Leau chaude gèle-t-elle vraiment plus vite que le froid ? Jennifer Ouellette décrit ce qui pourrait être une nouvelle compréhension théorique du soi-disant effet Mpemba – et pourquoi il prédit que l’eau froide pourrait même chauffer plus vite que l’eau chaude.
La nourriture est prête. Les boissons sont dans le frigo. Vous êtes prêt pour une fabuleuse fête festive. Mince! Vous n’avez pas de glaçons et les invités sont attendus dans quelques heures. Vous sprintez vers votre dépanneur local, mais il est débarrassé des sacs de fête remplis de glaçons. Pas de panique: vous êtes physicien et avez entendu parler de «leffet Mpemba» – cette eau chaude gèle plus vite que leau tiède ou froide. Vous remplissez donc votre bac à glaçons à partir du robinet deau chaude et placez-le dans le congélateur. Panique Ou est-ce que cest?
Les scientifiques ne sont toujours pas clairs sur les mécanismes précis derrière ce phénomène contre-intuitif – ou même si leffet Mpemba existe, car il sest avéré extrêmement difficile à reproduire de manière cohérente. dernière torsion, deux physiciens ont tracé un cadre théorique généralisé sur la façon dont un événement aussi inhabituel pourrait se produire dans des systèmes simples. « Leffet Mpemba nest pas quelque chose de spécial pour leau », déclare Oren Raz de lInstitut Weizmann des Sciences en Israël, qui a développé la théorie avec Zhiyue Lu de lUniversité de Chicago aux États-Unis (PNAS 114 5083). « Il devrait y avoir différents systèmes avec essentiellement le même effet. »
La théorie de Raz et Lu prédit également un effet Mpemba inverse: que dans certaines conditions, un système plus froid pourrait chauffer plus rapidement quun système chaud. Si cest vrai , ce serait une bonne nouvelle pour ceux qui croient que leau froide bout plus vite que leau tiède ou chaude, ce qui a été largement rejeté à ce jour comme un mythe scientifique. Leurs travaux ont également inspiré des scientifiques espagnols à concevoir leur propre modèle théorique montrant que le Mpemba Cet effet pourrait se produire dans un fluide granulaire constitué de sphères en suspension dans un liquide.
Convention difficile
Lidée que leau chaude gèle plus vite que le froid est nommée daprès Erasto Mpemba. En 1963, alors quil était un écolier en Tanzanie, il a remarqué que sa glace faite maison se congelait plus vite que les lots de ses camarades sil ne refroidissait pas le lait bouilli avant de le mettre au congélateur. En fait, ne pas refroidir leur lait avant de le congeler était une pratique courante parmi les vendeurs de glaces locaux à lépoque. Mais lobservation de Mpemba ne correspondait pas à ce quon lui avait dit sur la loi du refroidissement de Newton, qui dit que la vitesse à laquelle un corps se refroidit est proportionnelle à la différence de température entre ce corps et son environnement.
Les jeunes Mpemba a défié son professeur dexpliquer son observation, et a été carrément ridiculisé pour son problème (le professeur le rejetant sarcastiquement comme « la physique de Mpemba »). Mais lorsque Denis Osborne, physicien au University College Dar es Salaam, a visité lécole de Mpemba, Osborne a promis dessayer lexpérience à son retour à son université. Personnellement, il pensait que le garçon se trompait, mais estimait quaucune question ne devait être ridiculisée, et a admis quil pourrait y avoir dautres facteurs inconnus affectant le taux de refroidissement. La surprise dOsborne, les expériences ont fonctionné et il a fini par co-rédiger un article avec h Mpemba en 1969 (Phys. Ed. 4 172).
Leffet Mpemba est depuis lors un élément essentiel des expériences éducatives de bricolage à domicile, mais il na pas été le premier à le remarquer. Vers 350 av.J.-C., Aristote a observé quil était de coutume locale de mettre dabord de leau au soleil si lon voulait que le liquide refroidisse plus rapidement. Roger Bacon et (quatre siècles plus tard) Francis Bacon ont également plaidé pour lexistence dun tel effet, tout comme René Descartes. Et au cours des 10 à 15 dernières années, les scientifiques se sont penchés de plus près sur leffet Mpemba, dans lespoir de découvrir les causes précises dun tel phénomène contre-intuitif. La Royal Society of Chemistry a même parrainé un concours en 2012, invitant des scientifiques du monde entier à présenter leurs explications; Pourtant, aucun des plus de 20 000 articles soumis na abouti à un large consensus.
