Mpemba effekt

Temperaturdiagram för Mpemba-effekten.

Mpemba -effekten är namnet på observationen att en vätska (typiskt vatten ) som initialt är varm kan frysa snabbare än samma vätska som börjar kall, under annars liknande förhållanden. Det råder oenighet om dess teoretiska grund och de parametrar som krävs för att producera effekten.

Mpemba-effekten är uppkallad efter den tanzaniske skolpojken Erasto Bartholomeo Mpemba (1950–2020) vars berättelse om den 1963 blev mycket populär. Upptäckten och noterade observationer av den har dock sitt ursprung i forntida tider, efter att ha sagts av Aristoteles vara allmänt känt.

Definition

Fenomenet, när det tas att betyda "varmt vatten fryser snabbare än kallt", är svårt att reproducera eller bekräfta eftersom detta påstående är dåligt definierat.

Monwhea Jeng har föreslagit en mer exakt formulering:

"Det finns en uppsättning initiala parametrar och ett par temperaturer, så att givet två vattenförekomster som är identiska i dessa parametrar, och endast skiljer sig i initiala enhetliga temperaturer, kommer den heta att frysa tidigare."

Även med denna definition är det dock inte klart om "frysning" syftar på den punkt där vatten bildar ett synligt ytskikt av is, den punkt där hela vattenvolymen blir ett fast isblock, eller när vattnet når 0 °C (32 °F; 273 K). Ovanstående definition föreslår enkla sätt på vilka effekten kan observeras, såsom om en varmare temperatur smälter frosten på en kylyta, och därigenom ökar värmeledningsförmågan mellan kylytan och vattenbehållaren. Alternativt kanske Mpemba-effekten inte är uppenbar i situationer och under omständigheter som till en början kan tyckas kvalificera sig för den.

Observationer

Historiska sammanhang

Olika effekter av värme på frysning av vatten beskrevs av forntida vetenskapsmän som Aristoteles :

"Det faktum att vattnet tidigare har värmts upp bidrar till att det fryser snabbt: för så svalnar det snabbare. Därför börjar många människor, när de snabbt vill kyla vattnet, med att sätta det i solen. Så invånarna i Pontus när de slår läger på isen för att fiska (de skär ett hål i isen och fiskar sedan) häller varmt vatten runt sina vass så att det kan frysa desto snabbare, för de använder isen som bly för att fixa vassen."

Aristoteles förklaring involverade antiperistas : "...den förmodade ökningen av intensiteten hos en kvalitet som ett resultat av att vara omgiven av dess motsatta kvalitet." [ citat behövs ]

Tidiga moderna vetenskapsmän som Francis Bacon noterade: "Lätt ljummet vatten fryser lättare än det som är helt kallt."

René Descartes skrev i sin Diskurs om metoden och relaterade fenomenet till sin vortexteori :

"Man kan av erfarenhet se att vatten som har hållits på eld under lång tid fryser snabbare än andra, anledningen är att de av dess partiklar som har minst förmåga att sluta böja avdunstar medan vattnet värms upp."

Den skotske vetenskapsmannen Joseph Black undersökte ett specialfall av detta fenomen genom att jämföra tidigare kokt med okokt vatten; det tidigare kokta vattnet frös snabbare. Avdunstning kontrollerades för. Han diskuterade omrörningens inverkan på resultatet av experimentet och noterade att omrörning av det okokta vattnet ledde till att det frös samtidigt som det tidigare kokta vattnet, och noterade också att omrörning av det mycket kalla okokta vattnet ledde till omedelbar frysning. Joseph Black diskuterade sedan Fahrenheits beskrivning av underkylning av vatten (även om termen underkylning då inte hade myntats), och argumenterade, i moderna termer, att det tidigare kokta vattnet inte kunde vara lika lätt underkylt. [ citat behövs ]

Mpembas observation

Effekten är uppkallad efter tanzaniska Erasto Mpemba . Han beskrev det 1963 i Form 3 av Magamba Secondary School, Tanganyika , när han fryste in glassmix som var varm i matlagningskurser och märkte att den frös innan den kalla mixen. Han blev senare en student vid Mkwawa Secondary (tidigare High) School i Iringa . Rektorn bjöd in Dr. Denis Osborne från University College i Dar es Salaam att hålla en föreläsning om fysik. Efter föreläsningen ställde Mpemba honom den centrala frågan:

"Om du tar två likadana behållare med lika volymer vatten, en vid 35 °C (95 °F) och den andra vid 100 °C (212 °F), och lägger dem i en frys, den som började vid 100 °C C (212 °F) fryser först. Varför?"

