Jäätyykö kuuma vesi todella nopeammin kuin kylmä ? Jennifer Ouellette kuvaa, mikä voisi olla uusi teoreettinen käsitys ns. Mpemba-vaikutuksesta – ja miksi se ennustaa, että kylmä vesi voi jopa lämmetä nopeammin kuin lämmin vesi.
Ruoka on valmis. Juomat ovat jääkaapissa. Olet valmistautunut upeaan juhlaan. Pahuksen! Sinulla ei ole jääkuutioita, ja vieraat erääntyvät muutaman tunnin kuluttua. Juokset paikalliseen lähikauppaan, mutta se on puhdas jääkuutioiden juhlasäkistä. Ei paniikkia: olet fyysikko ja olet kuullut ”Mpemba-ilmiöstä” – että kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin haaleaa tai viileää vettä. Täytät siis jääpalakelkansi kuumasta hanasta ja laitat sen pakastimeen. Vai onko se?
Tutkijoilla ei ole vieläkään selvää täsmällisistä mekanismeista tämän intuitiivisen ilmiön takana – tai vaikka Mpemba-ilmiö olisi olemassa ollenkaan, koska sen toistaminen on osoittautunut hulluksi vaikeaksi. Viimeisimmän käännöksen mukaan kaksi fyysikkoa on kartoittanut yleisen teoreettisen kehyksen sille, kuinka tällainen epätavallinen tapahtuma voi tapahtua yksinkertaisissa järjestelmissä. ”Mpemba-ilmiö ei ole mikään erikoinen vedelle”, kertoo Oren Raz Weizmannin tiedeinstituutista Israelissa. teoria Zhiyue Lu: n kanssa Chicagon yliopistosta Yhdysvalloista (PNAS 114 5083). ”Olisi oltava erilaisia järjestelmiä, joilla on olennaisesti sama vaikutus.”
Razin ja Luin teoria ennustaa myös käänteisen Mpemba-vaikutuksen: että tietyissä olosuhteissa kylmempi järjestelmä voi lämmetä nopeammin kuin lämmin. Jos totta , se olisi tervetullut uutinen niille, jotka uskovat kylmän veden kiehuvan nopeammin kuin lämmin tai kuuma vesi, mikä on toistaiseksi hylätty tieteellisenä myyttinä.Niiden työ on myös innoittanut espanjalaisia tutkijoita laatimaan oman teoreettisen mallin, joka osoittaa, että Mpemba vaikutus voi esiintyä rakeisessa nesteessä, joka koostuu nesteeseen suspendoiduista palloista.
Haastava käytäntö
Ajatus siitä, että kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä, on nimetty Erasto Mpemban mukaan. Vuonna 1963, kun hän oli koulupoika Tansaniassa, hän huomasi, että hänen kotitekoinen jäätelö jäätyi nopeammin kuin koulukaveriensa erät, jos hän ei jäähdyttänyt keitettyä maitoa ennen sen asettamista pakastimeen. Itse asiassa maidon jäähdyttäminen ennen pakastamista oli yleinen käytäntö paikallisten jäätelömyyjien keskuudessa tällä hetkellä. Mutta Mpemban havainto ei vastannut sitä, mitä hänelle oli kerrottu Newtonin jäähdytyslaista, jonka mukaan kehon jäähtymisnopeus on verrannollinen kehon ja sen ympäristön väliseen lämpötilaeroon.
Nuori Mpemba haastoi opettajansa selittämään havaintonsa, ja häntä pilkattiin kiivaasti hänen ongelmistaan (opettaja hylkäsi sen sarkastisesti nimellä ”Mpemban fysiikka”). Mutta kun Denis Osborne, Dar es Salaamin yliopiston fyysikko, vieraili Mpemban koulussa, poika poseerasi sama kysymys. Osborne lupasi kokeilla kokeilua palattuaan yliopistoonsa. Henkilökohtaisesti hän piti poikaa väärässä, mutta katsoi, ettei kysymystä pitäisi pilkata, ja myönsi, että jäähtymisnopeuteen saattaa olla muita tuntemattomia tekijöitä. Osbornen yllätys, kokeet toimivat ja hän päätyi kirjoittamaan paperin h Mpemba vuonna 1969 (Phys. Toim. 4 172).
