Gefriert heißes Wasser wirklich schneller als kalt ? Jennifer Ouellette beschreibt, was ein neues theoretisches Verständnis für den sogenannten Mpemba-Effekt sein könnte – und warum es vorhersagt, dass sich kaltes Wasser sogar schneller erwärmen könnte als warmes Wasser.
Das Essen ist fertig. Die Getränke sind im Kühlschrank. Sie sind bereit für eine fabelhafte festliche Party. Verdammt! Sie haben keine Eiswürfel und die Gäste sind in ein paar Stunden fällig. Sie sprinten zu Ihrem örtlichen Supermarkt, aber es ist sauber von Partytüten mit Eiswürfeln. Keine Panik: Sie sind Physiker und haben vom „Mpemba-Effekt“ gehört – dass heißes Wasser schneller gefriert als lauwarmes oder kaltes Wasser. Sie füllen also Ihre Eiswürfelschale aus dem heißen Wasserhahn und stellen sie in den Gefrierschrank. Panik oder. Ist es das?
Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, welche Mechanismen hinter diesem kontraintuitiven Phänomen stehen – oder ob der Mpemba-Effekt überhaupt existiert, da es sich als unglaublich schwierig erwiesen hat, ihn konsistent zu reproduzieren In jüngster Zeit haben zwei Physiker einen verallgemeinerten theoretischen Rahmen für das Auftreten eines solchen ungewöhnlichen Ereignisses in einfachen Systemen entworfen: „Der Mpemba-Effekt ist nichts Besonderes für Wasser“, sagt Oren Raz vom Weizmann Institute of Science in Israel, der sich entwickelt hat die Theorie mit Zhiyue Lu von der University of Chicago in den USA (PNAS 114 5083). „Es sollte verschiedene Systeme mit im Wesentlichen demselben Effekt geben.“
Die Theorie von Raz und Lu sagt auch einen inversen Mpemba-Effekt voraus: Unter bestimmten Bedingungen könnte sich ein kälteres System schneller erwärmen als ein warmes. Wenn dies zutrifft Es wäre eine willkommene Neuigkeit für diejenigen, die glauben, dass kaltes Wasser schneller kocht als warmes oder heißes Wasser, was bisher weitgehend als wissenschaftlicher Mythos abgetan wurde. Ihre Arbeit hat auch Wissenschaftler aus Spanien dazu inspiriert, ein eigenes theoretisches Modell zu entwickeln, das zeigt, dass die Mpemba Effekt könnte in körniger Flüssigkeit auftreten, die aus in einer Flüssigkeit suspendierten Kugeln besteht.
Herausfordernde Konvention
Die Vorstellung, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes, ist nach Erasto Mpemba benannt Als Schüler in Tansania bemerkte er, dass sein hausgemachtes Eis schneller gefror als die seiner Schulkameraden, wenn er die gekochte Milch nicht abkühlte, bevor er sie in den Gefrierschrank stellte. Tatsächlich war es üblich, die Milch vor dem Einfrieren nicht abzukühlen unter lokalen Eisverkäufern damals. Aber Mpembas Beobachtung stimmte nicht mit dem überein, was ihm über Newtons Gesetz der Abkühlung gesagt worden war, wonach die Abkühlungsrate eines Körpers proportional zum Temperaturunterschied zwischen diesem Körper und seiner Umgebung ist.
Die Jungen Mpemba forderte seinen Lehrer auf, seine Beobachtung zu erklären, und wurde wegen seiner Schwierigkeiten lächerlich gemacht (der Lehrer wies sie sarkastisch als „Mpembas Physik“ ab). Als Denis Osborne, Physiker am University College Dar es Salaam, Mpembas Schule besuchte, posierte der Junge die gleiche Frage. Osborne versprach, das Experiment zu versuchen, als er an seine Universität zurückkehrte. Persönlich dachte er, der Junge habe sich geirrt, war jedoch der Meinung, dass keine Frage lächerlich gemacht werden sollte, und räumte ein, dass es andere unbekannte Faktoren geben könnte, die die Abkühlungsrate beeinflussen Osbornes Überraschung, die Experimente funktionierten und er war Co-Autor eines Papierwitzes h Mpemba im Jahr 1969 (Phys. Ed. 4 172).