Mpemba blev först förlöjligad av både sina klasskamrater och sin lärare. Efter första bestörtning experimenterade Osborne dock med frågan på sin arbetsplats och bekräftade Mpembas fynd. De publicerade resultaten tillsammans 1969, medan Mpemba studerade vid College of African Wildlife Management .

Mpemba och Osborne beskrev att de placerade 70 ml (2,5 imp fl oz; 2,4 US fl oz) prover av vatten i 100 ml (3,5 imp fl oz; 3,4 US fl oz) bägare i islådan i ett hushållskylskåp på ett ark av polystyrenskum. De visade att tiden för frysning att starta var längst med en initial temperatur på 25 °C (77 °F) och att den var mycket mindre vid cirka 90 °C (194 °F). De uteslöt förlust av vätskevolym genom avdunstning som en betydande faktor och effekten av löst luft. I deras uppsättning visade sig den största värmeförlusten vara från vätskeytan.

Modernt experimentellt arbete

David Auerbach har beskrivit en effekt som han observerade i prover i glasbägare placerade i ett flytande kylbad. I alla fall underkyldes vattnet och nådde en temperatur på typiskt −6 till −18 °C (21 till 0 °F; 267 till 255 K) innan det spontant frystes. Avsevärda slumpmässiga variationer observerades i den tid som krävdes för att spontan frysning skulle starta och i vissa fall resulterade detta i att vattnet som började varmare (delvis) frös först.

År 2016 definierade Burridge och Linden kriteriet som tiden för att nå 0 °C (32 °F; 273 K), utförde experiment och granskade publicerat arbete hittills. De noterade att den stora skillnaden som ursprungligen hävdades inte hade replikerats, och att studier som visar en liten effekt kan påverkas av variationer i termometrarnas placering: "Vi drar slutsatsen, lite tråkigt, att det inte finns några bevis som stöder meningsfulla observationer av Mpemba. effekt."

I kontrollerade experiment kan effekten helt förklaras av underkylning och tiden för frysning bestämdes av vilken behållare som användes.

Philip Ball, en recensent för Physics World skrev:

"Även om Mpemba-effekten är verklig - om varmt vatten ibland kan frysa snabbare än kallt - är det inte klart om förklaringen skulle vara trivial eller upplysande."

Ball påpekade att undersökningar av fenomenet måste kontrollera ett stort antal initiala parametrar (inklusive typen och initialtemperaturen på vattnet, löst gas och andra föroreningar, och behållarens storlek, form och material samt kylens temperatur) och måste bestämma sig för en särskild metod för att fastställa tidpunkten för frysning, som alla kan påverka närvaron eller frånvaron av Mpemba-effekten. Det stora flerdimensionella utbudet av experiment som krävs kan förklara varför effekten ännu inte är förstått.

New Scientist rekommenderar att experimentet påbörjas med behållare vid 35 och 5 °C (95 och 41 °F; 308 respektive 278 K), för att maximera effekten. I en relaterad studie fann man att frysens temperatur också påverkar sannolikheten för att observera Mpemba-fenomenet liksom behållartemperaturen. [ citat behövs ]

Teoretiska förklaringar

Medan den faktiska förekomsten av Mpemba-effekten är en fråga om kontroverser, kan flera teoretiska förklaringar förklara dess förekomst. Under 2017 hittade två forskargrupper oberoende och samtidigt en teoretisk Mpemba-effekt och förutspådde även en ny "omvänd" Mpemba-effekt där uppvärmning av ett kylt, långt ifrån jämviktssystem tar kortare tid än ett annat system som initialt är närmare jämvikt. Lu och Raz ger ett generellt kriterium baserat på Markovian statistisk mekanik, som förutsäger uppkomsten av den omvända Mpemba-effekten i Ising-modellen och diffusionsdynamik. Lasanta och medarbetare förutspår också de direkta och omvända Mpemba-effekterna för en granulär gas i ett långt ifrån jämvikts initialt tillstånd. I detta sista arbete föreslås det att en mycket generisk mekanism som leder till båda Mpemba-effekterna beror på en partikelhastighetsfördelningsfunktion som väsentligt avviker från Maxwell-Boltzmann-fördelningen . James Brownridge, en strålsäkerhetsansvarig vid State University of New York , har sagt att underkylning är inblandad. Flera av molekylär dynamik har också stött att förändringar i vätebindning under underkylning spelar en stor roll i processen. Tao och medarbetare föreslog ytterligare en möjlig förklaring, på grundval av resultat från vibrationsspektroskopi och modellering med densitetsfunktionella teorioptimerade vattenkluster, de antyder att orsaken kan ligga i den stora mångfalden och den speciella förekomsten av olika vätebindningar . Deras nyckelargument är att antalet starka vätebindningar ökar när temperaturen höjs. Förekomsten av de små starkt bundna klustren underlättar i sin tur kärnbildningen av hexagonal is när varmt vatten snabbt kyls ner.

