Новый эксперимент показывает, как горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная

Изучение крошечных стеклянных бусин позволяет предположить, что эффект Мпембы действительно работает.

Физика охлаждения не так проста, как кажется. Горячий объект может остыть быстрее теплого, обнаруживает новое исследование. При охлаждении более теплая система охлаждается за меньшее время, чем требуется более холодной системе, чтобы достичь той же самой низкой температуры. А в некоторых случаях ускорение было даже экспоненциальным, сообщают физики в " Nature " 6 августа.

Физика охлаждения

Эксперимент был вдохновлен сообщениями об эффекте Мпембы, противоречащем здравому смыслу, о том, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Но эксперименты, изучающие это явление, были запутаны сложностями воды и процессом замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов и оставляло ученых расходиться во мнениях о том, что является причиной эффекта, как его определить и является ли он вообще реальным.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Беххуфер, оба из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби, Канада, использовали вместо воды крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра. И исследователи определили эффект Мпембы, основанный на охлаждении, а не на более сложном процессе замораживания.

"Впервые эксперимент можно назвать чистым, идеально контролируемым экспериментом, который демонстрирует этот эффект", - говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чэпел-Хилле.

В эксперименте бусина представляла собой эквивалент одной молекулы воды, и измерения проводились 1000 раз при заданном наборе условий для получения коллекции "молекул". Лазер воздействовал на каждую бусину, создавая энергетический ландшафт или потенциал. Тем временем бусина охлаждалась в ванне с водой. Эффективная "температура" бусин, полученная в результате комбинированных испытаний, может быть получена на основе того, как они преодолевали энергетический ландшафт, двигаясь в ответ на силы, передаваемые лазером.

Для изучения того, как система охлаждалась, исследователи отслеживали движения бусин с течением времени. Движение бусин начиналось либо при высокой, либо при умеренной температуре, и исследователи измеряли, сколько времени потребовалось, чтобы бусины охладились до температуры воды. При определенных условиях бусины, которые начинались с более высокой температуры, охлаждались быстрее, а иногда и экспоненциально быстрее, чем более холодные бусины. В одном случае, более горячие бусины охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как более холодные бусины занимали в 10 раз больше времени.

Может показаться разумным предположить, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимый рывок вперёд. В прямой гонке вниз по термометру, горячий объект должен был бы сначала достичь первоначальной температуры теплого объекта, предполагая, что более высокая температура может только добавить к охлаждению времени.

Но в некоторых случаях эта простая логика ошибочна - в частности, для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия, в котором все части достигли равномерной температуры. Для такой системы "ее поведение уже не характеризуется только температурой", - говорит Беххуфер. Поведение материала слишком сложно для одного числа, чтобы его можно было описать. По мере охлаждения бусины не находились в тепловом равновесии, то есть их расположение в потенциальном энергетическом ландшафте не было распределено таким образом, чтобы их можно было описать одной температурой.

Для таких систем, вместо прямого пути от горячего к холодному, может существовать несколько путей к охлаждению, которые могут привести к потенциальным коротким замыканиям. Для бусин, в зависимости от формы поверхности, начало при более высокой температуре означало, что они легче могут быть перестроены в конфигурацию, соответствующую более низкой температуре. Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до места назначения, начав с более далекого расстояния, если эта отправная точка позволяет туристу избежать трудного перелета через гору.

Лу и физик Орен Рас ранее предсказывали, что такие охлаждающие короткие пути возможны. "Очень приятно видеть, что это действительно работает", - говорит Раз из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль. Но, замечает он, "мы не знаем, является ли это эффектом в воде или нет".

Вода более сложна, включая причуды примесей в воде, испарение и возможность переохлаждения, при котором вода является жидкостью ниже нормальной температуры замерзания.

Но простота исследования является частью его красоты, говорит физик-теоретик Мария Вуцелия из Университета Вирджинии в Шарлоттесвилле. "Это одна из этих очень простых установок, и она уже достаточно богата, чтобы показать этот эффект". Это говорит о том, что эффект Мпембы может выйти за рамки стеклянных бусин или воды. "Я полагаю, что этот эффект проявляется в природе в других местах, просто мы не обратили на него внимания." опубликовано econet.ru по материалам sciencenews.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet