Skutečně horká voda zmrzne rychleji než studená ? Jennifer Ouellette popisuje, co by mohlo být novým teoretickým porozuměním pro takzvaný Mpemba efekt – a proč předpovídá, že studená voda by se mohla zahřát dokonce rychleji než teplá voda.
Jídlo je připraveno. Nápoje jsou v lednici. Jste připraveni na báječnou slavnostní večírek. Sakra! Nemáte žádné kostky ledu a hosté jsou za pár hodin. Sprintujete do místního samoobsluhy, ale je očištěný od pytlů na kostky ledu. Nepropadejte panice: jste fyzik a slyšeli jste o „efektu Mpemba“ – že horká voda zmrzne rychleji než vlažná nebo studená voda. Naplníte tedy svůj zásobník na kostky ledu horkým kohoutkem a umístíte jej do mrazničky. Nebo je to?
Vědci stále nemají jasno v přesných mechanismech, které stojí za tímto protiintuitivním fenoménem – ani v případě, že efekt Mpemba vůbec existuje, protože se ukázalo šíleně obtížné konzistentní reprodukci. nejnovější twist, dva fyzici zmapovali zobecněný teoretický rámec pro to, jak by k takové neobvyklé události mohlo dojít v jednoduchých systémech. „Efekt Mpemba není pro vodu něco zvláštního,“ říká Oren Raz z Weizmann Institute of Science v Izraeli, který vyvinul teorie se Zhiyue Lu z University of Chicago v USA (PNAS 114 5083). „Měly by existovat různé systémy, které mají v podstatě stejný účinek.“
Teorie Raz a Lu také předpovídá inverzní Mpemba efekt: že za určitých podmínek by se chladnější systém mohl zahřát rychleji než teplý. Pokud je to pravda , byla by to vítaná zpráva pro ty, kteří věří, že studená voda vaří rychleji než teplá nebo horká voda, což bylo doposud odmítnuto jako vědecký mýtus. Jejich práce také inspirovala vědce ze Španělska, aby navrhli svůj vlastní teoretický model ukazující, že Mpemba účinek by mohl nastat v granulované tekutině sestávající z koulí suspendovaných v kapalině.
Náročná konvence
Představa, že horká voda zmrzne rychleji než studená, je pojmenována po Erastovi Mpembovi. V roce 1963, když byl školák v Tanzanii, všiml si, že jeho domácí zmrzlina zmrzla rychleji než šarže jeho spolužáků, pokud neochladil vařené mléko před jeho vložením do mrazáku. Ve skutečnosti nebylo jejich chlazení před zmrazením běžnou praxí mezi místními prodejci zmrzliny v době, kdy. Pozorování Mpemby se však neshodovalo s tím, co mu bylo řečeno o Newtonově zákonu chlazení, který říká, že rychlost, jakou se tělo ochladí, je úměrná rozdílu teplot mezi tímto tělesem a jeho prostředím.
Mladí Mpemba vyzval svého učitele, aby vysvětlil své pozorování, a byl za své potíže ostře vysmíván (učitel to sarkasticky odmítl jako „fyziku Mpemby“). Ale když navštívil školu Mpemby Denis Osborne, fyzik z University College Dar es Salaam, stejná otázka. Osborne slíbil, že pokus zkusí, až se vrátí na svou univerzitu. Osobně si myslel, že se chlapec mýlil, ale necítil žádnou otázku, která by měla být zesměšňována, a připustil, že na rychlost ochlazování mohou mít vliv další neznámé faktory. Osbornovo překvapení, experimenty fungovaly a nakonec spoluautorem papírového vtipu h Mpemba v roce 1969 (Phys. Vyd. 4 172).
Efekt Mpemba je od té doby základem domácích vzdělávacích experimentů, ale nebyl to první, kdo si toho všiml. Kolem roku 350 př. N.l. Aristoteles zjistil, že je místním zvykem dávat vodu na Slunce jako první, pokud chceme, aby se kapalina rychleji ochladila. Roger Bacon a (o čtyři století později) Francis Bacon také obhajovali existenci takového efektu, stejně jako René Descartes. A za posledních 10–15 let se vědci podrobněji zabývali efektem Mpemba a doufali, že ukousnou přesné příčiny takového protiintuitivního jevu. Royal Society of Chemistry dokonce sponzorovala v roce 2012 soutěž, ve které vyzvala vědce z celého světa, aby předložili svá vysvětlení; přesto žádný z více než 20 000 předložených článků nepřinesl široký konsenzus.
