stringtranslate.com

Эффект Мпембы

Графики зависимости температуры от времени, демонстрирующие эффект Мпембы.

Эффект Мпембы — это название, данное наблюдению , что жидкость (обычно вода ), которая изначально горячая, может замерзнуть быстрее, чем та же жидкость, которая изначально холодная, при других схожих условиях. Существуют разногласия относительно его теоретической основы и параметров, необходимых для получения эффекта. [1] [2]

Эффект Мпембы назван в честь танзанийца Эрасто Бартоломео Мпембы , который описал его в 1963 году, будучи учеником средней школы . Первоначальное открытие и наблюдения эффекта берут свое начало в древности; Аристотель сказал, что это общеизвестно. [3]

Определение

Феномен, если понимать его так, как будто «горячая вода замерзает быстрее холодной», трудно воспроизвести или подтвердить, поскольку он плохо определен. [4] Монвэя Дженг предложил более точную формулировку: «Существует набор начальных параметров и пара температур, таких, что если взять два водоема, идентичных по этим параметрам и отличающихся только начальной однородной температурой, то горячий замерзнет раньше». [5]

Даже с определением Дженга неясно, относится ли «замерзание» к точке, в которой вода образует видимый поверхностный слой льда, к точке, в которой весь объем воды становится сплошным куском льда, или к моменту, когда вода достигает 0 °C (32 °F; 273 K). [4] Определение Дженга предлагает простые способы, с помощью которых можно наблюдать эффект, например, если более высокая температура растапливает иней на охлаждающей поверхности, тем самым увеличивая теплопроводность между охлаждающей поверхностью и емкостью с водой. [4] С другой стороны, эффект Мпембы может не быть очевидным в ситуациях и при обстоятельствах, которые на первый взгляд кажутся подходящими. [4]

Наблюдения

Исторический контекст

Различные эффекты тепла на замерзание воды были описаны древними учеными, включая Аристотеля : «Тот факт, что вода предварительно была нагрета, способствует ее быстрому замерзанию: так она быстрее остывает. Поэтому многие люди, когда хотят быстро охладить воду, начинают с того, что выставляют ее на солнце». [6] Объяснение Аристотеля включало антиперистазис : «...предполагаемое увеличение интенсивности качества в результате окружения его противоположным качеством». [ требуется цитата ]

Фрэнсис Бэкон заметил, что «слегка теплая вода замерзает легче, чем совершенно холодная». [7] Рене Декарт писал в своем «Рассуждении о методе» , связывая это явление со своей теорией вихрей : «Можно видеть на опыте, что вода, которая долгое время находилась на огне, замерзает быстрее, чем другая, причина в том, что те ее частицы, которые меньше всего способны прекратить изгибаться, испаряются, пока вода нагревается». [8]

Шотландский ученый Джозеф Блэк исследовал особый случай явления, сравнивая предварительно кипяченую с некипяченой водой; [9] он обнаружил, что предварительно кипяченая вода замерзала быстрее. Испарение контролировалось для . Он обсудил влияние перемешивания на результаты эксперимента, отметив, что перемешивание некипяченой воды приводило к ее замерзанию в то же время, что и предварительно кипяченая вода, а также отметил, что перемешивание очень холодной некипяченой воды приводило к немедленному замерзанию. Затем Джозеф Блэк обсудил описание Дэниела Габриэля Фаренгейта переохлаждения воды, утверждая, что предварительно кипяченая вода не могла быть так легко переохлаждена. [ необходима цитата ]

Наблюдение Мпембы

Эффект назван в честь танзанийского ученого Эрасто Мпембы . Он описал его в 1963 году в 3 классе средней школы Магамба, Танганьика ; замораживая горячую смесь для мороженого на уроке кулинарии, он заметил, что она замерзла раньше холодной смеси. Позже он стал учеником средней школы Мквава (ранее средней) в Иринге . Директор пригласил доктора Дениса Осборна из университетского колледжа в Дар-эс-Саламе прочитать лекцию по физике. После лекции Мпемба спросил его: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды, один при 35 °C (95 °F), а другой при 100 °C (212 °F), и поместить их в морозильник, тот, который изначально был при 100 °C (212 °F), замерзнет первым. Почему?» Сначала Мпембу высмеивали и одноклассники, и учитель. Однако после первоначального смятения Осборн провел эксперимент по этому вопросу на своем рабочем месте и подтвердил открытие Мпембы. Они опубликовали результаты вместе в 1969 году, когда Мпемба учился в Колледже управления африканской дикой природой . [10]