Explications concurrentes Lune des explications les plus courantes avancées par les scientifiques au fil des ans porte sur linfluence de la chaleur convective transfert, dans lequel leau forme des courants de convection en chauffant, transférant le liquide chaud à la surface, où il sévapore. En raison de cet effet, une tasse ouverte avec de leau chaude sévaporerait plus rapidement quun récipient similaire avec de leau froide, le liquide restant gelant donc plus rapidement. Mais cela limiterait leffet aux vaisseaux à toit ouvert, et certaines expériences ont également observé leffet dans des vaisseaux fermés.
La surfusion – où leau peut rester un liquide bien en dessous de son point de congélation habituel – peut également être impliquée, à condition que leau soit suffisamment exempte dimpuretés, qui autrement aident les liquides à se cristalliser en un solide. En effet, en 1995, David Auerbach – physicien alors à lInstitut Max Planck pour la dynamique des fluides à Göttingen, en Allemagne – a mené des expériences qui suggéraient que leau froide se refroidirait à une température plus basse que leau chaude (Am. J. Phys. 63 882) . Ses expériences ont révélé que leffet Mpemba se produit lorsque des cristaux de glace apparaissent dans un liquide surfondu à des températures plus élevées, ce qui signifie que, dans de tels cas, leau chaude semblerait geler en premier. En 2009, cependant, Jonathan Katz de lUniversité de Washington à St Louis a suggéré que peut-être des solutés comme le carbonate de calcium ou le carbonate de magnésium dans leau froide détiennent la clé – ils ralentissent le processus de congélation, donnant un avantage à leau chaude (Am. J. Phys.77 27).
Plus récemment, des chimistes exécutant des simulations moléculaires ont suggéré que leffet Mpemba pourrait être lié à la nature inhabituelle de la liaison hydrogène dans leau (J. Chem. Theory et Comp. 13 55). Ces liaisons intermoléculaires, qui sont plus faibles que les liaisons covalentes retenant ensemble les atomes dhydrogène et doxygène dans chaque molécule, se rompent lorsque leau est chauffée. Les molécules deau forment alors des fragments et se réalignent dans la structure cristalline de la glace, déclenchant ainsi le processus de congélation. Étant donné que leau froide doit dabord rompre ces liaisons hydrogène faibles avant que la congélation puisse commencer, il est logique que leau chaude commence à geler avant le froid. «Nous avons tendance à supposer que leau à basse température devrait être plus proche de la cristallisation», déclare William Goddard, chimiste au California Institute of Technology (Caltech), qui a modélisé des mécanismes similaires montrant que leau à basse température est en fait plus éloignée de ce point. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Malheureusement, aucune de ces explications proposées ne sest avérée suffisamment convaincante pour influencer les scientifiques sceptiques. Et des tentatives plus récentes de reproduire leffet de manière cohérente dans des expériences de laboratoire ont Charles Knight, qui étudie la glace au National Center for Atmospheric Research à Boulder, Colorado, a rappelé de façon mémorable à Physics World (février 2006 pp19-21) ses propres expériences, coincé dans une pièce à –15 ° C en attendant que leau geler dans des bacs à glaçons. Malgré ses meilleurs efforts pour luniformité, certains bacs ont commencé à geler en 15 minutes, dautres ont pris plus dune heure.
Ce type de variabilité élevée est typique des expériences Mpemba. « Cela suggère tome que si leffet existe, cela dépend de facteurs que les gens ne contrôlent toujours pas très bien », explique Greg Gbur, physicien à lUniversité de Caroline du Nord à Charlotte, qui est depuis longtemps fasciné par leffet Mpemba. « Il y a beaucoup dautres paramètres qui pourraient entrer en jeu, de petites différences entre deux échantillons apparemment identiques, autres que la température. Lorsque les choses changent très rapidement, il y a toutes sortes de dynamiques internes qui pourraient laffecter. »
Certains scientifiques doutent que cet effet existe. Henry Burridge de lImperial College de Londres est lun de ces sceptiques. Lannée dernière, lui et ses collègues ont mesuré le temps quil a fallu à des échantillons deau chaude et froide pour refroidir à 0 ° C, généralement le température à laquelle leau gèle. Selon Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665), rien dans aucune de ces expériences qui puisse servir de preuve dun quelconque effet Mpemba (2016 Sci. Rep. 6 37665).
