lágy anyagok és folyadékok

Az étel készen áll. Az italok a hűtőben vannak. Minden készen áll egy mesés ünnepi partira. Átkozott! Nincsenek jégkockák, és a vendégek pár órán belül esedékesek. Sprintel a helyi kisboltba, de ez tiszta a jégkockákból álló parti zsákokból. Nem kell pánikba esni: Ön fizikus és hallott már az “Mpemba-effektusról” – a forró víz gyorsabban fagy meg, mint a langyos vagy a hideg víz. Tehát a forró csapból megtölti a jégkockatálcát, és a fagyasztóba teszi. Vagy nem?

A tudósoknak még mindig nincsenek tisztában az ellent intuitív jelenség mögött meghúzódó pontos mechanizmusokkal – vagy még akkor sem, ha az Mpemba-effektus egyáltalán létezik, mivel őrületesen nehéz következetes reprodukálni. A legújabb fordulat szerint két fizikus egy általánosított elméleti keretet térképezett fel arra vonatkozóan, hogyan fordulhat elő egy ilyen szokatlan esemény egyszerű rendszerekben. “Az Mpemba-effektus nem valami különleges a vízben” – mondja Oren Raz, az izraeli Weizmann Tudományos Intézet munkatársa. az elmélet Zhiyue Lu-val az amerikai Chicagói Egyetemen (PNAS 114 5083). “Különböző rendszernek kell lennie, lényegében ugyanazzal a hatással.”

Raz és Lu elmélete szintén inverz Mpemba-hatást jósol: bizonyos körülmények között egy hidegebb rendszer gyorsabban melegedhet, mint egy meleg. Ha igaz , örvendetes hír lenne azok számára, akik úgy gondolják, hogy a hideg víz forróbb, mint a meleg vagy a forró víz, amelyet eddig tudományos mítoszként elutasítottak. Munkájuk arra ösztönözte a spanyol tudósokat, hogy dolgozzanak ki saját elméleti modellt, amely megmutatja, hogy az Mpemba A hatás folyadékban szuszpendált gömbökből álló szemcsés folyadékban fordulhat elő.

Kihívó szokás

Az a felfogás, hogy a forró víz gyorsabban fagy, mint a hideg, Erasto Mpemba nevéhez fűződik. 1963-ban, míg ő iskolás volt Tanzániában, észrevette, hogy házi készítésű fagylaltja gyorsabban fagy, mint iskolatársainak tételei, ha a főtt tejet nem hűti le, mielőtt a fagyasztóba tenné. Valójában a tej hűtése fagyasztás előtt általános gyakorlat a helyi fagylaltárusok között akkor. De Mpemba megfigyelése nem egyezett meg azzal, amit Newton hűtési törvényéről elmondtak, amely szerint a test lehűlési sebessége arányos a test és környezete közötti hőmérséklet-különbséggel.

A fiatalok Mpemba kihívta tanárát, hogy magyarázza meg megfigyelését, és gúnyosan kigúnyolták a baja miatt (a tanár gúnyosan elutasította „Mpemba fizikája” néven). De amikor Denis Osborne, a Dar es Salaami Egyetemi Főiskola fizikusa meglátogatta Mpemba iskoláját, a fiú pózolt ugyanaz a kérdés. Osborne megígérte, hogy megpróbálja kipróbálni a kísérletet, amikor visszatér az egyetemére. Személy szerint úgy gondolta, hogy a fiú tévedett, de úgy érezte, hogy semmiféle kérdést nem szabad csúfolódni, és elismerte, hogy más ismeretlen tényezők is befolyásolhatják a hűtés sebességét. Osborne meglepetése, a kísérletek működtek, és végül társszerző volt egy papíron h Mpemba 1969-ben (Phys. Ed. 4 172).

