Undersøgelse kan forklare kontraintuitiv effekt af, hvorfor varmere systemer kan køle hurtigere

Lige siden Aristoteles 'dage, mennesker har gjort den kontraintuitive observation, at varmt vand nogle gange fryser hurtigere end koldt vand. I moderne tid, observation har fået navnet Mpemba -effekten efter Erasto Mpemba, en folkeskoleelev, der bor i det, der nu er Tanzania i begyndelsen af ​​60'erne. Når du laver is, Mpemba bemærkede, at brug af varmere mælk får isen til at fryse hurtigere end ved brug af koldere mælk.

I de sidste årtier har Mpemba -effekten er blevet undersøgt og observeret i flere fysiske systemer udover vand, herunder carbon nanorørresonatorer og islignende vandbure kaldet clathrat-hydrater. På trods af disse fund, årsagerne til virkningen er ikke godt forstået. Foreslåede forklaringer omfatter tilstedeværelse af urenheder, hydrogenbinding, og superafkøling. Selv selve eksistensen af ​​Mpemba -effekten er stadig kontroversiel, som en nylig undersøgelse fandt utilstrækkelige beviser til at replikere en meningsfuld effekt.

Nu, deres interesse blev genoplivet af et nyligt papir, der foreslog en generisk mekanisme for lignende effekter, forskere Antonio Lasanta og medforfattere fra universiteter i Spanien er vendt tilbage til spørgsmålet i en ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . I deres arbejde, forskerne teoretisk demonstrerer og undersøger Mpemba -effekten i granulerede væsker, såsom dem, der er lavet af sand eller andre små partikler.

Ved hjælp af simuleringer af granulære systemer og en simpel kinetisk teori tilgang, forskerne var i stand til at bestemme, at de indledende forhold, hvor systemet er forberedt, spiller en afgørende rolle for at afgøre, om systemet udviser Mpemba -effekten eller ej. Deres analyse gjorde dem også i stand til at identificere de indledende betingelser, der var nødvendige for, at et granulært system kunne udvise Mpemba -effekten.

"Vores arbejde viser, at eksistensen af ​​Mpemba -effekten er meget følsom over for den indledende forberedelse af væsken eller, med andre ord, til sin tidligere historie, "medforfatter Andrés Santos ved University of Extremadura i Badajoz, Spanien, fortalt Phys.org . "Efter vores mening, dette kan forklare undvigelsen og kontroversen ved Mpemba -effekten i vand, som en konsekvens af den manglende kontrol med den detaljerede indledende forberedelse af prøven. "

Som forskerne viste, hvis et system ikke er forberedt under visse indledende betingelser, så afkøles det koldere system hurtigere end det varmere, som forventet, og der er ingen Mpemba -effekt.

"Vi viste teoretisk, i det mindste i tilfælde af en gas, at et systems temperaturudvikling og dermed dets køle- og/eller opvarmningshastighed ikke afhænger af starttemperaturen alene men også om systemets tidligere historie, der styrer initialværdien af ​​de ekstra variabler, "Sagde Santos." Derfor, det er fuldt ud muligt, at et oprindeligt opvarmet system køler hurtigere ned end et koldere med en anden historie. "

Som forskerne forklarede yderligere, enkelheden af ​​Mpemba -effekten i granulære væsker sammenlignet med vand og andre systemer gjorde dem i stand til at nå denne konklusion.

"Vores resultater viser, at Mpemba-effekten er et generisk ikke-ligevægtsfænomen, der vises, hvis temperaturudviklingen afhænger af andre fysiske størrelser, der kendetegner systemets oprindelige tilstand, "Sagde Santos." I praksis en sådan starttilstand kan eksperimentelt opnås, hvis systemet tages ved en fysisk procedure meget langt væk fra ligevægt (f.eks. ved en pludselig varmeimpuls før afkøling). Vores teoretiske og beregningsmæssige arbejde viser, at Mpemba -effekten er særlig enkel i en granulær gas, siden, i praksis, der er en enkelt ekstra parameter, der styrer Mpemba -effekten. Denne parameter er kurtosis, som måler afvigelsen af ​​hastighedsfordelingsfunktionen fra en gaussisk fordeling. "

Med denne nye forståelse, forskerne kunne estimere en række indledende temperaturer, som effekten fremkommer for, og bestemme, hvor forskellige de oprindelige værdier for denne parameter skal være, for at Mpemba -effekten kan vises.

Resultaterne understøtter også forudsigelser om eksistensen af ​​en omvendt Mpemba -effekt:ved opvarmning, en koldere prøve kan nå en varm måltemperatur hurtigere end en varmere prøve. Forskerne planlægger at undersøge dette område og andre i fremtiden.

"På den teoretiske side, vi planlægger at udføre en lignende undersøgelse i tilfælde af et molekylært opløst stof (hvor kollisioner er fuldstændig elastiske) suspenderet i et opløsningsmiddel, der frembringer en ikke -lineær trækkraft på de opløste partikler, "Sagde Santos." Tilbage til granulerede væsker, vi ønsker også at analysere virkningen af ​​partikel ruhed og spin på Mpemba effekten. I sidstnævnte system, den enkleste model ville koble temperaturudviklingen til den for parameteren, der måler ikke-udstyrsfordeling af energi mellem de translationelle og roterende frihedsgrader.

"På den eksperimentelle side, vi tror, ​​at gengivelse i et laboratorium af Mpemba -effekten i en granulatgas ville være et gennembrud. Vi arbejder i øjeblikket på designet af et ad hoc -eksperiment. "

© 2017 Phys.org