Mykt materiale og væsker

Maten er klar. Drinkene er i kjøleskapet. Du er klar for en fantastisk festfest. Jævla! Du har ingen isbiter, og gjestene forfaller om et par timer. Du spretter til din lokale nærbutikk, men det er rent ut av festposer med isbiter. Ikke for å få panikk: du er fysiker og har hørt om «Mpemba-effekten» – at varmt vann fryser raskere enn lunkent eller kjølig vann. Så du fyller isterningsbrettet fra varmtkranen og plasserer det i fryseren. Eller er det?

Forskere er fremdeles ikke klare over de nøyaktige mekanismene bak dette kontraintuitive fenomenet – eller til og med om Mpemba-effekten eksisterer i det hele tatt, siden det har vist seg vanvittig vanskelig å reprodusere konsekvent. siste vri, to fysikere har kartlagt et generalisert teoretisk rammeverk for hvordan en slik uvanlig hendelse kan forekomme i enkle systemer. «Mpemba-effekten er ikke noe spesielt for vann,» sier Oren Raz fra Weizmann Institute of Science i Israel, som utviklet teorien med Zhiyue Lu fra University of Chicago i USA (PNAS 114 5083). «Det burde være forskjellige systemer med i det vesentlige den samme effekten.»

Raz og Lus teori forutsier også en invers Mpemba-effekt: at under visse forhold kan et kaldere system varme opp raskere enn et varmt. , ville det være velkomne nyheter for de som tror kaldt vann koker raskere enn varmt eller varmt vann, som hittil i stor grad har blitt avvist som en vitenskapelig myte. Deres arbeid har også inspirert forskere fra Spania til å utarbeide sin egen teoretiske modell som viser at Mpemba effekt kan forekomme i granulær væske bestående av kuler suspendert i en væske.

Utfordrende konvensjon

Forestillingen om at varmt vann fryser raskere enn kulde er oppkalt etter Erasto Mpemba. I 1963, mens han var skolegutt i Tanzania, la han merke til at den hjemmelagde isen hans frøs raskere enn skolekameratene, hvis han ikke avkjølte den kokte melken før han plasserte den i fryseren. Det var vanlig å ikke avkjøle melk før frysing. blant lokale iskremleverandører på den tiden. Men Mpembas observasjon stemte ikke overens med det han hadde blitt fortalt om Newtons lov om kjøling, som sier at hastigheten som kroppen avkjøles er proporsjonal med temperaturforskjellen mellom kroppen og omgivelsene.

De unge Mpemba utfordret læreren sin til å forklare observasjonen, og ble latterliggjort for hans problemer (læreren avviste det sarkastisk som «Mpembas fysikk»). Men da Denis Osborne, en fysiker ved University College Dar es Salaam, besøkte Mpembas skole, stilte gutten det samme spørsmålet. Osborne lovet å prøve eksperimentet når han kom tilbake til universitetet. Personlig mente han gutten tok feil, men følte at det ikke burde bli latterliggjort noe spørsmål, og innrømmet at det kan være andre ukjente faktorer som påvirker avkjølingshastigheten. Osbornes overraskelse, eksperimentene fungerte, og han endte opp med å være forfatter av en papirvit h Mpemba i 1969 (Phys. Ed. 4 172).

Mpemba-effekten har vært en stift i DIY pedagogiske hjemmeforsøk siden den gang, men han var ikke den første som la merke til det. Rundt 350 f.Kr. observerte Aristoteles at det var lokal skikk å legge vann i solen først hvis man ville at væsken skulle avkjøles raskere. Roger Bacon og (fire århundrer senere) Francis Bacon argumenterte også for eksistensen av en slik effekt, det samme gjorde René Descartes. Og i løpet av de siste 10–15 årene har forskere sett nærmere på Mpemba-effekten i håp om å erte ut de nøyaktige årsakene til et slikt kontraintuitivt fenomen. Royal Society of Chemistry sponset til og med en konkurranse i 2012, og inviterte forskere fra hele verden til å gi sine forklaringer; men ingen av de mer enn 20 000 innleverte artiklene ga bred enighet.