Az Mpemba-effektus azóta is a barkácsolási oktatási otthoni kísérletek alapeleme, de nem ő vette észre először. Kr. E. 350 körül Arisztotelész megfigyelte, hogy helyi szokás volt először a Napba tenni a vizet, ha azt akarták, hogy a folyadék gyorsabban lehűljön. Roger Bacon és (négy évszázaddal később) Francis Bacon is ilyen hatás fennállása mellett érvelt, akárcsak René Descartes. Az elmúlt 10–15 évben a tudósok alaposabban megvizsgálták az Mpemba-hatást, és reménykedtek abban, hogy fel tudják ugratni egy ilyen ellen intuitív jelenség pontos okait. A Királyi Kémiai Társaság 2012-ben még egy versenyt is szponzorált, amely a világ minden tájáról származó tudósokat hívott fel magyarázataik kifejtésére; mégis a benyújtott több mint 20 000 írás egyike sem hozott széles körű konszenzust.

Versenyző magyarázatok Az egyik leggyakoribb magyarázat, amelyet a tudósok az évek során előterjesztettek, a konvektív hő hatására összpontosít. transzfer, amelyben a víz melegítés közben konvekciós áramokat képez, forró folyadékot juttat a felszínre, ahol elpárolog. Ennek eredményeként egy nyitott csésze forró vízzel gyorsabban elpárolog, mint egy hasonló edény hideg vízzel, a maradék folyadék tehát gyorsabban lefagy. De ez a hatást a nyitott tetejű edényekre korlátozná, és néhány kísérlet megfigyelte a hatást a zárt edényekben is.

A túlhűtés – ahol a víz jóval a szokásos fagypont alatt folyékony maradhat – szintén részt vehet, feltéve, hogy a víz kellően mentes a szennyeződésektől, amelyek egyébként segítik a folyadékokat szilárd anyaggá kristályosodni. 1995-ben David Auerbach – fizikus, akkor a németországi göttingeni Max Planck Folyadékdinamikai Intézetben – olyan kísérleteket végzett, amelyek azt sugallták, hogy a hideg víz túlmelegedni fog alacsonyabb hőmérsékletre, mint a meleg víz (Am. J. Phys. 63 882) . Kísérleteiből kiderült, hogy az Mpemba-effektus akkor jelentkezik, amikor a jégkristályok egy túlhűtött folyadékban jelennek meg magasabb hőmérsékleten, ami azt jelenti, hogy ilyenkor úgy tűnik, hogy a forró víz először megfagy. 2009-ben azonban Jonathan Katz, a st. Louis-i Washingtoni Egyetem felvetette, hogy talán az oldott anyagok, mint a kalcium-karbonát vagy a magnézium-karbonát hideg vízben, tartják a kulcsot – lassítják a fagyasztási folyamatot, meleget adva a forró víznek (Am. J. Phys. 77 27).

Újabban a molekuláris szimulációkat végző kémikusok azt sugallták, hogy az Mpemba-hatás összefüggésbe hozható a vízben lévő hidrogénkötés szokatlan természetével (J. Chem. Theory és Comp. 13 55). Ezek a molekulák közötti kötések, amelyek gyengébbek, mint a kovalens kötések, amelyek együtt tartják az egyes molekulák hidrogén- és oxigénatomjait, a víz felmelegítésekor felbomlanak. A vízmolekulák ezután töredékeket alkotnak, és újra a jég kristályszerkezetéhez igazodnak, elindítva a fagyasztási folyamatot. Mivel a hideg víznek először meg kell szakítania ezeket a gyenge hidrogénkötéseket, mielőtt megkezdődhet a fagyás, akkor van értelme, hogy a meleg víz fagyásnak indulna. “Hajlamosak vagyunk feltételezni, hogy az alacsony hőmérsékletű víznek közelebb kell lennie a kristályosodáshoz” – mondja William Goddard, a kaliforniai technológiai intézet (Caltech) vegyésze, aki hasonló mechanizmusokat modellezett, amelyek azt mutatják, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű víz valóban távolabb van ettől a ponttól. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).

