Bevriest heet water echt sneller dan koud ? Jennifer Ouellette beschrijft wat een nieuw theoretisch begrip zou kunnen zijn voor het zogenaamde Mpemba-effect – en waarom het voorspelt dat koud water zelfs sneller kan opwarmen dan warm water.
Het eten is klaar. De drankjes staan in de koelkast. Je bent helemaal klaar voor een fantastisch feestelijk feest. Verdomme! Je hebt geen ijsblokjes en de gasten zijn binnen een paar uur klaar. Je sprint naar je plaatselijke supermarkt, maar er zijn geen feestzakken met ijsblokjes meer. Geen paniek: je bent een natuurkundige en hebt gehoord van het “Mpemba-effect” – dat hete water bevriest sneller dan lauw of koud water. Dus je vult je ijsblokjesbakje uit de hete kraan en plaatst het in de vriezer. Paniek of is het?
Wetenschappers zijn nog steeds niet duidelijk over de precieze mechanismen achter dit contra-intuïtieve fenomeen – of zelfs als het Mpemba-effect überhaupt bestaat, aangezien het gekmakend moeilijk is gebleken om consistent te reproduceren. laatste wending, hebben twee natuurkundigen een algemeen theoretisch raamwerk in kaart gebracht voor hoe een dergelijke ongewone gebeurtenis kan plaatsvinden in eenvoudige systemen. “Het Mpemba-effect is niet iets speciaals voor water”, zegt Oren Raz van het Weizmann Institute of Science in Israël, die ontwikkelde de theorie met Zhiyue Lu van de Universiteit van Chicago in de VS (PNAS 114 5083). “Er zouden verschillende systemen moeten zijn met in wezen hetzelfde effect.”
De theorie van Raz en Lu voorspelt ook een omgekeerd Mpemba-effect: dat onder bepaalde omstandigheden een kouder systeem sneller kan opwarmen dan een warm. , zou het welkom nieuws zijn voor degenen die geloven dat koud water sneller kookt dan warm of heet water, dat tot op heden grotendeels is afgedaan als een wetenschappelijke mythe. Hun werk heeft ook wetenschappers uit Spanje geïnspireerd om hun eigen theoretische model te bedenken dat aantoont dat de Mpemba effect zou kunnen optreden in korrelige vloeistof die bestaat uit bolletjes gesuspendeerd in een vloeistof.
Uitdagende conventie
Het idee dat heet water sneller bevriest dan koud is genoemd naar Erasto Mpemba. In 1963, terwijl hij was een schooljongen in Tanzania, merkte hij dat zijn zelfgemaakte ijs sneller bevroor dan de batches van zijn klasgenoten als hij de gekookte melk niet afkoelde voordat hij deze in de vriezer legde. In feite was het gebruikelijk om hun melk niet af te koelen voordat het invriezen. onder lokale ijsverkopers op het moment. Maar de waarneming van Mpemba kwam niet overeen met wat hem was verteld over de wet van afkoeling van Newton, die zegt dat de snelheid waarmee een lichaam afkoelt evenredig is met het temperatuurverschil tussen dat lichaam en zijn omgeving.
De jongeren Mpemba daagde zijn leraar uit om zijn observatie uit te leggen, en werd ronduit belachelijk gemaakt vanwege zijn moeite (de leraar deed het sarcastisch af als de natuurkunde van Mpemba). Maar toen Denis Osborne, een natuurkundige aan het University College Dar es Salaam, de school van Mpemba bezocht, poseerde de jongen dezelfde vraag. Osborne beloofde het experiment te proberen toen hij terugkeerde naar zijn universiteit. Persoonlijk dacht hij dat de jongen zich vergiste, maar vond dat geen enkele vraag belachelijk gemaakt moest worden, en gaf toe dat er mogelijk andere onbekende factoren zijn die de snelheid van afkoeling beïnvloeden. Osbornes verrassing, de experimenten werkten en hij eindigde als co-auteur van een paper met humor h Mpemba in 1969 (Phys. Ed. 4 172).