Soupeřící vysvětlení Jedno z nejběžnějších vysvětlení, které vědci v průběhu let předkládali, se soustředí na vliv konvekčního tepla Přenos, při kterém voda při zahřívání vytváří konvekční proudy a přenáší horkou kapalinu na povrch, kde se odpařuje. V důsledku tohoto efektu by se otevřený kelímek s horkou vodou odpařil rychleji než podobná nádoba se studenou vodou, přičemž zbývající kapalina by proto rychleji zmrzla. Tím by se však účinek omezil na nádoby s otevřenou střechou a některé experimenty pozorovaly účinek také v uzavřených nádobách.
Může být také zahrnuto superchlazení – kde voda může zůstat kapalinou hluboko pod obvyklým bodem mrazu – za předpokladu, že voda je dostatečně zbavená nečistot, které jinak pomáhají kapalinám krystalizovat do pevné látky. V roce 1995 David Auerbach, fyzik z Institutu Maxe Plancka pro dynamiku tekutin v Göttingenu v Německu, provedl experimenty, které naznačovaly, že studená voda podchladí na nižší teplotu než horká voda (Am. J. Phys. 63 882). . Jeho experimenty odhalily, že k efektu Mpemba dochází, když se ledové krystaly objeví v podchlazené kapalině při vyšších teplotách, což znamená, že v takových případech se zdá, že nejprve zmrzne horká voda. V roce 2009 však Jonathan Katz z Washingtonské univerzity v St. Louis navrhl, že klíčem jsou pravděpodobně rozpuštěné látky jako uhličitan vápenatý nebo uhličitan hořečnatý ve studené vodě – zpomalují proces zmrazování a dávají horké vodě výhodu (Am. J. Phys. 77 27).
V poslední době chemici provádějící molekulární simulace navrhli, že účinek Mpemba může souviset s neobvyklou povahou vodíkových vazeb ve vodě (J. Chem. Theory and Comp. 13 55). Tyto mezimolekulární vazby, které jsou slabší než kovalentní vazby, které drží atomy vodíku a kyslíku v každé molekule pohromadě, se při zahřívání vody rozpadají. Molekuly vody pak vytvoří fragmenty a znovu se vyrovnají do krystalické struktury ledu, čímž zahájí proces zmrazování. Jelikož studená voda musí nejprve rozbít tyto slabé vodíkové vazby, než může začít mrznout, má smysl, že horká voda začne mrznout před chladem. „Máme tendenci předpokládat, že nízkoteplotní voda by měla být blíže krystalizaci,“ říká William Goddard, chemik z Kalifornského technologického institutu (Caltech), který vymodeloval podobné mechanismy, které ukazují, že nízkoteplotní voda je od tohoto bodu dále. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Bohužel se žádné z těchto navrhovaných vysvětlení neukázalo dostatečně přesvědčivé, aby ovlivnilo skeptické vědce. A novější pokusy důsledně reprodukovat účinek v laboratorních experimentech bylo neprůkazné. Charles Knight, který studuje led v Národním centru pro výzkum atmosféry v Boulderu v Coloradu, si nezapomenutelně vzpomněl na svůj vlastní experiment ve Fyzikálním světě (únor 2006, str. 19–21), který uvízl v místnosti při –15 ° C a čekal na vodu. zmrazení v zásobnících na kostky ledu. I přes jeho maximální úsilí o uniformitu začaly některé zásobníky zmrznout během 15 minut, jiným to trvalo déle než hodinu.
Tento druh vysoké variability je typický pro experimenty Mpemba. “Navrhuje ke mě že pokud efekt skutečně existuje, pak záleží na faktorech, které lidé stále příliš neovládají, “říká Greg Gbur, fyzik z University of North Carolina v Charlotte, který je již dlouho fascinován efektem Mpemba. „Existuje mnoho dalších parametrů, které by mohly vstoupit do hry, malé rozdíly mezi dvěma zdánlivě identickými vzorky, kromě teploty. Když se věci mění velmi rychle, může to ovlivnit nejrůznější vnitřní dynamika.“
Někteří vědci pochybují, že účinek vůbec existuje. Henry Burridge z Imperial College London je jedním z takových skeptiků. V loňském roce měřil se svými kolegy, jak dlouho trvalo ochlazení horkých a studených vzorků vody na 0 ° C, obvykle teplota, při které voda zamrzá. Podle Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665) v žádném z experimentů nezjistili nic, co by sloužilo jako důkaz jakéhokoli druhu účinku Mpemba.
