Mpemba etkisi - Mpemba effect

Mpemba-two-water-probes.svg

Mpemba etkisi verilen isimdir gözlem bir bu sıvı (genellikle su , başlangıçta sıcak) dondurma başka açılardan benzer koşullar altında, daha hızlı soğuk başlar aynı sıvının daha. Teorik temeli ve etkiyi üretmek için gereken parametreler hakkında anlaşmazlık var.

Mpemba etkisi adını , 1963'te hikayesi oldukça popüler hale gelen Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Bartholomeo Mpemba'dan (1950 doğumlu) almıştır. Bununla birlikte, bunun keşfi ve kayda değer gözlemleri, Aristoteles tarafından ortak bilgi olarak söylendiği için eski zamanlardan kaynaklanmaktadır.

Tanım

Bu fenomen, "sıcak su soğuktan daha hızlı donar" olarak alındığında, bu ifade tam olarak tanımlanmadığından, yeniden üretilmesi veya doğrulanması zordur. Monwhea Jeng daha kesin bir ifade önerir:

Bir dizi başlangıç ​​parametresi ve bir çift sıcaklık vardır, öyle ki bu parametrelerde aynı olan ve yalnızca başlangıçtaki tekdüze sıcaklıklarda farklılık gösteren iki su kütlesi verildiğinde, sıcak olan daha erken donacaktır.

Bununla birlikte, bu tanımla bile, "donmanın", suyun görünür bir buz yüzey tabakası oluşturduğu noktayı mı, tüm su hacminin katı bir buz bloğu haline geldiği noktayı mı yoksa suyun ulaştığı noktayı mı ifade ettiği açık değildir. 0 °C (32 °F). Bir miktar su 0 °C'de (32 °F) olabilir ve buz olamaz; 0 °C'ye (32 °F) ulaşmak için yeterli ısı çıkarıldıktan sonra, su katı hale (buz) geçmeden önce daha fazla ısının çıkarılması gerekir, bu nedenle su 0 °C'de (32 °F) sıvı veya katı olabilir.

Yukarıdaki tanımla, etkinin gözlemlenebileceği basit yollar vardır, örneğin daha sıcak bir sıcaklığın bir soğutma yüzeyindeki donu eritmesi ve böylece soğutma yüzeyi ile su kabı arasındaki termal iletkenliği arttırması gibi. Alternatif olarak, mpemba etkisi olabilir değil durumlarda ve ilk başta hak kazanmak için görünebilir koşullarda belirgin.

gözlemler

Tarihsel bağlam

Isının suyun donması üzerindeki çeşitli etkileri, Aristoteles gibi eski bilim adamları tarafından şöyle anlatılmıştır : "Suyun önceden ısıtılmış olması, daha çabuk donmasına katkıda bulunur: çünkü daha çabuk soğur. Bu nedenle, birçok insan suyu soğutmak istediğinde, Bu yüzden Pontus sakinleri balık tutmak için buzda kamp kurduklarında (buzda bir delik açarlar ve sonra balık tutarlar) sazlıklarının etrafına ılık su dökerler ki daha çabuk donsunlar, çünkü onlar daha çabuk donsunlar. kamışları düzeltmek için kurşun gibi buz kullanın." Aristoteles'in açıklaması antiperistasisi , "bir niteliğin zıt niteliğiyle çevrelenmesinin bir sonucu olarak yoğunluğunda sözde artış" içeriyordu .

Francis Bacon gibi erken dönem modern bilim adamları , "biraz ılık su, tamamen soğuk olandan daha kolay donar" dedi. Orijinal Latince'de "aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida."

René Descartes Metod Üzerine Söylev'inde şöyle yazmıştır: "Uzun süre ateşte tutulan suyun diğerlerinden daha hızlı donduğu deneyimle görülebilir, bunun nedeni, bükülmeyi en az durdurabilen parçacıklarının buharlaşmasıdır. su ısıtılırken." Bu Descartes'ın girdap teorisi ile ilgilidir .

