Chiar apa fierbinte îngheță mai repede decât rece ? Jennifer Ouellette descrie ce ar putea fi o nouă înțelegere teoretică pentru așa-numitul efect Mpemba – și de ce prezice că apa rece ar putea încălzi chiar mai repede decât apa caldă
Mâncarea este gata. Băuturile sunt în frigider. Ești pregătit pentru o petrecere festivă fabuloasă. La naiba! Nu aveți cuburi de gheață, iar oaspeții sunt în termen de câteva ore. Treci rapid la magazinul tău local, dar este curățat de sacii de petrecere cu cuburi de gheață. Să nu intrați în panică: sunteți fizician și ați auzit de „efectul Mpemba” – că apa fierbinte îngheață mai repede decât apa călduță sau rece. Deci, vă umpleți tava de cuburi de gheață de la robinetul fierbinte și o așezați în congelator. Sau este?
Oamenii de știință încă nu sunt clari cu privire la mecanismele precise din spatele acestui fenomen contra-intuitiv – sau chiar dacă efectul Mpemba există, deoarece s-a dovedit a fi înnebunitor de greu de reprodus în mod consecvent. În ultimul timp, doi fizicieni au trasat un cadru teoretic generalizat pentru modul în care un astfel de eveniment neobișnuit ar putea apărea în sisteme simple. „Efectul Mpemba nu este ceva special pentru apă”, spune Oren Raz de la Institutul de Științe Weizmann din Israel, care a dezvoltat teoria cu Zhiyue Lu de la Universitatea din Chicago din SUA (PNAS 114 5083). „Ar trebui să existe sisteme diferite, în esență cu același efect.”
Teoria lui Raz și Lu prezice, de asemenea, un efect invers Mpemba: că, în anumite condiții, un sistem mai rece ar putea încălzi mai repede decât unul cald. Dacă este adevărat , ar fi vești binevenite pentru cei care cred că apa rece fierbe mai repede decât apa caldă sau fierbinte, care a fost în mare parte respinsă până acum ca un mit științific. Munca lor a inspirat, de asemenea, oamenii de știință din Spania să elaboreze propriul model teoretic care să arate că Mpemba efectul ar putea apărea în fluidul granular format din sfere suspendate într-un lichid.
Convenție provocatoare
Noțiunea că apa fierbinte îngheață mai repede decât rece este numită după Erasto Mpemba. În 1963, în timp ce el a fost școlar în Tanzania, a observat că înghețata de casă a înghețat mai repede decât loturile colegilor de școală dacă nu a răcit laptele fiert înainte de a-l pune în congelator. De fapt, nu le-a răcit laptele înainte de congelare era o practică obișnuită. printre vânzătorii locali de înghețată atunci. Dar observația lui Mpemba nu se potrivea cu ceea ce i se spusese despre legea răcirii lui Newton, care spune că rata la care se răcește un corp este proporțională cu diferența de temperatură dintre acel corp și mediul său.
Tânărul Mpemba și-a provocat profesorul să-și explice observația și a fost ridiculizat în mod ridicat pentru problemele sale (profesorul a respins-o sarcastic ca „fizica lui Mpemba”). aceeași întrebare. Osborne a promis că va încerca experimentul când se va întoarce la universitatea sa. Personal, el a crezut că băiatul se înșală, dar a considerat că nu ar trebui ridiculizată nicio întrebare și a recunoscut că ar putea exista și alți factori necunoscuți care afectează rata de răcire. Surpriza lui Osborne, experimentele au funcționat și el a ajuns să fie co-autor al unei lucrări de hârtie h Mpemba în 1969 (Phys. Ed. 4 172).
Efectul Mpemba a fost un element esențial al experimentelor educaționale DIY de acasă de atunci, dar el nu a fost primul care a observat acest lucru. În jurul anului 350 î.Hr. Aristotel a observat că era obiceiul local de a pune mai întâi apa în Soare dacă se dorea lichidul să se răcească mai repede. Roger Bacon și (patru secole mai târziu) Francis Bacon au susținut, de asemenea, existența unui astfel de efect, la fel ca René Descartes. Și în ultimii 10-15 ani, oamenii de știință s-au uitat mai atent la efectul Mpemba, sperând să elimine cauzele precise ale unui astfel de fenomen contra-intuitiv. Societatea Regală de Chimie a sponsorizat chiar și un concurs în 2012, invitând oameni de știință din întreaga lume să-și prezinte explicațiile; totuși, niciuna dintre cele peste 20.000 de lucrări depuse nu a dat un consens larg.
