Войти
Эффект Мпемба - это название, данное наблюдению, что жидкость (обычно вода ), которая изначально была горячей, может замерзнуть быстрее, чем та же самая жидкость, которая вначале была холодной, при других аналогичных условиях. Существуют разногласия относительно его теоретической основы и параметров, необходимых для получения эффекта.
Эффект Мпембы назван в честь танзанийского школьника Эрасто Бартоломео Мпембы (1950 г.р.), история которого в 1963 году стала очень популярной. Однако открытие и отмеченные наблюдения за ним берут свое начало в древние времена, о которых Аристотель сказал, что они широко известны.
Это явление, означающее «горячая вода замерзает быстрее, чем холодная», трудно воспроизвести или подтвердить, поскольку это утверждение неточно. Монвеа Дженг предлагает более точную формулировку:
Существует набор начальных параметров и пара температур, так что при двух одинаковых по этим параметрам водоемах, различающихся только начальными однородными температурами, горячий замерзнет быстрее.
Однако даже с этим определением неясно, относится ли «замерзание» к точке, в которой вода образует видимый поверхностный слой льда, точке, в которой весь объем воды становится твердой глыбой льда, или когда вода достигает 0 ° C (32 ° F). Вода должна иметь температуру 0 ° C (32 ° F) и не быть ледяной; после того, как было отведено достаточно тепла для достижения 0 ° C (32 ° F), необходимо отвести больше тепла, прежде чем вода перейдет в твердое состояние (лед), поэтому вода может быть жидкой или твердой при 0 ° C (32 ° F).
При приведенном выше определении есть простые способы, которыми можно наблюдать эффект, например, если более высокая температура растапливает иней на охлаждающей поверхности и, таким образом, увеличивает теплопроводность между охлаждающей поверхностью и резервуаром для воды. С другой стороны, эффект Мпембы может не проявляться в ситуациях и обстоятельствах, которые на первый взгляд могут показаться подходящими для него.
Различные эффекты тепла на замерзание воды были описаны древними учеными, такими как Аристотель : «Тот факт, что вода ранее была нагрета, способствует ее быстрому замерзанию: так она быстрее остывает. Отсюда многие люди, когда они хотят охладить воду. быстро, начните с того, что положите его на солнце. Итак, жители Понта, когда они разбивают лагерь на льду, чтобы ловить рыбу (они вырезают отверстие во льду, а затем ловят рыбу), обливают тростник теплой водой, чтобы она могла быстрее замерзнуть, потому что они используйте лед, как свинец, чтобы закрепить тростник ". Объяснение Аристотеля включало антиперистаз, «предполагаемое увеличение интенсивности качества в результате окружения его противоположным качеством».
Ранние современные ученые, такие как Фрэнсис Бэкон, отмечали, что «слегка прохладная вода замерзает легче, чем совершенно холодная». В оригинале на латыни «aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida».
Рене Декарт писал в своем « Рассуждении о методе» : «На собственном опыте можно увидеть, что вода, которая долго хранилась на огне, замерзает быстрее, чем другая, по той причине, что те ее частицы, которые меньше всего способны перестать изгибаться, испаряются. пока вода нагревается ". Это относится к теории вихрей Декарта.
Шотландский ученый Джозеф Блэк исследовал частный случай этого явления, сравнивая предварительно кипяченую и некипяченую воду; ранее кипяченая вода застывала быстрее. Испарение контролировали в течение. Он обсудил влияние перемешивания на результаты эксперимента, отметив, что перемешивание некипяченой воды приводит к ее замерзанию одновременно с ранее кипяченой водой, а также отметил, что перемешивание очень холодной некипяченой воды приводит к немедленному замерзанию. Затем Джозеф Блэк обсудил описание Фаренгейта переохлаждения воды (хотя термин переохлаждение тогда еще не был придуман), утверждая, говоря современным языком, что ранее кипяченая вода не может быть так легко переохлаждена.