Föreslagna förklaringar

Följande förklaringar har föreslagits:

  • Mikrobubblor-inducerad värmeöverföring : att processen att koka inducerade mikrobubblor i vattnet som förblir stabilt suspenderade när vattnet svalnar, sedan agerar genom konvektion för att överföra värme snabbare när vattnet svalnar.
  • Avdunstning : Förångningen av det varmare vattnet minskar massan av vattnet som ska frysas. Avdunstning är endotermisk , vilket innebär att vattenmassan kyls av ånga som för bort värmen, men detta ensamt förklarar förmodligen inte hela effekten.
  • Konvektion : Accelererar värmeöverföringar . Minskning av vattendensiteten under 4 °C (39 °F) tenderar att undertrycka konvektionsströmmarna som kyler den nedre delen av vätskemassan; den lägre densiteten av hett vatten skulle minska denna effekt, kanske upprätthålla den snabbare initiala kylningen. Högre konvektion i det varmare vattnet kan också sprida iskristaller snabbare.
  • Frost : Har isolerande effekter. Vattnet med lägre temperatur tenderar att frysa från toppen, vilket minskar ytterligare värmeförluster genom strålning och luftkonvektion, medan det varmare vattnet tenderar att frysa från botten och sidorna på grund av vattenkonvektion. Detta är omtvistat eftersom det finns experiment som står för denna faktor.
  • Löst ämnen : Kalciumkarbonat , magnesiumkarbonat och andra mineralsalter lösta i vatten kan fällas ut när vattnet kokas, vilket leder till en ökning av fryspunkten jämfört med icke-kokt vatten som innehåller alla lösta mineraler.
  • Värmeledningsförmåga :
    1. Behållaren med varmare vätska kan smälta genom ett lager av frost som fungerar som en isolator under behållaren (frost är en isolator, som nämnt ovan), vilket gör att behållaren kan komma i direkt kontakt med ett mycket kallare lägre lager som frosten bildade på (is, kylslingor, etc.) Behållaren vilar nu på en mycket kallare yta (eller en som är bättre på att ta bort värme, t.ex. kylslingor) än det ursprungliga kallare vattnet, och kyls därför mycket snabbare från och med nu.
    2. Ledningen genom botten är dominerande när botten av en varm bägare har blötts av smält is och sedan klibbigt frusit till den. I samband med Mpemba-effekten är det ett misstag att tro att bottenisen isolerar, jämfört med dåliga luftkylningsegenskaper.
  • Upplösta gaser : Kallt vatten kan innehålla mer lösta gaser än varmt vatten, vilket på något sätt kan förändra vattnets egenskaper med avseende på konvektionsströmmar, ett förslag som har visst experimentellt stöd men ingen teoretisk förklaring.
  • Vätebindning : I varmt vatten är vätebindningen svagare.
  • Kristallisering : En annan förklaring antyder att den relativt högre populationen av vattenhexamertillstånd i varmt vatten kan vara ansvarig för den snabbare kristallisationen.
  • Distributionsfunktion : Starka avvikelser från Maxwell-Boltzmann-fördelningen resulterar i att potentiell Mpemba-effekt dyker upp i gaser.

Liknande effekter

Andra fenomen där stora effekter kan uppnås snabbare än små effekter är:

  • Latent värme : Att vända 0 °C (32 °F) is till 0 °C (32 °F) vatten tar samma mängd energi som att värma vatten från 0 °C (32 °F) till 80 °C (176 °F) ;
  • Leidenfrost-effekt : Pannor med lägre temperatur kan ibland förånga vatten snabbare än pannor med högre temperatur.

Se även

Anteckningar

Bibliografi

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mpemba_effect&oldid=1140537832 "