Explicații rivale Una dintre cele mai comune explicații prezentate de oamenii de știință de-a lungul anilor se concentrează pe influența căldurii convective. transfer, în care apa formează curenți de convecție pe măsură ce se încălzește, transferând lichid fierbinte la suprafață, unde se evaporă. Ca rezultat al acestui efect, o ceașcă deschisă cu apă fierbinte s-ar evapora mai repede decât un vas similar cu apă rece, lichidul rămas prin urmare înghețând mai repede. Dar acest lucru ar limita efectul la vasele deschise, iar unele experimente au observat efectul și la vasele închise.
Supraîncălzirea – în care apa poate rămâne un lichid mult sub punctul său obișnuit de îngheț – poate fi de asemenea implicată, cu condiția ca apa să fie suficient de lipsită de impurități, care altfel ajută lichidele să cristalizeze într-un solid. Într-adevăr, în 1995 David Auerbach – fizician la Institutul Max Planck pentru dinamica fluidelor din Göttingen, Germania – a efectuat experimente care sugerează că apa rece va răcii la o temperatură mai mică decât apa fierbinte (Am. J. Phys. 63 882) . Experimentele sale au dezvăluit că efectul Mpemba apare atunci când cristalele de gheață apar într-un lichid supraîncălzit la temperaturi mai ridicate, ceea ce înseamnă că, în astfel de cazuri, apa fierbinte ar părea să înghețe mai întâi. Cu toate acestea, în 2009, Jonathan Katz de la Universitatea Washington din St Louis a sugerat că poate substanțele dizolvate precum carbonatul de calciu sau carbonatul de magneziu din apa rece dețin cheia – încetinesc procesul de înghețare, oferind apei calde marginea (Am. J. Phys. 77 27).
Mai recent, chimiștii care efectuează simulări moleculare au sugerat că efectul Mpemba ar putea fi legat de natura neobișnuită a legăturii de hidrogen în apă (J. Chem. Theory and Comp. 13 55). Aceste legături inter-moleculare, care sunt mai slabe decât legăturile covalente care țin atomi de hidrogen și oxigen în cadrul fiecărei molecule, se separă atunci când apa este încălzită. Moleculele de apă formează apoi fragmente și se realinizează în structura cristalină a gheții, începând procesul de înghețare. Deoarece apa rece trebuie să rupă mai întâi acele legături slabe de hidrogen înainte de a putea începe congelarea, este logic că apa fierbinte ar începe să înghețe înainte de a fi rece. „Tindem să presupunem că apa cu temperatură scăzută ar trebui să fie mai aproape de cristalizare”, spune William Goddard, chimist la Institutul de Tehnologie din California (Caltech), care a modelat mecanisme similare care arată că apa cu temperatură mai mică este de fapt mai departe de acel punct (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Din păcate, niciuna dintre aceste explicații propuse nu s-a dovedit suficient de convingătoare pentru a influența oamenii de știință sceptici. Și încercările mai recente de a reproduce efectul în mod consecvent în experimentele de laborator au Charles Knight, care studiază gheața la Centrul Național pentru Cercetări Atmosferice din Boulder, Colorado, și-a reamintit memorabil la Physics World (februarie 2006 pp. 19-21) propriile sale experimente, blocat într-o cameră la –15 ° C în așteptarea apei. înghețați în tăvile de cuburi de gheață. În ciuda eforturilor sale de uniformizare, unele tăvi au început să înghețe în decurs de 15 minute, altele au durat mai mult de o oră.
Acest tip de variabilitate ridicată este tipic experimentelor Mpemba. „Aceasta sugerează mie că dacă efectul există, atunci depinde de factori pe care oamenii încă nu-i controlează foarte bine ”, spune Greg Gbur, fizician la Universitatea din Carolina de Nord, Charlotte, care a fost mult timp fascinat de efectul Mpemba. „Există mulți alți parametri care ar putea intra în joc, mici diferențe între două probe aparent identice, altele decât temperatura. Când lucrurile se schimbă foarte rapid, există tot felul de dinamici interne care ar putea să o afecteze.”
nii oameni de știință se îndoiesc că efectul chiar există. Henry Burridge de la Imperial College London este unul dintre acești sceptici. Anul trecut, el și colegii săi au măsurat cât timp a fost nevoie de probe calde și reci de apă pentru a se răci până la 0 ° C, de obicei Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665). Nu au observat nimic în niciunul dintre experimentele care ar servi drept dovadă a vreunui tip de efect Mpemba.
că acesta nu ar putea fi nici măcar parametrul potrivit de măsurat, deoarece în multe cazuri apa nu va îngheța la așa-numitul punct de îngheț. Mai mult, este ceva considerat înghețat atunci când se formează primele cristale de gheață sau când lichidul dintr-un recipient dat este complet înghețat? „O riguros a fost declarat ca apa fierbinte ingheata mai intai ”, spune Raz. „Dar cum decideți momentul în care ceva îngheață? Nu este un moment în timp, este un proces.”
