Mpemba efekt - Mpemba effect

The Mpemba efekt je jev, při kterém je horké voda Zdá se zmrazit rychlejší než studená voda. Tento jev je závislý na teplotě. Panuje neshoda ohledně parametrů potřebných k vytvoření efektu a jeho teoretických východisek.[1][2]
Efekt Mpemba je pojmenován po tanzanském školákovi Erasto Bartholomeo Mpemba (nar. 1950), který ji objevil v roce 1963. Byly předchozí starověký popisy podobných jevů, ale postrádaly dostatečné podrobnosti k pokusu o ověření.
Definice
Pokud je tento jev chápán jako „horká voda mrzne rychleji než studená“, je obtížné ji reprodukovat nebo potvrdit, protože toto tvrzení je nedefinováno.[3] Monwhea Jeng navrhuje jako přesnější formulaci:
Existuje sada počátečních parametrů a dvojice teplot, takže při dvou vodních útvarech shodných v těchto parametrech, které se liší pouze počátečními jednotnými teplotami, horká zamrzne dříve.[4]
I přes tuto definici však není jasné, zda „zamrzání“ odkazuje na bod, ve kterém voda tvoří viditelnou povrchovou vrstvu ledu; bod, ve kterém se celý objem vody stane pevným blokem ledu; nebo když voda dosáhne 0 ° C (32 ° F).[3] Množství vody může být při 0 ° C (32 ° F) a nesmí být ledové; poté, co bylo odstraněno dostatečné množství tepla k dosažení 0 ° C (32 ° F), musí být odstraněno více tepla, než se voda změní na pevný stav (led), takže voda může být kapalná nebo pevná při teplotě 0 ° C (32 ° F).
S výše uvedenou definicí existují jednoduché způsoby, jak lze účinek pozorovat. Například pokud vyšší teplota roztaví námrazu na chladicí ploše a zvyšuje tak tepelnou vodivost mezi chladicí plochou a nádobou na vodu.[3] Na druhou stranu může existovat mnoho okolností, kdy účinek není pozorován.[3]
Postřehy
Historický kontext
Různé účinky tepla na zamrzání vody popsali starověcí vědci jako např Aristoteles „Skutečnost, že voda byla předtím ohřátá, přispívá k jejímu rychlému zamrznutí: protože tak ochlazuje dříve. Proto mnoho lidí, když chtějí rychle ochladit vodu, začíná tím, že ji umístí na slunce. Pontus když se utáboří na ledě, aby rybařili (vyřízli díru v ledu a pak rybařili), nalili jim kolem rákosí teplou vodu, aby to rychleji zamrzlo, protože k rákosu používají led jako olovo.[5] Aristotelovo vysvětlení zahrnovalo antiperistáza „předpokládané zvýšení intenzity kvality v důsledku obklopení její opačné kvality.“
Brzy moderní vědci jako Francis Bacon poznamenal, že „mírně vlažná voda zmrzne snadněji než ta, která je naprosto studená“.[6] V originále latinský, „aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida.“
René Descartes napsal ve svém Pojednání o metodě „Podle zkušeností lze vidět, že voda, která byla po dlouhou dobu udržována v ohni, zmrzne rychleji než ostatní, protože její částice, které jsou nejméně schopné přestat se ohýbat, se během ohřevu odpařují.“[7] To se týká Descartova vírová teorie.
Skotský vědec Joseph Black zkoumal zvláštní případ tohoto jevu srovnáváním dříve vařené s nevařenou vodou;[8] dříve vařená voda ztuhla rychleji. Odpařování bylo kontrolováno. Diskutoval o vlivu míchání na výsledky experimentu, přičemž si všiml, že míchání nevařené vody vedlo k jejímu zmrazení současně s dříve vařenou vodou, a také poznamenal, že míchání velmi studené nevařené vody vedlo k okamžitému zmrazení. Joseph Black poté diskutoval Fahrenheita popis přechlazení vody (ačkoli termín podchlazení ještě nebyl vytvořen), přičemž v moderních termínech tvrdí, že dříve vařená voda nemohla být tak snadno podchlazená.