Der Mpemba-Effekt ist seitdem ein Grundnahrungsmittel für Heimwerker-Experimente, aber er war nicht der erste, der ihn bemerkte. Um 350 v. Chr. Beobachtete Aristoteles, dass es lokal üblich war, zuerst Wasser in die Sonne zu geben, wenn man wollte, dass die Flüssigkeit schneller abkühlt. Roger Bacon und (vier Jahrhunderte später) Francis Bacon sprachen sich ebenso wie René Descartes für die Existenz eines solchen Effekts aus. In den letzten 10 bis 15 Jahren haben Wissenschaftler den Mpemba-Effekt genauer untersucht, um die genauen Ursachen eines solchen kontraintuitiven Phänomens herauszufinden. Die Royal Society of Chemistry hat 2012 sogar einen Wettbewerb gesponsert, bei dem Wissenschaftler aus der ganzen Welt eingeladen wurden, ihre Erklärungen abzugeben. Dennoch ergab keine der mehr als 20.000 eingereichten Arbeiten einen breiten Konsens.
Rivalisierende Erklärungen Eine der häufigsten Erklärungen, die Wissenschaftler im Laufe der Jahre vorbrachten, betrifft den Einfluss konvektiver Wärme Übertragung, bei der Wasser beim Erhitzen Konvektionsströme bildet und heiße Flüssigkeit an die Oberfläche überträgt, wo sie verdampft. Infolge dieses Effekts würde eine offene Tasse mit heißem Wasser schneller verdampfen als ein ähnliches Gefäß mit kaltem Wasser, wobei die verbleibende Flüssigkeit daher schneller gefriert. Dies würde jedoch den Effekt auf offene Gefäße beschränken, und einige Experimente haben den Effekt auch bei geschlossenen Gefäßen beobachtet.
Unterkühlung – bei der Wasser weit unter seinem üblichen Gefrierpunkt eine Flüssigkeit bleiben kann – kann ebenfalls beteiligt sein, vorausgesetzt, das Wasser ist ausreichend frei von Verunreinigungen, die ansonsten dazu beitragen, dass Flüssigkeiten zu einem Feststoff kristallisieren. Tatsächlich führte David Auerbach – damals Physiker am Max-Planck-Institut für Fluiddynamik in Göttingen – 1995 Experimente durch, die darauf hinwiesen, dass kaltes Wasser auf eine niedrigere Temperatur unterkühlt als heißes Wasser (Am. J. Phys. 63 882). . Seine Experimente zeigten, dass der Mpemba-Effekt auftritt, wenn Eiskristalle in einer unterkühlten Flüssigkeit bei höheren Temperaturen auftreten, was bedeutet, dass in solchen Fällen heißes Wasser zuerst zu gefrieren scheint. Im Jahr 2009 schlug Jonathan Katz von der Washington University in St. Louis jedoch vor, dass gelöste Stoffe wie Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat in kaltem Wasser den Schlüssel halten – sie verlangsamen den Gefrierprozess und geben heißem Wasser den Rand (Am. J. Phys. 77) 27).
In jüngerer Zeit haben Chemiker, die molekulare Simulationen durchführen, vorgeschlagen, dass der Mpemba-Effekt mit der ungewöhnlichen Natur der Wasserstoffbindung in Wasser zusammenhängt (J. Chem. Theory and Comp. 13 55). Diese intermolekularen Bindungen, die schwächer sind als die kovalenten Bindungen, die die Wasserstoff- und Sauerstoffatome in jedem Molekül zusammenhalten, lösen sich beim Erhitzen von Wasser auf. Die Wassermoleküle bilden dann Fragmente und richten sich in der kristallinen Struktur des Eises neu aus, wodurch der Gefrierprozess eingeleitet wird. Da kaltes Wasser zuerst diese schwachen Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen muss, bevor das Einfrieren beginnen kann, ist es sinnvoll, dass heißes Wasser vor dem Einfrieren zu gefrieren beginnt. „Wir neigen dazu anzunehmen, dass Niedertemperaturwasser näher an der Kristallisation sein sollte“, sagt William Goddard, Chemiker am California Institute of Technology (Caltech), der ähnliche Mechanismen modelliert hat, die zeigen, dass Niedertemperaturwasser tatsächlich weiter von diesem Punkt entfernt ist (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Leider hat sich keine dieser vorgeschlagenen Erklärungen als überzeugend genug erwiesen, um skeptische Wissenschaftler zu beeinflussen. Neuere Versuche, den Effekt in Laborexperimenten konsistent zu reproduzieren, haben dies getan Charles Knight, der am Nationalen Zentrum für Atmosphärenforschung in Boulder, Colorado, Eis studiert, erinnerte sich denkwürdigerweise an seine eigenen Experimente in der Physikwelt (Februar 2006, S. 19–21) und steckte in einem Raum bei –15 ° C fest, um auf Wasser zu warten Einfrieren in Eiswürfelschalen. Trotz seiner Bemühungen um Gleichmäßigkeit begannen einige Schalen innerhalb von 15 Minuten einzufrieren, andere dauerten mehr als eine Stunde.