Эффект назван в честь танзанийца Эрасто Мпембы. Он описал это в 1963 году в третьем классе средней школы Магамба, Танганьика, когда замораживал смесь мороженого, которая была горячей на уроках кулинарии, и заметил, что она замерзала раньше, чем холодная смесь. Позже он стал учеником средней (бывшей) школы Мквава в Иринге. Директор пригласил доктора Дениса Осборна из Университетского колледжа Дар-эс-Салама прочитать лекцию по физике. После лекции Мпемба задал ему вопрос: «Если вы возьмете две одинаковые емкости с равными объемами воды, одну при 35 ° C (95 ° F), а другую при 100 ° C (212 ° F), и поместите их в морозильник, тот, который был запущен при температуре 100 ° C (212 ° F), замерзает первым. Почему? ", но его одноклассники и учитель высмеивают его. После первоначального испуга Осборн поэкспериментировал с этой проблемой на своем рабочем месте и подтвердил открытие Мпембы. Они опубликовали результаты вместе в 1969 году, когда Мпемба учился в Колледже управления дикой природой Африки. Мпемба и Осборн описывают размещение образцов воды объемом 70 мл (2,5 имп. Жидких унций; 2,4 американских жидких унций) в 100 мл (3,5 имп. Жидких унций; 3,4 американских жидких унции) стакана в морозильной камере домашнего холодильника на листе пенополистирола.. Они показали, что время до начала замораживания было самым длинным при начальной температуре 25 ° C (77 ° F) и намного меньше при примерно 90 ° C (194 ° F). Они исключили потерю объема жидкости за счет испарения как существенный фактор, а также влияние растворенного воздуха. В их установке было обнаружено, что наибольшие потери тепла приходятся на поверхность жидкости.
Давид Ауэрбах описывает эффект, который он наблюдал на образцах в стеклянных стаканах, помещенных в охлаждающую ванну. Во всех случаях вода переохлаждалась, достигая обычно температуры от -6 до -18 ° C (от 21 до 0 ° F) перед самопроизвольным замерзанием. Наблюдались значительные случайные колебания времени, необходимого для начала самопроизвольного замерзания, и в некоторых случаях это приводило к тому, что вода сначала начинала более горячо (частично). В 2016 году Берридж и Линден определили критерий как время достижения 0 ° C (32 ° F), провели эксперименты и проанализировали опубликованные на сегодняшний день работы. Они отметили, что изначально заявленная большая разница не была воспроизведена, и что исследования, показывающие небольшой эффект, могут зависеть от изменений в расположении термометров. Они говорят: «Мы с некоторой грустью приходим к выводу, что нет никаких доказательств, подтверждающих значимые наблюдения эффекта Мпембы». В контролируемых экспериментах эффект можно полностью объяснить переохлаждением, а время замораживания определялось тем, какой контейнер использовался. Обозреватель Physics World пишет: «Даже если эффект Мпембы реален - если горячая вода может иногда замерзать быстрее, чем холодная - неясно, будет ли объяснение тривиальным или проясняющим». Он указал, что при исследовании явления необходимо контролировать большое количество исходных параметров (включая тип и начальную температуру воды, растворенный газ и другие примеси, а также размер, форму и материал контейнера, а также температуру холодильника) и необходимо выбрать конкретный метод определения времени замораживания, каждый из которых может повлиять на наличие или отсутствие эффекта Мпембы. Требуемый обширный многомерный набор экспериментов может объяснить, почему эффект до сих пор не изучен. New Scientist рекомендует начинать эксперимент с емкостей при температуре 35 и 5 ° C (95 и 41 ° F), чтобы добиться максимального эффекта. В соответствующем исследовании было обнаружено, что температура морозильной камеры также влияет на вероятность наблюдения феномена Мпемба, а также на температуру контейнера.
Хотя фактическое возникновение эффекта Мпембы является предметом споров, его возникновение можно объяснить несколькими теоретическими объяснениями. 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 другая система, которая изначально ближе к равновесию. Лу и Раз дают общий критерий, основанный на марковской статистической механике, предсказывающий появление обратного эффекта Мпембы в модели Изинга и диффузионной динамике. Ласанта и его сотрудники предсказывают также прямой и обратный эффекты Мпемба для гранулированного газа в начальном состоянии, далеком от равновесия. В этой последней работе предполагается, что очень общий механизм, приводящий к обоим эффектам Мпембы, связан с функцией распределения частиц по скоростям, которая значительно отклоняется от распределения Максвелла-Больцмана. Джеймс Браунридж, офицер по радиационной безопасности в Государственном университете Нью-Йорка, сказал, что речь идет о переохлаждении. Некоторые модели молекулярной динамики также подтвердили, что изменения водородных связей во время переохлаждения играют важную роль в этом процессе. В 2016 году Тао и его сотрудники предложили еще одно возможное объяснение. На основе результатов колебательной спектроскопии и моделирования с использованием теории функционала плотности - оптимизированных кластеров воды, они предполагают, что причина может заключаться в огромном разнообразии и своеобразном возникновении различных водородных связей.. Их ключевой аргумент заключается в том, что количество сильных водородных связей увеличивается с повышением температуры. Существование малых сильно связанных кластеров способствует, в свою очередь нуклеации из гексагонального льда, когда теплая вода быстро охлаждается.
Были предложены следующие объяснения:
Другими явлениями, при которых большие эффекты могут быть достигнуты быстрее, чем небольшие, являются:
Примечания
