연질 물질과 액체

음식이 준비되었습니다. 음료수는 냉장고에 있습니다. 멋진 축제 파티를 준비했습니다. 제길! 얼음이없고 손님은 몇 시간 안에 마감됩니다. 지역 편의점으로 전력 질주하지만 파티에 얼음 조각이 들어있는 가방은 깨끗합니다. 당황하지 마세요 : 당신은 물리학 자이고 “Mpemba 효과”에 대해 들어 본 적이 있습니다 – 뜨거운 물은 미지근한 물이나 차가운 물보다 빨리 얼어 붙습니다. 따라서 뜨거운 수도꼭지에서 아이스 큐브 트레이를 채우고 냉동실에 넣습니다. 아니면 그럴까요?

과학자들은이 반 직관적 인 현상의 정확한 메커니즘에 대해 아직 명확하지 않습니다. 또는 Mpemba 효과가 존재하더라도 일관되게 재현하기가 엄청나게 어려운 것으로 입증 되었기 때문입니다. 최근에 두 명의 물리학 자들이 단순한 시스템에서 이러한 비정상적인 사건이 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 일반화 된 이론적 틀을 마련했습니다. “음 펨바 효과는 물에 특별한 것이 아닙니다.”라고 개발 한 이스라엘 Weizmann 과학 연구소의 Oren Raz는 말합니다. 미국 시카고 대학의 Zhiyue Lu와의 이론 (PNAS 114 5083). “본질적으로 동일한 효과를 가진 다른 시스템이 있어야합니다.”

Raz와 Lu의 이론은 또한 역 음 펨바 효과를 예측합니다. 특정 조건에서는 더 차가운 시스템이 따뜻한 시스템보다 더 빨리 가열 될 수 있습니다. 사실 인 경우 , 냉수가 따뜻한 물이나 뜨거운 물보다 더 빨리 끓는다고 믿는 사람들에게는 반가운 소식이 될 것입니다. 이는 현재까지 과학적 신화로 대체로 무시되어 왔습니다. 그들의 연구는 또한 스페인의 과학자들이 Mpemba를 보여주는 자신의 이론적 모델을 고안하도록 고무 시켰습니다. 효과는 액체에 떠있는 구체로 구성된 입상 유체에서 발생할 수 있습니다.

도전적인 관습

뜨거운 물이 추위보다 빨리 얼다는 개념은 Erasto Mpemba의 이름을 따서 명명되었습니다. 탄자니아의 남학생이었을 때, 그는 삶은 우유를 냉동실에 넣기 전에 식 히지 않으면 집에서 만든 아이스크림이 학교 친구들의 배치보다 더 빨리 얼어 붙는다는 사실을 발견했습니다. 사실, 얼기 전에 우유를 식 히지 않는 것이 일반적입니다. 현지 아이스크림 판매 업체 중 당시. 그러나 Mpemba의 관찰은 몸이 식는 속도가 그 몸과 환경 사이의 온도 차이에 비례한다고 말하는 뉴턴의 냉각 법칙에 대해 그가 들었던 것과 합산되지 않았습니다.

젊은이 음 펨바는 교사에게 자신의 관찰을 설명해달라고 요청했고 문제로 인해 조롱당했습니다 (선생님은이를 “음 펨바의 물리학”이라고 비꼬는 말로 무시했습니다). 그러나 다르 에스 살람 대학의 물리학자인 데니스 오스본이 음 펨바의 학교를 방문했을 때 소년은 포즈를 취했습니다. 오스본은 대학에 돌아 왔을 때 실험을 해보겠다고 약속했습니다. 개인적으로 그는 소년이 착각했다고 생각했지만 조롱을 당해서는 안된다고 느꼈고 냉각 속도에 영향을 미치는 다른 알려지지 않은 요인이있을 수 있다는 점을 인정했습니다. Osborne의 놀랍게도 실험은 효과가 있었고 결국 논문을 공동 저술했습니다. h 1969 년 음 펨바 (Phys. Ed. 4 172).

음 펨바 효과는 그 이후로 DIY 교육용 가정 실험의 필수 요소 였지만 처음으로 눈치 채지 못했습니다. 기원전 350 년경 아리스토텔레스는 액체가 더 빨리 식도록하려면 먼저 태양에 물을 넣는 것이 현지 관습이라고 관찰했습니다. Roger Bacon과 (4 세기 후) Francis Bacon도 René Descartes와 마찬가지로 그러한 효과의 존재를 주장했습니다. 그리고 지난 10-15 년 동안 과학자들은 그러한 반 직관적 인 현상의 정확한 원인을 알아 내기를 희망하면서 음 펨바 효과를 더 면밀히 조사해 왔습니다. Royal Society of Chemistry는 2012 년에 대회를 후원하여 전 세계의 과학자들을 초청하여 설명을 제안했습니다. 그러나 제출 된 20,000 개가 넘는 논문 중 어느 것도 광범위한 합의를 이끌어 내지 못했습니다.

