Czy gorąca woda naprawdę zamarza szybciej niż zimna ? Jennifer Ouellette opisuje, co może być nowym teoretycznym zrozumieniem tak zwanego efektu Mpemba – i dlaczego przewiduje, że zimna woda może nawet podgrzać się szybciej niż ciepła woda.
Jedzenie jest gotowe. Napoje są w lodówce. Wszystko gotowe na wspaniałe przyjęcie świąteczne. Cholera! Nie masz kostek lodu, a goście mają przyjść za kilka godzin. Biegniesz sprintem do lokalnego sklepu spożywczego, ale jest już wyczyszczony z torebek z kostkami lodu. Nie panikuj: jesteś fizykiem i słyszałeś o „efekcie Mpemby” – gorąca woda zamarza szybciej niż letnia lub zimna. Napełniasz więc tacę na kostki lodu z gorącego kranu i wkładasz do zamrażarki. czy to prawda?
Naukowcy wciąż nie są pewni dokładnych mechanizmów stojących za tym sprzecznym z intuicją zjawiskiem – lub nawet jeśli efekt Mpemby w ogóle istnieje, ponieważ udowodniono, że jego konsekwentne odtwarzanie jest niezwykle trudne. najnowszym zwrotem akcji, dwóch fizyków nakreśliło uogólnione ramy teoretyczne dla tego, jak takie niezwykłe zdarzenie może wystąpić w prostych układach. „Efekt Mpemby nie jest czymś wyjątkowym dla wody” – mówi Oren Raz z Instytutu Nauki Weizmanna w Izraelu, który teorię z Zhiyue Lu z University of Chicago w USA (PNAS 114 5083). „Powinny istnieć różne systemy z zasadniczo takim samym efektem”.
Teoria Rasa i Lu również przewiduje odwrotny efekt Mpemby: w pewnych warunkach chłodniejszy system może się nagrzewać szybciej niż ciepły. Jeśli to prawda , byłaby to dobra wiadomość dla tych, którzy uważają, że zimna woda gotuje się szybciej niż ciepła lub gorąca, co do tej pory było w dużej mierze odrzucane jako mit naukowy. Ich praca zainspirowała również naukowców z Hiszpanii do opracowania własnego modelu teoretycznego pokazującego, że Mpemba efekt może wystąpić w ziarnistym płynie składającym się z kul zawieszonych w cieczy.
Trudna konwencja
Pojęcie, że gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, zostało nazwane na cześć Erasto Mpemby. W 1963 roku, kiedy on był uczniem w Tanzanii, zauważył, że jego domowe lody zamarzały szybciej niż partie kolegów ze szkoły, jeśli nie schłodził gotowanego mleka przed włożeniem go do zamrażarki. W rzeczywistości nie schładzanie mleka przed zamrożeniem było powszechną praktyką wśród lokalnych sprzedawców lodów wtedy. Jednak obserwacja Mpemby nie zgadzała się z tym, co powiedziano mu o prawie chłodzenia Newtona, które mówi, że tempo, w jakim ciało się ochładza, jest proporcjonalne do różnicy temperatur między tym ciałem a jego otoczeniem.
Młodzi Mpemba rzucił swojemu nauczycielowi wyzwanie, aby wyjaśnił swoje spostrzeżenia i został okrutnie wyśmiewany z powodu jego kłopotów (nauczyciel sarkastycznie odrzucił to jako „fizykę Mpemby”). Ale kiedy Denis Osborne, fizyk z University College Dar es Salaam, odwiedził szkołę Mpemby, chłopiec pozował to samo pytanie. Osborne obiecał spróbować eksperymentu po powrocie na uniwersytet. Osobiście uważał, że chłopiec się mylił, ale uważał, że żadne pytanie nie powinno być wyśmiewane i przyznał, że mogą istnieć inne nieznane czynniki wpływające na szybkość chłodzenia. Zaskoczenie Osbornea, eksperymenty zadziałały i skończył jako współautor dowcipu na papierze h Mpemba w 1969 roku (Phys. Ed. 4 172).
