Mpemba hatás

Az Mpemba -effektus vagy az Mpemba-paradoxon  az a feltételezett hatás, hogy a forró víz gyorsabban megfagy, mint a hideg. Ebben az esetben a fagyasztási folyamat során a meleg víznek át kell haladnia a hideg víz hőmérsékletét, így a meleg víz hűtése tovább tart.

Felfedezési előzmények

Azt, hogy a forró víz gyorsabban lehűl, Arisztotelész , Francis Bacon és Rene Descartes is említette egy időben . Ez a nagyobb párolgási sebességnek és hősugárzásnak köszönhető, de a későbbi fagyást semmilyen módon nem befolyásolja. 1963-ban a Tanganyika iskolás, Erasto Mpemba érdeklődni kezdett, hogy a forró fagylaltkeverékek miért fagynak le gyorsabban, mint a hidegek. A fizikatanárhoz fordult pontosításért , de ő csak nevetett a diákon, mondván: "Ez nem világfizika, hanem Mpemba fizikája."

Mpemba ugyanezt a kérdést tette fel Dennis Osborn fizikaprofesszornak, aki az iskolába jött. Az elvégzett kísérleti ellenőrzés megerősítette a hatás jelenlétét, de magyarázatot nem adott. A kísérleti körülményeket a következőképpen írjuk le: 70 ml vizet 100 ml-es laboratóriumi főzőpohárban hablapokra helyeztünk egy háztartási hűtőszekrény fagyasztójába; leggyakrabban a hatást akkor figyelték meg, amikor az egyik minta kezdeti hőmérséklete 25 °C, a másiké pedig 90 °C volt. Azt is megállapították, hogy sem a folyadék elpárolgása, sem a vízben oldott gázok hatása nem jelentős tényező.

1969- ben Mpemba és Osborn közös tanulmánya a Physics Education ] című folyóiratban jelent meg a hatásról . Ugyanebben az évben George Kell, a Canadian National Research Council munkatársa az American Journal of Physics című folyóiratban [2] publikált egy cikket a jelenségről .

A paradoxon elemzése

Erre a paradoxonra számos magyarázatot javasoltak:

• Nagy hőmérsékletű hiszterézisű háztartási hűtőszekrény használata kísérleti "eszközként". A meleg víz a hideg vízzel ellentétben felmelegíti a termosztátot, amely elindítja a kompresszort, és a hűtőszekrény fagyni kezd. A folyamat inerciális, így kis mennyiségű víznek még meg is van ideje megfagyni. A szabályozott hőmérsékletű hűtőszekrény használata cáfolja ezt a paradoxont ​​(ez a verzió azonban nem illeszkedik abba a ténybe, hogy a fent említett hatást állítólag Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes ismerte, akik nyilvánvalóan nem használtak hőmérsékletet -vezérelt hűtőszekrény; elvileg nem lehet az oka, ha a mintákat egyszerre helyezik a fagyasztóba ).
• A forró víz elkezd elpárologni. Hideg levegőben azonban jéggé alakul, és elkezd leesni, jégkérget képezve (Mpemba és Osborne szerint a párolgás nem jelentős tényező) .
• A forró víz gyorsabban elpárolog a tartályból, ezáltal csökken a térfogata , és egy kisebb térfogatú, azonos hőmérsékletű víz gyorsabban fagy meg. A légmentesen záródó tartályokban a hideg víznek gyorsabban meg kell fagynia (Mpemba és Osborn szerint a párolgás nem volt jelentős tényező) .
• Hóborítás jelenléte a hűtőszekrény fagyasztójában . A melegvíztartály megolvasztja az alatta lévő havat, ezáltal javítja a fagyasztó falával való termikus érintkezést. A hidegvizes tartály nem olvasztja el a havat alatta . Hóborítás hiányában a melegvíztartálynak lassabban kell fagynia (valószínűleg nem ez az oka, lásd fent Mpemba és Osborn kísérleti körülményeit) .
• A hideg víz felülről kezd megfagyni, ami rontja a hősugárzás és a konvekció folyamatait , és ezáltal a hőveszteséget, míg a meleg víz alulról fagyni kezd. A tartályokban lévő víz további mechanikus keverésével a hideg víznek gyorsabban meg kell fagynia.
• A kristályosodási központok jelenléte a lehűtött vízben - benne oldott anyagok. Kis számú ilyen centrum esetén a víz jéggé alakulása nehézkes, és még a túlhűtése is lehetséges, ha folyékony állapotban marad, nulla alatti hőmérsékleten. Az oldatok azonos összetételével és koncentrációjával a hideg víznek gyorsabban meg kell fagynia.
• A hidrogénkötésekben tárolt energia különbsége miatt. Minél melegebb a víz, annál nagyobb a távolság a folyadék molekulái között a taszítóerők növekedése miatt. Ennek eredményeként a hidrogénkötések megnyúlnak, és így több energiát tárolnak. Ez az energia akkor szabadul fel, amikor a víz lehűl – a molekulák közelednek egymáshoz. Az energia visszaadása pedig hűtést jelent [3] .
• A forró víz kevesebb oldott gázt tartalmazhat, mivel melegítéskor nagy mennyiségű gáz szabadul fel. Feltételezik, hogy ez megváltoztatja a forró víz tulajdonságait, és gyorsabban hűl [4]
• A melegítés előrehaladtával a hidrogénkötések gyengülnek, és a klaszterekben lévő vízmolekulák olyan pozíciókat foglalnak el, ahonnan könnyebben eljutnak a jég kristályszerkezetébe [5] . Hideg vízben minden ugyanúgy történik, de több energiára van szükség a hidrogénkötések megszakításához – ezért a fagyás lassabban megy végbe [6] .

