WikiDer > Эффект Мпемба

Mpemba effect
Мпемба-два-вода-зонды.svg

В Эффект Мпемба это явление, при котором горячие воды кажется заморозить быстрее холодной воды. Явление зависит от температуры. Существуют разногласия относительно параметров, необходимых для создания эффекта, и его теоретической основы.[1][2]

Эффект Мпемба назван в честь танзанийского школьника. Эрасто Бартоломео Мпемба (1950 г.р.), открывший его в 1963 году. древний рассказы о подобных явлениях, но им не хватало деталей, чтобы попытаться проверить.

Определение

Явление, означающее «горячая вода замерзает быстрее, чем холодная», трудно воспроизвести или подтвердить, поскольку это утверждение неточно.[3] Монвеа Йенг 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.[4]

Однако даже с этим определением не ясно, относится ли «замерзание» к точке, в которой вода образует видимый поверхностный слой льда; точка, в которой весь объем воды превращается в твердую глыбу льда; или когда вода достигает 0 ° C (32 ° F).[3] Вода может 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).

С приведенным выше определением 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 емкостью для воды.[3] С другой стороны, может быть много обстоятельств, при которых эффект не наблюдается.[3]

Наблюдения

Исторический контекст

Различные эффекты тепла на замерзание воды были описаны древними учеными, такими как Аристотель: «Тот факт, что вода была предварительно нагрета, способствует ее быстрому замерзанию: так она быстрее остывает. Поэтому многие люди, когда хотят быстро охладить воду, начинают с того, что ставят ее на солнце. Понта когда они ставят лагерь на льду, чтобы ловить рыбу (они вырезают отверстие во льду, а затем ловят рыбу), обливают тростник теплой водой, чтобы он быстрее замерз, потому что они используют лед, как свинец, чтобы закрепить тростник ».[5] Объяснение Аристотеля включало антиперистаз, «предполагаемое увеличение интенсивности качества в результате окружения его противоположным качеством».

Ранний модерн такие ученые, как Френсис Бэкон отметил, что «слегка прохладная вода замерзает легче, чем совершенно холодная».[6] В оригинале латинский, "aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida".

Рене Декарт написал в своем Рассуждение о методе«По опыту можно увидеть, что вода, которая долгое время находилась на огне, замерзает быстрее, чем другая, потому что те ее частицы, которые меньше всего способны перестать изгибаться, испаряются, пока вода нагревается».[7] Это относится к Теория вихря Декарта.

Шотландский ученый Джозеф Блэк исследовали частный случай этого явления, сравнивая ранее кипяченую и некипяченую воду;[8] ранее кипяченая вода застывала быстрее. Испарение контролировали. Он обсудил влияние перемешивания на результаты эксперимента, отметив, что перемешивание некипяченой воды привело 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 Фаренгейта описание переохлаждение воды (хотя термин переохлаждение тогда еще не был придуман), утверждая, говоря современным языком, что ранее кипяченая вода не могла быть так легко переохлаждена.

Наблюдение Мпембы

Эффект назван в честь танзанийца. Эрасто Мпемба. Он описал это в 1963 году в третьем классе средней школы Магамбы, Танганьика, когда замораживали смесь мороженого, которая была горячей на кулинарных уроках, и заметили, что она замерзла раньше холодной. Позже он стал студентом средней (бывшей) школы Мквава в Иринга. Директор пригласил доктора Денис Осборн из университетского колледжа в Дар-эс-Салам прочитать лекцию по физике. После лекции Мпемба задал ему вопрос: «Если вы возьмете две одинаковые емкости с равным объемом 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? », только для того, чтобы его одноклассники и учитель высмеивали его. После первоначального испуга Осборн поэкспериментировал с этой проблемой на своем рабочем месте и подтвердил открытие Мпембы. Они вместе опубликовали результаты в 1969 году, когда Мпемба учился в Колледж управления дикой природой Африки.[9] Мпемба и Осборн описывают размещение образцов воды объемом 70 мл (2,5 имп. Жидких унций; 2,4 жидких унций США) в мензурках объемом 100 мл (3,5 имп. Жидких унций; 3,4 американских жидких унций) в морозильной камере домашнего холодильника на листе пенополистирола. . Они показали время для замораживание, чтобы начать был самым продолжительным с начальной температурой 25 ° C (77 ° F) и намного меньше примерно при 90 ° C (194 ° F). Они исключили потерю объема жидкости за счет испарения как существенный фактор и влияние растворенного воздуха. В их установке было обнаружено, что наибольшие потери тепла приходятся на поверхность жидкости.[9]