Pozorování Mpemby
Efekt je pojmenován po Tanzanianovi Erasto Mpemba. Popsal to v roce 1963 ve formě 3 střední školy Magamba, Tanganika, když zmrazujete zmrzlinovou směs, která byla na hodinách vaření horká, a všimněte si, že před studenou směsí zmrzla. Později se stal studentem střední (dříve střední) školy v Mkwawě Iringa. Ředitel pozval Dr. Denis Osborne z University College v Dar es Salaam přednášet fyziku. Po přednášce mu Mpemba položil otázku: „Pokud vezmete dva podobné nádoby se stejným objemem vody, jednu při 35 ° C (95 ° F) a druhou při 100 ° C (212 ° F), a vložte je do nejprve zamrzne mraznička, která začala na 100 ° C (212 ° F). Proč? “, ale jeho spolužáci a učitel se mu vysmívali. Po počátečním zděšení Osborne experimentoval s touto otázkou zpět na svém pracovišti a potvrdil Mpembův nález. Výsledky zveřejnili společně v roce 1969, zatímco Mpemba studoval na College of African Wildlife Management.[9] Mpemba a Osborne popisují umístění 70 ml (2,5 imp fl oz; 2,4 US fl oz) vzorků vody do 100 ml (3,5 imp fl oz; 3,4 US fl oz) kádinek do lednice domácí chladničky na list polystyrenové pěny . Ukázali čas na zmrazení začít byl nejdelší s počáteční teplotou 25 ° C (77 ° F) a že při teplotě kolem 90 ° C (194 ° F) to bylo mnohem méně. Vyloučili ztrátu objemu kapaliny odpařováním jako významný faktor a účinek rozpuštěného vzduchu. Při jejich nastavení bylo zjištěno, že většina tepelných ztrát pochází z povrchu kapaliny.[9]
Moderní experimentální práce
David Auerbach popisuje účinek, který pozoroval u vzorků ve skleněných kádinkách umístěných do kapalné chladicí lázně. Ve všech případech byla voda podchlazena a před samovolným zamrznutím dosáhla teploty obvykle -6 až -18 ° C (21 až 0 ° F). Byly pozorovány značné náhodné variace v době potřebné k zahájení spontánního zmrazení a v některých případech to mělo za následek, že voda začala nejdříve tepleji (částečně) zmrznout.[10]V roce 2016 definovali Burridge a Linden kritérium jako čas do dosažení 0 ° C (32 ° F), provedli experimenty a zkontrolovali dosud publikovanou práci. Poznamenali, že původně zjištěný velký rozdíl nebyl replikován a že studie ukazující malý účinek mohou být ovlivněny změnami umístění teploměrů. Říkají: „Docházíme k závěru, poněkud smutně, že neexistují důkazy na podporu smysluplných pozorování efektu Mpemba“.[1]V kontrolovaných experimentech lze účinek zcela vysvětlit podchlazením a doba zmrazení byla určena tím, jaký kontejner byl použit. [11][12] Recenzent pro Svět fyziky píše: „I když je efekt Mpemba skutečný - pokud může horká voda někdy zmrznout rychleji než studená - není jasné, zda by vysvětlení bylo triviální nebo poučné.“ Poukázal na to, že při vyšetřování jevu je třeba řídit velké množství počátečních parametrů (včetně typu a počáteční teploty vody, rozpuštěného plynu a jiných nečistot a velikosti, tvaru a materiálu nádoby a teploty chladničky) a potřeba vyrovnat se s konkrétní metodou stanovení času zmrazení, což by vše mohlo ovlivnit přítomnost nebo nepřítomnost účinku Mpemba. Požadované rozsáhlé vícerozměrné pole experimentů by mohlo vysvětlit, proč účinek ještě není pochopen.[3] Nový vědec doporučuje zahájit experiment s nádobami při teplotě 35 a 5 ° C (95 a 41 ° F), aby se maximalizoval účinek.[13] V související studii bylo zjištěno, že teplota mrazničky také ovlivňuje pravděpodobnost pozorování jevu Mpemba i teplotu nádoby.
