Mpemba vaikutus

Mpemba-ilmiö eli Mpemba-paradoksi  on oletettu vaikutus, että kuuma vesi voi jäätyä nopeammin kuin kylmä vesi. Tässä tapauksessa kuuman veden on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätymisen aikana, joten muiden olosuhteiden pysyessä kuuman veden jäähtymisen tulisi kestää kauemmin.

Löytöhistoria

Kuuman veden jäähtymisen nopeammin mainitsivat aikoinaan Aristoteles , Francis Bacon ja Rene Descartes . Tämä johtuu suuremmasta haihtumisnopeudesta ja lämpösäteilystä, mutta se ei vaikuta myöhempään jäätymiseen millään tavalla. Vuonna 1963 Tanganyikan koulupoika Erasto Mpemba kiinnostui siitä, miksi kuumat jäätelösekoitukset jäätyvät nopeammin kuin kylmät. Hän kääntyi fysiikan opettajan puoleen saadakseen selvennyksen , mutta hän vain nauroi opiskelijalle sanoen seuraavaa: "Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan Mpemban fysiikkaa."

Mpemba esitti saman kysymyksen fysiikan professorille Dennis Osbornille, joka tuli kouluun. Suoritettu kokeellinen tarkastus vahvisti vaikutuksen olemassaolon, mutta ei antanut selitystä. Koeolosuhteet kuvataan seuraavasti: 70 ml vettä 100 ml:n laboratoriodekantterilasiin vaahtolevyillä pantiin kotitalousjääkaapin pakastimeen; Useimmiten vaikutus havaittiin, kun yhden näytteen alkulämpötila oli 25 °C ja toisen - 90 °C. He havaitsivat myös, että sekä nesteen haihtuminen että veteen liuenneiden kaasujen vaikutus eivät ole merkittäviä tekijöitä.

Vuonna 1969 Mpemban ja Osbornin yhteinen artikkeli, jossa kuvattiin vaikutusta, julkaistiin Physics Education -lehdessä ] . Samana vuonna George Kell Canadian National Research Councilista julkaisi ilmiötä kuvaavan artikkelin American Journal of Physicsissa [2] .

Paradoksin analyysi

Tälle paradoksille on ehdotettu useita selityksiä:

• Kotitalouksien jääkaapin käyttö suurella lämpötilahystereesillä kokeellisena "laitteena". Kuuma vesi, toisin kuin kylmä vesi, lämmittää termostaatin, joka käynnistää kompressorin ja jääkaappi alkaa jäätyä. Prosessi on inertiaalinen, joten pienellä määrällä vettä ehtii jopa jäätyä. Lämpötilaohjatun jääkaapin käyttö kumoaa tämän paradoksin (tämä versio ei kuitenkaan sovi yhteen sen tosiasian kanssa, että vaikutuksen, kuten edellä mainittiin, oletettavasti tunsivat Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, jotka eivät selvästikään käyttäneet lämpötilaa -ohjattu jääkaappi; periaatteessa se ei voi olla syynä, jos näytteet laitetaan pakastimeen samanaikaisesti ).
• Kuuma vesi alkaa haihtua. Mutta kylmässä ilmassa se muuttuu jääksi ja alkaa pudota alas muodostaen jääkuoren (Mpemban ja Osbornen mukaan he havaitsivat, että haihtuminen ei ole merkittävä tekijä) .
• Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta , ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. Ilmatiiviissä säiliöissä kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin (Mpemba ja Osborn havaitsivat, että haihtuminen ei ollut merkittävä tekijä Mpemba ja Osbornen mukaan) .
• Lumivuoraus jääkaapin pakastimessa . Kuumavesisäiliö sulattaa alla olevan lumen, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinään. Kylmävesisäiliö ei sulata alla olevaa lunta . Lumiverhouksen puuttuessa kuumavesisäiliön pitäisi jäätyä hitaammin (todennäköisesti ei syynä, katso Mpemban ja Osbornin koeolosuhteet yllä) .
• Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta. Säiliöissä olevan veden mekaanisella lisäsekoituksella kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin.
• Jäähdytetyssä vedessä on kiteytyskeskuksia - siihen liuenneita aineita. Pienellä määrällä tällaisia ​​keskuksia veden muuttuminen jääksi on vaikeaa, ja jopa sen alijäähtyminen on mahdollista, kun se pysyy nestemäisessä tilassa, jonka lämpötila on pakkasta. Samalla koostumuksella ja liuospitoisuudella kylmän veden tulisi jäätyä nopeammin.
• Vetysidoksiin varastoidun energian eron vuoksi. Mitä lämpimämpää vesi on, sitä suurempi on nesteen molekyylien välinen etäisyys hylkimisvoimien lisääntymisen vuoksi. Tämän seurauksena vetysidokset venyvät ja varastoivat siten enemmän energiaa. Tämä energia vapautuu, kun vesi jäähtyy - molekyylit lähestyvät toisiaan. Ja energian paluu tarkoittaa jäähdytystä [3] .
• Kuuma vesi voi sisältää vähemmän liuenneita kaasuja, koska lämmitettäessä vapautuu suuri määrä kaasua. Tämän oletetaan muuttavan kuuman veden ominaisuuksia ja se jäähtyy nopeammin [4]
• Lämpenemisen edetessä vetysidokset heikkenevät ja klustereissa olevat vesimolekyylit ottavat paikkoja, joista niiden on helpompi siirtyä jään kiderakenteeseen [5] . Kylmässä vedessä kaikki tapahtuu samalla tavalla, mutta vetysidosten katkaisemiseen tarvitaan enemmän energiaa - siksi jäätyminen tapahtuu hitaammin [6] .

