Mpemba-effekten:Fryser varmt vand virkelig hurtigere end koldt vand?

Hvordan kan varmt vand fryse hurtigere end koldt vand?

Fysikere diskuterer stadig, om varmt vand konsekvent fryser hurtigere end koldt vand. Når det sker, skal visse betingelser være opfyldt.

Når et kar med vand er nedsænket i et frysende miljø, når forskellige dele af vandet ligevægt på forskellige tidspunkter. Vand omkring karrets udkant bliver hurtigere koldere, hvilket betyder, at det kan fryse, mens vand i midten af ​​karret forbliver flydende. Og når du specifikt placerer en beholder med varmt vand i en fryser (som det 212 graders kogende vand beskrevet af Mpemba), frigiver det også damp fra toppen af ​​beholderen, og det mindsker den samlede mængde vand, der skal fryse.

Desuden udvikler koldt vand (eller endda stuetemperaturvand) ofte et frostlag på overfladen som en del af frysningsprocessen. Ironisk nok isolerer denne frost midlertidigt vandet (ligesom hvordan en isiglo isolerer sine indbyggere mod kold luft), hvilket kan bremse den overordnede fryseproces. Varmt vand, i det mindste i de tidlige stadier, blokerer for dannelsen af ​​frost, som tillader kold luft at trænge dybere ind i karret.

Dette er nogle af de måder, hvorpå varmt vand kan fremkalde frysning hurtigere, end koldt vand kan. Men husk, at for at vand kan fryse og forblive frosset, skal det opnå en tilstand af ligevægt.

Undersøgelsen, der kan bevise Mpemba-effekten

Hvis der er bevis for, at Mpemba-effekten er reel og konsekvent, kommer det fra en undersøgelse fra 2020 af John Bechhoefer og Avinash Kumar. Udgivet i tidsskriftet Nature udsatte undersøgelsen mikroskopiske glasperler for, hvad de kaldte et "energilandskab" styret af lasere. Forskerne opvarmede perler til forskellige temperaturer. De observerede derefter, hvilken af ​​perlerne, der først nåede en tilstand af ligevægt i det energilandskab.

Bechhoefer og Kumar observerede, at mikroskopiske perler, der startede ved høje temperaturer, nåede ligevægt hurtigere end dem, der startede ved lavere temperaturer. Det er interessant nok, men hvordan hænger det sammen med at nå ligevægt med frysning?

Forbindelsen kommer fra tidligere arbejde udført af Zhiyue Lu fra University of North Carolina og Oren Raz fra Weizmann Institute of Science i Israel. Deres papir, "Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse," offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) og beskrevet af Quanta Magazine, postulerer, at varmere stofsystemer muligvis kan springe fremad i processen med at nå ligevægt og dermed nå en stabil tilstand hurtigere end et koldere system.

Hvis afslapning mod ligevægt er et kritisk benchmark i fryseprocessen af ​​vand, så kan det kombinerede arbejde fra Bechhoefer og Kumar sammen med Lu og Raz bevise eksistensen af ​​en Mpemba-effekt.

Er Mpemba-effekten en bevist videnskabelig kendsgerning?

Mpemba-effekten er ikke ensartet accepteret som et bevist videnskabeligt fænomen. Men århundreders observationer plus nyere arbejde af Bechhoefer, Kumar, Lu og Raz har overbevist mange fysikere om, at under de rette omstændigheder kan varmt vand virkelig nå et frysepunkt hurtigere end koldt vand.

Nogle videnskabsmænd, som Harry Burridge og Paul Linden, forbliver skeptiske. De anerkender, at mens nogle beholdere med varmt vand kan fryse hurtigere end beholdere af samme størrelse med koldt vand, sletter selv den mindste ændring i forholdene effekten. Burridge og Lindens egen undersøgelse fra 2016, "Set stilles spørgsmålstegn ved Mpemba-effekten:varmt vand afkøles ikke hurtigere end koldt," fandt, at ethvert bevis på en Mpemba-effekt afhang af størrelsen af ​​en vandbeholder og placeringen af ​​et termometer. I en separat undersøgelse fandt forsker James Brownridge ud af, at urenheder i et kar med vand (såsom dem i Mpembas issammenkogt) vil ændre væskens frysepunkt. Selvom de anerkender, at der er tidspunkter, hvor varmt vand fryser hurtigere end koldt vand, hævder disse videnskabsmænd, at fænomenet ikke er ensartet gældende i naturen.

Men andre fysikere, som Raúl Rica Alarcón fra Spaniens Universitet i Granada, mener, at disse nye datasæt, såsom dem, der tilbydes af Bechhoefer og Kumar, er betydelige. "Min opfattelse er, at Mpemba-effekten kan finde sted under nogle særlige omstændigheder," siger Rica Alarcón, "men vi forsøger stadig at finde ud af, hvad de minimale betingelser er for, at dette kan ske."

Mpemba-effekten i kontekst

Rica Alarcón bemærker, at observationer af Mpemba-effekten altid involverer drastiske forskelle i temperatur mellem et kar med vand og dets omgivende miljø. Og, tilføjer han, kan du observere lige så spændende fænomener, når du vender temperaturerne og placerer frossen is i et varmt miljø.

Mpemba-effekten, siger Rica Alarcón, "ser ud til at være en af ​​en stor gruppe af unormale termaliseringseffekter, som finder sted, når et system pludselig sættes i kontakt med et termisk bad ved en anden temperatur." Mpemba-effekten beskriver en varm-til-kold faseændring som "når du tager en varm kop og sætter den i køleskabet eller i fryseren." Men kold-til-varm faseændringer fremkalder også usædvanlige resultater. "Interessante effekter finder sted, når du udfører temperaturslukninger fra koldt til varmt," siger Rica Alarcón, "som når du putter en isterning i kogende vand."

Vi ved, at mange generationer af forskere har observeret varmt vand fryse med overraskende hastighed. Rica Alarcón opfordrer os til at betragte denne proces mere holistisk og tænke på Mpemba-effekten som en del af et bredere fænomen. "Termalisering," forklarer han, "kan følge kontraintuitive veje på grund af det faktum, at processerne finder sted uden for ligevægt."

Nu er det koldt

Ligesom ferskvand kan havvand fryse - det gør det bare ved en lavere temperatur. Havvand fryser ved omkring 28,4 grader Fahrenheit (minus 2 grader Celsius) på grund af dets saltindhold, mens ferskvand fryser ved 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius).

Ofte stillede spørgsmål

Hvilke praktiske anvendelser kan Mpemba-effekten have?

Praktiske anvendelser af Mpemba-effekten kunne omfatte mere effektive køleprocesser i industrielle omgivelser eller optimering af frysemetoder inden for fødevarekonservering og kryogenik.

Hvorfor er Mpemba-effekten ikke konsekvent reproducerbar?

Inkonsistensen i at gengive Mpemba-effekten kan skyldes forskelle i vandets renhed og beholderegenskaber.