Teoretická vysvětlení
Zatímco skutečný výskyt Mbempa efektu je předmětem diskuse [14], několik teoretických vysvětlení by mohlo vysvětlit jeho výskyt. V roce 2017 dvě výzkumné skupiny nezávisle a současně nalezly teoretický Mpemba efekt a také předpověděly nový „inverzní“ Mpemba efekt, při kterém zahřívání chlazeného systému vzdáleného od rovnováhy zabere méně času než jiný systém, který je původně blíže rovnováze. Lu a Raz[15] získá obecné kritérium založené na Markovianově statistické mechanice, předpovídající výskyt inverzního Mpembova jevu v Isingův model a difúzní dynamika. Lasanta a spolupracovníci[16] předpovídat také přímé a inverzní Mpemba efekty pro a granulovaný plyn v počátečním stavu daleko od rovnováhy. V této poslední práci se navrhuje, že velmi obecný mechanismus vedoucí k oběma Mpemba efektům je způsoben rychlostí částic distribuční funkce která se výrazně odchyluje od Maxwell-Boltzmann distribuce. James Brownridge, důstojník radiační bezpečnosti v Státní univerzita v New Yorku, uvedl, že věří, že jde o podchlazení.[17] Několik molekulární dynamika simulace také podpořily, že změny ve vodíkových vazbách během podchlazení mají v procesu hlavní roli.[18][19] Tao a spolupracovníci navrhli v roce 2016 ještě další možné vysvětlení. Na základě výsledků z vibrační spektroskopie a modelování pomocí hustota funkční teorie - optimalizované vodní klastry, naznačují, že důvodem může být obrovská rozmanitost a zvláštní výskyt různých Vodíkové vazby. Jejich klíčovým argumentem je, že počet silných vodíkových vazeb se zvyšuje s teplota je zvýšený. Existence malých silně vázaných klastrů zase usnadňuje nukleace z šestihranný led když se teplá voda rychle ochladí.[2]
Navrhovaná vysvětlení
Byla navržena následující vysvětlení:
- Vypařování: Odpařování teplejší vody snižuje množství vody, která má být zmrzlá.[20] Odpařování je endotermický, což znamená, že vodní hmota je ochlazována parami odvádějícími teplo, ale toto samo o sobě pravděpodobně nezohledňuje celý účinek.[4]
- Proudění: Zrychluje přenosy tepla. Snížení hustoty vody pod 4 ° C (39 ° F) má tendenci potlačovat konvekční proudy, které ochlazují spodní část kapalné hmoty; nižší hustota horké vody by tento účinek snížila, snad by udržovala rychlejší počáteční ochlazení. Vyšší konvekce v teplejší vodě může také rychleji šířit ledové krystaly.[21]
- Mráz: Má izolační účinky. Voda s nižší teplotou bude mít tendenci zmrznout shora, což sníží další tepelné ztráty sáláním a konvekcí vzduchu, zatímco teplejší voda bude mít tendenci zmrznout zdola a ze stran kvůli konvekci vody. To je sporné, protože existují experimenty, které tento faktor zohledňují.[4]
- Rozpuštěné látky: Účinky uhličitan vápenatý, uhličitan hořečnatý mezi ostatními.[22]
- Tepelná vodivost: Nádoba s teplejší kapalinou se může roztavit vrstvou mrazu, která působí jako izolátor pod nádobou (mráz je izolátor, jak je uvedeno výše), což umožňuje nádobě přijít do přímého kontaktu s mnohem chladnější spodní vrstvou, než je námraza. vytvořené na (led, chladicí spirály atd.) Nádoba nyní spočívá na mnohem chladnějším povrchu (nebo lepším na odvádění tepla, jako jsou chladicí spirály) než původně chladnější voda, a tak se od tohoto okamžiku ochlazuje mnohem rychleji.
- Rozpuštěné plyny: Studená voda může obsahovat více rozpuštěných plynů než horká voda, což může nějakým způsobem změnit vlastnosti vody s ohledem na konvekční proudy, což je návrh, který má určitou experimentální podporu, ale nemá teoretické vysvětlení.[4]
- Vodíková vazba: V teplé vodě je vodíková vazba slabší.[2]
- Krystalizace: Další vysvětlení naznačuje, že relativně rychlejší populace vodních hexamerních stavů v teplé vodě může být zodpovědná za rychlejší krystalizaci.[18]
- Distribuční funkce: Silné odchylky od distribuce Maxwell-Boltzmann vedou k tomu, že se potenciální efekt Mpemba projeví v plynech.[16]
Podobné efekty
Jiné jevy, ve kterých lze dosáhnout velkých efektů rychleji než malých, jsou:
- Latentní teplo: Otočení ledu o 0 ° C (32 ° F) na 0 ° C (32 ° F) vyžaduje stejné množství energie jako topná voda z 0 ° C (32 ° F) na 80 ° C (176 ° F);
- Efekt Leidenfrost: Nízkoteplotní kotle mohou někdy odpařovat vodu rychleji než vysokoteplotní kotle.
Viz také
Reference
Poznámky
- ^ A b Burridge, Henry C .; Linden, Paul F. (2016). „Zpochybnění efektu Mpemba: Horká voda se neochladí rychleji než studená“. Vědecké zprávy. 6: 37665. Bibcode:2016NatSR ... 637665B. doi:10.1038 / srep37665. PMC 5121640. PMID 27883034.