Mpemba-vaikutus on siitä lähtien ollut olennainen osa DIY-koulukotikokeita, mutta hän ei huomannut sitä ensimmäisenä. Noin 350 eKr. Aristoteles huomautti, että paikallisella tapalla oli laittaa ensin aurinkoon vettä, jos joku halusi nesteen jäähtyvän nopeammin. Roger Bacon ja (neljä vuosisataa myöhemmin) Francis Bacon myös väittivät tällaisen vaikutuksen olemassaoloa, samoin kuin René Descartes. Viimeisten 10–15 vuoden aikana tutkijat ovat tarkastelleet tarkemmin Mpemba-vaikutusta toivoen kiusoittavansa tällaisen intuitiivisen ilmiön tarkat syyt. Royal Society of Chemistry sponsoroi jopa kilpailua vuonna 2012 ja kutsui tutkijoita ympäri maailmaa tarjoamaan selityksiä; mikään yli 20000 toimitetusta paperista ei tuottanut laajaa yksimielisyyttä.
Kilpailijoiden selitykset Yksi yleisimmistä tutkijoiden vuosien varrella esittämistä selityksistä keskittyy konvektiivisen lämmön vaikutukseen siirto, jossa vesi muodostaa lämpenemisen aikana konvektiovirtoja ja siirtää kuumaa nestettä pinnalle, missä se haihtuu. Tämän vaikutuksen vuoksi avoin kuppi kuumalla vedellä haihtuisi nopeammin kuin vastaava astia, jossa on viileää vettä, jolloin jäljellä oleva neste jäätyy siis nopeammin. Mutta tämä rajoittaisi vaikutusta avoimiin astioihin, ja joissakin kokeissa on havaittu vaikutusta myös suljetuissa astioissa.
Ylijäähdytys – jossa vesi voi pysyä nesteenä tavallisen jäätymispisteen alapuolella – voi myös olla mukana edellyttäen, että vedessä ei ole riittävästi epäpuhtauksia, jotka muuten auttavat nesteitä kiteytymään kiinteäksi aineeksi. Itse asiassa vuonna 1995 David Auerbach – fyysikko sitten Max Planckin nestedynamiikan instituutissa Göttingenissä, Saksassa – suoritti kokeita, jotka viittasivat kylmän veden ylijäähdyttämiseen alhaisempaan lämpötilaan kuin kuuma vesi (Am. J. Phys. 63 882) . Hänen kokeensa paljastivat, että Mpemba-ilmiö tapahtuu, kun jääkiteitä esiintyy ylijäähdytetyssä nesteessä korkeammissa lämpötiloissa, mikä tarkoittaa, että tällaisissa tapauksissa kuuma vesi näyttäisi jäätyvän ensin. Vuonna 2009 Jonathan Katz Washingtonin yliopistosta St Louisista ehdotti kuitenkin, että ehkä kylmässä vedessä olevat kalsiumkarbonaatin tai magnesiumkarbonaatin kaltaiset liuenneet aineet pitävät avainta – ne hidastavat jäätymisprosessia antaen reunan kuumalle vedelle (Am. J. Phys. 77 27).
Viime aikoina molekyylisimulaatioita suorittavat kemistit ovat ehdottaneet, että Mpemba-vaikutus saattaisi liittyä vetysidoksen epätavalliseen luonteeseen vedessä (J. Chem. Theory ja Comp. 13 55). Nämä molekyylien väliset sidokset, jotka ovat heikompia kuin kovalenttiset sidokset, jotka pitävät vety- ja happiatomeja kussakin molekyylissä yhdessä, hajoavat, kun vettä kuumennetaan. Sitten vesimolekyylit muodostavat fragmentteja ja kohdistuvat uudelleen jään kiteiseen rakenteeseen käynnistämällä jäätymisprosessin. Koska kylmän veden täytyy ensin rikkoa nuo heikot vetysidokset ennen jäätymisen alkamista, on järkevää, että kuuma vesi alkaa jäätyä ennen kylmää. ”Meillä on tapana olettaa, että matalalämpötilan veden tulisi olla lähempänä kiteytymistä”, kertoo Kalifornian teknillisen instituutin (Caltech) kemisti William Goddard, joka on mallinnanut samanlaisia mekanismeja osoittaen, että alhaisemman lämpötilan vesi on tosiasiallisesti kauempana tästä pisteestä. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Valitettavasti mikään näistä ehdotetuista selityksistä ei ole osoittautunut riittävän vakuuttavaksi skeptisten tutkijoiden houkuttelemiseksi. Ja uudemmat yritykset toistaa vaikutus jatkuvasti laboratoriokokeissa ovat Charles Knight, joka opiskelee jäätä Boulderissa, Coloradossa sijaitsevassa kansallisessa ilmakehätutkimuskeskuksessa, muisteli fysiikkamaailmaan (helmikuu 2006 s. 19–21) mieleenpainuvasti omia kokeitaan, jotka olivat jumissa huoneen lämpötilassa –15 ° C odottaen veden pääsyä jäätyy jääkuutioalustoihin. Huolimatta hänen parhaisista pyrkimyksistään yhtenäisyydelle, jotkut tarjottimet alkoivat jäätyä 15 minuutissa, toiset kesti yli tunnin.