라이벌 설명 과학자들이 수년 동안 제시 한 가장 일반적인 설명 중 하나는 대류 열의 영향을 중심으로합니다. 물이 가열됨에 따라 물이 대류를 형성하여 뜨거운 액체를 표면으로 전달하여 증발시키는 전달. 이 효과의 결과로, 뜨거운 물을 담은 열린 컵은 차가운 물을 담은 유사한 용기보다 더 빨리 증발하고 남은 액체는 더 빨리 얼게됩니다. 그러나 이것은 상부가 개방 된 혈관에 대한 효과를 제한 할 것이며 일부 실험은 폐쇄 된 혈관에서도 효과를 관찰했습니다.

물에 불순물이 충분히 없어서 액체가 고체로 결정화되는 것을 돕는 과냉각 (물이 평소 빙점보다 훨씬 낮은 온도에서도 액체 상태로 남아있을 수 있음)도 관련 될 수 있습니다. 실제로 1995 년 독일 괴팅겐에있는 막스 플랑크 유체 역학 연구소의 물리학자인 David Auerbach는 냉수가 뜨거운 물보다 낮은 온도로 과냉각 될 것이라는 실험을 수행했습니다 (Am. J. Phys. 63 882). . 그의 실험은 더 높은 온도에서 얼음 결정이 과냉각 된 액체에 나타날 때 음 펨바 효과가 발생한다는 것을 밝혀 냈는데, 이는 그러한 경우 뜨거운 물이 먼저 얼어 붙는 것처럼 보인다는 것을 의미합니다. 그러나 2009 년에 세인트루이스에있는 워싱턴 대학의 Jonathan Katz는 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘과 같은 용질이 냉수에 핵심적인 역할을한다고 제안했습니다. 동결 과정을 늦추고 뜨거운 물을 가장자리에 제공합니다 (Am. J. Phys. 77 27).

더 최근에 분자 시뮬레이션을 실행하는 화학자들은 Mpemba 효과가 물에서 수소 결합의 특이한 성질과 관련이있을 수 있다고 제안했습니다 (J. Chem. Theory and Comp. 13 55). 이러한 분자간 결합은 각 분자 내에 수소와 산소 원자를 함께 고정하는 공유 결합보다 약하며 물이 가열되면 깨집니다. 그런 다음 물 분자는 조각을 형성하고 얼음의 결정 구조로 다시 정렬되어 동결 과정을 시작합니다. 차가운 물은 먼저 이러한 약한 수소 결합을 끊어야 냉동이 시작되기 때문에 뜨거운 물이 차가워지기 전에 얼기 시작하는 것이 합리적입니다. 캘리포니아 공과 대학 (Caltech)의 화학자 인 William Goddard는 “저온 수는 결정화에 더 가까워 야한다고 가정하는 경향이 있습니다.”라고 말합니다. 그는 저온의 물이 실제로 그 지점에서 더 멀다는 것을 보여주는 유사한 메커니즘을 모델링했습니다. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).

안타깝게도 이러한 제안 된 설명 중 어느 것도 회의적인 과학자들을 설득 할만큼 설득력이있는 것으로 입증되지 않았습니다. 콜로라도 볼더에있는 국립 대기 연구 센터에서 얼음을 연구하는 찰스 나이트는 기억에 남을만큼 Physics World (2006 년 2 월 pp19–21)에 자신의 실험을 회상했으며, –15 ° C의 방에 갇혀 물이 균일 성을 위해 최선을 다했지만 일부 트레이는 15 분 이내에 얼기 시작했고 다른 트레이는 1 시간 이상 걸렸습니다.

이러한 종류의 높은 변동성은 Mpemba 실험에서 일반적입니다. ” 나에게 그 효과가 존재한다면 사람들이 여전히 잘 통제하지 못하는 요인에 따라 달라집니다.”라고 오랫동안 음 펨바 효과에 매료 된 샬럿 노스 캐롤라이나 대학의 물리학자인 Greg Gbur는 말합니다. “온도 이외에도 작동 할 수있는 다른 많은 매개 변수, 겉보기에 동일한 두 샘플 간의 작은 차이가 있습니다. 상황이 매우 빠르게 변할 때 영향을 미칠 수있는 모든 종류의 내부 역학이 있습니다.”

