопросы» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии .
• «Эффект Мпембы: Почему горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная» . Возможное объяснение эффекта Мпембы
• «Эффект Мпембы: горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная» . Анализ эффекта Мпембы. Лондонский университет Саут-Бэнк .
• «Эффект Мпембы» . Архивировано из оригинала 9 октября 2011 года. – История и анализ эффекта Мпембы.
• «История эффекта Мпембы, рассказанная главными героями» . Ютуб . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 года. Историческое интервью с Эрасто Б. Мпембой, доктором Денисом Г. Осборном и Рэем де Соузой.
• «Что замерзает быстрее: горячая или холодная вода?» . Проверено 25 августа 2021 г. Описание эксперимента в средней школе со ссылкой на результаты эксперимента
• Адамс, Сесил; MQC, Мэри (1996). «Что замерзает быстрее: горячая вода или холодная вода?» . Прямой наркотик . Чикаго Ридер, Инк.
• Браунридж, Джеймс (2010). «В поисках эффекта Мпембы: когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная». arXiv : 1003.3185 [ physical.pop-ph ].
• Дженг, Монвеа (ноябрь 1998 г.). «Может ли горячая вода замерзнуть быстрее, чем холодная?» . в часто задаваемых вопросах по физике в Калифорнийского университета Usenet
• Конкурс Мпембы - Королевское химическое общество
• Мпемба, Эрасто Б.; Осборн, Денис Г. «Эффект Мпембы» (PDF) . Институт физики.
• Сунь, Чанг Ц.; Сунь, Йи (2016). Атрибут воды: одно понятие, множество мифов . Серия Спрингера по химической физике. Том. 113. Бибкод : 2016awsn.book.....S . дои : 10.1007/978-981-10-0180-2 . ISBN  978-981-10-0178-9 .