Sajnos a javasolt magyarázatok egyike sem bizonyult elég meggyőzőnek a szkeptikus tudósok megingatásához. És a laboratóriumi kísérletek során a hatás következetes reprodukálására tett újabb kísérletek Charles Knight, aki a jég tanulmányozását végzi a Colorado Boulder-i Országos Légköri Kutatóközpontban, emlékezetesen felidézte a Physics World (2006. február 19.–21. o.) saját kísérleteit, amelyek –15 ° C-os helyiségben ragadtak, és várták a vizet jégkocka tálcákba fagynak. Az egyenletesség érdekében tett legnagyobb erőfeszítései ellenére néhány tálca 15 percen belül fagyni kezdett, mások több mint egy órát vettek igénybe. nekem hogy ha a hatás mégis létezik, akkor olyan tényezőktől függ, hogy az emberek még mindig nem nagyon tudják kontrollálni ”- mondja Greg Gbur, a Charlotte-i Észak-Karolinai Egyetem fizikusa, akit már régóta lenyűgöz az Mpemba-effektus. “Sok más paraméter is szerepet játszhat, a különbség két látszólag azonos minta között, a hőmérsékleten kívül. Ha a dolgok nagyon gyorsan változnak, mindenféle belső dinamika befolyásolhatja azt.”

Egyes tudósok kételkednek abban, hogy egyáltalán fennáll-e a hatás. Henry Burridge, a londoni Imperial College egy ilyen szkeptikus. Tavaly kollégáival együtt megmérték, mennyi ideig tartott hideg és meleg vízminta 0 ° C-ra hűlni. hőmérsékleten, amelynél a víz megfagy. Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665) szerint egyik kísérletben sem tapasztaltak semmit, ami bármilyen Mpemba-hatás bizonyítékául szolgálna.

Mások is azzal érveltek lehet, hogy ez nem is megfelelő mérési paraméter, mivel a víz sok esetben nem fagy le az úgynevezett fagyáspontján, sőt az első jégkristályok kialakulásakor vagy az adott tartályban lévő folyadék fagyottnak tekinthető. teljesen megfagyott? “O eredetileg azt állították, hogy a forró víz először megfagy ”- mondja Raz. “De hogyan döntse el azt az időpontot, amikor valami megdermed? Ez nem egy idő, hanem egy folyamat.”

Egyensúlyon kívül

Ezért alakult ki az új elméleti keret Raz és Lu egy másik paraméterre összpontosít, amely nem függ egy adott meghatározástól. Ehelyett a hűtési folyamatokat egyensúlytalannak tekinti. Egy rendszerről azt mondják, hogy egyensúlyban van, ha alapvető tulajdonságai nem változnak az idő múlásával. meg kell értenie például egy dobozba zárt tökéletesen diffúz gázt, annak térfogatát, hőmérsékletét és a gázmolekulák teljes számát.

De sok természeti jelenség – a földrengéstől és a légturbulenciától a gyors lehűlésig vagy klímaváltozás – akkor fordul elő, amikor a dolgok messze vannak az egyensúlytól egy nyitott rendszerben. Az ilyen nem egyensúlyi jelenségek megértéséhez sokkal többre van szükség, nem csak három számra.Míg a dobozban lévő molekulák átlagos viselkedése egyensúlyi állapotban minden ponton nagyjából azonos lesz, addig nem egyensúlyi körülmények között a hőmérséklet minden ponton eltérő lehet, a sűrűség pedig minden ponton eltérő lehet. Ez teszi a nem egyensúlyi rendszereket olyan kihívást jelentő kutatási területté.

Raz és Lu kávé mellett jöttek rá erre az ötletre, amikor mindketten a Marylandi Egyetemen, a College-ban voltak Park. Raz nemrégiben elolvasta a “Markovian” rendszerekről szóló cikket, amely egy olyan tárgyat tartalmaz, amely egy termálfürdőhöz kapcsolódik, és amelyet a rendszer nem érint. A Markovian rendszer egyik példája egy csésze forró kávé, amely a légkörhöz kapcsolódik: amikor a kávé lehűl, a légkör lényegében nem változik. A hűtőszekrényt azonban befolyásolja, ha egy csésze forró kávét tesz bele, ami “nem markovi” rendszerré teszi.