În afara echilibrului
De aceea s-a dezvoltat noul cadru teoretic de Raz și Lu se concentrează pe un parametru diferit care nu depinde de o definiție specifică. În schimb, tratează procesele de răcire ca fiind în afara echilibrului. Se spune că un sistem este în echilibru atunci când proprietățile sale de bază nu se schimbă în timp. trebuie să înțelegeți, de exemplu, un gaz perfect difuz închis într-o cutie, este volumul, temperatura și numărul total de molecule de gaz.
Dar multe fenomene naturale – de la cutremure și turbulențe ale aerului până la răcirea rapidă sau schimbările climatice – apar atunci când lucrurile sunt departe de echilibru într-un sistem deschis. Pentru a înțelege astfel de fenomene de neechilibru, aveți nevoie de mai mult decât doar trei numere.În timp ce comportamentul mediu al moleculelor dintr-o cutie la echilibru va fi în mare parte același în fiecare punct, în condiții de neechilibru temperatura poate fi diferită în fiecare punct și densitatea poate fi diferită în fiecare punct. Acesta este ceea ce face ca sistemele care nu sunt în echilibru să devină un domeniu de cercetare atât de provocator.
Raz și Lu au venit cu această idee la cafea când ambii erau la Universitatea din Maryland, College Parc. Raz citise o lucrare recentă despre sistemele „Markovian”, care sunt cele în care un obiect este cuplat la o baie termală care nu este afectată de sistem. Un exemplu de sistem Markovian este o ceașcă de cafea fierbinte conectată la atmosferă: când cafeaua se răcește, atmosfera în esență nu se schimbă. Un frigider, totuși, este afectat dacă puneți o ceașcă de cafea fierbinte în interior, făcându-l un sistem „non-Markovian”.
Hârtia se uită la modul în care sistemele markoviene se relaxează la echilibru și Lu a crezut că ar putea fi legat de efectul Mpemba. În cea mai simplă versiune a modelului lor, ei consideră un sistem de bază în echilibru, cum ar fi interiorul rece al unui frigider și două sisteme inițial mai fierbinți, unul fiind relativ mai fierbinte decât celălalt. Pe măsură ce se răcesc, aceste două sisteme se relaxează spre starea de bază a echilibrului. Raz și Lu au arătat că, în aceste condiții, sistemul mai fierbinte îl poate ocoli pe cel mai rece în ceea ce privește rata de schimbare a temperaturii, luând în esență o „cale” mai scurtă către echilibru, adică răcire mai rapidă. friguri de birou în conformitate cu legea de răcire a lui Newton, cafeaua plasată într-un frigider se răcește diferit pe măsură ce cafeaua interacționează cu frigiderul într-un fel de „stingere”.
În simulările lor, Raz și Lu au descoperit de fapt inversul Efectul Mpemba mai întâi, deoarece Raz modelase procesele de încălzire și le-a fost ușor să seteze parametrii pentru a produce un efect de încălzire inversă. Abia după aceea, prin inversarea acelui model, au produs un efect de tip Mpemba mai general aplicabil. Dar pentru a se asigura că acest efect de ocolire nu se limitează doar la acel model, l-au extins la un sistem mai complicat cunoscut sub numele de „model Ising”, care este utilizat pe scară largă în fizică pentru a modela tranzițiile de fază în orice, de la feromagnetism și proteine. plierea la rețelele neuronale și dinamica păsărilor care se adună.
Modelul Ising este de obicei descris ca o rețea 2D, cu – în cazul materialelor magnetice – o particulă în fiecare punct al rețelei. Fiecare particulă poate fiți într-una din cele două stări: fie rotiți „în sus”, fie rotiți „în jos”. Rotirile preferă să se alinieze în paralel cu vecinii lor, deoarece acest lucru scade energia totală a sistemului. Într-adevăr, dacă răciți un material feromagnetic sub un punct critic – „temperatura Curie” – rotirile se reglează singure până când toate sunt perfect ordonate, formând o stare de echilibru: un feromagnet.