Dautres encore ont soutenu que ce nest peut-être même pas le bon paramètre à mesurer, car dans de nombreux cas, leau ne gèlera pas à son soi-disant point de congélation. De plus, est-ce que quelque chose est considéré comme gelé lorsque les premiers cristaux de glace se forment ou lorsque le liquide dans un récipient donné est complètement gelé? « O a été formellement déclaré que leau chaude gèle en premier », explique Raz. « Mais comment décidez-vous du moment où quelque chose se fige? Ce nest pas un point dans le temps, cest un processus. »
Hors équilibre
Cest pourquoi le nouveau cadre théorique a été développé par Raz et Lu se concentre sur un paramètre différent qui ne dépend pas dune définition spécifique. Au lieu de cela, il traite les processus de refroidissement comme étant hors déquilibre. Un système est dit en équilibre lorsque ses propriétés de base ne changent pas avec le temps. Tout vous devez comprendre, par exemple, un gaz parfaitement diffus enfermé dans une boîte, cest son volume, sa température et le nombre total de molécules de gaz.
Mais de nombreux phénomènes naturels – des tremblements de terre et de la turbulence de lair au refroidissement rapide ou le changement climatique – se produit lorsque les choses sont loin de léquilibre dans un système ouvert Pour comprendre ces phénomènes de non-équilibre, il vous faut bien plus que trois chiffres.Alors que le comportement moyen des molécules dans une boîte à léquilibre sera largement le même en tout point, dans des conditions de non-équilibre, la température peut être différente en chaque point et la densité peut être différente en chaque point. Cest ce qui fait des systèmes hors équilibre un domaine de recherche si difficile.
Raz et Lu ont eu cette idée autour dun café alors quils étaient tous les deux à luniversité du Maryland, à luniversité Se garer. Raz avait lu un article récent sur les systèmes «markoviens», qui sont ceux où un objet est couplé à un bain thermal qui nest pas affecté par le système. Un exemple de système markovien est une tasse de café chaud reliée à latmosphère: quand le café se refroidit, l’atmosphère ne change pratiquement pas. Un réfrigérateur, cependant, est affecté si vous mettez une tasse de café chaud à l’intérieur, ce qui en fait un système «non-markovien».
comment les systèmes markoviens se relâchent à léquilibre, et Lu pensait que cela pourrait être lié à leffet Mpemba. Dans la version la plus simple de leur modèle, ils considèrent un système de base en équilibre, comme lintérieur froid dun réfrigérateur, et deux systèmes initialement plus chauds, lun étant relativement plus chaud que lautre. En refroidissant, ces deux systèmes se détendent vers létat déquilibre de base. Raz et Lu ont montré que dans ces conditions, le système le plus chaud peut contourner le système le plus froid en termes de taux de changement de température, empruntant essentiellement un «chemin» plus court vers léquilibre, cest-à-dire un refroidissement plus rapide. Donc, alors quun café chaud sur votre le bureau se refroidit selon la loi du refroidissement de Newton, le café placé dans un réfrigérateur se refroidit différemment lorsque le café interagit avec le réfrigérateur dans une sorte de «trempe».
Dans leurs simulations, Raz et Lu ont en fait découvert linverse Effet Mpemba dabord parce que Raz avait modélisé les processus de chauffage et ils ont trouvé quil était facile de définir les paramètres pour produire un effet de chauffage inverse. Ce nest quaprès coup, en inversant ce modèle, quils ont produit un effet de type Mpemba plus généralement applicable. Mais pour sassurer que cet effet de contournement ne se limite pas à ce seul modèle, ils lont étendu à un système plus compliqué connu sous le nom de «modèle dIsing», largement utilisé en physique pour modéliser les transitions de phase dans tout, du ferromagnétisme aux protéines. pliage aux réseaux de neurones et à la dynamique des oiseaux en vol.
Le modèle dIsing est généralement représenté sous la forme dun réseau 2D, avec – dans le cas des matériaux magnétiques – une particule à chaque point de la grille. Chaque particule peut être dans lun des deux états suivants: soit tourner «vers le haut», soit tourner «vers le bas». Les spins aiment saligner en parallèle avec leurs voisins car cela réduit lénergie globale du système. En effet, si vous refroidissez un matériau ferromagnétique en dessous dun point critique – la « température de Curie » – les spins sajustent jusquà ce quils soient tous parfaitement ordonnés, formant un état déquilibre: un ferromagnet.