Ještě další argumentují že to nemusí být ani ten správný parametr k měření, protože v mnoha případech voda nezamrzne v tzv. bodu mrazu. Dále se něco považuje za zamrzlé, když se vytvoří první ledové krystaly nebo když kapalina v dané nádobě je úplně zamrzlý? “O bylo definitivně uvedeno, že nejprve zamrzne horká voda, “říká Raz. „Ale jak se rozhodnete v okamžiku, kdy něco zamrzne? Není to okamžik, je to proces.“
Z rovnováhy
Proto se vyvinul nový teoretický rámec Raz a Lu se zaměřuje na jiný parametr, který nezávisí na konkrétní definici. Místo toho chová chladicí procesy jako nevyvážené. Říká se, že systém je v rovnováze, když se jeho základní vlastnosti nemění s časem. Vše musíte pochopit například dokonale rozptýlený plyn uzavřený v krabici, je jeho objem, teplota a celkový počet molekul plynu.
Ale mnoho přírodních jevů – od zemětřesení a turbulencí vzduchu až po rychlé chlazení nebo změna klimatu – nastanou, když jsou věci v otevřeném systému daleko od rovnováhy. Abyste porozuměli těmto nerovnovážným jevům, potřebujete mnohem více než jen tři čísla.Zatímco průměrné chování molekul v krabici v rovnováze bude do značné míry stejné v každém bodě, za nerovnovážných podmínek může být teplota v každém bodě jiná a hustota v každém bodě. To je důvod, proč jsou nerovnovážné systémy tak náročnou oblastí výzkumu.
Raz a Lu přišli s tímto nápadem na kávu, když byli oba na University of Maryland, College Park. Raz četl nedávný článek o „Markovianských“ systémech, což jsou systémy, kde je předmět spojen s termální lázní, která není ovlivněna systémem. Jedním z příkladů Markovianova systému je šálek horké kávy napojené na atmosféru: když káva se ochladí, atmosféra se v podstatě nezmění. Chladnička je však ovlivněna, pokud do ní vložíte šálek horké kávy, což z ní dělá „nemarkovský“ systém.
Příspěvek se zabýval jak se Markovovy systémy uvolňují do rovnováhy, a Lu si myslel, že by to mohlo souviset s efektem Mpemba. V nejjednodušší verzi svého modelu považují základní systém v rovnováze, jako je studený interiér ledničky, a dva původně teplejší systémy, přičemž jeden je relativně teplejší než druhý. Když se ochladí, tyto dva systémy se uvolní směrem k základnímu rovnovážnému stavu. Raz a Lu ukázali, že za těchto podmínek může teplejší systém obejít chladnější systém, pokud jde o rychlost změny teploty, v zásadě jde kratší „cestou“ k rovnováze; to znamená rychlejší chlazení. Takže zatímco horká káva na vašem chlad na stole podle Newtonova zákona o chlazení, káva umístěná v lednici chladí jinak, protože káva interaguje s lednicí v jakémsi „zhášení“.
Ve svých simulacích Raz a Lu ve skutečnosti objevili inverzní Efekt Mpemba nejprve proto, že Raz modeloval procesy ohřevu a zjistili, že je snadné nastavit parametry tak, aby vytvářely inverzní efekt ohřevu. Teprve poté, co obrátili tento model, vytvořili obecněji použitelný efekt podobný Mpembě. Aby se však ujistil, že tento obcházkový efekt nebyl omezen pouze na jeden model, rozšířili jej na složitější systém známý jako „Isingův model“, který se ve fyzice široce používá k modelování fázových přechodů ve všem od feromagnetismu a bílkovin skládání do neuronových sítí a dynamika hejna ptáků.
Isingův model je typicky zobrazen jako 2D mřížka, v případě magnetických materiálů s částicemi v každém bodě mřížky. Každá částice může být v jednom z pouhých dvou stavů: buď točit „nahoru“, nebo točit „dolů“. Otáčení se rády seřadí paralelně se svými sousedy, protože to snižuje celkovou energii systému. Pokud ochladíte feromagnetický materiál pod kritickým bodem – „Curieova teplota“ – otáčky se samy nastavují, dokud nejsou všechny dokonale uspořádané, čímž se vytvoří rovnovážný stav: feromagnet.