일부 과학자들은 그 효과가 전혀 존재하지 않는다고 의심합니다. Imperial College London의 Henry Burridge는 그러한 회의적입니다. 작년에 그와 그의 동료들은 뜨겁고 차가운 물 샘플이 0 ° C로 냉각되는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665)에 따르면 그들은 Mpemba 효과의 증거가 될 실험에서 아무것도 관찰하지 못했습니다.

다른 사람들은 여전히 주장했습니다. 많은 경우 물이 소위 어는점에서 얼지 않기 때문에 이것이 측정하기에 올바른 매개 변수가 아닐 수도 있습니다. 또한 첫 번째 얼음 결정이 형성 될 때 또는 주어진 용기의 액체가 얼었을 때 얼어 붙은 것으로 간주되는 것입니다. 완전히 얼었나요? “O 처음에는 뜨거운 물이 얼면서 처음으로 언급되었습니다.”라고 Raz는 말합니다. “하지만 어떤 것이 얼어 붙는 시점을 어떻게 결정합니까? 시점이 아니라 프로세스입니다.”

평형 이탈

그래서 새로운 이론적 프레임 워크가 개발되었습니다. by Raz와 Lu는 특정 정의에 의존하지 않는 다른 매개 변수에 중점을 둡니다. 대신 냉각 프로세스를 평형을 벗어난 것으로 간주합니다. 시스템은 기본 속성이 시간에 따라 변하지 않을 때 평형 상태에 있다고합니다. 모두 예를 들어 상자에 들어있는 완벽하게 확산 된 가스는 그 부피, 온도 및 총 가스 분자 수를 이해해야합니다.

그러나 지진과 기류에서 급속 냉각에 이르기까지 많은 자연 현상이 있습니다. 또는 기후 변화 – 개방형 시스템에서 평형에서 멀리 떨어져있을 때 발생합니다 이러한 비평 형 현상을 이해하려면 3 개 이상의 숫자가 필요합니다.평형 상태에서 상자에있는 분자의 평균 거동은 모든 지점에서 거의 동일하지만, 비평 형 조건에서는 온도가 모든 지점에서 다를 수 있으며 밀도는 모든 지점에서 다를 수 있습니다. 이것이 비평 형 시스템을 어려운 연구 분야로 만드는 이유입니다.

Raz와 Lu는 둘 다 University of Maryland, College에있을 때 커피에 대해이 아이디어를 내놓았습니다. 공원. Raz는 “Markovian”시스템에 대한 최근 논문을 읽었습니다.이 시스템은 물체가 시스템의 영향을받지 않는 열탕에 결합되는 시스템입니다. Markovian 시스템의 한 예는 대기와 연결된 뜨거운 커피 한잔입니다. 커피가 식어도 분위기는 본질적으로 변하지 않습니다. 그러나 뜨거운 커피 한 잔을 안에 넣으면 냉장고가 영향을 받아 “비마 코비안”시스템이됩니다.

이 신문은 Markovian 시스템이 평형을 이완하는 방법, Lu는 그것이 Mpemba 효과와 관련이있을 수 있다고 생각했습니다. 가장 단순한 버전의 모델에서는 냉장고의 차가운 내부와 같은 기본 시스템과 처음에는 더 뜨거운 두 시스템 (하나는 다른 시스템보다 상대적으로 더운 시스템)을 고려합니다. 냉각되면서이 두 시스템은 기본 평형 상태로 이완됩니다. Raz와 Lu는 이러한 조건에서 더 뜨거운 시스템이 온도 변화율 측면에서 더 차가운 시스템을 우회 할 수 있으며, 본질적으로 평형에 이르는 짧은 “경로”를 취할 수 있습니다. 즉, 더 빨리 냉각됩니다. Newton의 냉각 법칙에 따라 책상이 차가워지면 커피가 일종의 “냉각”방식으로 냉장고와 상호 작용함에 따라 냉장고에있는 커피가 다르게 냉각됩니다.

시뮬레이션에서 Raz와 Lu는 실제로 그 반대를 발견했습니다. Raz가 가열 공정을 모델링하고 있었기 때문에 Mpemba 효과가 먼저 발생했으며 역 가열 효과를 생성하기 위해 매개 변수를 쉽게 설정할 수있었습니다. 그 모델을 뒤집어서 더 일반적으로 적용 가능한 음펨 바와 같은 효과를내는 것은 그 이후에야만 가능합니다. 그러나이 우회 효과가 해당 모델에만 국한되지 않았 음을 확인하기 위해 그들은 강자성 및 단백질에서 모든 것의 위상 전이를 모델링하기 위해 물리학에서 널리 사용되는 “Ising 모델”이라는 더 복잡한 시스템으로 확장했습니다. 접는 신경망과 무리를 짓는 새의 역학.

