Mpemba effekt

Mpemba-effekten , eller Mpemba-paradokset,  er den formodede effekt, at varmt vand kan fryse hurtigere end koldt vand. I dette tilfælde skal varmt vand passere koldt vands temperatur under frysningsprocessen, så alt andet lige bør afkøling af varmt vand tage længere tid.

Opdagelseshistorie

Det faktum, at varmt vand afkøles hurtigere, blev nævnt på et tidspunkt af Aristoteles , Francis Bacon og Rene Descartes . Dette skyldes den højere fordampningshastighed og varmestråling, men vil ikke påvirke den efterfølgende frysning på nogen måde. I 1963 blev Tanganyika -skoledrengen Erasto Mpemba interesseret i, hvorfor varme isblandinger fryser hurtigere end kolde. Han henvendte sig til fysiklæreren for at få afklaring , men han lo kun af eleven og sagde følgende: "Dette er ikke verdensfysik, men Mpembas fysik."

Mpemba stillede det samme spørgsmål til Dennis Osborn, en professor i fysik, som kom til skolen. Den udførte eksperimentelle verifikation bekræftede tilstedeværelsen af ​​virkningen, men gav ikke dens forklaring. De eksperimentelle betingelser er beskrevet som følger: 70 ml vand i 100 ml laboratoriebægre på skumplader blev anbragt i fryseren i et husholdningskøleskab; oftest blev effekten observeret, når den ene prøve havde en starttemperatur på 25 °C, og den anden - 90 °C. De fandt også, at både fordampningen af ​​væsken og påvirkningen af ​​gasser opløst i vand ikke er væsentlige faktorer.

I 1969 blev et fælles papir af Mpemba og Osborn, der beskriver effekten, offentliggjort i tidsskriftet Physics Education ] . Samme år publicerede George Kell fra Canadian National Research Council en artikel, der beskrev fænomenet i American Journal of Physics [2] .

Analyse af paradokset

Flere forklaringer på dette paradoks er blevet foreslået:

• Brug af et husholdningskøleskab med stor temperaturhysterese som en eksperimentel "enhed". Varmt vand opvarmer i modsætning til koldt vand termostaten, som starter kompressoren, og køleskabet begynder at fryse. Processen er inerti, så en lille mængde vand når endda at fryse. Brugen af ​​et temperaturstyret køleskab afviser dette paradoks (denne version passer dog ikke ind i det faktum, at effekten, som nævnt ovenfor, angiveligt var kendt af Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, som tydeligvis ikke brugte en temperatur -kontrolleret køleskab; det kan i princippet ikke være årsagen, hvis prøverne placeres i fryseren på samme tid ).
• Varmt vand begynder at fordampe. Men i kold luft bliver det til is og begynder at falde ned og danner en isskorpe (ifølge Mpemba og Osborne fandt de ud af, at fordampning ikke er en væsentlig faktor) .
• Varmt vand fordamper hurtigere fra beholderen, hvorved dets volumen reduceres , og en mindre mængde vand med samme temperatur fryser hurtigere. I lufttætte beholdere skulle koldt vand fryse hurtigere (Mpemba og Osborn fandt ud af, at fordampning ikke var en væsentlig faktor, ifølge Mpemba og Osborne) .
• Tilstedeværelsen af ​​sneforing i fryseren i køleskabet . Varmtvandsbeholderen smelter sneen nedenunder og forbedrer derved den termiske kontakt med fryserens væg. Koldtvandsbeholderen smelter ikke sneen nedenunder . I mangel af sneforing bør varmtvandsbeholderen fryse langsommere (sandsynligvis ikke årsagen, se Mpemba og Osborns eksperimentelle forhold ovenfor) .
• Koldt vand begynder at fryse fra oven og forværrer derved processerne med varmestråling og konvektion og dermed varmetabet, mens varmt vand begynder at fryse nedefra. Med yderligere mekanisk omrøring af vandet i beholderne skulle det kolde vand fryse hurtigere.
• Tilstedeværelsen af ​​krystallisationscentre i det afkølede vand - stoffer opløst i det. Med et lille antal af sådanne centre er omdannelsen af ​​vand til is vanskelig, og selv dets superafkøling er mulig, når det forbliver i flydende tilstand med en temperatur under nul. Med samme sammensætning og koncentration af opløsninger skal koldt vand fryse hurtigere.
• På grund af forskellen i energi lagret i brintbindinger. Jo varmere vandet er, jo større er afstanden mellem væskens molekyler på grund af stigningen i frastødende kræfter. Som et resultat strækkes brintbindinger og lagrer derfor mere energi. Denne energi frigives, når vandet afkøles – molekylerne nærmer sig hinanden. Og tilbagevenden af ​​energi betyder afkøling [3] .
• Varmt vand kan indeholde færre opløste gasser, fordi der frigives en stor mængde gas ved opvarmning. Det antages, at dette ændrer egenskaberne af varmt vand, og det afkøles hurtigere [4]
• Efterhånden som opvarmningen skrider frem, svækkes brintbindingerne, og vandmolekylerne i klyngerne indtager positioner, hvorfra det er lettere for dem at bevæge sig til isens krystallinske struktur [5] . I koldt vand foregår alt på samme måde, men der kræves mere energi for at bryde brintbindinger – derfor sker frysning langsommere [6] .