Tällainen suuri vaihtelu on tyypillistä Mpemba-kokeille. ”Se ehdottaa minulle että jos vaikutus on olemassa, se riippuu tekijöistä, joita ihmiset eivät vieläkään hallitse kovin hyvin ”, sanoo Greg Gbur, fyysikko Pohjois-Carolinan yliopistosta Charlotteista, jota Mpemba-vaikutus on pitkään kiehtonut. ”On olemassa monia muita parametreja, jotka saattavat tulla peliin, pieniä eroja kahden näennäisesti identtisen näytteen välillä, lukuun ottamatta lämpötilaa. Kun asiat muuttuvat hyvin nopeasti, siihen voi olla kaikenlaista sisäistä dynamiikkaa.”
Jotkut tutkijat epäilevät vaikutuksen olemassaoloa ollenkaan. Henry Burridge Imperial College Londonista on yksi tällainen skeptikko. Viime vuonna hän ja hänen kollegansa mittaivat kuinka kauan kuumien ja kylmien vesinäytteiden viilentyminen 0 ° C: seen, tyypillisesti Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665) mukaan he eivät havainneet mistään näistä kokeista mitään sellaista, mikä osoittaisi minkäänlaista Mpemba-vaikutusta.
Toiset ovat väittäneet että tämä ei ehkä ole edes oikea parametri mitattavaksi, koska vesi ei useinkaan jääty ns. jäätymispisteessä.Lisäksi sitä pidetään jäätyneenä, kun muodostuu ensimmäisiä jääkiteitä tai kun neste tietyssä astiassa on täysin jäätynyt? ”O Alun perin todettiin, että kuuma vesi jäätyy ensin ”, Raz sanoo. ”Mutta kuinka päätät ajankohdan, jolloin jokin jäätyy? Se ei ole ajankohta, vaan prosessi.”
Tasapainosta
Siksi uusi teoreettinen kehys kehitettiin Raz ja Lu keskittyvät eri parametriin, joka ei riipu tietystä määritelmästä. Sen sijaan se pitää jäähdytysprosesseja tasapainottomina. Järjestelmän sanotaan olevan tasapainossa, kun sen perusominaisuudet eivät muutu ajan myötä. sinun on ymmärrettävä esimerkiksi laatikkoon suljettu täysin diffundoitu kaasu, sen tilavuus, lämpötila ja kaasumolekyylien kokonaismäärä.
Mutta monet luonnonilmiöt – maanjäristyksistä ja ilman turbulenssista nopeaan jäähdytykseen tai ilmastonmuutos – tapahtuu, kun asiat eivät ole kaukana tasapainosta avoimessa järjestelmässä. Tällaisten epätasapainoisten ilmiöiden ymmärtämiseen tarvitaan paljon enemmän kuin vain kolme lukua.Kun laatikossa olevien molekyylien keskimääräinen käyttäytyminen tasapainossa on pitkälti sama kaikissa pisteissä, epätasapainoisissa olosuhteissa lämpötila voi olla erilainen kaikissa pisteissä ja tiheys voi olla erilainen kaikissa pisteissä. Siksi epätasapainojärjestelmät ovat niin haastava tutkimusalue.
Raz ja Lu keksivät tämän idean kahvilla ollessaan molemmat Marylandin yliopistossa, College Pysäköidä. Raz oli lukenut äskettäin julkaistun artikkelin ”Markovian” -järjestelmistä, jotka ovat sellaisia, joissa esine on kytketty lämpökylpyyn, johon järjestelmä ei vaikuta. Yksi esimerkki Markovian-järjestelmästä on kuppi kuumaa kahvia, joka on kytketty ilmakehään: kun kahvi jäähtyy, ilmakehä ei käytännössä muutu. Jääkaappiin vaikuttaa kuitenkin se, jos laitat kupin kuumaa kahvia sisälle, mikä tekee siitä ”ei-markovilaisen” järjestelmän.
