Mpemba efekt

Mpembův efekt nebo Mpembův paradox  je předpokládaný efekt, že horká voda může zmrznout rychleji než studená. V tomto případě musí horká voda během procesu zmrazování projít teplotou studené vody, takže za jinak stejných podmínek by chlazení horké vody mělo trvat déle.

Historie objevů

O tom, že horká voda rychleji chladne, se svého času zmiňovali Aristoteles , Francis Bacon a René Descartes . Je to dáno vyšší rychlostí odpařování a sáláním tepla, ale následné zamrzání to nijak neovlivní. V roce 1963 se školák z Tanganiky Erasto Mpemba začal zajímat o to, proč horké zmrzlinové směsi mrznou rychleji než studené. Obrátil se na učitele fyziky , aby mu to vysvětlil , ale ten se studentovi jen vysmál a řekl: "Toto není světová fyzika, ale fyzika Mpemby."

Mpemba položil stejnou otázku Dennisi Osbornovi, profesorovi fyziky, který do školy přišel. Provedené experimentální ověření potvrdilo přítomnost účinku, ale neposkytlo jeho vysvětlení. Experimentální podmínky jsou popsány následovně: 70 ml vody ve 100 ml laboratorních kádinkách na pěnových deskách bylo umístěno do mrazáku domácí chladničky; nejčastěji byl účinek pozorován, když jeden vzorek měl počáteční teplotu 25 °C a druhý - 90 °C. Zjistili také, že jak odpařování kapaliny, tak vliv plynů rozpuštěných ve vodě nejsou významnými faktory.

V roce 1969 byl v časopise Physics Education ] publikován společný článek Mpemby a Osborna popisující tento účinek . Ve stejném roce George Kell z Kanadské národní výzkumné rady publikoval článek popisující tento jev v American Journal of Physics [2] .

Analýza paradoxu

Bylo navrženo několik vysvětlení tohoto paradoxu:

• Použití domácí chladničky s velkou teplotní hysterezí jako experimentálního „zařízení“. Horká voda na rozdíl od studené ohřeje termostat, který spustí kompresor a lednice začne mrazit. Proces je inerciální, takže malé množství vody má dokonce čas zmrznout. Použití chladničky s řízenou teplotou tento paradox vyvrací (tato verze však nekoresponduje s tím, že efekt, jak je uvedeno výše, údajně znali Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, kteří zjevně nepoužívali teplotu - řízená lednice, v zásadě nemůže být příčinou, pokud jsou vzorky umístěny současně v mrazáku ).
• Horká voda se začne odpařovat. Ale ve studeném vzduchu se promění v led a začne padat dolů a vytvoří ledovou krustu (podle Mpemby a Osborna zjistili, že odpařování není podstatný faktor) .
• Horká voda se z nádoby rychleji odpařuje, tím se zmenšuje její objem a menší objem vody o stejné teplotě rychleji zamrzne. Ve vzduchotěsných nádobách by měla studená voda zmrznout rychleji (Mpemba a Osborn zjistili, že odpařování nebylo podle Mpemby a Osborna významným faktorem) .
• Přítomnost sněhového obložení v mrazáku chladničky . Nádoba na horkou vodu rozpouští sníh pod ní, čímž zlepšuje tepelný kontakt se stěnou mrazáku. Nádoba na studenou vodu nerozpustí sníh pod ní . Při absenci sněhové výstelky by měla nádoba na horkou vodu zamrzat pomaleji (pravděpodobně to není příčina, viz výše experimentální podmínky Mpemby a Osborna) .
• Studená voda začíná zamrzat shora, čímž se zhoršují procesy sálání a proudění tepla , a tím i ztráty tepla, zatímco horká voda začíná zamrzat zdola. Při dodatečném mechanickém promíchání vody v nádobách by měla studená voda zmrznout rychleji.
• Přítomnost krystalizačních center v ochlazené vodě - látek v ní rozpuštěných. S malým počtem takových center je přeměna vody na led obtížná a dokonce je možné její podchlazení , když zůstane v kapalném stavu s teplotou pod nulou. Při stejném složení a koncentraci roztoků by měla studená voda zmrznout rychleji.
• Kvůli rozdílu v energii uložené ve vodíkových můstcích. Čím je voda teplejší, tím větší je vzdálenost mezi molekulami kapaliny v důsledku nárůstu odpudivých sil. V důsledku toho se vodíkové vazby natahují, a proto ukládají více energie. Tato energie se uvolní, když se voda ochladí – molekuly se k sobě přiblíží. A návrat energie znamená chlazení [3] .
• Horká voda může obsahovat méně rozpuštěných plynů, protože při zahřívání se uvolňuje velké množství plynu. Předpokládá se, že se tím změní vlastnosti horké vody a ta se rychleji ochladí [4]
• Jak zahřívání postupuje, vodíkové vazby slábnou a molekuly vody ve shlucích zaujímají polohy, ze kterých se snadněji přesunou do krystalické struktury ledu [5] . Ve studené vodě se vše děje stejně, ale k rozbití vodíkových vazeb je potřeba více energie – proto k zamrzání dochází pomaleji [6] .

Jednoznačná odpověď na otázku, které z nich poskytují stoprocentní reprodukci Mpemba efektu, se nedočkala.

Moderní pohledy

Dne 24. listopadu 2016 vyšel v časopise Scientific Reports článek (součást skupiny Nature ), kde autoři tvrdí, že v dříve publikovaných materiálech neexistuje jasná vědecká definice účinku, sami dávají takový definice a ukázat, že při dodržování této definice nemá žádný účinek. Poukazují mimo jiné na nedostatečnou přísnost tvrzení „horká voda neochlazuje rychleji než studená“ (očekávané chování) – je zřejmé, že teplá voda může být ochlazena rychleji než studená, pokud např. použitý výkon pro chlazení se zvyšuje. Z článku zejména vyplývá, že když se zchladí tři 400gramové porce vody, identické ve všem kromě počáteční teploty (21,8, 57,3 a 84,7 °C), nalijí se do stejných sklenic a vloží do termostatického mrazáku na -18 °C trvalo horké vodě déle, než dosáhla nulové teploty (v tomto pořadí 6397, 9504 a 10812 sekund), jak by se dalo očekávat podle prvního zákona termodynamiky [7] .

V roce 2017 však dvě výzkumné skupiny nezávisle a současně našly teoretické důkazy pro Mpembův efekt a také předpověděly nový „inverzní“ Mpembův efekt, ve kterém zahřívání chlazeného systému daleko od rovnováhy trvá méně času než v jiném systému, který byl původně bližší. k rovnováze. Lu a Raz [8] uvádějí obecné kritérium založené na Markovově statistické mechanice pro predikci inverzního Mpemba jevu v Isingově modelu a dynamice difúze. Lasanta a jeho kolegové [9] také předpovídají přímé a inverzní Mpembovy efekty pro zrnité pevné látky v počátečním stavu daleko od rovnováhy. Tato druhá práce naznačuje, že společný mechanismus vedoucí k oběma Mpembovým efektům je způsoben distribuční funkcí rychlosti částic , která se významně odchyluje od Maxwellovy distribuce .

Poznámky

1. ↑ Mpemba EB, Osborne DG Cool? // Výuka fyziky. - Fyzikální ústav, 1969. - V. 4 , č. 3 . - S. 172-175 . - doi : 10.1088/0031-9120/4/3/312 . - .
2. ↑ Kell GS The Freezing of Hot and Cold Water  // American Journal of Physics. - Scitace AIP, 1969. - T. 37 , č. 5 . - S. 564-565 . - doi : 10.1119/1.1975687 .
3. ↑ Tajemství rychlého tuhnutí horké vody je odhaleno
4. ↑ Příklad fyzikálního jevu
5. ↑ Článek // Journal of Chemical Theory and Computation
6. ↑ Vědci našli nové vysvětlení „Mpembova paradoxu“ . naked-science.ru (9. ledna 2016). Staženo: 24. ledna 2017. (neurčitý)
7. ↑ Burridge Henry C., Linden Paul F. Zpochybňování Mpemba efektu: horká voda neochlazuje rychleji než studená  //  Vědecké zprávy. - 2016. - 24. listopadu ( roč. 6 , č. 1 ). - S. 37665-1-37665-11 . - ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/srep37665 . - .
8. ↑ Chang Q. Sun, Qing Jiang, Weitao Zheng, Ji Zhou, Yichun Zhou. Paměť vodíkové vazby a superpevnost vodního povrchu řeší Mpembův paradox  //  Fyzikální chemie Chemická fyzika. — 2014-10-09. — Sv. 16 , iss. 42 . — S. 22995–23002 . — ISSN 1463-9084 . - doi : 10.1039/C4CP03669G .
9. ↑ Oren Raz, Zhiyue Lu. Nerovnovážná termodynamika Markovova Mpembova jevu a jeho inverzní  //  Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2017-05-16. — Sv. 114 , iss. 20 . — S. 5083–5088 . — ISSN 0027-8424 1091-6490, 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.1701264114 .