Efekt Mpemby był od tamtej pory podstawą domowych eksperymentów edukacyjnych zrób to sam, ale nie był pierwszym, który go zauważył. Około 350 rpne Arystoteles zauważył, że lokalny zwyczaj umieszczał wodę na słońcu jako pierwszy, jeśli ktoś chciał, aby ciecz ostygła szybciej. Roger Bacon i (cztery wieki później) Francis Bacon również argumentowali za istnieniem takiego efektu, podobnie jak René Descartes. W ciągu ostatnich 10–15 lat naukowcy przyglądali się bliżej efektowi Mpemby, mając nadzieję na ustalenie dokładnych przyczyn takiego sprzecznego z intuicją zjawiska. Królewskie Towarzystwo Chemii sponsorowało nawet konkurs w 2012 r., Zapraszając naukowców z całego świata do przedstawienia swoich wyjaśnień; jednak żaden z ponad 20 000 nadesłanych artykułów nie przyniósł szerokiego konsensusu.
Rywalizujące wyjaśnienia Jedno z najczęstszych wyjaśnień wysuwanych przez naukowców na przestrzeni lat koncentruje się na wpływie ciepła konwekcyjnego transfer, w którym woda tworzy prądy konwekcyjne podczas ogrzewania, przenosząc gorącą ciecz na powierzchnię, gdzie odparowuje. W wyniku tego efektu otwarty kubek z gorącą wodą odparowałby szybciej niż podobne naczynie z zimną wodą, a zatem pozostała ciecz zamarzałaby szybciej. Ale to ograniczyłoby efekt do naczyń z otwartą pokrywą, a niektóre eksperymenty zaobserwowały efekt również w naczyniach zamkniętych.
Przechłodzenie – w którym woda może pozostać cieczą znacznie poniżej swojej zwykłej temperatury zamarzania – może również wystąpić, pod warunkiem, że woda jest wystarczająco wolna od zanieczyszczeń, które w przeciwnym razie pomagają cieczom krystalizować w ciało stałe. Rzeczywiście, w 1995 roku David Auerbach – wówczas fizyk z Instytutu Dynamiki Płynów im. Maxa Plancka w Getyndze w Niemczech – przeprowadził eksperymenty, które sugerowały, że zimna woda przechłodzi się do niższej temperatury niż gorąca woda (Am. J. Phys. 63 882) . Jego eksperymenty ujawniły, że efekt Mpemby występuje, gdy kryształki lodu pojawiają się w przechłodzonej cieczy w wyższych temperaturach, co oznacza, że w takich przypadkach gorąca woda wydaje się najpierw zamarzać. Jednak w 2009 roku Jonathan Katz z Washington University w St Louis zasugerował, że być może substancje rozpuszczone, takie jak węglan wapnia lub węglan magnezu w zimnej wodzie, są kluczowe – spowalniają proces zamrażania, nadając gorącej wodzie przewagę (Am. J. Phys. 77 27).
Niedawno chemicy przeprowadzający symulacje molekularne zasugerowali, że efekt Mpemby może być powiązany z niezwykłą naturą wiązań wodorowych w wodzie (J. Chem. Theory i Comp. 13 55). Te wiązania międzycząsteczkowe, które są słabsze niż wiązania kowalencyjne utrzymujące razem atomy wodoru i tlenu w każdej cząsteczce, rozpadają się, gdy woda jest podgrzewana. Cząsteczki wody następnie formują fragmenty i dopasowują się do krystalicznej struktury lodu, rozpoczynając proces zamrażania. Ponieważ zimna woda musi najpierw zerwać te słabe wiązania wodorowe, zanim zacznie się zamrażanie, sensowne jest, aby gorąca woda zaczęła zamarzać przed zimnem. „Zwykle zakładamy, że woda o niskiej temperaturze powinna być bliżej krystalizacji” – mówi William Goddard, chemik z California Institute of Technology (Caltech), który modelował podobne mechanizmy pokazujące, że woda o niższej temperaturze znajduje się dalej od tego punktu (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Niestety, żadne z tych proponowanych wyjaśnień nie okazało się wystarczająco przekonujące, by przekonać sceptycznych naukowców. A nowsze próby konsekwentnego odtworzenia tego efektu w eksperymentach laboratoryjnych przyniosły Charles Knight, który bada lód w National Center for Atmospheric Research w Boulder w Kolorado, przypomniał sobie w pamięci Physics World (luty 2006, str. 19–21) swoje własne eksperymenty, utknął w pokoju z temperaturą –15 ° C, czekając, aż woda zamrażać w tacach na kostki lodu. Pomimo jego największych starań w celu uzyskania jednorodności, niektóre tacki zaczęły zamrażać w ciągu 15 minut, inne trwały dłużej niż godzinę.
Ten rodzaj dużej zmienności jest typowy dla eksperymentów Mpemba. ”Sugeruje to Dla mnie że jeśli efekt istnieje, to zależy to od czynników, nad którymi ludzie nadal nie bardzo dobrze kontrolują ”- mówi Greg Gbur, fizyk z University of North Carolina w Charlotte, którego od dawna fascynuje efekt Mpemby. „Jest wiele innych parametrów, które mogą wchodzić w grę, małe różnice między dwoma pozornie identycznymi próbkami, inne niż temperatura. Kiedy rzeczy zmieniają się bardzo szybko, istnieje wiele rodzajów wewnętrznej dynamiki, które mogą na to wpływać.”
Niektórzy naukowcy wątpią, że efekt w ogóle istnieje. Henry Burridge z Imperial College w Londynie jest jednym z takich sceptyków. W zeszłym roku on i jego koledzy zmierzyli, ile czasu zajęło schłodzenie gorących i zimnych próbek wody do 0 ° C, zazwyczaj temperatura, w której zamarza woda. Według Burridgea (2016 Sci. Rep. 6 37665), w żadnym z tych eksperymentów nie zaobserwowali niczego, co mogłoby posłużyć jako dowód jakiegokolwiek efektu Mpemby.
Jeszcze inni argumentowali że może to nie być nawet właściwy parametr do zmierzenia, ponieważ w wielu przypadkach woda nie zamarza w tak zwanym punkcie zamarzania. Co więcej, jest to coś uważane za zamrożone, gdy tworzą się pierwsze kryształki lodu lub gdy ciecz w danym pojemniku jest całkowicie zamarznięty? ”O sztywno stwierdzono, że gorąca woda zamarza jako pierwsza ”- mówi Raz. „Ale jak określić moment, w którym coś zawiesza się? To nie jest moment w czasie, to proces”.
Brak równowagi
Dlatego opracowano nowe ramy teoretyczne Raz i Lu skupia się na innym parametrze, który nie zależy od konkretnej definicji. Zamiast tego traktuje procesy chłodzenia jako niezrównoważone. Mówi się, że system jest w równowadze, gdy jego podstawowe właściwości nie zmieniają się w czasie. Wszystko musisz zrozumieć, na przykład, doskonale rozproszony gaz zamknięty w pudełku, to jego objętość, temperatura i całkowita liczba cząsteczek gazu.
Ale wiele zjawisk naturalnych – od trzęsień ziemi i turbulencji powietrza po szybkie chłodzenie lub zmiany klimatyczne – występują, gdy w systemie otwartym rzeczy są dalekie od równowagi. Aby zrozumieć takie zjawiska nierównowagi, potrzeba o wiele więcej niż tylko trzy liczby.Podczas gdy średnie zachowanie cząsteczek w pudełku w stanie równowagi będzie w dużej mierze takie samo w każdym punkcie, w warunkach nierównowagi temperatura może być różna w każdym punkcie, a gęstość może być różna w każdym punkcie. To właśnie sprawia, że systemy nierównowagowe są tak wymagającym obszarem badań.
Raz i Lu wpadli na ten pomysł przy kawie, kiedy obaj byli na University of Maryland w College Park. Raz przeczytał niedawno artykuł o systemach „markowskich”, czyli takich, w których obiekt jest połączony z kąpielą termalną, na którą system nie ma wpływu. Jednym z przykładów systemu markowskiego jest filiżanka gorącej kawy podłączona do atmosfery: kiedy kawa stygnie, atmosfera w zasadzie się nie zmienia. Jednak włożyć do niej filiżankę gorącej kawy, wpływa to na lodówkę, co czyni ją systemem „niemarkowskim”.
jak systemy Markowa odprężają się do stanu równowagi i Lu pomyślał, że może to mieć związek z efektem Mpemby. W najprostszej wersji swojego modelu rozważają system podstawowy w równowadze, taki jak zimne wnętrze lodówki, oraz dwa systemy początkowo cieplejsze, z których jeden jest stosunkowo cieplejszy niż drugi. Gdy ostygną, te dwa systemy odprężają się w kierunku podstawowego stanu równowagi. Raz i Lu wykazali, że w tych warunkach cieplejszy system może ominąć chłodniejszy pod względem szybkości zmian temperatury, w istocie wybierając krótszą „ścieżkę” do równowagi, czyli szybsze chłodzenie. Tak więc podczas gdy gorąca kawa na twoim biurko stygnie zgodnie z prawem Newtona, kawa umieszczona w lodówce chłodzi się inaczej, gdy kawa wchodzi w interakcję z lodówką w swego rodzaju „hartowaniu”.
W swoich symulacjach Raz i Lu odkryli odwrotność Najpierw efekt Mpemby, ponieważ Raz modelował procesy ogrzewania i okazało się, że łatwo jest ustawić parametry, aby uzyskać odwrotny efekt ogrzewania. Dopiero później, odwracając ten model, uzyskano bardziej ogólnie stosowany efekt podobny do Mpemby. Aby jednak upewnić się, że ten efekt obejścia nie ogranicza się tylko do tego jednego modelu, rozszerzyli go do bardziej skomplikowanego systemu znanego jako „model Isinga”, który jest szeroko stosowany w fizyce do modelowania przejść fazowych we wszystkim, od ferromagnetyzmu i białek. fałdowanie się do sieci neuronowych i dynamika stad ptaków.
Model Isinga jest zwykle przedstawiany jako sieć 2D, z – w przypadku materiałów magnetycznych – cząstką w każdym punkcie siatki. Każda cząstka może znajdować się w jednym z zaledwie dwóch stanów: albo kręcić „w górę”, albo „w dół”. Spiny lubią ustawiać się równolegle do swoich sąsiadów, ponieważ powoduje to obniżenie całkowitej energii systemu. Rzeczywiście, jeśli ochłodzisz materiał ferromagnetyczny poniżej punktu krytycznego – „temperatury Curie” – spiny dostosowują się, aż wszystkie będą idealnie uporządkowane, tworząc stan równowagi: ferromagnetyk.
Efekt podobny do Mpemby można zaobserwować, jeśli masz dwa systemy niemagnetyczne powyżej temperatury Curie i łączą je do zimnej kąpieli termicznej, która leży poniżej temperatury Curie. Gdy system ostygnie, spiny odwrócą się, tak że ustawią się równolegle i stracą nadmiar energii na kąpiel cieplną. Jeśli układ „gorący” magnesuje się przed układem „zimnym”, uzyskuje się efekt podobny do Mpemby. Co więcej, jeśli spiny czerpią energię z kąpieli i odwracają się przeciwrównolegle, widać odwrotny efekt Mpemby. Raz i Lu faktycznie badali anty-ferromagnesy (nie ferromagnesy), w których spiny chcą ustawić się przeciwrównolegle względem siebie, ale zasady są takie same. Ponadto nie obserwowali ściśle przejścia fazowego, ponieważ nie badali systemu 2D, ale łańcuch Ising 1D z 15 spinami, w którym łącza oddziałują tylko z najbliższymi sąsiadami. „Ale nie potrzebujesz przejścia fazowego, aby zobaczyć efekt”, mówi Raz. „Wystarczy zobaczyć, że zachwiana magnetyzacja – różnica w magnetyzacji między sąsiadami – krzyżuje się, a mianowicie, że początkowo gorący system ma niższą wartość i staje się większa niż w zimnym systemie ”.
Sceptyczne umysły
Burridge, który zawsze jest sceptyczny, deklaruje, że praca jest„ interesującą teorią, ale nie zostało wykazane, że takie efekty mogą być obserwowane w każdej praktycznej sytuacji. ”. Autorzy przyznają to we wstępie do ich artykułu. Są to bardzo proste modele, które pokazują ogólny dowód zasady, a Raz i Lu nie rozszerzyli jeszcze swojej teorii na wodę, która jest wysoce złożony system, który jest bardzo trudny do zasymulowania. „Woda jest skomplikowana, ma wiele niezwykłych właściwości”, mówi Raz, wskazując, że na przykład lód jest mniej gęsty niż woda – nie bardziej gęsty, jak można by się spodziewać.
Mimo to Gbur uważa, że te nowe ramy teoretyczne są „prawdopodobnie zmieniające zasady gry” pod względem efektu Mpemby i już zainspirowały badania nad nim w materiałach ziarnistych. „Wcześniej nigdy nie było badań ilościowych. pokazując, że rzeczy gorące mogą zamarzać lub osiągać temperaturę równowagi szybciej niż rzeczy zimniejsze ”- mówi. Goddard nazywa to „elegancką ekspozycją i nowatorską analizą matematyczną”, chociaż przyznaje, że jest sceptyczny, że ostatecznie wyjaśni efekt Mpemby w wodzie.
Wszystko sprowadza się do tego, co stanie się później. Z jednej strony przeprowadziliśmy wiele niepewnych eksperymentów, az drugiej mamy ładny model teoretyczny, ale tylko dla prostych systemów ”- mówi Gbur. „Następną naturalną rzeczą byłoby znalezienie systemu pośredniego, w którym teoria i eksperyment można by bezpośrednio porównać”. Właśnie na tym skupiają się teraz Raz i Lu, współpracując na przykład z Johnem Bechhoeferem z Uniwersytetu Simona Frasera w Kanadzie, aby zidentyfikować potencjalne systemy, które mogą wykazywać odwrotny efekt Mpemby w odpowiednich warunkach. Następnie byliby w stanie dostosować eksperyment aby przetestować tę prognozę.
To kolejny krok w kierunku solidnych ram teoretycznych dla tego zjawiska. Gbur, na przykład, ich kibicuje. „To bardzo fajny pomysł” – mówi – „prawie szkoda, gdyby efekt Mpemby okazał się w tym momencie nieprawdziwy. ” Czy jednak goście na przyjęciu będą zadowoleni z wyjaśnienia dotyczącego ich braku kostek lodu – cóż, to się dopiero okaże.
Efekty ziarniste
Oren Raz i model efektu Mpemby Zhiyue Lu zainspirował już Antonio Lasantę, Andrés Santosa i Francisco Vega Reyesa z Universidad de Extremadura w Hiszpanii, wraz z Antonio Pradosem z Universidad de Sevilla, do opracowania własnego modelu teoretycznego pokazującego efekt Mpemby w ziarnistości płyn, składający się z kulistych cząstek zawieszonych w płynie (Phys. Rev. Lett. 119 148001). Kluczem do ich modelu, który również przewiduje efekt odwrotny, jest to, że ich ziarnisty płyn zawiera twarde, nieelastyczne kulki. tracą energię poprzez mechanizmy inne niż utrata ciepła. „Gorące cząstki” zderzają się częściej niż „zimne cząstki” i mogą wystarczająco chłodzić szybko je wyprzedzić, gdy początkowa dyspersja energii tego pierwszego jest wystarczająco duża.
Co ciekawe, oryginalne eksperymenty Mpemby dotyczyły mleka, które również składa się z wielu dużych cząstek zawieszonych w wodzie. Dlatego praca hiszpańskich naukowców może być bliższym modelem tego, co faktycznie zrobił Mpemba. Może się to nawet sprawdzić w przypadku wody. W końcu, jeśli próbka nie jest czysta, ale zawiera podobnie duże cząstki substancji rozpuszczonej, te zanieczyszczenia mogą być czynnikiem przyczyniającym się do efektu Mpemba.
- Ciesz się resztą Wydanie Physics World z grudnia 2017 r. W naszym cyfrowym magazynie lub za pośrednictwem aplikacji Physics World na dowolny smartfon lub tablet z systemem iOS lub Android. Wymagane członkostwo w Instytucie Fizyki