Nem érkezett egyértelmű válasz arra a kérdésre, hogy melyikük biztosítja az Mpemba-effektus száz százalékos reprodukálását.

Modern nézetek

2016. november 24-én a Scientific Reports folyóiratban (a Nature csoport része) jelent meg egy cikk, ahol a szerzők azt állítják, hogy a korábban publikált anyagokban nincs egyértelmű tudományos definíció a hatásról, ők maguk adnak ilyen definíciót, és mutassák meg, hogy ennek a definíciónak nincs hatása. Egyebek mellett rámutatnak a „meleg víz nem hűl le gyorsabban, mint a hideg víz” (elvárt viselkedés) állítás nem kellő szigorúságára – nyilvánvaló, hogy a meleg víz gyorsabban hűthető le, mint a hideg víz, ha pl. a hűtéshez megnő. A cikk különösen azt mutatja be, hogy három 400 grammos adag víz lehűtésekor a kezdeti hőmérsékleten (21,8, 57,3 és 84,7 °C) kívül mindenben azonos, azonos poharakba öntjük és -18 fokos termosztatikus fagyasztóba helyezzük. °C-on a melegvíz tovább tartott a nulla hőmérséklet eléréséhez (6397, 9504 és 10812 másodperc alatt), ahogy az a termodinamika első főtétele szerint várható [7] .

2017-ben azonban két kutatócsoport egymástól függetlenül és egyidejűleg talált elméleti bizonyítékot az Mpemba-effektusra, és egy új „inverz” Mpemba-effektust is megjósolt, amelyben egy hűtött rendszer felfűtése az egyensúlyi helyzettől távol, kevesebb időt vesz igénybe, mint egy másik rendszerben, amely kezdetben közelebb volt. egyensúlyba hozni. Lu és Raz [8] a Markov-féle statisztikai mechanikán alapuló általános kritériumot adnak az inverz Mpemba-hatás előrejelzésére az Ising-modellben és a diffúziós dinamikában. Lasanta és munkatársai [9] közvetlen és inverz Mpemba-hatásokat is jósolnak a szemcsés szilárd anyagokra az egyensúlytól távol eső kezdeti állapotban. Ez utóbbi munka azt sugallja, hogy a mindkét Mpemba-hatáshoz vezető közös mechanizmus egy olyan részecskesebesség - eloszlási függvénynek köszönhető, amely jelentősen eltér a Maxwell-eloszlástól .

Jegyzetek

1. ↑ Mpemba EB, Osborne DG Cool? // Fizikaoktatás. - Fizikai Intézet, 1969. - V. 4 , 3. sz . - S. 172-175 . - doi : 10.1088/0031-9120/4/3/312 . - .
2. ↑ Kell GS A forró és hideg víz megfagyása  // American Journal of Physics. - AIP Scitation, 1969. - T. 37 , 5. sz . - S. 564-565 . - doi : 10,1119/1,1975687 .
3. ↑ Feltárul a forró víz gyors megszilárdulásának titka
4. ↑ Példa egy fizikai jelenségre
5. ↑ Cikk // Journal of Chemical Theory and Computation
6. ↑ A tudósok új magyarázatot találtak az "Mpemba-paradoxonra" . naked-science.ru (2016. január 9.). Letöltve: 2017. január 24. (határozatlan)
7. ↑ Burridge Henry C., Linden Paul F. Az Mpemba-effektus megkérdőjelezése: a forró víz nem hűl le gyorsabban, mint a hideg  //  Scientific Reports. - 2016. - november 24. ( 6. évf. , 1. sz.). - P. 37665-1-37665-11 . - ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/srep37665 . - .
8. ↑ Chang Q. Sun, Qing Jiang, Weitao Zheng, Ji Zhou, Yichun Zhou. A hidrogénkötés memória és a víz-bőr szuperszilárdsága megoldja az Mpemba paradoxont  ​​//  Fizikai kémia Kémiai fizika. — 2014-10-09. — Vol. 16 , iss. 42 . — P. 22995–23002 . — ISSN 1463-9084 . - doi : 10.1039/C4CP03669G .
9. ↑ Oren Raz, Zhiyue Lu. A Markovi Mpemba-effektus és inverze nemegyensúlyi termodinamikája  //  Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2017-05-16. — Vol. 114 , iss. 20 . — P. 5083–5088 . — ISSN 0027-8424 1091-6490, 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1701264114 .