Мпемба и Осборн описали размещение образцов воды объемом 70 мл (2,5 имп. жидких унций; 2,4 амер. жидких унций) в стаканах объемом 100 мл (3,5 имп. жидких унций; 3,4 амер. жидких унций) в леднике бытового холодильника на листе полистироловой пены. Они показали, что время начала замерзания было самым длительным при начальной температуре 25 °C (77 °F) и что оно было намного меньше при температуре около 90 °C (194 °F). Они исключили потерю объема жидкости за счет испарения и влияние растворенного воздуха как значимые факторы. В их установке было обнаружено, что большая часть потери тепла происходила с поверхности жидкости. [10]

Современные экспериментальные работы

Дэвид Ауэрбах описал эффект, который он наблюдал в образцах в стеклянных стаканах, помещенных в жидкостную охлаждающую ванну. Во всех случаях вода переохлаждалась, достигая температуры обычно от −6 до −18 °C (от 21 до 0 °F; от 267 до 255 K) перед спонтанным замерзанием. Были отмечены значительные случайные вариации во времени, необходимом для начала спонтанного замерзания, и в некоторых случаях это приводило к тому, что вода, которая изначально была более горячей, (частично) замерзала первой. [11]

В 2016 году Берридж и Линден определили критерий как время достижения 0 °C (32 °F; 273 K), провели эксперименты и рассмотрели опубликованные на сегодняшний день работы. Они отметили, что изначально заявленная большая разница не была воспроизведена, и что исследования, показывающие небольшой эффект, могли быть подвержены влиянию изменений в расположении термометров: «Мы приходим к несколько печальному выводу, что нет никаких доказательств, подтверждающих значимые наблюдения эффекта Мпембы». [1]

В контролируемых экспериментах эффект можно было полностью объяснить недоохлаждением, а время замораживания определялось тем, какой контейнер использовался. [12] Экспериментальные результаты, подтверждающие эффект Мпембы, подвергались критике за их неточность, неучет растворенных твердых веществ и газов, а также других сбивающих с толку факторов. [13]

Филипп Болл, обозреватель Physics World, писал: «Даже если эффект Мпембы реален — если горячая вода иногда может замерзать быстрее, чем холодная — неясно, будет ли объяснение тривиальным или проясняющим». [4] Болл писал, что исследования явления должны контролировать большое количество начальных параметров (включая тип и начальную температуру воды, растворенный газ и другие примеси, а также размер, форму и материал контейнера, а также температуру холодильника) и должны остановиться на конкретном методе установления времени замерзания, все из которых могут повлиять на наличие или отсутствие эффекта Мпембы. Требуемый обширный многомерный массив экспериментов может объяснить, почему эффект еще не изучен. [4]

New Scientist рекомендует начинать эксперимент с контейнерами при температуре 35 и 5 °C (95 и 41 °F; 308 и 278 K) соответственно, чтобы максимизировать эффект. [14]

Предлагаемые объяснения

Хотя фактическое возникновение эффекта Мпембы оспаривается [13] , существует несколько теоретических объяснений его возникновения.

В 2017 году две исследовательские группы независимо и одновременно обнаружили теоретический эффект Мпембы, а также предсказали новый «обратный» эффект Мпембы, при котором нагрев охлажденной, далекой от равновесия системы занимает меньше времени, чем другой системы, которая изначально ближе к равновесию. Чжиюэ Лу и Орен Раз вывели общий критерий, основанный на марковской статистической механике, предсказав появление обратного эффекта Мпембы в модели Изинга и диффузионной динамике. [15] Антонио Ласанта и соавторы также предсказали прямой и обратный эффекты Мпембы для гранулярного газа в далеком от равновесия начальном состоянии. [16] В статье Ласанты также предполагалось, что весьма общий механизм, приводящий к обоим эффектам Мпембы, обусловлен функцией распределения скоростей частиц , которая значительно отклоняется от распределения Максвелла–Больцмана . [16]

Джеймс Браунридж, физик из Университета Бингемтона , сказал, что здесь задействовано переохлаждение . [17] [12] Несколько симуляций молекулярной динамики также подтвердили, что изменения в водородных связях во время переохлаждения играют важную роль в этом процессе. [18] [19] В 2017 году Юнвэнь Тао и соавторы предположили, что огромное разнообразие и своеобразное возникновение различных водородных связей могут способствовать эффекту. Они утверждали, что количество сильных водородных связей увеличивается с повышением температуры, и что существование небольших сильно связанных кластеров, в свою очередь, способствует зарождению гексагонального льда , когда теплая вода быстро охлаждается. Авторы использовали колебательную спектроскопию и моделирование с использованием кластеров воды, оптимизированных с помощью теории функционала плотности . [2]