Un efect de tip Mpemba poate fi observat dacă aveți două sisteme nemagnetice peste temperatura Curie și le cuplează la o baie de căldură rece care se află sub temperatura Curie. Pe măsură ce sistemul se răcește, rotirile vor răsturna astfel încât să se alinieze în paralel și să-și piardă energia în exces în baia de căldură. Dacă sistemul „fierbinte” magnetizează înainte de cel „rece”, aveți un efect de tip Mpemba. Mai mult, dacă rotirile câștigă energie din baie și răstoarnă anti-paralel, vedeți efectul invers Mpemba. Raz și Lu au studiat de fapt anti-feromagnetii (nu feromagnetii) în care rotirile vor să se alinieze antiparalel între ele, dar principiile sunt aceleași. De asemenea, nu au observat strict o tranziție de fază, deoarece nu au studiat un sistem 2D, ci un lanț 1D Ising cu 15 rotiri, în care legăturile interacționează doar cu vecinii lor cei mai apropiați. „Dar nu aveți nevoie de tranziția de fază pentru a vedea efectul”, spune Raz. „Este suficient să vedeți că magnetizarea eșalonată – diferența de magnetizare între vecini – se încrucișează, și anume că sistemul fierbinte inițial are o valoare mai mică și că devine mai mare înainte de cea a sistemului rece. ”
Mintile sceptice
Încă sceptic, Burridge declară că lucrarea este„ o teorie interesantă, dar nu este demonstrat că astfel de efecte pot Autorii recunosc la fel de mult în introducerea lucrării lor. Acestea sunt modele foarte simple pentru a demonstra o dovadă generală a principiului, iar Raz și Lu nu și-au extins încă teoria la apă, care este o „Apa este complicată, cu multe proprietăți neobișnuite”, spune Raz, subliniind că gheața, de exemplu, este mai puțin densă decât apa – nu mai densă, așa cum ne-am putea aștepta.
Totuși, Gbur consideră că acest nou cadru teoretic este „posibil un schimbător de jocuri” în ceea ce privește efectul Mpemba și a inspirat deja studii despre materialele granulare. „Anterior, nu a existat niciodată un studiu cantitativ arătând că este posibil ca lucrurile fierbinți să înghețe sau să atingă temperatura de echilibru mai repede decât lucrurile mai reci ”, spune el. Goddard o numește „o expoziție elegantă și o analiză matematică nouă”, deși admite că este sceptic că va explica în cele din urmă efectul Mpemba în apă.
Totul se rezumă la ceea ce se va întâmpla în continuare. Am făcut, pe de o parte, o mulțime de experimente incerte și, pe de altă parte, avem un model teoretic frumos, dar numai pentru sisteme simple ”, spune Gbur. „Următorul lucru natural ar fi să găsim un sistem intermediar în care teoria și experimentul să poată fi comparate direct”. Exact pe acest lucru se concentrează acum Raz și Lu, colaborând, de exemplu, cu John Bechhoefer de la Universitatea Simon Fraser din Canada pentru a identifica sisteme potențiale care ar putea prezenta efectul invers Mpemba în condițiile potrivite. Ei ar putea apoi să adapteze un experiment pentru a testa această predicție.
Este încă un pas către un cadru teoretic robust pentru fenomen. Gbur, în primul rând, este înrădăcinat pentru ei. „Este o idee atât de îngrijită”, spune el, „ar fi aproape fii păcat dacă efectul Mpemba s-a dovedit a nu fi adevărat în acest moment. ” Indiferent dacă oaspeții petrecerii dvs. vor fi mulțumiți de explicația dvs. cu privire la lipsa lor de cuburi de gheață – bine, asta rămâne de văzut.
Efecte granulare
Oren Raz și modelul lui Zhiyue Lu al efectului Mpemba i-a inspirat deja pe Antonio Lasanta, Andrés Santos și Francisco Vega Reyes de la Universidad de Extremadura din Spania, alături de Antonio Prados de la Universidad de Sevilla, pentru a elabora propriul model teoretic care arată un efect Mpemba într-un granular fluid, constând din particule sferice suspendate într-un fluid (Rev. Phys. Lett. 119 148001). Cheia modelului lor, care prezice și un efect invers, este că fluidul lor granular conține sfere inelastice dure. Deci, atunci când se ciocnesc, particulele pierde energie prin alte mecanisme decât pierderea termică. „Particulele fierbinți” se ciocnesc mai frecvent decât „particulele reci” și pot răci suficient rapid pentru a le depăși, atunci când dispersia inițială a energiei inițiale este suficient de mare.
Ceea ce este de asemenea interesant este că experimentele inițiale ale lui Mpemba au fost cu lapte, care constă și din multe particule mari suspendate în apă. Prin urmare, munca oamenilor de știință spanioli poate fi un model mai apropiat de ceea ce a făcut de fapt Mpemba. S-ar putea dovedi chiar relevant și pentru apă. La urma urmei, dacă proba nu este pură, dar are în el particule de solut în mod similar mari, acele impurități ar putea fi un factor care contribuie la efectul Mpemba.
- Bucurați-vă de restul Numărul din decembrie 2017 al Physics World în revista digitală sau prin aplicația Physics World pentru orice smartphone sau tabletă iOS sau Android. Este necesară calitatea de membru al Institutului de fizică