Mpemba-like efekt lze pozorovat, pokud máte dva nemagnetické systémy nad Curieovou teplotou a spojte je do studené tepelné lázně, která leží pod Curieovou teplotou. Když se systém ochladí, otočení se otočí, aby se paralelně seřadily a ztratily přebytečnou energii do tepelné lázně. Pokud se „horký“ systém magnetizuje před „studeným“, máte efekt podobný Mpembě. Navíc, pokud roztočení získají energii z koupele a otočí antiparalelně, uvidíte inverzní efekt Mpemba. Raz a Lu ve skutečnosti studovali anti-feromagnety (ne feromagnety), ve kterých se spiny chtějí seřadit proti sobě navzájem, ale principy jsou stejné. Rovněž striktně nedodržovali fázový přechod, protože nestudovali 2D systém, ale řetěz 1D Ising s 15 otočeními, kde odkazy interagují pouze se svými nejbližšími sousedy. „Ale nepotřebujete fázový přechod, abyste viděli účinek,“ říká Raz. „Stačí vidět, že střídaná magnetizace – rozdíl v magnetizaci mezi sousedy – se kříží, totiž že původně horký systém má nižší hodnotu a se zvětšuje před studeným systémem. “
Skeptické mysli
Vždy skeptický Burridge prohlašuje dílo za„ zajímavou teorii, ale není prokázáno, že takové účinky mohou být pozorováni v jakékoli praktické situaci. “Autoři to připouštějí již v úvodu své práce. Jedná se o velmi jednoduché modely k prokázání obecného důkazu principu a Raz a Lu dosud svou teorii nerozšířili na vodu, což je vysoce složitý systém, který je velmi obtížné simulovat. „Voda je komplikovaná a má mnoho neobvyklých vlastností,“ říká Raz a zdůrazňuje, že například led je méně hustý než voda – ne hustší, jak by se dalo očekávat.
Přesto si Gbur myslí, že tento nový teoretický rámec je „možná změnou hry“, pokud jde o efekt Mpemba, a již ho inspiroval při studiu v granulárních materiálech. “Dříve ve skutečnosti nikdy neexistovala kvantitativní studie ukazující, že je možné, aby horké věci zmrzly nebo dosáhly rovnovážné teploty rychleji než chladnější věci, “říká. Goddard tomu říká „elegantní expozice a nová matematická analýza“, i když připouští, že je skeptický, že nakonec vysvětlí Mpembaův efekt ve vodě.
Všechno se odvíjí od toho, co se stane dál. “My „Na jedné straně máme spoustu nejistých experimentů a na druhé straně máme pěkný teoretický model, ale pouze pro jednoduché systémy,“ říká Gbur. „Další přirozenou věcí by bylo najít přechodný systém, kde by bylo možné přímo porovnávat teorii a experiment.“ To je přesně to, na co se nyní Raz a Lu zaměřují, například ve spolupráci s Johnem Bechhoeferem na Simon Fraser University v Kanadě, aby identifikovali potenciální systémy, které by za správných podmínek mohly vykazovat inverzní Mpemba efekt. Pak by byli schopni přizpůsobit experiment otestovat tuto předpověď.
Je to další krok k robustnímu teoretickému rámci pro tento fenomén. Gbur je pro ně zakořenil. „Je to tak čistý nápad,“ říká, „téměř by bude škoda, pokud se v tuto chvíli ukázalo, že efekt Mpemba není pravdivý. “ Zda vaši hosté večírku budou spokojeni s vysvětlením jejich nedostatku kostek ledu – to se teprve uvidí.
Granulární efekty
Oren Raz a Zhiyue Luův model efektu Mpemba již inspiroval Antonia Lasantu, Andrése Santose a Francisco Vega Reyese z Universidad de Extremadura ve Španělsku, spolu s Antonio Pradosem z Universidad de Sevilla, aby navrhli vlastní teoretický model ukazující efekt Mpemba v granulované tekutina, skládající se z sférických částic suspendovaných v tekutině (Phys. Rev. Lett. 119 148001). Klíčem k jejich modelu, který také předpovídá inverzní účinek, je to, že jejich granulovaná tekutina obsahuje tvrdé nepružné kuličky. Takže když se srazí, částice ztrácet energii jinými mechanismy než tepelnými ztrátami. „Horké částice“ se srážejí častěji než „studené částice“ a mohou dostatečně ochladit cíleně rychle je předjet, když je počáteční disperze energie dostatečně velká.
Zajímavé je také to, že původní experimenty Mpemby byly s mlékem, které také sestává ze spousty velkých částic suspendovaných ve vodě. Práce španělských vědců proto může být bližším modelem toho, co Mpemba ve skutečnosti udělal. Mohlo by se to ukázat jako relevantní i pro vodu. Koneckonců, pokud vzorek není čistý, ale má v sobě podobně velké částice rozpuštěné látky, tyto nečistoty mohou být faktorem přispívajícím k efektu Mpemba.
- Užijte si zbytek Vydání Physics World z prosince 2017 v našem digitálním časopise nebo prostřednictvím aplikace Physics World pro jakýkoli smartphone nebo tablet se systémem iOS nebo Android. Je vyžadováno členství ve Fyzikálním ústavu