Un effet de type Mpemba peut être observé si vous en avez deux systèmes non magnétiques au-dessus de la température de Curie et les coupler à un bain de chaleur froide qui se situe en dessous de la température de Curie. Au fur et à mesure que le système se refroidit, les rotations se retournent pour saligner en parallèle et perdre leur excès dénergie au bain de chaleur. Si le système « chaud » se magnétise avant le « froid », vous obtenez un effet de type Mpemba. De plus, si les spins gagnent de l’énergie du bain et se retournent de manière antiparallèle, vous voyez l’effet Mpemba inverse. Raz et Lu ont en fait étudié les anti-ferromagnétiques (et non les ferromagnétiques) dans lesquels les spins veulent saligner de manière antiparallèle, mais les principes sont les mêmes. De plus, ils nont pas strictement observé de transition de phase car ils nont pas étudié un système 2D, mais une chaîne Ising 1D avec 15 spins, où les liens ninteragissent quavec leurs plus proches voisins. « Mais vous navez pas besoin de la transition de phase pour voir leffet », dit Raz. « Il suffit de voir que laimantation échelonnée – la différence de magnétisation entre voisins – se croise, à savoir que le système initialement chaud a une valeur inférieure, et il devient plus grand avant celui du système froid. »
Esprits sceptiques
Toujours sceptique, Burridge déclare que le travail est » une théorie intéressante, mais il nest pas démontré que de tels effets peuvent être observés dans toutes les situations pratiques. »Les auteurs ladmettent dans lintroduction de leur article. Ce sont des modèles très simples pour démontrer une preuve générale de principe, et Raz et Lu nont pas encore étendu leur théorie à leau, ce qui est très système complexe qui est très difficile à simuler. «Leau est compliquée, avec de nombreuses propriétés inhabituelles», explique Raz, soulignant que la glace, par exemple, est moins dense que leau – pas plus dense, comme on pourrait sy attendre.
Pourtant, Gbur pense que ce nouveau cadre théorique est « peut-être un changeur de jeu » en termes deffet Mpemba et il en a déjà inspiré des études dans des matériaux granulaires. « Auparavant, il ny a jamais vraiment eu détude quantitative. montrant quil est possible que les choses chaudes gèlent ou atteignent la température déquilibre plus rapidement que les choses plus froides », dit-il. Goddard lappelle « une exposition élégante et une nouvelle analyse mathématique », bien quil admette être sceptique quant au fait que cela finira par expliquer leffet Mpemba dans leau.
Tout se résume à ce qui se passe ensuite. « Nous «Nous avons dune part beaucoup dexpériences incertaines, et dautre part nous avons un beau modèle théorique, mais uniquement pour des systèmes simples», déclare Gbur. « La prochaine chose naturelle serait de trouver un système intermédiaire où la théorie et lexpérience pourraient être comparées directement. » Cest exactement ce sur quoi Raz et Lu se concentrent actuellement, en collaborant, par exemple, avec John Bechhoefer de lUniversité Simon Fraser au Canada pour identifier les systèmes potentiels qui pourraient présenter leffet Mpemba inverse dans les bonnes conditions. Ils seraient alors en mesure dadapter une expérience. pour tester cette prédiction.
Cest encore une autre étape vers un cadre théorique robuste pour le phénomène. Gbur, pour sa part, les encourage. « Cest une idée tellement géniale », dit-il, « ce serait presque dommage si l’effet Mpemba n’était pas vrai à ce stade. Si vos invités seront satisfaits de votre explication sur leur manque de glaçons – eh bien, cela reste à voir.
Effets granulaires
Oren Raz et le modèle de Zhiyue Lu de leffet Mpemba a déjà inspiré Antonio Lasanta, Andrés Santos et Francisco Vega Reyes de lUniversidad de Extremadura en Espagne, avec Antonio Prados de lUniversidad de Sevilla, à concevoir leur propre modèle théorique montrant un effet Mpemba dans un granulaire fluide, constitué de particules sphériques en suspension dans un fluide (Phys. Rev. Lett. 119 148001). La clé de leur modèle, qui prédit également un effet inverse, est que leur fluide granulaire contient des sphères inélastiques dures. Ainsi, lorsquelles entrent en collision, les particules perdent de lénergie par des mécanismes autres que la perte thermique. Les «particules chaudes» entrent en collision plus fréquemment que les suffisamment rapides pour les dépasser, lorsque la dispersion d’énergie initiale du premier est suffisamment grande.
Ce qui est intéressant aussi, c’est que les expériences originales de Mpemba étaient avec du lait, qui se compose également de beaucoup de grosses particules en suspension dans l’eau. Les travaux des scientifiques espagnols peuvent donc être un modèle plus proche de ce que Mpemba a réellement fait. Cela pourrait même savérer pertinent pour leau aussi. Après tout, si léchantillon nest pas pur mais contient de grosses particules de soluté similaires, ces impuretés pourraient être un facteur contribuant à leffet Mpemba.
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