Paperi katsoi kuinka Markovian järjestelmät rentoutuvat tasapainoon, ja Lu ajatteli, että se saattaa liittyä Mpemba-ilmiöön. Mallinsa yksinkertaisimmassa versiossa he pitävät tasapainossa olevaa perusjärjestelmää, kuten jääkaapin kylmää sisätilaa, ja kahta alun perin kuumempaa järjestelmää, joista toinen on suhteellisen kuumempi kuin toinen. Jäähtyessään nämä kaksi järjestelmää rentoutuvat kohti tasapainotilan perustilaa. Raz ja Lu osoittivat, että näissä olosuhteissa kuumempi järjestelmä voi ohittaa viileämmän lämpötilan muutosnopeuden suhteen ja kuljettaa olennaisesti lyhyemmän ”polun” tasapainoon eli jäähdyttää nopeammin. Newtonin jäähdytyslain mukaan jääkaapin kylmät jääkaappiin asetettu kahvi jäähtyy eri tavalla, kun kahvi on vuorovaikutuksessa jääkaapin kanssa eräänlaisena ”sammutuksena”.
Simulaatioissaan Raz ja Lu löysivät käänteisen Mpemba-vaikutus, koska Raz oli mallinnanut lämmitysprosesseja ja heidän mielestään parametrien asettaminen käänteisen lämmitysvaikutuksen aikaansaamiseksi oli helppoa. Vasta myöhemmin, kääntämällä tätä mallia, he tuottivat yleisesti sovellettavan Mpemban kaltaisen vaikutuksen. Mutta varmistaakseen, että tämä ohitusvaikutus ei rajoittunut vain yhteen malliin, he laajensivat sen monimutkaisempaan järjestelmään, joka tunnetaan nimellä ”Ising-malli”, jota käytetään fysiikassa laajalti mallintamaan vaihesiirtymiä kaikessa ferromagneettisuudesta ja proteiinista taittuminen hermoverkkoihin ja parvistuvien lintujen dynamiikka.
Ising-malli kuvataan tyypillisesti 2D-ristikkona, jossa – magneettisten materiaalien tapauksessa – hiukkanen ristikon jokaisessa kohdassa. olla jossakin vain kahdesta tilasta: joko pyöriä ”ylös” tai ”alas”. Pyöräytykset haluavat olla rivissä rinnakkain naapureidensa kanssa, koska se alentaa järjestelmän kokonaisenergiaa. Todellakin, jos jäähdytät ferromagneettista materiaalia kriittisen pisteen – ”Curie-lämpötilan” – alapuolella pyöräytykset säätävät itsensä, kunnes ne kaikki ovat täydellisesti järjestettyinä, muodostaen tasapainotilan: ferromagneetin.
Mpemban kaltainen vaikutus voidaan havaita, jos sinulla on kaksi ei-magneettiset järjestelmät Curie-lämpötilan yläpuolella ja pariliitä ne kylmään lämpökylpyyn, joka on Curie-lämpötilan alapuolella. Kun järjestelmä jäähtyy, pyörii kääntyy niin, että ne asettuvat rinnakkain ja menettävät ylimääräisen energiansa lämpökylpyyn. Jos ”kuuma” järjestelmä magnetisoituu ennen ”kylmää”, sinulla on Mpemban kaltainen vaikutus. Lisäksi, jos pyörii saa energiaa kylvystä ja kääntyy rinnakkain, näet käänteisen Mpemba-vaikutuksen. Raz ja Lu tutkivat tosiasiallisesti ferromagneetteja (ei ferromagneetteja), joissa pyörii haluaa olla rinnakkain toistensa kanssa, mutta periaatteet ovat samat. He eivät myöskään noudattaneet tarkasti vaihesiirtymistä, koska he eivät tutkineet 2D-järjestelmää, vaan 1D Ising -ketjua, jossa on 15 kierrosta, joissa linkit ovat vuorovaikutuksessa vain lähimpien naapureidensa kanssa. ”Mutta sinun ei tarvitse vaihesiirtymistä nähdäksesi vaikutuksen”, sanoo Raz. ”Riittää nähdä, että porrastettu magneettisuus – ero naapureiden välisessä magnetoinnissa – ylittää, nimittäin että alun perin kuumalla järjestelmällä on pienempi arvo ja se tulee suuremmaksi kuin kylmäjärjestelmän. ”
Skeptiset mielet
Aina skeptikko Burridge julistaa työn olevan mielenkiintoinen teoria, mutta ei ole osoitettu, että tällaiset vaikutukset voisivat kirjailijat myöntävät niin paljon julkaisunsa johdannossa. Nämä ovat hyvin yksinkertaisia malleja yleisen periaatteen todistamiseksi, eikä Raz ja Lu ole vielä laajentaneet teoriaansa veteen, mikä on erittäin monimutkainen järjestelmä, jota on hyvin vaikea simuloida. ”Vesi on monimutkaista, sillä on monia epätavallisia ominaisuuksia”, Raz sanoo ja huomauttaa, että esimerkiksi jää on vähemmän tiheää kuin vesi – ei tiheämpi, kuten voisi odottaa.