Современные экспериментальные работы

Дэвид 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).[10]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 заявленное большое различие не было воспроизведено, 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».[1]В контролируемых экспериментах эффект можно полностью объяснить переохлаждением, а время замораживания определялось тем, какой контейнер использовался. [11][12] Рецензент для Мир физики пишет: «Даже если эффект Мпембы реален - если горячая вода иногда может замерзать быстрее, чем холодная - неясно, будет ли это объяснение тривиальным или проясняющим». Он указал, что исследования этого явления требуют контроля большого количества 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. Необходимый обширный многомерный набор экспериментов может объяснить, почему эффект еще не изучен.[3] Новый ученый рекомендует начинать эксперимент с емкостями при температуре 35 и 5 ° C (95 и 41 ° F), чтобы добиться максимального эффекта.[13] В соответствующем исследовании было обнаружено, что температура морозильной камеры также влияет на вероятность наблюдения феномена Мпемба, а также на температуру контейнера.

Теоретические объяснения

Хотя фактическое возникновение эффекта Мбемпа вызывает споры. [14], несколько теоретических объяснений могут объяснить его появление. 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[15] дают общий критерий, основанный на марковской статистической механике, предсказывающий появление обратного эффекта Мпембы в Модель Изинга и динамика диффузии. Ласанта и сотрудники[16] прогнозировать также прямой и обратный эффекты Мпембы для гранулированный газ в исходном состоянии, далеком от равновесия. В этой последней работе предполагается, что очень общий механизм, приводящий к обоим эффектам Мпембы, связан со скоростью частицы функция распределения что значительно отличается от Распределение Максвелла-Больцмана. Джеймс Браунридж, сотрудник службы радиационной безопасности Государственный университет Нью-Йорка, сказал, что он считает, что дело в переохлаждении.[17] Несколько молекулярная динамика моделирования также подтвердили, что изменения водородных связей во время переохлаждения играют важную роль в этом процессе.[18][19] В 2016 году Тао и его сотрудники предложили еще одно возможное объяснение. На основе результатов колебательной спектроскопии и моделирования с помощью теория функционала плотности-оптимизированные кластеры воды, они предполагают, что причина может заключаться в огромном разнообразии и необычном возникновении различных водородные связи. Их главный аргумент состоит в том, что количество сильных водородных связей увеличивается по мере увеличения температура находится на возвышении. Существование небольших сильно связанных кластеров, в свою очередь, способствует зарождение из шестиугольный лед когда теплая вода быстро остывает.[2]

Предлагаемые объяснения

Были предложены следующие объяснения:

  • Испарение: Испарение более теплой воды уменьшает массу воды, которую необходимо заморозить.[20] Испарение эндотермический, что означает, что водная масса охлаждается паром, уносящим тепло, но одно это, вероятно, не учитывает весь эффект.[4]
  • Конвекция: Ускорение теплопередача. Уменьшение плотности воды ниже 4 ° C (39 ° F) имеет тенденцию подавлять конвекционные потоки, которые охлаждают нижнюю часть жидкой массы; более низкая плотность горячей воды уменьшила бы этот эффект, возможно, поддерживая более быстрое начальное охлаждение. Более высокая конвекция в более теплой воде также может быстрее разносить кристаллы льда.[21]
  • Мороз: Имеет изоляционный последствия. Вода с более низкой температурой будет иметь тенденцию замерзать сверху, уменьшая дальнейшие потери тепла за счет излучения и конвекции воздуха, в то время как более теплая вода будет иметь тенденцию замерзать снизу и по бокам из-за конвекции воды. Это оспаривается, поскольку есть эксперименты, которые учитывают этот фактор.[4]
  • Растворенные вещества: Эффекты карбонат кальция, карбонат магния среди прочего.[22]
  • Теплопроводность: Контейнер с более горячей жидкостью может расплавиться сквозь слой инея, который действует как изолятор под контейнером (иней является изолятором, как упоминалось выше), позволяя контейнеру вступать в прямой контакт с более холодным нижним слоем, чем иней. образуется на (лед, охлаждающие змеевики и т. д.) Теперь контейнер стоит на гораздо более холодной поверхности (или на той, которая лучше отводит тепло, например, на охлаждающих змеевиках), чем первоначально более холодная вода, и с этого момента остывает гораздо быстрее.
  • Растворенные газы: Холодная вода может содержать больше растворенных газов, чем горячая, что может каким-то образом изменить свойства воды по отношению к конвекционным токам, предположение, которое имеет некоторое экспериментальное подтверждение, но не имеет теоретического объяснения.[4]
  • Водородная связь: В теплой воде водородные связи слабее.[2]
  • Кристаллизация: Другое объяснение предполагает, что относительно более высокая популяция состояний гексамера воды в теплой воде может быть ответственной за более быструю кристаллизацию.[18]
  • Функция распределения: Сильные отклонения от распределения Максвелла-Больцмана приводят к потенциальному эффекту Мпемба, проявляющемуся в газах.[16]

Подобные эффекты

Другие явления, при которых большие эффекты могут быть достигнуты быстрее, чем небольшие:

  • Скрытая теплота: Для превращения льда с 0 ° C (32 ° F) в воду с 0 ° C (32 ° F) требуется то же количество энергии, что и для нагрева воды с 0 ° C (32 ° F) до 80 ° C (176 ° F);
  • Эффект Лейденфроста: Котлы с более низкой температурой иногда могут испарять воду быстрее, чем котлы с более высокой температурой.

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ а б Берридж, Генри С.; Линден, Пол Ф. (2016). «Под сомнение эффект Мпембы: горячая вода не остывает быстрее, чем холодная». Научные отчеты. 6: 37665. Bibcode:2016НатСР ... 637665Б. Дои:10.1038 / srep37665. ЧВК 5121640. PMID 27883034.
  2. ^ а б c Тао, Юнвэнь; Цзоу, Вэньли; Цзя, Цзюнтэн; Ли, Вэй; Кремер, Дитер (2017). «Различные способы водородной связи в воде - почему теплая вода замерзает быстрее, чем холодная?». Журнал химической теории и вычислений. 13 (1): 55–76. Дои:10.1021 / acs.jctc.6b00735. PMID 27996255.
  3. ^ а б c d е Болл, Филипп (апрель 2006 г.). Сначала замерзает горячая вода?. Мир физики, стр. 19–26.
  4. ^ а б c d Дженг, Монвеа (2006). «Горячая вода может замерзнуть быстрее холодной?!?». Американский журнал физики. 74 (6): 514–522. arXiv:физика / 0512262. Bibcode:2006AmJPh..74..514J. Дои:10.1119/1.2186331.
  5. ^ Аристотель. «Метеорология». Книга I, часть 12, стр. 348b31–349a4. Получено 16 октября 2020 - через MIT.
  6. ^ Бэкон, Фрэнсис; Novum Organum, Lib. II, L
  7. ^ Декарт, Рене; Les Météores
  8. ^ Блэк, Джозеф (1 января 1775 г.). «Предполагаемое влияние кипячения на воду, способствующее ее более быстрому замерзанию, подтвержденное экспериментами. Джозеф Блэк, доктор химических наук, профессор Эдинбурга, в письме к сэру Джону Принглу, Барт. П. Р. С.». Философские труды Лондонского королевского общества. 65: 124–128. Bibcode:1775РСПТ ... 65..124Б. Дои:10.1098 / рстл.1775.0014. S2CID 186214388.
  9. ^ а б Mpemba, Erasto B .; Осборн, Денис Г. (1969). "Круто?". Физическое образование. 4 (3): 172–175. Bibcode:1969PhyEd ... 4..172M. Дои:10.1088/0031-9120/4/3/312. переиздан как Mpemba, Erasto B .; Осборн, Денис Г. (1979). «Эффект Мпембы». Физическое образование. 14 (7): 410–412. Bibcode:1979PhyEd..14..410M. Дои:10.1088/0031-9120/14/7/312.
  10. ^ Ауэрбах, Давид (1995). «Переохлаждение и эффект Мпембы: когда горячая вода замерзает быстрее холодной» (PDF). Американский журнал физики. 63 (10): 882–885. Bibcode:1995AmJPh..63..882A. Дои:10.1119/1.18059.
  11. ^ Браунридж, Джеймс (2011). «Когда горячая вода замерзает быстрее холодной? Поиски эффекта Мпембы». Американский журнал физики. 79 (78): 78–84. Bibcode:2011AmJPh..79 ... 78B. Дои:10.1119/1.3490015.Экспериментальные результаты, подтверждающие эффект Мпембы, подвергались критике за то, что они ошибочны, не учитывали растворенные твердые вещества и газы и другие мешающие факторы.
  12. ^ Элтон, Дэниел С .; Спенсер, Питер Д. (2020). «Патологическая наука о воде - четыре примера и что у них общего» (PDF). arXiv:2010.07287 [Physics.hist-ph].
  13. ^ Как окаменеть вашего хомяка: и другие удивительные эксперименты для кабинетного ученого, ISBN 1-84668-044-1
  14. ^ Элтон, Дэниел С .; Спенсер, Питер Д. (2020). «Патологическая наука о воде - четыре примера и что у них общего» (PDF). arXiv:2010.07287 [Physics.hist-ph].
  15. ^ Лу, Чжиюэ; Раз, Орен (16 мая 2017 г.). «Неравновесная термодинамика марковского эффекта Мпембы и его обратной». Труды Национальной академии наук. 114 (20): 5083–5088. arXiv:1609.05271. Bibcode:2017PNAS..114.5083L. Дои:10.1073 / pnas.1701264114. ISSN 0027-8424. ЧВК 5441807. PMID 28461467.
  16. ^ а б Ласанта, Антонио; Вега Рейес, Франциско; Прадос, Антонио; Сантос, Андрес (2017). «Когда горячее остывает быстрее: эффект Мпемба в сыпучих жидкостях». Письма с физическими проверками. 119 (14): 148001. arXiv:1611.04948. Bibcode:2017ПхРвЛ.119н8001Л. Дои:10.1103 / Physrevlett.119.148001. HDL:10016/25838. PMID 29053323. S2CID 197471205.
  17. ^ Чоун, Маркус (24 марта 2010 г.). «Выявлено: почему горячая вода замерзает быстрее холодной». Новый ученый.
  18. ^ а б Джин, Джэхёк; Годдард III, Уильям А. (2015). «Механизмы, лежащие в основе эффекта Мпемба в воде по результатам моделирования молекулярной динамики». Журнал физической химии C. 119 (5): 2622–2629. Дои:10.1021 / jp511752n.
  19. ^ Си, Чжан; Хуанг, Юнли; Ма, Zengsheng; Чжоу, Ичунь; Чжоу, Цзи; Чжэн, Вэйтао; Цзяньгэ, Цин; Сунь, Чанг К. (2014). «Память на водородных связях и сверхтвердость воды и кожи, разрешающие парадокс Мпембы». Физическая химия Химическая физика. 16 (42): 22995–23002. arXiv:1310.6514. Bibcode:2014PCCP ... 1622995Z. Дои:10.1039 / C4CP03669G. PMID 25253165.
  20. ^ Келл, Джордж С. (1969). «Замораживание горячей и холодной воды». Американский журнал физики. 37 (5): 564–565. Bibcode:1969AmJPh..37..564K. Дои:10.1119/1.1975687.
  21. ^ CITV Докажите это! Серия 1 Программа 13 В архиве 27 февраля 2012 г. Wayback Machine
  22. ^ Кац, Джонатан (2009). «Когда горячая вода замерзает раньше холодной». Американский журнал физики. 77 (27): 27–29. arXiv:физика / 0604224. Bibcode:2009AmJPh..77 ... 27K. Дои:10.1119/1.2996187. S2CID 119356481.

Библиография

внешняя ссылка