Ising 모델은 일반적으로 2D 격자로 묘사되며, 자성 물질의 경우 격자의 각 지점에 입자가 있습니다. 스핀 “업”또는 스핀 “다운”의 두 가지 상태 중 하나 일뿐입니다. 스핀은 시스템의 전체 에너지를 낮추기 때문에 이웃과 평행하게 정렬하는 것을 좋아합니다. 실제로 강자성 재료를 냉각하는 경우 임계점 ( “큐리 온도”) 아래에서 스핀은 완전히 정렬 될 때까지 스스로 조정되어 평형 상태 인 강자성체를 형성합니다.

두 개가 있으면 Mpemba와 같은 효과를 관찰 할 수 있습니다. 퀴리 온도를 초과하는 비자 성 시스템과 결합 퀴리 온도보다 낮은 냉온 탕에 시스템이 냉각되면 스핀이 뒤집혀서 병렬로 정렬되고 과도한 에너지가 열 수조로 손실됩니다. “뜨거운”시스템이 “차가운”시스템보다 먼저 자화되면 Mpemba와 같은 효과가 있습니다. 또한 스핀이 욕조에서 에너지를 얻고 역 평행으로 뒤집 으면 역음 펨바 효과를 볼 수 있습니다. Raz와 Lu는 실제로 스핀이 서로 반 평행하게 정렬하려는 반강 자석 (강자 석이 아님)을 연구했지만 원리는 동일합니다. 또한 그들은 2D 시스템을 연구하지 않았기 때문에 위상 전이를 엄격하게 관찰하지 않았고 링크가 가장 가까운 이웃과 만 상호 작용하는 15 개의 스핀을 가진 1D Ising 체인을 관찰했습니다. Raz는 “하지만 효과를보기 위해 위상 전이가 필요하지 않습니다. 엇갈린 자화 (이웃 간의 자화 차이)가 교차하는 것을 보는 것으로 충분합니다. 즉, 초기 핫 시스템의 값이 더 낮으며 차가운 시스템보다 먼저 커집니다.”

의심 주의자

회의론자 인 Burridge는이 작업이 “흥미로운 이론이라고 선언하지만 그러한 효과가 저자들은 논문의 도입에서 많은 것을 인정합니다. 이것은 일반적인 원리 증명을 보여주는 매우 간단한 모델이며 Raz와 Lu는 아직 그들의 이론을 물로 확장하지 않았습니다. Raz는 예를 들어 얼음이 물보다 밀도가 낮고 예상대로 밀도가 높지 않다고 지적하면서 “물은 복잡하고 특이한 특성이 많습니다.”라고 말합니다.

그래도 Gbur는이 새로운 이론적 프레임 워크가 Mpemba 효과 측면에서 “아마도 게임 체인저”라고 생각하며 이미 세분화 된 재료에 대한 연구에 영감을주었습니다. “이전에는 정량적 연구가 없었습니다. 뜨거운 물체가 더 차가운 물체보다 더 빨리 얼거나 평형 온도에 도달 할 수 있음을 보여줍니다.”라고 그는 말합니다. Goddard는 이것을 “우아한 설명과 새로운 수학적 분석”이라고 부르지 만, 그것은 궁극적으로 물에서 Mpemba 효과를 설명 할 것이라는 회의적임을 인정합니다.

모든 것은 다음에 일어나는 일에 달려 있습니다. “우리는 한편으로는 많은 불확실한 실험이 있고 다른 한편으로는 훌륭한 이론적 모델이 있지만 단순한 시스템에만 해당됩니다.”라고 Gbur는 말합니다. “다음으로 자연스러운 일은 이론과 실험을 직접 비교할 수있는 중간 시스템을 찾는 것입니다.” 이것이 바로 Raz와 Lu가 현재 초점을 맞추고있는 것입니다. 예를 들어 캐나다의 Simon Fraser University의 John Bechhoefer와 협력하여 적절한 조건에서 역 음 펨바 효과를 나타낼 수있는 잠재적 시스템을 식별합니다. 그런 다음 실험을 맞춤화 할 수 있습니다. 그 예측을 테스트하기 위해.

현상에 대한 강력한 이론적 틀을 향한 또 다른 단계입니다. 한 예로 Gbur는 그들을 응원하고 있습니다. “정말 멋진 아이디어입니다.”라고 그는 말합니다. “거의 이 시점에서 Mpemba 효과가 사실이 아닌 것으로 밝혀지면 부끄러운 일입니다.” 파티 손님이 얼음 부족에 대한 설명에 만족할지 여부는 아직 확인되지 않았습니다.

• 나머지 나머지를 즐기십시오. 디지털 매거진 또는 iOS 또는 Android 스마트 폰 또는 태블릿 용 Physics World 앱을 통해 Physics World 2017 년 12 월호. 물리학 연구소 회원 자격 필요