Gburin mielestä tämä uusi teoreettinen kehys on ”mahdollisesti pelinvaihtaja” Mpemba-vaikutuksen kannalta ja se on jo innoittanut tutkimuksia siitä rakeisissa materiaaleissa. ”Aikaisemmin ei ole koskaan ollut kvantitatiivista tutkimusta osoittaa, että kuumien asioiden on mahdollista jäätyä tai saavuttaa tasapainolämpötila nopeammin kuin kylmemmillä, hän sanoo. Goddard kutsuu sitä ”tyylikkääksi näyttelyksi ja uudeksi matemaattiseksi analyysiksi”, vaikka hän myöntää olevansa skeptinen, että se selittää viime kädessä Mpemba-vaikutuksen vedessä.
Kaikki riippuu seuraavasta. ”Me ”Toisaalta meillä on paljon epävarmoja kokeita, ja toisaalta meillä on mukava teoreettinen malli, mutta vain yksinkertaisille järjestelmille”, Gbur sanoo. ”Seuraava luonnollinen asia olisi löytää välijärjestelmä, jossa teoriaa ja kokeita voitaisiin verrata suoraan.” Juuri tähän Raz ja Lu keskittyvät nyt tekemällä yhteistyötä esimerkiksi John Bechhoeferin kanssa Kanadan Simon Fraserin yliopistossa mahdollisten järjestelmien tunnistamiseksi, joilla saattaa olla käänteinen Mpemba-vaikutus oikeassa olosuhteissa.Ne voivat sitten räätälöidä kokeen testata tätä ennustusta.
Se on jälleen yksi askel kohti vankkaa teoreettista kehystä ilmiölle. Esimerkiksi Gbur juurtuu heille. ”Se on niin siisti idea”, hän sanoo, ”se melkein olisi olla sääli, jos Mpemba-ilmiö ei tässä vaiheessa ole totta. ” Tyydyttävätkö puolueesi vieraat selitykselläsi heidän jääpalojen puutteestaan – no, se jää nähtäväksi.
Rakeiset vaikutukset
Oren Raz ja Zhiyue Lu: n malli Mpemba-vaikutuksesta on jo innoittanut Antonio Lasantan, Andrés Santosin ja Francisco Vega Reyesin Espanjan Universidad de Extremadurasta yhdessä Antonio Pradosin kanssa Universidad de Sevillasta keksimään oman teoreettisen mallin, joka esittää Mpemba-vaikutuksen rakeisena neste, joka koostuu pallomaisista hiukkasista, jotka on suspendoitu nesteeseen (Phys. Rev. Lett. 119 148001). Avain heidän malliinsa, joka ennustaa myös käänteisen vaikutuksen, on, että heidän rakeinen neste sisältää kovia joustamattomia palloja. Joten törmätessään hiukkaset törmäävät menettää energiaa muiden mekanismien kuin lämpöhäviön kautta. ”Kuumat hiukkaset” törmäävät useammin kuin ”kylmät hiukkaset” ja voivat jäähdyttää riittävästi tietysti nopeasti niiden ohittamiseksi, kun edellisen energian alkuperäinen dispersio on riittävän suuri.
Kiinnostavaa on myös se, että Mpemban alkuperäiset kokeet olivat maitoa, joka koostuu myös paljon suurista hiukkasista, jotka on suspendoitu veteen. Espanjalaisten tutkijoiden työ voi siis olla lähempi malli sille, mitä Mpemba todella teki. Se voi jopa osoittautua merkitykselliseksi myös vedelle. Loppujen lopuksi, jos näyte ei ole puhdas, mutta siinä on yhtä suuria liuenneita hiukkasia, nämä epäpuhtaudet voivat olla myötävaikuttava tekijä Mpemba-vaikutukseen.
- Nauti muusta Physics World -lehti julkaistiin joulukuussa 2017 digitaalisessa lehdessä tai Physics World -sovelluksen kautta mille tahansa iOS- tai Android-älypuhelimelle tai -tabletille. Fysiikan instituutin jäsenyys vaaditaan