Были также предложены следующие объяснения:

Похожие эффекты

Другие явления, в которых большие эффекты могут быть достигнуты быстрее, чем малые эффекты:

Сильный эффект Мпембы

В 2017 году возможность «сильного эффекта Мпембы», когда в системе при определенных начальных температурах может происходить экспоненциально более быстрое охлаждение, была предсказана Клихом, Разом, Хиршбергом и Вучельей. [26] В 2020 году сильный эффект Мпембы был экспериментально продемонстрирован Авинашем Кумаром и Джоном Беххофером в коллоидной системе. [27]

Смотрите также

Ссылки

Примечания

  1. ^ ab Burridge, Henry C.; Linden, Paul F. (2016). «Сомнение в эффекте Мпембы: горячая вода не остывает быстрее холодной». Scientific Reports . 6 : 37665. Bibcode :2016NatSR...637665B. doi :10.1038/srep37665. PMC  5121640 . PMID  27883034.
  2. ^ abc Тао, Юньвэнь; Цзоу, Вэньли; Цзя, Джунтенг; Ли, Вэй; Кремер, Дитер (2017). «Различные способы образования водородных связей в воде — почему теплая вода замерзает быстрее холодной?». Журнал химической теории и вычислений . 13 (1): 55–76. doi :10.1021/acs.jctc.6b00735. PMID  27996255.
  3. ↑ Аристотель в EW Webster, Meteorologica I , Оксфорд: Oxford University Press, 1923, стр. 348b–349a.
  4. ^ abcdef Болл, Филип (29 марта 2006 г.). «Горячая вода замерзает первой?». Physics World . стр. 19–26 . Получено 19 марта 2024 г.
  5. ^ abcd Jeng, Monwhea (2006). «Горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная?!?». American Journal of Physics . 74 (6): 514–522. arXiv : physics/0512262 . Bibcode : 2006AmJPh..74..514J. doi : 10.1119/1.2186331.
  6. ^ Аристотель . «Метеорология». Книга I, часть 12, стр. 348b31–349a4 . Получено 16 октября 2020 г. – через MIT.
  7. ^ Бэкон, Фрэнсис ; Novum Organum , Lib. II, L. В оригинале на латыни : «Aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida».
  8. ^ Декарт, Рене . «Метеоры» . Проверено 19 марта 2024 г.
  9. ↑ Блэк, Джозеф (1 января 1775 г.). «Предполагаемое воздействие кипячения на воду, приводящее к ее более быстрому замерзанию, установленное экспериментами. Джозеф Блэк, доктор медицины, профессор химии в Эдинбурге, в письме к сэру Джону Принглу, барону. PRS». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 65 : 124–128. Bibcode : 1775RSPT...65..124B. doi : 10.1098/rstl.1775.0014. S2CID  186214388.
  10. ^ ab Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1969). "Cool?". Physics Education . 4 (3): 172–175. Bibcode :1969PhyEd...4..172M. doi : 10.1088/0031-9120/4/3/312 . S2CID  250771765.переиздано как Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1979). "Эффект Мпембы". Physics Education . 14 (7): 410–412. Bibcode : 1979PhyEd..14..410M. doi : 10.1088/0031-9120/14/7/312. S2CID  250736457.
  11. ^ Ауэрбах, Дэвид (1995). «Сверхохлаждение и эффект Мпембы: когда горячая вода замерзает быстрее холодной» (PDF) . American Journal of Physics . 63 (10): 882–885. Bibcode :1995AmJPh..63..882A. doi :10.1119/1.18059.
  12. ^ ab Brownridge, James (2011). «Когда горячая вода замерзает быстрее, чем [sic] холодная вода? Поиск эффекта Мпембы». American Journal of Physics . 79 (78): 78–84. Bibcode : 2011AmJPh..79...78B. doi : 10.1119/1.3490015.Экспериментальные результаты, подтверждающие эффект Мпембы, подверглись критике за их неточность, неспособность учесть растворенные твердые вещества и газы, а также другие искажающие факторы.
