Ефект Мпемба, коли l; гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна - Sciences et Avenir
Опубліковано 28.09.20 о 19:00, оновлено 25.12.20 о 9:50.
Гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна вода, на диво стверджує ефект Мпемба. Як це пояснити? 50 років, що вчені працюють над цим, і дві нові публікації, присвячені цій таємниці хімії, все-таки вийшли влітку 2020 року.
За утворенням кубиків льоду криється ефект Мпемба. ну так.
Кредит JEAN-PIERRE MULLER/AFP
Знайдіть цю тему у програмі культури Франції "Науковий метод", п'ятниця, 25 грудня 2020 року, о 16:00, з Олів'є Ласкаром, головним редактором цифрової науки та майбутнього.
Щоб робити кубики льоду в експрес-режимі, здоровий глузд радить наповнити ємність якомога холоднішою водою. Але здоровий глузд не знає "ефекту Мпемба"! Також його називають парадоксом Мпемба, він стверджує, що "гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна вода"! Дивовижне твердження. навіть для хіміків та фізиків, які обговорювали це питання з 1969 року, дати першої статті на цю тему. Це було знову, влітку 2020 року, предметом двох публікацій, одна з яких стверджувала, що цього ефекту насправді не існує, інша - опублікована в престижному журналі Nature, показуючи, що вона не зарезервована для води і може бути частою для раптово охолоджених систем.
Ефект Мпемба, відкриття, зроблене обжерливістю
На це вже вказував Арістотель, ця дивина залишалася ігноруваною сучасною наукою, поки в 1963 р. Танзанійський старшокласник Ерасто Мпемба не помітив цього. від обжерливості! Як він розповідає в науковій статті, яку він підписав шість років потому, студенти готували морозиво в морозильній камері середньої школи. Їх рецепт? Зварити трохи молока, додавши цукор, довести до кімнатної температури і в морозильній камері. Найскладніше - знайти там місце. Одного разу, побачивши, що один з його товаришів, щоб випередити його, обійшов температуру кипіння, Мпемба, вирішує поставити власний препарат, ще гарячий у морозильній камері. Через півтори години крем Мпемби застиг, а його товариша ні. Як це можливо? Він ставить під сумнів своїх викладачів фізики, які відповідають йому, що це не так! Тільки Денис Осборн, професор Університету Дар-Ес-Салама, сприйме це серйозно. Це випливає із статті 1969 р., В якій фізик описує власні експерименти, які підтверджують існування того, що згодом буде називатися "ефектом Мпемба".
Дивно, але через 50 років явище досі не має остаточного пояснення. Найбільш скептично сприймають це просто як упередження експерименту: наприклад, склянка з гарячою водою розморожує морозильну камеру локально, роблячи холодильне обладнання там більш ефективним. У цьому місяці вересні 2020 року Генрі Буррідж з Кембриджського університету публікує в "Трудах королівського товариства А", що він спостерігає ефект Мпемба лише в тому випадку, якщо ємність, що приймає гарячу воду, має більш грубі внутрішні стінки, що полегшує початок організації води молекули в кристали, ключовий етап заморожування. Навіть ті, хто не заперечує існування цього ефекту, виступають проти його примхливої сторони та надто туманного твердження. Оскільки в "гарячій воді швидше замерзає холодна вода", про яку воду ми говоримо? Кран, дистильований, варений? Чи слід порівнювати води при 90 ° і 35 °, або при 35 ° і 25 °? І чи вважаємо ми, що вони замерзають, як тільки утворюється трохи льоду, або під час повного затвердіння? Результат: у кожного свої умови досвіду і з’являється какофонія результатів та гіпотез.
Від водневого зв’язку до переохолодження - підозри в ефекті Мпемба
Конвекція була однією з найпоширеніших. Дійсно, коли поверхнева вода спочатку охолоджується, вона стає щільнішою, опускається і замінюється водою знизу, в свою чергу охолоджуваною. Таким чином, вони створюють конвекційні струми, які прискорюють загальне охолодження. Але вони були б ще енергійнішими, коли вода на початку була гарячою. Це достатньо, щоб викликати ефект Мпемба? Важко сказати. У 2014 році Чанг Сун з Університету Сінгапуру інкримінував "водневий зв'язок", цей зв'язок, який постійно утворюється і руйнується між молекулами води і забезпечує когезію рідини. Це найміцніший із слабких зв’язків і надає воді багато її виняткових властивостей. На думку дослідника, це також дозволило б молекулі води нетипово накопичувати енергію при нагріванні. А потім раптом відпустіть його, викликаючи прискорене охолодження.
Багато інших гіпотез фокусуються на моменті замерзання, коли молекули води організовуються в охайну структуру. Як могло нагрівання змінити поведінку води, коли вона замерзає? Фізик Джонатан Кац, з Вашингтонського університету в Сен-Луї, згадує, що нагрівання водопровідної води виганяє вапно (звідси біла плівка в чайнику після кожного використання). Тому неопалювана вода залишатиметься багатшою на розчинені мінерали, і як дощ, що падає на солону дорогу, буде важче замерзнути. Інші дослідники більше покладаються на переохолодження, ця здатність води, навіть чистої, дуже повільно опускатися на кілька градусів нижче 0 °, не затвердіваючи. Потім він перебуває у стані, який називається «метастабільним»: пил, що падає, або удар, і він раптово кристалізується. Переохолодження непередбачуване. Тим не менше, йому сприяє наявність розчиненого газу та великий спокій. Таким чином, спочатку гаряча вода, оскільки вона більше збуджується конвекційними струмами, а також через те, що нагрівання виводить розчинені гази, не переходить до переохолодження на відміну від холодної води. І так може спочатку замерзнути.
"На наш погляд, ефект Мпемба вимагає швидких тепловіддач"
Як ніби справа ще не була досить складною, в останні роки ефекти Мпемба були помічені під час кристалізації полімерів, затвердіння магнітних сплавів або навіть у колоїдах. Недавня стаття, опублікована Джоном Беххофером та Авінашем Кумаром з Канади з університету Саймона Фрейзера, демонструє, що її можна спостерігати навіть у дуже простій системі, навіть не переходячи при переході рідини в тверду речовину. Ці фізики піддали дуже жорстокому охолодженню - "гартуванню", як кажуть ковалі та іншим металургам - мікроскопічних скляних куль, які за допомогою маніпуляційного пристрою навіть не могли взаємодіяти один з одним. У той же час вони піддали їх "енергійному ландшафту", який обмежує спосіб втрати енергії для досягнення температури холодної ванни. "Пейзаж" розроблений, щоб запропонувати їм можливість пройти чи ні через метастабільний стан, який затримує їх на деякий час, трохи як переохолодження у випадку води. Відповідно до "ландшафту" ефект Мпемба був.
Дякуємо за допомогу Рафаелю Четріте, з лабораторії Дж. А. Діудонне (CNRS/Університет Лазурного берега), і Кірстен Мартенс з міждисциплінарної фізичної лабораторії (Університет Гренобля, Альпи).