Et entydigt svar på spørgsmålet om, hvem af dem, der giver en hundrede procent gengivelse af Mpemba-effekten, er ikke blevet modtaget.

Moderne visninger

Den 24. november 2016 blev der publiceret en artikel i tidsskriftet Scientific Reports (en del af Nature -gruppen), hvor forfatterne hævder, at der ikke er en klar videnskabelig definition af effekten i tidligere publicerede materialer, de giver selv sådan en definition og vise, at når man følger denne definition, har det ingen effekt. De peger blandt andet på den utilstrækkelige strenghed i udsagnet ”varmt vand køler ikke hurtigere end koldt vand” (forventet adfærd) - det er åbenlyst, at varmt vand kan køles hurtigere end koldt vand, hvis f.eks. for afkøling øges. Artiklen viser især, at når tre 400-grams portioner vand afkøles, identiske i alt undtagen starttemperaturen (21,8, 57,3 og 84,7 ° C), hældes i identiske glas og placeres i en termostatisk fryser ved -18 °C tog varmt vand længere tid om at nå nultemperatur (henholdsvis i 6397, 9504 og 10812 sekunder), som man kunne forvente ifølge termodynamikkens første lov [7] .

Men i 2017 fandt to forskergrupper uafhængigt og samtidigt teoretisk bevis for Mpemba-effekten og forudsagde også en ny "omvendt" Mpemba-effekt, hvor opvarmning af et afkølet system langt fra ligevægt tager kortere tid end i et andet system, der oprindeligt var tættere på. til ligevægt. Lu og Raz [8] giver et generelt kriterium baseret på Markovsk statistisk mekanik til at forudsige den omvendte Mpemba-effekt i Ising-modellen og diffusionsdynamikken. Lasanta og hans kolleger [9] forudsiger også direkte og omvendte Mpemba-effekter for granulære faste stoffer i den oprindelige tilstand langt fra ligevægt. Dette sidstnævnte arbejde tyder på, at den fælles mekanisme, der fører til begge Mpemba-effekter, skyldes en partikelhastighedsfordelingsfunktion , der afviger væsentligt fra Maxwell-fordelingen .

Noter

1. ↑ Mpemba EB, Osborne DG Cool? // Fysik uddannelse. - Institut for Fysik, 1969. - V. 4 , nr. 3 . - S. 172-175 . - doi : 10.1088/0031-9120/4/3/312 . - .
2. ↑ Kell GS The Freezing of Hot and Cold Water  // American Journal of Physics. - AIP Scitation, 1969. - T. 37 , nr. 5 . - S. 564-565 . - doi : 10.1119/1.1975687 .
3. ↑ Hemmeligheden bag hurtig størkning af varmt vand afsløres
4. ↑ Et eksempel på et fysisk fænomen
5. ↑ Artikel // Journal of Chemical Theory and Computation
6. ↑ Forskere har fundet en ny forklaring på "Mpemba-paradokset" . naked-science.ru (9. januar 2016). Hentet: 24. januar 2017. (ubestemt)
7. ↑ Burridge Henry C., Linden Paul F. Sætter spørgsmålstegn ved Mpemba-effekten: varmt vand afkøles ikke hurtigere end koldt  //  Scientific Reports. - 2016. - 24. november ( bind 6 , nr. 1 ). - S. 37665-1-37665-11 . - ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/srep37665 . - .
8. ↑ Chang Q. Sun, Qing Jiang, Weitao Zheng, Ji Zhou, Yichun Zhou. Hydrogen-binding hukommelse og vand-hud supersoliditet løser Mpemba paradokset  //  Fysisk kemi Kemisk Fysik. — 2014-10-09. — Bd. 16 , udg. 42 . — S. 22995–23002 . — ISSN 1463-9084 . - doi : 10.1039/C4CP03669G .
9. ↑ Oren Raz, Zhiyue Lu. Nonebalance termodynamik af Markovian Mpemba-effekten og dens omvendte  //  Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2017-05-16. — Bd. 114 , udg. 20 . — S. 5083–5088 . — ISSN 0027-8424 1091-6490, 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1701264114 .