Rivaliserende forklaringer En av de vanligste forklaringene som forskere har fremført gjennom årene, fokuserer på påvirkning av konvektiv varme. overføring, der vann danner konveksjonsstrømmer når det varmes opp, og overfører varm væske til overflaten, der det fordamper. Som et resultat av denne effekten ville en åpen kopp med varmt vann fordampe raskere enn en lignende beholder med kaldt vann, med den gjenværende væsken derfor fryser raskere. Men dette vil begrense effekten til fartøy med åpent topp, og noen eksperimenter har også observert effekten i lukkede fartøy.

Superkjøling – der vann kan forbli en væske godt under det vanlige frysepunktet – kan også være involvert, forutsatt at vannet er tilstrekkelig fritt for urenheter, noe som ellers hjelper væsker å krystallisere til et fast stoff. Faktisk, i 1995 utførte David Auerbach – en fysiker da ved Max Planck Institute for Fluid Dynamics i Göttingen, Tyskland – eksperimenter som antydet at kaldt vann vil avkjøles til en lavere temperatur enn varmt vann (Am. J. Phys. 63 882) . Hans eksperimenter avslørte at Mpemba-effekten oppstår når iskrystaller vises i en superkjølt væske ved høyere temperaturer, noe som betyr at varmt vann i slike tilfeller ser ut til å fryse først. I 2009 foreslo Jonathan Katz fra Washington University i St Louis at kanskje oppløste stoffer som kalsiumkarbonat eller magnesiumkarbonat i kaldt vann holder nøkkelen – de bremser fryseprosessen og gir varmt vann kanten (Am. J. Phys. 77 27).

Mer nylig har kjemikere som kjører molekylære simuleringer antydet at Mpemba-effekten kan være knyttet til den uvanlige naturen til hydrogenbinding i vann (J. Chem. Theory og Comp. 13 55). Disse intermolekylære bindingene, som er svakere enn de kovalente bindingene som holder hydrogen- og oksygenatomene i hvert molekyl sammen, brytes opp når vann varmes opp. Vannmolekylene danner deretter fragmenter og retter seg inn i den krystallinske strukturen til is, og sparker i gang fryseprosessen. Siden kaldt vann først må bryte de svake hydrogenbindingen før frysing kan begynne, er det fornuftig at varmt vann begynner å fryse før det er kaldt. «Vi har en tendens til å anta at lavtemperaturvann skal være nærmere krystallisering,» sier William Goddard, en kjemiker ved California Institute of Technology (Caltech), som har modellert lignende mekanismer som viser at lavere temperaturvann faktisk er lenger fra det punktet. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).

Dessverre har ingen av disse foreslåtte forklaringene vist seg overbevisende nok til å svinge skeptiske forskere. Og nyere forsøk på å reprodusere effekten konsekvent i laboratorieforsøk Charles Knight, som studerer is ved National Center for Atmospheric Research i Boulder, Colorado, husket minneverdig om sine egne eksperimenter til Physics World (februar 2006 s. 19–21), og satt fast i et rom ved –15 ° C og ventet på at vann skulle fryse i isterningbrett. Til tross for sin beste innsats for ensartethet begynte noen brett å fryse i løpet av 15 minutter, andre tok mer enn en time.

Den typen høy variasjon er typisk for Mpemba-eksperimenter. «Det antyder til meg at hvis effekten eksisterer, avhenger det av faktorer som folk fremdeles ikke kontrollerer veldig bra, ”sier Greg Gbur, en fysiker ved University of North Carolina, Charlotte, som lenge har vært fascinert av Mpemba-effekten. «Det er mange andre parametere som kan komme til å spille, små forskjeller mellom to tilsynelatende identiske prøver, bortsett fra temperatur. Når ting endrer seg veldig raskt, er det alle slags interne dynamikker som kan påvirke det.»

Noen forskere tviler på at effekten i det hele tatt eksisterer. Henry Burridge fra Imperial College London er en slik skeptiker. I fjor målte han og kollegene hvor lang tid det tok varme og kalde vannprøver å avkjøles til 0 ° C, vanligvis temperaturen der vannet fryser. De observerte ingenting i noen av disse eksperimentene som kunne tjene som bevis på noen form for Mpemba-effekt, ifølge Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665).