A papír megnézte hogyan lazulnak el a markovi rendszerek az egyensúlyig, és Lu szerint ez összefüggésben lehet az Mpemba-hatással. Modelljük legegyszerűbb változatában egyensúlyi alaprendszert, például hűtőszekrény hideg belsejét és két kezdetben melegebb rendszert vesznek figyelembe, amelyek közül az egyik viszonylag melegebb, mint a másik. Ahogy hűlnek, ez a két rendszer ellazul az egyensúlyi alapállapot felé. Raz és Lu kimutatták, hogy ilyen körülmények között a melegebb rendszer megkerülheti a hűvösebbet a hőmérséklet változásának sebessége szempontjából, lényegében rövidebb “utat” vezetve az egyensúlyig, vagyis gyorsabban hűl. Tehát mivel egy forró kávé Newton hűtési törvénye szerint az asztali hidegrázás szerint a hűtőszekrénybe helyezett kávé másképp hűl, amikor a kávé egyfajta “kioltásként” kölcsönhatásba lép a hűtőszekrénnyel.

Szimulációik során Raz és Lu valójában felfedezték az inverz Először az Mpemba-effektus, mert Raz modellezte a fűtési folyamatokat, és könnyűnek találták beállítani a paramétereket, hogy inverz fűtési hatást érjenek el. Csak később, ennek a modellnek a megfordításával, általánosan alkalmazható Mpemba-szerű hatást váltottak ki. De azért, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy ez a megkerülő hatás nem korlátozódik csak arra az egyetlen modellre, kiterjesztették egy bonyolultabb rendszerre, amelyet “Ising-modellnek” neveznek, amelyet a fizikában széles körben használnak a fázisátmenetek modellezésére a ferromágnesességtől és a fehérjétől kezdve az ideghálózatokig való összecsukódás és az özönlő madarak dinamikája.

Az Ising modellt általában 2D rácsként ábrázolják, mágneses anyagok esetén a rács minden pontján egy részecske. csak két állapot egyikében lehet: vagy “felfelé”, vagy “lefelé” pörögni. A pörgetések szeretnek párhuzamosan felállni a szomszédaikkal, mert ez csökkenti a rendszer teljes energiáját. Valóban, ha ferromágneses anyagot hűtesz egy kritikus pont – a “Curie-hőmérséklet” – alatt a pörgések addig módosulnak, amíg mindegyikük tökéletes rendbe nem kerül, egyensúlyi állapotot képez: ferromágnes.

Mpemba-szerű hatás figyelhető meg, ha kettő van nem mágneses rendszerek a Curie-hőmérséklet felett, és párosítsák őket hideg hőfürdőbe, amely a Curie-hőmérséklet alatt fekszik. Amint a rendszer lehűl, a centrifugák megfordulnak, így párhuzamosan állnak egymáshoz és elveszítik felesleges energiájukat a hőfürdőbe. Ha a “forró” rendszer mágnesez a “hideg” előtt, akkor Mpemba-szerű hatása van. Sőt, ha a pörgések energiát nyernek a fürdőből, és anti-párhuzamosan csapódnak, akkor az inverz Mpemba-hatást látja. Raz és Lu valóban antiferromágneseket (nem ferromágneseket) tanulmányoztak, amelyekben a pörgések párhuzamosan akarnak egymással felsorakozni, de az alapelvek ugyanazok. Továbbá nem szigorúan figyelték meg a fázisátmenetet, mivel nem egy 2D rendszert, hanem egy 15 pörgetéssel rendelkező 1D Ising láncot tanulmányoztak, ahol a kapcsolatok csak a legközelebbi szomszédaikkal lépnek kapcsolatba. “De a hatás megtekintéséhez nincs szükség a fázisátmenetre” – mondja Raz. “Elég látni, hogy a lépcsőzetes mágnesezés – a szomszédok közötti mágnesezésbeli különbség – keresztezi, nevezetesen, hogy az eredetileg forró rendszer alacsonyabb értékű, és ez nagyobb lesz, mint a hideg rendszeré. ”

Szkeptikus elmék

A szkeptikusok közül Burridge a munkát” érdekes elméletnek “nyilvánítja, de nem bizonyított, hogy ilyen hatások bármilyen gyakorlati helyzetben megfigyelhetők. “A szerzők ezt bevallják cikkük bevezetőjében. Ezek nagyon egyszerű modellek az elv általános bizonyításának bemutatására, és Raz és Lu még nem terjesztették ki elméletüket a vízre, ami nagyon erős összetett rendszer, amelyet nagyon nehéz szimulálni. “A víz bonyolult, sok szokatlan tulajdonsággal rendelkezik” – mondja Raz, rámutatva, hogy például a jég kevésbé sűrű, mint a víz – nem sűrűbb, mint az várható.