İskoç bilim adamı Joseph Black , önceden kaynatılmış su ile kaynatılmamış suyu karşılaştırarak bu fenomenin özel bir durumunu araştırdı; önceden kaynatılan su daha çabuk donar. Buharlaşma kontrol edildi. Karıştırmanın deneyin sonuçları üzerindeki etkisini tartıştı, kaynatılmamış suyun karıştırılmasının daha önce kaynatılmış su ile aynı anda donmasına yol açtığını ve ayrıca çok soğuk kaynatılmamış suyun karıştırılmasının hemen donmaya yol açtığını kaydetti. Joseph Black daha sonra Fahrenheit'in suyun aşırı soğutulması tanımını tartıştı (her ne kadar süper soğutma terimi o zamanlar icat edilmemiş olsa da), modern terimlerle, önceden kaynatılmış suyun kolayca aşırı soğutulamayacağını savundu.

Mpemba'nın gözlemi

Efekt, Tanzanya Erasto Mpemba'nın adını almıştır . 1963 yılında Tanganyika'daki Magamba Ortaokulu'nda Form 3'te, aşçılık derslerinde sıcak olan dondurma karışımını dondururken ve soğuk karışımdan önce donduğunu fark ettiğinde anlattı . Daha sonra Mkwawa Sekonder (eski Yüksek) Okulu'nda öğrenci oldu Iringa . Okul müdürü Darüsselam'daki Üniversite Koleji'nden Dr. Denis Osborne'u fizik üzerine bir konferans vermesi için davet etti . Konuşmadan sonra Mpemba ona şu soruyu sordu: "Eşit hacimde su içeren, biri 35 °C'de (95 °F) ve diğeri 100 °C'de (212 °F) olan iki benzer kabı alır ve 100 °C'de (212 °F) başlayan bir dondurucu önce donar. Neden?", sadece sınıf arkadaşları ve öğretmeni tarafından alay edilecek. İlk şaşkınlıktan sonra, Osborne iş yerinde konuyla ilgili deneyler yaptı ve Mpemba'nın bulgusunu doğruladı. Sonuçları 1969'da Mpemba Afrika Yaban Hayatı Yönetimi Koleji'nde okurken birlikte yayınladılar . Mpemba ve Osborne, 70 ml (2.5 imp fl oz; 2.4 US fl oz) su numunesini 100 ml (3.5 imp fl oz; 3.4 US fl oz) beherlere, ev tipi bir buzdolabının buz kutusundaki bir polistiren köpük tabakasına yerleştirmeyi açıklar. . Başlangıç ​​sıcaklığı 25 °C (77 °F) ile donmaya başlama süresinin en uzun olduğunu ve yaklaşık 90 °C'de (194 °F) çok daha kısa olduğunu gösterdiler. Önemli bir faktör olarak buharlaşma yoluyla sıvı hacminin kaybını ve çözünmüş havanın etkisini dışladılar. Kurulumlarında çoğu ısı kaybının sıvı yüzeyinden olduğu bulundu.