Atter andre har hevdet at dette kanskje ikke en gang er den rette parameteren å måle, siden vann i mange tilfeller ikke vil fryse ved det såkalte frysepunktet. Videre er noe som betraktes som frossent når de første iskrystallene dannes, eller når væsken i en gitt beholder er helt frossen? «O ble oppgitt som varmt vann fryser først, sier Raz. «Men hvordan bestemmer du tidspunktet når noe fryser? Det er ikke et tidspunkt, det er en prosess.»

Utenfor likevekt

Derfor utviklet det nye teoretiske rammeverket av Raz og Lu fokuserer på en annen parameter som ikke er avhengig av en spesifikk definisjon. I stedet behandler den kjøleprosesser som utenfor likevekt. Et system sies å være i likevekt når dets grunnleggende egenskaper ikke endrer seg med tiden. du må forstå, for eksempel, en perfekt diffus gass som er lukket i en boks, er dens volum, temperatur og det totale antallet gassmolekyler.

Men mange naturlige fenomener – fra jordskjelv og luftturbulens til rask kjøling eller klimaendringer – forekommer når ting er langt fra likevekt i et åpent system. For å forstå slike ikke-likevektsfenomener trenger du mange mer enn bare tre tall.Mens den gjennomsnittlige oppførselen til molekylene i en boks ved likevekt stort sett vil være den samme på hvert punkt, under ikke-likevektsforhold kan temperaturen være forskjellig på hvert punkt, og tettheten kan være forskjellig på hvert punkt. Det er det som gjør ikke-likevektssystemer til et så utfordrende forskningsfelt.

Raz og Lu kom på denne ideen over kaffe da begge var ved University of Maryland, College Parkere. Raz hadde lest et nylig papir om «Markovian» -systemer, som er de hvor et objekt er koblet til et termisk bad som ikke påvirkes av systemet. Et eksempel på et Markovian-system er en kopp varm kaffe koblet til atmosfæren: når kaffen avkjøles, atmosfæren endres i det vesentlige ikke. Et kjøleskap påvirkes imidlertid hvis du putter en kopp varm kaffe inn, noe som gjør det til et «ikke-markovsk» system.

Papiret så på hvordan Markovian-systemene slapper av i likevekt, og Lu trodde det kunne være relatert til Mpemba-effekten. I den enkleste versjonen av sin modell anser de et basissystem i likevekt, for eksempel det kalde interiøret i et kjøleskap, og to opprinnelig varmere systemer, hvor det ene er relativt varmere enn det andre. Når de avkjøles, slapper disse to systemene av mot basistilstanden for likevekt. Raz og Lu viste at det varmere systemet kan omgå det kjøligere når det gjelder disse temperaturforholdene, og i hovedsak ta en kortere «vei» til likevekt, det vil si avkjøling raskere. Så mens en varm kaffe på desk fryser i henhold til Newtons lov om kjøling, kaffen som er plassert i et kjøleskap, avkjøles annerledes når kaffen samhandler med kjøleskapet i en slags «quench».

I simuleringene oppdaget Raz og Lu faktisk det omvendte. Mpemba-effekt først fordi Raz hadde modellert oppvarmingsprosesser og de syntes det var enkelt å stille inn parametrene for å produsere en invers oppvarmingseffekt. Det var først etterpå, ved å reversere den modellen, at de produserte en mer generelt anvendelig Mpemba-lignende effekt. Men for å være sikker på at denne omgåelseseffekten ikke var begrenset til bare den ene modellen, utvidet de den til et mer komplisert system kjent som en «Ising-modell», som er mye brukt i fysikk til å modellere faseoverganger i alt fra ferromagnetisme og protein. folding til nevrale nettverk og dynamikken til flokkende fugler.