Het Mpemba-effect is sindsdien een hoofdbestanddeel van educatieve doe-het-zelf-experimenten thuis, maar hij was niet de eerste die het opmerkte. Rond 350 voor Christus merkte Aristoteles op dat het een plaatselijke gewoonte was om eerst water in de zon te zetten als men wilde dat de vloeistof sneller afkoelde. Roger Bacon en (vier eeuwen later) Francis Bacon pleitten ook voor het bestaan van een dergelijk effect, net als René Descartes. En in de afgelopen 10-15 jaar hebben wetenschappers het Mpemba-effect nader bekeken, in de hoop de precieze oorzaken van zon contra-intuïtief fenomeen te achterhalen. De Royal Society of Chemistry sponsorde zelfs een wedstrijd in 2012, waarbij wetenschappers van over de hele wereld werden uitgenodigd om hun uitleg te geven; toch leverde geen van de meer dan 20.000 ingediende papers een brede consensus op.
Rivaliserende verklaringen Een van de meest voorkomende verklaringen die door de jaren heen door wetenschappers zijn aangedragen, gaat over de invloed van convectiewarmte overdracht, waarbij water convectiestromen vormt terwijl het verwarmt, waarbij hete vloeistof naar het oppervlak wordt overgebracht, waar het verdampt. Als gevolg van dit effect zou een open beker met heet water sneller verdampen dan een soortgelijk vat met koud water, waarbij de resterende vloeistof daardoor sneller bevriest. Maar dit zou het effect beperken tot vaten met een open bovenkant, en sommige experimenten hebben het effect ook in gesloten vaten waargenomen.
Onderkoeling – waarbij water ver onder het gebruikelijke vriespunt vloeibaar kan blijven – kan ook een rol spelen, mits het water voldoende vrij is van onzuiverheden, waardoor vloeistoffen anders kunnen kristalliseren tot een vaste stof. Inderdaad, in 1995 voerde David Auerbach – toen een fysicus aan het Max Planck Institute for Fluid Dynamics in Göttingen, Duitsland – experimenten uit die suggereerden dat koud water onderkoeld zal worden tot een lagere temperatuur dan warm water (Am. J. Phys. 63 882) . Uit zijn experimenten bleek dat het Mpemba-effect optreedt wanneer ijskristallen verschijnen in een onderkoelde vloeistof bij hogere temperaturen, wat betekent dat heet water in dergelijke gevallen eerst lijkt te bevriezen. In 2009 suggereerde Jonathan Katz van de Washington University in St. Louis echter dat opgeloste stoffen zoals calciumcarbonaat of magnesiumcarbonaat in koud water misschien de sleutel zijn – ze vertragen het vriesproces en geven heet water een voorsprong (Am. J. Phys. 77 27).
Meer recentelijk hebben chemici die moleculaire simulaties uitvoeren, gesuggereerd dat het Mpemba-effect mogelijk verband houdt met de ongebruikelijke aard van waterstofbinding in water (J. Chem. Theory and Comp. 13 55). Deze intermoleculaire bindingen, die zwakker zijn dan de covalente bindingen die de waterstof- en zuurstofatomen in elk molecuul bij elkaar houden, breken wanneer water wordt verwarmd. De watermoleculen vormen dan fragmenten en passen zich opnieuw in de kristallijne structuur van ijs, waardoor het bevriezingsproces begint. Aangezien koud water eerst die zwakke waterstofbruggen moet verbreken voordat het bevriezen kan beginnen, is het logisch dat warm water begint te bevriezen voordat het koud wordt. “We hebben de neiging om aan te nemen dat water met een lage temperatuur dichter bij kristallisatie moet komen”, zegt William Goddard, een chemicus aan het California Institute of Technology (Caltech), die soortgelijke mechanismen heeft gemodelleerd die aantonen dat water met een lagere temperatuur eigenlijk verder van dat punt verwijderd is. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Helaas is geen van deze voorgestelde verklaringen overtuigend genoeg gebleken om sceptische wetenschappers te beïnvloeden. En recentere pogingen om het effect consequent te reproduceren in laboratoriumexperimenten zijn Charles Knight, die ijs studeert aan het National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, herinnerde zich gedenkwaardig aan Physics World (februari 2006 pp19-21) aan zijn eigen experimenten, vast in een kamer van -15 ° C wachtend tot het water bevriezen in bakjes voor ijsblokjes. Ondanks zijn inspanningen om uniformiteit te verkrijgen, begonnen sommige bakjes binnen 15 minuten te bevriezen, andere duurden meer dan een uur.
Dat soort hoge variabiliteit is typerend voor Mpemba-experimenten. ” naar mij dat als het effect bestaat, het afhangt van factoren die mensen nog steeds niet goed beheersen ”, zegt Greg Gbur, een natuurkundige aan de Universiteit van North Carolina, Charlotte, die al lang gefascineerd is door het Mpemba-effect. “Er zijn veel andere parameters die een rol kunnen spelen, kleine verschillen tussen twee ogenschijnlijk identieke monsters, behalve de temperatuur. Als dingen heel snel veranderen, is er allerlei interne dynamiek die dit kan beïnvloeden.”
Sommige wetenschappers betwijfelen of het effect überhaupt bestaat. Henry Burridge van Imperial College London is zon scepticus. Vorig jaar hebben hij en zijn collegas gemeten hoe lang het duurde voordat warme en koude watermonsters afkoelden tot 0 ° C, meestal de temperatuur waarbij water bevriest. Volgens Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665) hebben ze in geen van die experimenten niets waargenomen dat zou dienen als bewijs van enig soort Mpemba-effect.
Weer anderen hebben betoogd dat dit misschien niet eens de juiste parameter is om te meten, aangezien water in veel gevallen niet zal bevriezen op het zogenaamde vriespunt. Bovendien wordt iets als bevroren beschouwd wanneer de eerste ijskristallen worden gevormd, of wanneer de vloeistof in een bepaalde container is helemaal bevroren? “O Oorspronkelijk werd gezegd dat heet water eerst bevriest ”, zegt Raz. “Maar hoe bepaal je het tijdstip waarop iets vastloopt? Het is geen tijdstip, het is een proces.”
Uit evenwicht
Daarom is het nieuwe theoretische raamwerk ontwikkeld door Raz en Lu richt zich op een andere parameter die niet afhankelijk is van een specifieke definitie. In plaats daarvan worden koelprocessen behandeld als zijnde uit evenwicht. Een systeem is in evenwicht als de basiseigenschappen niet veranderen met de tijd. Alle je moet bijvoorbeeld begrijpen dat een perfect diffuus gas dat in een doos zit, het volume, de temperatuur en het totale aantal gasmoleculen is.
Maar veel natuurlijke verschijnselen – van aardbevingen en luchtturbulentie tot snelle afkoeling of klimaatverandering – doen zich voor wanneer de zaken ver van evenwicht zijn in een open systeem Om zulke niet-evenwichtsverschijnselen te begrijpen, heb je veel meer nodig dan slechts drie getallen.Terwijl het gemiddelde gedrag van de moleculen in een doos bij evenwicht op elk punt grotendeels hetzelfde zal zijn, kan in niet-evenwichtscondities de temperatuur op elk punt anders zijn en kan de dichtheid op elk punt anders zijn. Dat is wat niet-evenwichtssystemen tot zon uitdagend onderzoeksgebied maakt.
Raz en Lu kwamen met dit idee op de proppen met koffie toen beiden aan de Universiteit van Maryland, College waren Park. Raz had een recent artikel gelezen over “Markoviaanse” systemen, dit zijn systemen waarbij een object is gekoppeld aan een thermaal bad dat niet wordt beïnvloed door het systeem. Een voorbeeld van een Markoviaans systeem is een kop hete koffie die is verbonden met de atmosfeer: wanneer de koffie koelt af, de atmosfeer verandert in wezen niet. Een koelkast wordt echter aangetast als je een kop warme koffie erin zet, waardoor het een “niet-Markoviaans” systeem wordt.
Het papier keek naar hoe Markoviaanse systemen ontspannen tot evenwicht, en Lu dacht dat het verband zou kunnen houden met het Mpemba-effect. In de eenvoudigste versie van hun model beschouwen ze een basissysteem in evenwicht, zoals het koude interieur van een koelkast, en twee aanvankelijk warmere systemen, waarvan de ene relatief heter is dan de andere. Terwijl ze afkoelen, ontspannen deze twee systemen zich naar de basistoestand van evenwicht. Raz en Lu toonden aan dat onder deze omstandigheden het warmere systeem het koelere systeem kan omzeilen in termen van de snelheid waarmee de temperatuur verandert, waardoor het in wezen een korter pad naar evenwicht neemt, dat wil zeggen, sneller afkoelen. Dus terwijl een hete koffie op je bureau rilt volgens de wet van afkoelen van Newton, de koffie die in een koelkast wordt geplaatst, koelt anders af, omdat de koffie in een soort quench met de koelkast interageert.
In hun simulaties ontdekten Raz en Lu eigenlijk het omgekeerde Mpemba-effect eerst omdat Raz verwarmingsprocessen had gemodelleerd en ze het gemakkelijk vonden om de parameters in te stellen om een omgekeerd verwarmingseffect te produceren. Pas daarna, door dat model om te draaien, produceerden ze een meer algemeen toepasbaar Mpemba-achtig effect. Maar om er zeker van te zijn dat dit omzeilende effect niet beperkt was tot slechts dat ene model, breidden ze het uit naar een meer gecompliceerd systeem dat bekend staat als een ‘Ising-model’, dat veel wordt gebruikt in de natuurkunde om faseovergangen te modelleren in alles, van ferromagnetisme en proteïne. vouwen naar neurale netwerken en de dynamiek van zwermende vogels.
Het Ising-model wordt typisch afgebeeld als een 2D-rooster, met – in het geval van magnetische materialen – een deeltje op elk punt van het rooster. Elk deeltje kan zich in een van de slechts twee toestanden bevinden: spin “omhoog” of spin “omlaag”. De spins vinden het leuk om parallel te lopen met hun buren, omdat dit de algehele energie van het systeem verlaagt. Inderdaad, als je een ferromagnetisch materiaal afkoelt onder een kritiek punt – de “Curietemperatuur” – passen de spins zichzelf aan totdat ze allemaal perfect geordend zijn, waardoor ze een evenwichtstoestand vormen: een ferromagneet.
Een Mpemba-achtig effect kan worden waargenomen als je er twee hebt niet-magnetische systemen boven de Curietemperatuur en koppel ze naar een koud warmtebad dat onder de Curietemperatuur ligt. Terwijl het systeem afkoelt, zullen de spins omdraaien, zodat ze parallel komen te staan en hun overtollige energie verliezen aan het warmtebad. Als het “hete” systeem magnetiseert voor het “koude” systeem, heb je een Mpemba-achtig effect. Wat meer is, als de spins energie uit het bad halen en anti-parallel draaien, zie je het omgekeerde Mpemba-effect. Raz en Lu bestudeerden eigenlijk anti-ferromagneten (geen ferromagneten) waarin de spins antiparallel met elkaar willen uitlijnen, maar de principes zijn hetzelfde. Ook observeerden ze niet strikt een faseovergang, aangezien ze geen 2D-systeem bestudeerden, maar een 1D Ising-ketting met 15 spins, waarbij de links alleen interactie hebben met hun naaste buren. “Maar je hebt de faseovergang niet nodig om het effect te zien”, zegt Raz. “Het is genoeg om te zien dat de gespreide magnetisatie – het verschil in magnetisatie tussen buren – kruist, namelijk dat het aanvankelijk hete systeem een lagere waarde heeft, en groter wordt dan dat van het koude systeem. ”
Sceptische geesten
Ooit de scepticus, Burridge verklaart dat het werk een interessante theorie is, maar het is niet aangetoond dat dergelijke effecten kunnen worden waargenomen in elke praktische situatie. ”De auteurs geven dit toe in de inleiding van hun paper. Dit zijn zeer eenvoudige modellen om een algemeen bewijs van principe te demonstreren, en Raz en Lu hebben hun theorie nog niet uitgebreid tot water, wat een zeer complex systeem dat erg moeilijk te simuleren is. “Water is gecompliceerd, met veel ongebruikelijke eigenschappen”, zegt Raz, erop wijzend dat ijs bijvoorbeeld minder dicht is dan water – niet dichter, zoals je zou verwachten.