- ^ A b C Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2017). „Různé způsoby vodíkové vazby ve vodě - proč teplá voda mrzne rychleji než studená voda?“. Journal of Chemical Theory and Computation. 13 (1): 55–76. doi:10.1021 / acs.jctc.6b00735. PMID 27996255.
- ^ A b C d E Ball, Philip (duben 2006). Nejprve zamrzne horká voda?. Svět fyziky, s. 19–26.
- ^ A b C d Jeng, Monwhea (2006). „Horká voda může zmrznout rychleji než studená?!?“. American Journal of Physics. 74 (6): 514–522. arXiv:fyzika / 0512262. Bibcode:2006AmJPh..74..514J. doi:10.1119/1.2186331.
- ^ Aristoteles. "Meteorologie". Kniha I, část 12, str. 348b31–349a4. Citováno 16. října 2020 - prostřednictvím MIT.
- ^ Bacon, Francis; Novum Organum, Lib. II, L.
- ^ Descartes, René; Les Météores
- ^ Black, Joseph (1. ledna 1775). „Předpokládaný účinek varu na vodě při jeho likvidaci, aby snadněji zamrzl, zjištěný experimenty. Joseph Black, M. D. profesor chemie v Edinburghu, v dopise siru Johnovi Pringleovi, Bart. P. R. S.“. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. 65: 124–128. Bibcode:1775RSPT ... 65..124B. doi:10.1098 / rstl.1775.0014. S2CID 186214388.
- ^ A b Mpemba, Erasto B .; Osborne, Denis G. (1969). "Chladný?". Fyzikální výchova. 4 (3): 172–175. Bibcode:1969PhyEd ... 4..172M. doi:10.1088/0031-9120/4/3/312. publikováno jako Mpemba, Erasto B .; Osborne, Denis G. (1979). "Efekt Mpemba". Fyzikální výchova. 14 (7): 410–412. Bibcode:1979PhyEd..14..410M. doi:10.1088/0031-9120/14/7/312.
- ^ Auerbach, David (1995). „Superchlazení a efekt Mpemba: když horká voda zmrzne rychleji než studená“ (PDF). American Journal of Physics. 63 (10): 882–885. Bibcode:1995AmJPh..63..882A. doi:10.1119/1.18059.
- ^ Brownridge, James (2011). „Kdy horká voda zmrzne rychleji než studená voda? Hledání efektu Mpemba“. American Journal of Physics. 79 (78): 78–84. Bibcode:2011AmJPh..79 ... 78B. doi:10.1119/1.3490015.Experimentální výsledky potvrzující efekt Mpemba byly kritizovány za vady, bez ohledu na rozpuštěné pevné látky a plyny a další matoucí faktory.
- ^ Elton, Daniel C .; Spencer, Peter D. (2020). „Patologická vodní věda - čtyři příklady a co mají společného“ (PDF). arXiv:2010.07287 [fyzika.hist-ph ].
- ^ Jak zkamenět svého křečka: a další úžasné experimenty pro vědce z křesla, ISBN 1-84668-044-1
- ^ Elton, Daniel C .; Spencer, Peter D. (2020). „Patologická vodní věda - čtyři příklady a co mají společného“ (PDF). arXiv:2010.07287 [fyzika.hist-ph ].
- ^ Lu, Zhiyue; Raz, Oren (16. května 2017). „Nerovnovážná termodynamika Markovianova efektu Mpemba a jeho inverze“. Sborník Národní akademie věd. 114 (20): 5083–5088. arXiv:1609.05271. Bibcode:2017PNAS..114,5083L. doi:10.1073 / pnas.1701264114. ISSN 0027-8424. PMC 5441807. PMID 28461467.
- ^ A b Lasanta, Antonio; Vega Reyes, Francisco; Prados, Antonio; Santos, Andrés (2017). „Když se žhavič rychleji ochladí: Mpemba efekt v granulovaných tekutinách“. Dopisy o fyzické kontrole. 119 (14): 148001. arXiv:1611.04948. Bibcode:2017PhRvL.119n8001L. doi:10.1103 / physrevlett.119.148001. hdl:10016/25838. PMID 29053323. S2CID 197471205.
- ^ Chown, Marcus (24. března 2010). „Odhalení: proč horká voda zmrzne rychleji než studená“. Nový vědec.