Ising-modellen er typisk avbildet som et 2D-gitter, med – når det gjelder magnetiske materialer – en partikkel på hvert punkt på rutenettet. Hver partikkel kan være i en av bare to tilstander: enten spinn «opp», eller spinn «ned». Spinnene liker å stille opp parallelt med naboene, fordi det senker systemets samlede energi. Hvis du kjøler ned et ferromagnetisk materiale under et kritisk punkt – «Curie-temperaturen» – spinnene justerer seg til de alle er perfekt ordnet og danner en likevektstilstand: en ferromagnet.

En Mpemba-lignende effekt kan observeres hvis du har to ikke-magnetiske systemer over Curie-temperaturen og par dem til et kaldt varmebad som ligger under Curie-temperaturen. Når systemet avkjøles, vil spinnene snu slik at de stiller seg opp parallelt og mister overflødig energi til varmebadet. Hvis det «varme» systemet magnetiserer før det «kalde» systemet, har du en Mpemba-lignende effekt. Hva mer, hvis spinnene får energi fra badet og vender mot parallell, ser du den inverse Mpemba-effekten. Raz og Lu studerte faktisk anti-ferromagneter (ikke ferromagneter) der spinnene ønsker å stå opp parallelt med hverandre, men prinsippene er de samme. Dessuten observerte de ikke en faseovergang strengt siden de ikke studerte et 2D-system, men en 1D Ising-kjede med 15 spinn, der lenkene bare samhandler med sine nærmeste naboer. «Men du trenger ikke faseovergangen for å se effekten,» sier Raz. «Det er nok å se at den forskjøvne magnetiseringen – forskjellen i magnetisering mellom naboer – krysser, nemlig at det opprinnelig varme systemet har lavere verdi, og det blir større før det av det kalde systemet. ”

Skeptiske sinn

Burridge erklærer arbeidet som» en interessant teori, men det er ikke demonstrert at slike effekter kan være skeptiske. bli observert i enhver praktisk situasjon. «Forfatterne innrømmer like mye i innledningen av oppgaven. Dette er veldig enkle modeller for å demonstrere et generelt prinsippbevis, og Raz og Lu har ennå ikke utvidet sin teori til vann, noe som er en komplisert system som er veldig vanskelig å simulere. «Vann er komplisert, med mange uvanlige egenskaper,» sier Raz og påpeker at is for eksempel er mindre tett enn vann – ikke mer tett, som man kunne forvente.

Likevel mener Gbur at dette nye teoretiske rammeverket er «muligens en spillveksler» når det gjelder Mpemba-effekten, og det har allerede inspirert studier av det i granulære materialer. «Tidligere har det aldri vært noen kvantitativ studie. viser at det er mulig for varme ting å fryse eller nå likevektstemperatur raskere enn kaldere ting, ”sier han. Goddard kaller det «en elegant utstilling og en ny matematisk analyse», selv om han innrømmer å være skeptisk til at det til syvende og sist vil forklare Mpemba-effekten i vann.

Alt kommer ned på hva som skjer videre. «Vi Vi har på den ene siden mange usikre eksperimenter, og på den andre siden har vi en fin teoretisk modell, men bare for enkle systemer, sier Gbur. «Den neste naturlige tingen ville være å finne et mellomliggende system der teori og eksperiment kunne sammenlignes direkte.» Det er akkurat det Raz og Lu fokuserer på nå, og samarbeider for eksempel med John Bechhoefer ved Simon Fraser University i Canada for å identifisere potensielle systemer som kan vise den inverse Mpemba-effekten under de rette forholdene. De vil da kunne skreddersy et eksperiment for å teste den spådommen.

Det er enda et skritt mot et robust teoretisk rammeverk for fenomenet. Gbur, for en, forankrer dem. «Det er en så fin idé,» sier han, «det ville nesten vær synd hvis Mpemba-effekten viste seg ikke å være sann på dette tidspunktet. ” Om festgjestene dine vil være fornøyde med forklaringen din om deres mangel på isbiter – vel, det gjenstår å se.

• Kos deg med resten av resten Desember 2017-utgave av Physics World i vårt digitale magasin eller via Physics World-appen for enhver iOS- eller Android-smarttelefon eller nettbrett. Medlemskap i Institutt for fysikk kreves