Mpemba effekt

Mpemba-effekten , eller Mpemba-paradoxen,  är den förmodade effekten att varmt vatten kan frysa snabbare än kallt vatten. I det här fallet måste varmvatten passera kallvattnets temperatur under frysningsprocessen, så allt annat lika bör kylning av varmvatten ta längre tid.

Upptäcktshistorik

Det faktum att varmvatten svalnar snabbare nämndes vid ett tillfälle av Aristoteles , Francis Bacon och Rene Descartes . Detta beror på den högre avdunstningshastigheten och värmestrålningen, men kommer inte att påverka den efterföljande frysningen på något sätt. 1963 blev Tanganyika -skolepojken Erasto Mpemba intresserad av varför varma glassblandningar fryser snabbare än kalla. Han vände sig till fysikläraren för ett förtydligande , men han skrattade bara åt studenten och sa följande: "Detta är inte världsfysik, utan Mpembas fysik."

Mpemba ställde samma fråga till Dennis Osborn, professor i fysik, som kom till skolan. Den experimentella verifieringen som utfördes bekräftade förekomsten av effekten, men gav ingen förklaring. De experimentella förhållandena beskrivs enligt följande: 70 ml vatten i 100 ml laboratoriebägare på skumskivor placerades i frysen i ett hushållskylskåp; oftast observerades effekten när ett prov hade en initial temperatur på 25 °C och det andra - 90 °C. De fann också att både avdunstning av vätskan och påverkan av gaser lösta i vatten inte är signifikanta faktorer.

År 1969 publicerades ett gemensamt dokument av Mpemba och Osborn som beskrev effekten i tidskriften Physics Education ] . Samma år publicerade George Kell från Canadian National Research Council en artikel som beskrev fenomenet i American Journal of Physics [2] .

Analys av paradoxen

Flera förklaringar till denna paradox har föreslagits:

• Att använda ett hushållskylskåp med stor temperaturhysteres som en experimentell "enhet". Varmvatten, till skillnad från kallt vatten, värmer upp termostaten, som startar kompressorn, och kylskåpet börjar frysa. Processen är trög, så en liten mängd vatten hinner till och med frysa. Användningen av ett temperaturkontrollerat kylskåp motbevisar denna paradox (denna version passar dock inte in i det faktum att effekten, som nämnts ovan, förmodligen var känd för Aristoteles, Francis Bacon och Rene Descartes, som uppenbarligen inte använde en temperatur -kontrollerat kylskåp; i princip kan det inte vara orsaken om proverna placeras i frysen samtidigt ).
• Varmvatten börjar avdunsta. Men i kall luft förvandlas den till is och börjar falla ner och bildar en isskorpa (enligt Mpemba och Osborne fann de att avdunstning inte är en betydande faktor) .
• Varmvatten avdunstar snabbare från behållaren, vilket minskar dess volym , och en mindre volym vatten med samma temperatur fryser snabbare. I lufttäta behållare bör kallt vatten frysa snabbare (Mpemba och Osborn fann att avdunstning inte var en betydande faktor, enligt Mpemba och Osborne) .
• Förekomsten av snöfoder i frysen i kylskåpet . Varmvattenbehållaren smälter snön under, och förbättrar därmed den termiska kontakten med frysväggen. Kallvattenbehållaren smälter inte snön under . I avsaknad av snöfoder bör varmvattenbehållaren frysa långsammare (förmodligen inte orsaken, se Mpemba och Osborns experimentella förhållanden ovan) .
• Kallt vatten börjar frysa ovanifrån, vilket förvärrar processerna för värmestrålning och konvektion , och därmed värmeförlusten, medan varmt vatten börjar frysa underifrån. Med ytterligare mekanisk omrörning av vattnet i behållarna bör det kalla vattnet frysa snabbare.
• Närvaron av kristallisationscentra i det kylda vattnet - ämnen lösta i det. Med ett litet antal sådana centra är omvandlingen av vatten till is svår, och till och med dess underkylning är möjlig när den förblir i flytande tillstånd, med en temperatur under noll. Med samma sammansättning och koncentration av lösningar bör kallt vatten frysa snabbare.
• På grund av skillnaden i energi lagrad i vätebindningar. Ju varmare vattnet är, desto större är avståndet mellan vätskans molekyler på grund av ökningen av avstötningskrafterna. Som ett resultat sträcks vätebindningar och lagrar därför mer energi. Denna energi frigörs när vattnet svalnar – molekylerna närmar sig varandra. Och återgång av energi innebär kylning [3] .
• Varmvatten kan innehålla färre lösta gaser eftersom en stor mängd gas frigörs vid uppvärmning. Det antas att detta förändrar egenskaperna hos varmvatten och att det kyls snabbare [4]
• När uppvärmningen fortskrider försvagas vätebindningarna och vattenmolekylerna i klustren tar positioner från vilka det är lättare för dem att förflytta sig till isens kristallina struktur [5] . I kallt vatten går allt till på samma sätt, men det krävs mer energi för att bryta vätebindningar - därför sker frysningen långsammare [6] .