- ^ A b Jin, Jaehyeok; Goddard III, William A. (2015). "Mechanismy, na nichž je založen účinek Mpemba ve vodě ze simulací molekulární dynamiky". Journal of Physical Chemistry C. 119 (5): 2622–2629. doi:10.1021 / jp511752n.
- ^ Xi, Zhang; Huang, Yongli; Ma, Zengsheng; Zhou, Yichun; Zhou, Ji; Zheng, Weitao; Jiange, Qing; Sun, Chang Q. (2014). „Paměť na vodíkové vazby a supersolidita vodní pokožky řešící paradox Mpemba“. Fyzikální chemie Chemická fyzika. 16 (42): 22995–23002. arXiv:1310.6514. Bibcode:2014PCCP ... 1622995Z. doi:10.1039 / C4CP03669G. PMID 25253165.
- ^ Kell, George S. (1969). „Zmrazení teplé a studené vody“. American Journal of Physics. 37 (5): 564–565. Bibcode:1969AmJPh..37..564K. doi:10.1119/1.1975687.
- ^ CITV Dokažte to! Program řady 1 13 Archivováno 27. února 2012 v Wayback Machine
- ^ Katz, Jonathan (2009). "Když horká voda zmrzne před chladem". American Journal of Physics. 77 (27): 27–29. arXiv:fyzika / 0604224. Bibcode:2009AmJPh..77 ... 27K. doi:10.1119/1.2996187. S2CID 119356481.
Bibliografie
- Auerbach, David (1995). „Superchlazení a efekt Mpemba: když horká voda zmrzne rychleji než studená“ (PDF). American Journal of Physics. 63 (10): 882–885. Bibcode:1995AmJPh..63..882A. doi:10.1119/1.18059.
- Auerbach připisuje efekt Mpemba rozdílům v chování podchlazené dříve teplé vody a dříve studené vody.
- Chown, Marcus (červen 2006). „Proč voda po zahřátí zmrzne rychleji“. Nový vědec.
- Conover, Emily (2017). „Debata se zahřívá nad tvrzením, že horká voda někdy mrzne rychleji než zima“. Vědecké zprávy. 191 (2): 14. Citováno 2. dubna 2018.
- Dorsey, N. Ernest (1948). „Zmrazení podchlazené vody“. Trans. Dopoledne. Phil. Soc. 38 (3): 247–326. doi:10.2307/1005602. hdl:2027 / mdp.39076006405018. JSTOR 1005602.
- Rozsáhlá studie zmrazovacích experimentů.
- Jeng, Monwhea (2006). „Efekt Mpemba: Kdy může horká voda zmrznout rychleji než studená?“. American Journal of Physics. 74 (6): 514–522. arXiv:fyzika / 0512262. Bibcode:2006AmJPh..74..514J. doi:10.1119/1.2186331.
- Knight, Charles A. (květen 1996). „Efekt MPEMBA: Doby mrazu teplé a studené vody“. American Journal of Physics. 64 (5): 524. Bibcode:1996AmJPh..64..524K. doi:10.1119/1.18275.
externí odkazy
- Soutěž Mpemba - Royal Society of Chemistry
- Mpemba, Erasto B .; Osborne, Denis G. „Efekt Mpemba“ (PDF). Fyzikální ústav.
- Adams, Cecil; M. Q. C., Mary (1996). „Který mrzne rychleji, horká voda nebo studená voda?“. Straight Dope. Chicago Reader, Inc.
- Brownridge, James (2010). "Hledání efektu Mpemba: Když horká voda zmrzne rychleji než studená voda". arXiv:1003.3185 [fyzika.pop-ph ].
- „Otázky na teplo“. Hyperfyzika. Gruzínská státní univerzita.
- „Efekt Mpemba“. Archivovány od originál dne 9. října 2011. - Historie a analýza efektu Mpemba.
- Jeng, Monwhea (listopad 1998). „Může horká voda zmrznout rychleji než studená voda?“. v University of California Usenet Physics FAQ
- „Fázové anomálie vody: horká voda může zmrznout rychleji než studená voda“. Analýza efektu Mpemba. London South Bank University.
- „Mpemba efekt: Proč může horká voda zmrznout rychleji než studená“. Možné vysvětlení efektu Mpemba
- „Příběh efektu Mpemba vyprávěný protagonisty“. Historický rozhovor s Erastem B. Mpembou, Dr. Denisem G. Osbornem a Rayem deSouzou
- Sun, Chang Q .; Sun, Yi (2016). „Atribut vody: jediná představa, několik mýtů“. Springer Series v chemické fyzice. 113.