Diese Art von hoher Variabilität ist typisch für Mpemba-Experimente. “ mir Wenn der Effekt vorhanden ist, hängt dies von Faktoren ab, die die Menschen immer noch nicht sehr gut kontrollieren “, sagt Greg Gbur, Physiker an der Universität von North Carolina, Charlotte, der seit langem vom Mpemba-Effekt fasziniert ist. „Es gibt viele andere Parameter, die ins Spiel kommen könnten, kleine Unterschiede zwischen zwei scheinbar identischen Proben, außer der Temperatur. Wenn sich die Dinge sehr schnell ändern, gibt es alle möglichen internen Dynamiken, die sich darauf auswirken könnten.“
inige Wissenschaftler bezweifeln, dass der Effekt überhaupt besteht. Henry Burridge vom Imperial College London ist ein solcher Skeptiker. Im vergangenen Jahr haben er und seine Kollegen gemessen, wie lange es gedauert hat, bis heiße und kalte Wasserproben auf 0 ° C abgekühlt sind Temperatur, bei der Wasser gefriert. Sie beobachteten in keinem dieser Experimente etwas, das nach Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665) als Beweis für irgendeine Art von Mpemba-Effekt dienen könnte.
Wieder andere haben argumentiert dass dies möglicherweise nicht einmal der richtige zu messende Parameter ist, da Wasser in vielen Fällen nicht an seinem sogenannten Gefrierpunkt gefriert. Darüber hinaus wird etwas als gefroren angesehen, wenn sich die ersten Eiskristalle bilden oder wenn sich die Flüssigkeit in einem bestimmten Behälter befindet ist komplett gefroren? „O. Ursprünglich wurde angegeben, dass heißes Wasser zuerst gefriert “, sagt Raz. „Aber wie entscheiden Sie den Zeitpunkt, zu dem etwas einfriert? Es ist kein Zeitpunkt, es ist ein Prozess.“
Aus dem Gleichgewicht geraten
Deshalb wurde der neue theoretische Rahmen entwickelt von Raz und Lu konzentriert sich auf einen anderen Parameter, der nicht von einer bestimmten Definition abhängt. Stattdessen werden Kühlprozesse als nicht im Gleichgewicht befindlich behandelt. Ein System soll sich im Gleichgewicht befinden, wenn sich seine grundlegenden Eigenschaften nicht mit der Zeit ändern Sie müssen beispielsweise verstehen, dass ein perfekt diffundiertes Gas, das in einer Box eingeschlossen ist, sein Volumen, seine Temperatur und die Gesamtzahl der Gasmoleküle ist.
Aber viele natürliche Phänomene – von Erdbeben und Luftturbulenzen bis hin zu schneller Abkühlung oder Klimawandel – treten auf, wenn die Dinge in einem offenen System weit vom Gleichgewicht entfernt sind. Um solche Nichtgleichgewichtsphänomene zu verstehen, benötigen Sie viel mehr als nur drei Zahlen.Während das durchschnittliche Verhalten der Moleküle in einer Box im Gleichgewicht an jedem Punkt weitgehend gleich ist, kann unter Nichtgleichgewichtsbedingungen die Temperatur an jedem Punkt unterschiedlich sein und die Dichte kann an jedem Punkt unterschiedlich sein. Das macht Nichtgleichgewichts-Systeme zu einem so herausfordernden Forschungsgebiet.
Raz und Lu kamen auf diese Idee beim Kaffee, als beide an der University of Maryland, College waren Park. Raz hatte kürzlich einen Artikel über „Markovian“ -Systeme gelesen, bei denen ein Objekt an ein Thermalbad gekoppelt ist, das nicht vom System betroffen ist. Ein Beispiel für ein Markovian-System ist eine Tasse heißen Kaffees, der mit der Atmosphäre verbunden ist: wann Der Kaffee kühlt ab, die Atmosphäre ändert sich im Wesentlichen nicht. Ein Kühlschrank ist jedoch betroffen, wenn Sie eine Tasse heißen Kaffee hineinstellen, was ihn zu einem „nicht-markovianischen“ System macht.