Ett entydigt svar på frågan om vilka av dem som ger hundraprocentig reproduktion av Mpemba-effekten har inte mottagits.

Moderna vyer

Den 24 november 2016 publicerades en artikel i tidskriften Scientific Reports (en del av Nature- gruppen), där författarna hävdar att det inte finns någon tydlig vetenskaplig definition av effekten i tidigare publicerade material, de ger själva en sådan definition och visa att när man följer denna definition har ingen effekt. De pekar bland annat på den otillräckliga strängheten i påståendet "varmt vatten kyler inte snabbare än kallt vatten" (förväntat beteende) - det är uppenbart att varmvatten kan kylas snabbare än kallt vatten om t.ex. för kylning ökas. Artikeln visar särskilt att när tre 400-grams portioner vatten kyls, identiska i allt utom initialtemperaturen (21,8, 57,3 och 84,7 ° C), hälls upp i identiska glas och placeras i en termostatisk frys vid -18 °C tog hett vatten längre tid att nå nolltemperatur (respektive 6397, 9504 och 10812 sekunder), vilket skulle förväntas enligt termodynamikens första lag [7] .

Men under 2017 hittade två forskargrupper oberoende och samtidigt teoretiska bevis för Mpemba-effekten och förutspådde också en ny "omvänd" Mpemba-effekt, där uppvärmning av ett kylt system långt från jämvikt tar kortare tid än i ett annat system som från början var närmare till jämvikt. Lu och Raz [8] ger ett allmänt kriterium baserat på Markovian statistisk mekanik för att förutsäga den omvända Mpemba-effekten i Ising-modellen och diffusionsdynamik. Lasanta och hans kollegor [9] förutspår också direkta och omvända Mpemba-effekter för granulära fasta ämnen i initialtillståndet långt ifrån jämvikt. Detta senare arbete antyder att den gemensamma mekanismen som leder till båda Mpemba-effekterna beror på en partikelhastighetsfördelningsfunktion som avviker avsevärt från Maxwell- fördelningen .

Anteckningar

1. ↑ Mpemba EB, Osborne DG Cool? // Fysik utbildning. - Institutet för fysik, 1969. - V. 4 , nr 3 . - S. 172-175 . - doi : 10.1088/0031-9120/4/3/312 . - .
2. ↑ Kell GS Frysningen av varmt och kallt vatten  // American Journal of Physics. - AIP Scitation, 1969. - T. 37 , nr 5 . - S. 564-565 . - doi : 10.1119/1.1975687 .
3. ↑ Hemligheten med snabb stelning av varmt vatten avslöjas
4. ↑ Ett exempel på ett fysiskt fenomen
5. ↑ Artikel // Journal of Chemical Theory and Computation
6. ↑ Forskare har hittat en ny förklaring till "Mpemba-paradoxen" . naked-science.ru (9 januari 2016). Hämtad: 24 januari 2017. (obestämd)
7. ↑ Burridge Henry C., Linden Paul F. Ifrågasätter Mpemba-effekten: varmt vatten kyls inte snabbare än kallt  //  Scientific Reports. - 2016. - 24 november ( vol. 6 , nr 1 ). - P. 37665-1-37665-11 . - ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/srep37665 . - .
8. ↑ Chang Q. Sun, Qing Jiang, Weitao Zheng, Ji Zhou, Yichun Zhou. Vätebindningsminne och vatten-hud supersoliditet som löser Mpemba-paradoxen  //  Fysikalisk kemi Kemisk fysik. — 2014-10-09. — Vol. 16 , iss. 42 . — S. 22995–23002 . — ISSN 1463-9084 . - doi : 10.1039/C4CP03669G .
9. ↑ Oren Raz, Zhiyue Lu. Nonequilibrium termodynamik för Markovian Mpemba-effekten och dess inversa  //  Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2017-05-16. — Vol. 114 , utg. 20 . — S. 5083–5088 . — ISSN 0027-8424 1091-6490, 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1701264114 .