  13. ^ ab Элтон, Дэниел С.; Спенсер, Питер Д. (2021). «Патологическая наука о воде – четыре примера и что у них общего». Вода в биомеханических и родственных системах . Биологически-вдохновленные системы. Том 17. С. 155–169. arXiv : 2010.07287 . doi :10.1007/978-3-030-67227-0_8. ISBN 978-3-030-67226-3. S2CID  222381017.
  14. ^ Как превратить хомяка в окаменелость: и другие удивительные эксперименты для кабинетного ученого , ISBN 1-84668-044-1 
  15. ^ Лу, Чжиюэ; Раз, Орен (16 мая 2017 г.). «Неравновесная термодинамика марковского эффекта Мпембы и его обратного». Труды Национальной академии наук . 114 (20): 5083–5088. arXiv : 1609.05271 . Bibcode :2017PNAS..114.5083L. doi : 10.1073/pnas.1701264114 . ISSN  0027-8424. PMC 5441807 . PMID  28461467. 
  16. ^ abc Ласанта, Антонио; Вега Рейес, Франциско; Прадос, Антонио; Сантос, Андрес (2017). «Когда горячее остывает быстрее: эффект Мпембы в гранулярных жидкостях». Physical Review Letters . 119 (14): 148001. arXiv : 1611.04948 . Bibcode : 2017PhRvL.119n8001L. doi : 10.1103/physrevlett.119.148001. hdl : 10016/25838. PMID  29053323. S2CID  197471205.
  17. ^ Чоун, Маркус (24 марта 2010 г.). «Раскрыто: почему горячая вода замерзает быстрее холодной». New Scientist .
  18. ^ ab Jin, Jaehyeok; Goddard III, William A. (2015). «Механизмы, лежащие в основе эффекта Мпембы в воде, полученные с помощью моделирования молекулярной динамики». Журнал физической химии C. 119 ( 5): 2622–2629. doi : 10.1021/jp511752n .
  19. ^ Си, Чжан; Хуан, Юнли; Ма, Цзэншэн; Чжоу, Ичунь; Чжоу, Цзи; Чжэн, Вэйтао; Цзянге, Цин; Сунь, Чанг Ц. (2014). «Память водородных связей и сверхтвердость водной оболочки, разрешающая парадокс Мпембы». Физическая химия Химическая физика . 16 (42): 22995–23002. arXiv : 1310.6514 . Бибкод : 2014PCCP...1622995Z. дои : 10.1039/C4CP03669G. PMID  25253165. S2CID  119280061.
  20. ^ Циммерман, Уильям Б. (20 июля 2021 г.). «К конденсатору с микропузырьками: посредничество диспергированных микропузырьков в дополнительной передаче тепла в водных растворах из-за динамики фазового перехода в эрлифтных сосудах». Химическая инженерия . 238 : 116618. Bibcode : 2021ChEnS.23816618Z. doi : 10.1016/j.ces.2021.116618 .
  21. ^ Уиппл, Том (13 апреля 2021 г.). «Cracked, холодный случай того, почему кипящая вода замерзает быстрее». The Times .
  22. ^ Келл, Джордж С. (1969). «Замерзание горячей и холодной воды». American Journal of Physics . 37 (5): 564–565. Bibcode : 1969AmJPh..37..564K. doi : 10.1119/1.1975687 .
  23. ^ CITV Prove It! Серия 1 Программа 13 Архивировано 27 февраля 2012 на Wayback Machine
  24. ^ Katz, Jonathan (2009). «Когда горячая вода замерзает раньше холодной». American Journal of Physics . 77 (27): 27–29. arXiv : physics/0604224 . Bibcode : 2009AmJPh..77...27K. doi : 10.1119/1.2996187. S2CID  119356481.
  25. ^ Таер, Рен (18 января 2022 г.). «Разоблачение эффекта Мпембы». doi : 10.31224/osf.io/3ejnh.
  26. ^ Клих, Израиль; Раз, Орен; Хиршберг, Ори; Вучеля, Мария (26 июня 2019 г.). «Индекс Мпембы и аномальная релаксация». Физический обзор X . 9 (2): 021060. arXiv : 1711.05829 . Бибкод : 2019PhRvX...9b1060K. дои : 10.1103/PhysRevX.9.021060 .
  27. ^ Кумар, Авинаш; Беххофер, Джон (1 августа 2020 г.). «Экспоненциально более быстрое охлаждение в коллоидной системе». Nature . 584 (7819): 64–68. arXiv : 2008.02373 . Bibcode :2020Natur.584...64K. doi :10.1038/s41586-020-2560-x. PMID  32760048.

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Эффект Мпембы» .