Das betrachtete Papier wie sich markovianische Systeme zum Gleichgewicht entspannen, und Lu dachte, dass dies mit dem Mpemba-Effekt zusammenhängen könnte. In der einfachsten Version ihres Modells betrachten sie ein im Gleichgewicht befindliches Basissystem wie das kalte Innere eines Kühlschranks und zwei anfangs heißere Systeme, wobei eines relativ heißer als das andere ist. Während sie abkühlen, entspannen sich diese beiden Systeme in Richtung des Grundgleichgewichtszustands. Raz und Lu haben gezeigt, dass unter diesen Bedingungen das heißere System das kühlere in Bezug auf die Temperaturänderungsrate umgehen kann, wobei es im Wesentlichen einen kürzeren „Weg“ zum Gleichgewicht nimmt, dh schneller abkühlt. Während also ein heißer Kaffee auf Ihrem Nach dem Newtonschen Gesetz der Kühlung kühlt sich der in einem Kühlschrank befindliche Kaffee anders ab, wenn der Kaffee in einer Art „Quench“ mit dem Kühlschrank interagiert.
In ihren Simulationen entdeckten Raz und Lu tatsächlich das Gegenteil Mpemba-Effekt zuerst, weil Raz Heizprozesse modelliert hatte und es einfach war, die Parameter so einzustellen, dass ein inverser Erwärmungseffekt erzeugt wurde. Erst danach, indem sie dieses Modell umkehrten, erzeugten sie einen allgemein anwendbaren Mpemba-ähnlichen Effekt. Um sicherzustellen, dass dieser Bypass-Effekt nicht nur auf dieses eine Modell beschränkt ist, haben sie ihn auf ein komplizierteres System erweitert, das als „Ising-Modell“ bekannt ist und in der Physik weit verbreitet ist, um Phasenübergänge in allen Bereichen von Ferromagnetismus bis Protein zu modellieren Faltung zu neuronalen Netzen und die Dynamik von Vogelschwärmen.
Das Ising-Modell wird typischerweise als 2D-Gitter dargestellt, wobei – bei magnetischen Materialien – an jedem Punkt des Gitters ein Partikel vorhanden ist. Jedes Partikel kann Seien Sie in einem von nur zwei Zuständen: entweder „hoch“ oder „runter“ drehen. Die Drehungen richten sich gerne parallel zu ihren Nachbarn aus, da dies die Gesamtenergie des Systems senkt. In der Tat, wenn Sie ein ferromagnetisches Material abkühlen Unterhalb eines kritischen Punktes – der „Curie-Temperatur“ – passen sich die Spins an, bis sie alle perfekt geordnet sind und einen Gleichgewichtszustand bilden: einen Ferromagneten.
Ein Mpemba-ähnlicher Effekt kann beobachtet werden, wenn Sie zwei haben nichtmagnetische Systeme oberhalb der Curie-Temperatur und koppeln sie zu einem kalten Wärmebad, das unterhalb der Curie-Temperatur liegt. Wenn das System abkühlt, drehen sich die Drehungen so, dass sie parallel ausgerichtet sind und ihre überschüssige Energie an das Wärmebad verlieren. Wenn das „heiße“ System vor dem „kalten“ magnetisiert, haben Sie einen Mpemba-ähnlichen Effekt. Wenn die Spins Energie aus dem Bad gewinnen und antiparallel drehen, sehen Sie außerdem den inversen Mpemba-Effekt. Raz und Lu haben tatsächlich Anti-Ferromagnete (nicht Ferromagnete) untersucht, bei denen die Spins antiparallel zueinander ausgerichtet werden wollen, aber die Prinzipien sind dieselben. Außerdem beobachteten sie keinen Phasenübergang, da sie kein 2D-System untersuchten, sondern eine 1D-Ising-Kette mit 15 Drehungen, bei der die Glieder nur mit ihren nächsten Nachbarn interagieren. „Aber Sie brauchen den Phasenübergang nicht, um den Effekt zu sehen“, sagt Raz. „Es reicht zu sehen, dass sich die gestaffelte Magnetisierung – der Unterschied in der Magnetisierung zwischen den Nachbarn – kreuzt, nämlich dass das anfangs heiße System einen niedrigeren Wert hat und es wird größer als das kalte System. “
Skeptische Köpfe
Burridge ist immer der Skeptiker und erklärt die Arbeit als„ eine interessante Theorie, aber es wird nicht gezeigt, dass solche Effekte möglich sind in jeder praktischen Situation beobachtet werden. “Die Autoren geben dies in der Einleitung ihrer Arbeit zu. Dies sind sehr einfache Modelle, um einen allgemeinen Beweis des Prinzips zu demonstrieren, und Raz und Lu haben ihre Theorie noch nicht auf Wasser ausgedehnt, was sehr hoch ist komplexes System, das sehr schwer zu simulieren ist: „Wasser ist kompliziert und hat viele ungewöhnliche Eigenschaften“, sagt Raz und weist darauf hin, dass beispielsweise Eis weniger dicht als Wasser ist – nicht dichter, wie man erwarten könnte.