Ennek ellenére Gbur szerint ez az új elméleti keret „valószínűleg játékváltó” az Mpemba-effektust tekintve, és már inspirálta a szemcsés anyagok tanulmányozását. “Korábban soha nem volt kvantitatív tanulmány. megmutatva, hogy a forró dolgok megfagyhatnak, vagy gyorsabban elérhetik az egyensúlyi hőmérsékletet, mint a hidegebbek ”- mondja. Goddard “elegáns kiállításnak és újszerű matematikai elemzésnek” nevezi, bár elismeri, hogy szkeptikus, hogy ez végül megmagyarázza a vízben az Mpemba-hatást.

Mindez a későbbiekben következik. “Mi egyrészt rengeteg bizonytalan kísérletet hajtottunk végre, másrészt szép elméleti modellt kaptunk, de csak egyszerű rendszerek esetében ”- mondja Gbur. “A következő természetes dolog egy olyan köztes rendszer megtalálása lenne, ahol az elméletet és a kísérleteket közvetlenül össze lehetne hasonlítani.” Pontosan erre koncentrál Raz és Lu, együttműködve például John Bechhoeferrel a kanadai Simon Fraser Egyetemen, hogy azonosítsák azokat a potenciális rendszereket, amelyek megfelelő körülmények között inverz Mpemba-hatást fejthetnek ki. Ezután képesek lennének egy kísérletet testre szabni. kipróbálni ezt az előrejelzést.

Ez még egy lépés a jelenség robusztus elméleti kerete felé. Gbur egyrészt nekik szurkol. “Ez egy olyan ügyes ötlet” – mondja -, szinte legyen szégyen, ha az Mpemba-effektus ekkor kiderült, hogy nem igaz. ” Hogy a vendégei elégedettek-e a jégkockák hiányának magyarázatával – ez még várat magára.

Részletes hatások

Oren Raz és Zhiyue Lu Mpemba-effektusának modellje már inspirálta Antonio Lasantát, Andrés Santost és Francisco Vega Reyest a spanyol Universidad de Extremadurából, valamint Antonio Pradost az Universidad de Sevillától, hogy készítsék el saját elméleti modelljüket, amely szemcsésen mutatja az Mpemba-hatást. folyadék, amely egy folyadékban szuszpendált gömb alakú részecskékből áll (Phys. Rev. Lett. 119 148001). A modelljük kulcsa, amely szintén inverz hatást jósol, az az, hogy szemcsés folyadékuk kemény rugalmatlan gömböket tartalmaz. Tehát amikor ütköznek, a részecskék a hőveszteségtől eltérő mechanizmusok révén veszítenek energiából. A “forró részecskék” gyakrabban ütköznek, mint a “hideg részecskék”, és elégségesen hűlhetnek tudatosan gyorsan megelőzni őket, amikor az előbbi kezdeti energia-diszperziója elég nagy.

Az is érdekes, hogy Mpemba eredeti kísérletei a tejjel folytak, amely szintén sok nagy vízben szuszpendált részecskéből áll. A spanyol tudósok munkája tehát szorosabb modell lehet arra, amit Mpemba valójában tett. Még a víz szempontjából is relevánsnak bizonyulhat. Végül is, ha a minta nem tiszta, de hasonlóan nagy oldott anyag részecskék vannak benne, ezek a szennyeződések hozzájárulhatnak az Mpemba-effektushoz.

• Élvezze a maradékot A Physics World 2017. decemberi száma digitális magazinunkban vagy a Physics World alkalmazáson keresztül bármely iOS vagy Android okostelefonhoz vagy táblagéphez. Szükséges a Fizikai Intézet tagsága