Toch denkt Gbur dat dit nieuwe theoretische raamwerk “mogelijk een game-wisselaar” is in termen van het Mpemba-effect en het heeft er al studies van geïnspireerd in granulaire materialen. “Eerder is er nooit echt een kwantitatieve studie geweest. laten zien dat hete dingen sneller kunnen bevriezen of een evenwichtstemperatuur bereiken dan koudere dingen ”, zegt hij. Goddard noemt het “een elegante uiteenzetting en een nieuwe wiskundige analyse”, hoewel hij toegeeft dat hij sceptisch is dat het uiteindelijk het Mpemba-effect in water zal verklaren.
Het komt allemaal neer op wat er daarna gebeurt. “Wij Ik heb enerzijds veel onzekere experimenten, en anderzijds hebben we een mooi theoretisch model, maar alleen voor eenvoudige systemen ”, zegt Gbur. “Het volgende natuurlijke zou zijn om een tussenliggend systeem te vinden waarin theorie en experiment direct kunnen worden vergeleken.” Dat is precies waar Raz en Lu zich nu op focussen, bijvoorbeeld door samen te werken met John Bechhoefer van de Simon Fraser University in Canada om mogelijke systemen te identificeren die onder de juiste omstandigheden het omgekeerde Mpemba-effect zouden kunnen vertonen. Ze zouden dan een experiment op maat kunnen maken. om die voorspelling te testen.
Het is weer een stap in de richting van een robuust theoretisch raamwerk voor het fenomeen. Gbur, bijvoorbeeld, wroet ze. “Het is zon leuk idee,” zegt hij, “het zou bijna zou jammer zijn als het Mpemba-effect op dit moment niet waar bleek te zijn. ” Of uw feestgangers tevreden zullen zijn met uw uitleg over hun gebrek aan ijsblokjes, dat valt nog te bezien.
Granulaire effecten
Oren Raz en Zhiyue Lus model van het Mpemba-effect heeft Antonio Lasanta, Andrés Santos en Francisco Vega Reyes van de Universidad de Extremadura in Spanje al geïnspireerd, samen met Antonio Prados van de Universidad de Sevilla, om hun eigen theoretische model te bedenken dat een Mpemba-effect in een korrelvorm laat zien vloeistof, bestaande uit bolvormige deeltjes gesuspendeerd in een vloeistof (Phys. Rev. Lett. 119 148001). De sleutel tot hun model, dat ook een omgekeerd effect voorspelt, is dat hun korrelige vloeistof harde inelastische bolletjes bevat. Dus wanneer ze botsen, energie verliezen door andere mechanismen dan warmteverlies. “Hete deeltjes” botsen vaker dan “koude deeltjes” en kunnen voldoende afkoelen snel genoeg om ze in te halen, wanneer de eerste energiespreiding van de eerste groot genoeg is.
Wat ook interessant is, is dat Mpembas oorspronkelijke experimenten waren met melk, die ook bestaat uit veel grote deeltjes die in water zijn gesuspendeerd. Het werk van de Spaanse wetenschappers staat daarom wellicht dichter bij wat Mpemba werkelijk deed. Het kan zelfs relevant zijn voor water. Immers, als het monster niet puur is maar vergelijkbare grote opgeloste deeltjes bevat, kunnen die onzuiverheden een factor zijn die bijdraagt aan het Mpemba-effect.
- Geniet van de rest van de Decembernummer van Physics World in ons digitale magazine of via de Physics World-app voor elke iOS- of Android-smartphone of -tablet. Lidmaatschap van het Institute of Physics vereist