Yksiselitteistä vastausta kysymykseen, mitkä niistä tarjoavat Mpemba-ilmiön sataprosenttisen toiston, ei ole saatu.

Modernit näkymät

Scientific Reports -lehdessä (osa Nature -ryhmää) julkaistiin 24. marraskuuta 2016 artikkeli , jossa kirjoittajat väittävät, että aiemmin julkaistuissa materiaaleissa ei ole selkeää tieteellistä määritelmää vaikutukselle, he itse antavat tällaisen määritelmä ja osoittavat, että tämän määritelmän noudattamisella ei ole vaikutusta. He viittaavat muun muassa väitteen "kuuma vesi ei jäähdy nopeammin kuin kylmä vesi" (odotettu käyttäytyminen) riittämättömään tiukkuuteen - on selvää, että kuuma vesi voidaan jäähdyttää nopeammin kuin kylmä vesi, jos esim. jäähdytystä varten on lisätty. Artikkeli osoittaa erityisesti, että kun kolme 400 gramman annosta vettä jäähdytetään, identtinen kaikessa paitsi alkuperäisessä lämpötilassa (21,8, 57,3 ja 84,7 ° C), kaadetaan identtisiin lasiin ja laitetaan termostaattiseen pakastimeen -18. °C, kuuman veden nollalämpötilan saavuttaminen kesti kauemmin (vastaavasti 6397, 9504 ja 10812 sekunnissa), kuten termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan olisi odotettavissa [7] .

Kuitenkin vuonna 2017 kaksi tutkimusryhmää löysi itsenäisesti ja samanaikaisesti teoreettista näyttöä Mpemba-ilmiöstä ja ennusti myös uuden "käänteisen" Mpemba-ilmiön, jossa jäähdytetyn järjestelmän lämmittäminen kaukana tasapainosta vie vähemmän aikaa kuin toisessa alun perin lähempänä olleessa järjestelmässä. tasapainoon. Lu ja Raz [8] antavat yleisen Markovin tilastomekaniikkaan perustuvan kriteerin käänteisen Mpemba-ilmiön ennustamiseksi Ising-mallissa ja diffuusiodynamiikassa. Lasanta ja hänen kollegansa [9] ennustavat myös suoria ja käänteisiä Mpemba-vaikutuksia rakeisille kiintoaineille niiden alkutilassa, jotka ovat kaukana tasapainosta. Tämä jälkimmäinen työ viittaa siihen, että molempiin Mpemba-ilmiöihin johtava yhteinen mekanismi johtuu hiukkasten nopeusjakaumafunktiosta , joka poikkeaa merkittävästi Maxwell-jakaumasta .

Muistiinpanot

1. ↑ Mpemba EB, Osborne DG Cool? // Fysiikan koulutus. - Fysiikan instituutti, 1969. - V. 4 , nro 3 . - S. 172-175 . - doi : 10.1088/0031-9120/4/3/312 . - .
2. ↑ Kell GS Kuuman ja kylmän veden jäätyminen  // American Journal of Physics. - AIP Scitation, 1969. - T. 37 , nro 5 . - S. 564-565 . - doi : 10.1119/1.1975687 .
3. ↑ Kuuman veden nopean jähmettymisen salaisuus paljastuu
4. ↑ Esimerkki fysikaalisesta ilmiöstä
5. ↑ Artikkeli // Journal of Chemical Theory and Computation
6. ↑ Tutkijat ovat löytäneet uuden selityksen "Mpemba-paradoksille" . naked-science.ru (9. tammikuuta 2016). Haettu: 24 tammikuuta 2017. (määrätön)
7. ↑ Burridge Henry C., Linden Paul F. Mpemba-ilmiön kyseenalaistaminen: kuuma vesi ei jäähdy nopeammin kuin kylmä  //  Scientific Reports. - 2016. - 24. marraskuuta ( osa 6 , nro 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. Vetysidosmuisti ja vesi-ihon superkiinteys ratkaisemassa Mpemba-paradoksia  //  Fysikaalinen kemia Kemiallinen fysiikka. – 9.10.2014. — Voi. 16 , iss. 42 . — P. 22995–23002 . — ISSN 1463-9084 . - doi : 10.1039/C4CP03669G .
9. ↑ Oren Raz, Zhiyue Lu. Markovin Mpemba-ilmiön epätasapainoinen termodynamiikka ja sen käänteinen  //  Proceedings of the National Academy of Sciences. – 16.5.2017. — Voi. 114 , iss. 20 . — s. 5083–5088 . — ISSN 0027-8424 1091-6490, 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1701264114 .