Dennoch ist Gbur der Ansicht, dass dieser neue theoretische Rahmen „möglicherweise ein Spielveränderer“ in Bezug auf den Mpemba-Effekt ist, und er hat bereits Studien dazu in körnigen Materialien inspiriert. „Bisher gab es nie wirklich eine quantitative Studie Dies zeigt, dass heiße Dinge schneller gefrieren oder die Gleichgewichtstemperatur erreichen können als kältere “, sagt er. Goddard nennt es „eine elegante Darstellung und eine neuartige mathematische Analyse“, obwohl er zugibt, skeptisch zu sein, dass dies letztendlich den Mpemba-Effekt in Wasser erklären wird.
Es kommt alles darauf an, was als nächstes passiert. „Wir Wir haben einerseits viele unsichere Experimente und andererseits haben wir ein schönes theoretisches Modell, aber nur für einfache Systeme “, sagt Gbur. „Die nächste natürliche Sache wäre, ein Zwischensystem zu finden, in dem Theorie und Experiment direkt verglichen werden können.“ Genau darauf konzentrieren sich Raz und Lu jetzt, indem sie beispielsweise mit John Bechhoefer von der Simon Fraser University in Kanada zusammenarbeiten, um potenzielle Systeme zu identifizieren, die unter den richtigen Bedingungen den inversen Mpemba-Effekt aufweisen könnten. Dann könnten sie ein Experiment maßschneidern um diese Vorhersage zu testen.
Es ist ein weiterer Schritt in Richtung eines robusten theoretischen Rahmens für das Phänomen. Gbur zum einen verwurzelt sie. „Es ist eine so nette Idee“, sagt er, „es wäre fast so Schade, wenn sich herausstellte, dass der Mpemba-Effekt zu diesem Zeitpunkt nicht wahr ist. “ Ob Ihre Partygäste mit Ihrer Erklärung über das Fehlen von Eiswürfeln zufrieden sind, bleibt abzuwarten.
Granulare Effekte
Oren Raz und Zhiyue Lus Modell des Mpemba-Effekts hat Antonio Lasanta, Andrés Santos und Francisco Vega Reyes von der Universidad de Extremadura in Spanien zusammen mit Antonio Prados von der Universidad de Sevilla bereits dazu inspiriert, ein eigenes theoretisches Modell zu entwickeln, das einen Mpemba-Effekt in Granulatform zeigt Flüssigkeit, bestehend aus kugelförmigen Partikeln, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind (Phys. Rev. Lett. 119 148001). Der Schlüssel zu ihrem Modell, das auch einen umgekehrten Effekt vorhersagt, ist, dass ihre körnige Flüssigkeit harte unelastische Kugeln enthält. Wenn sie also kollidieren, sind die Partikel Energie durch andere Mechanismen als Wärmeverlust verlieren. „Heiße Partikel“ kollidieren häufiger als „kalte Partikel“ und können ausreichend abkühlen Es ist sehr schnell, sie zu überholen, wenn die anfängliche Energiedispersion des ersteren groß genug ist.
Interessant ist auch, dass Mpembas ursprüngliche Experimente mit Milch durchgeführt wurden, die ebenfalls aus vielen großen Partikeln besteht, die in Wasser suspendiert sind. Die Arbeit der spanischen Wissenschaftler könnte daher ein genaueres Modell für das sein, was Mpemba tatsächlich getan hat. Es könnte sich sogar als relevant für Wasser erweisen. Wenn die Probe nicht rein ist, sondern ähnlich große gelöste Partikel enthält, können diese Verunreinigungen einen Beitrag zum Mpemba-Effekt leisten.
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