Modern deneysel çalışma

David Auerbach, sıvı soğutma banyosuna yerleştirilmiş cam beherlerdeki örneklerde gözlemlediği bir etkiyi anlatıyor. Her durumda su aşırı soğudu ve kendiliğinden donmadan önce tipik olarak -6 ila -18 °C (21 ila 0 °F) sıcaklığa ulaştı. Kendiliğinden donmanın başlaması için gereken sürede önemli ölçüde rastgele değişiklik gözlemlendi ve bazı durumlarda bu, ilk önce daha sıcak (kısmen) donmaya başlayan suyun başlamasına neden oldu. 2016'da Burridge ve Linden, kriteri 0 °C'ye (32 °F) ulaşma zamanı olarak tanımladılar, deneyler yaptılar ve bugüne kadar yayınlanmış çalışmaları gözden geçirdiler. Başlangıçta iddia edilen büyük farkın tekrarlanmadığını ve küçük bir etki gösteren çalışmaların termometrelerin konumlandırılmasındaki değişikliklerden etkilenebileceğini belirttiler. "Ne yazık ki, Mpemba etkisinin anlamlı gözlemlerini destekleyecek hiçbir kanıt olmadığı sonucuna varıyoruz" diyorlar. Kontrollü deneylerde etki tamamen aşırı soğutma ile açıklanabilir ve donma süresi hangi kabın kullanıldığına göre belirlenir. Physics World için bir eleştirmen , "Mpemba etkisi gerçek olsa bile - sıcak su bazen soğuktan daha hızlı donabiliyorsa - açıklamanın önemsiz mi yoksa aydınlatıcı mı olacağı açık değil" diye yazıyor. Bu fenomenle ilgili araştırmaların çok sayıda başlangıç ​​parametresini (suyun türü ve ilk sıcaklığı, çözünmüş gaz ve diğer safsızlıklar ve kabın boyutu, şekli ve malzemesi ve buzdolabının sıcaklığı dahil) kontrol etmesi gerektiğine dikkat çekti ve Mpemba etkisinin varlığını veya yokluğunu etkileyebilecek olan, donma zamanını belirlemek için belirli bir yönteme karar verme ihtiyacı. Gerekli çok boyutlu deneyler dizisi, etkinin neden henüz anlaşılmadığını açıklayabilir. New Scientist , etkiyi en üst düzeye çıkarmak için deneye 35 ve 5 °C'de (95 ve 41 °F) kaplarla başlamanızı önerir. İlgili bir çalışmada, dondurucu sıcaklığının, kap sıcaklığının yanı sıra Mpemba fenomenini gözlemleme olasılığını da etkilediği bulunmuştur.

teorik açıklamalar

Mpemba etkisinin gerçek oluşumu bir tartışma konusu olsa da, birkaç teorik açıklama onun oluşumunu açıklayabilir. 2017'de, iki araştırma grubu bağımsız olarak ve aynı anda teorik bir Mpemba etkisi buldu ve ayrıca soğutulmuş, dengeden uzak bir sistemi ısıtmanın başlangıçta dengeye daha yakın olan başka bir sistemden daha az zaman aldığı yeni bir "ters" Mpemba etkisi öngördü. Lu ve Raz, Ising modelinde ve difüzyon dinamiklerinde ters Mpemba etkisinin görünümünü öngören Markovian istatistiksel mekaniğine dayanan genel bir kriter verir . Lasanta ve çalışma arkadaşları, dengeden uzak bir başlangıç ​​durumunda taneli bir gaz için doğrudan ve ters Mpemba etkilerini de tahmin ediyor . Bu son çalışmada, her iki Mpemba etkisine yol açan çok genel bir mekanizmanın , Maxwell-Boltzmann dağılımından önemli ölçüde sapan bir parçacık hızı dağılım fonksiyonundan kaynaklandığı ileri sürülmektedir . New York Eyalet Üniversitesi'nde radyasyon güvenliği görevlisi olan James Brownridge, aşırı soğutmanın söz konusu olduğunu söyledi. Birkaç moleküler dinamik simülasyonu, aşırı soğutma sırasında hidrojen bağındaki değişikliklerin süreçte önemli bir rol oynadığını da destekledi. Tao ve çalışma arkadaşları 2016'da bir başka olası açıklama daha önerdiler. Titreşimsel spektroskopi ve yoğunluk fonksiyonel teorisi - optimize edilmiş su kümeleri ile modellemeden elde edilen sonuçlara dayanarak , sebebin çok çeşitli ve farklı hidrojen bağlarının tuhaf oluşumunda yatabileceğini öne sürüyorlar. . Temel argümanları, sıcaklık yükseldikçe güçlü hidrojen bağlarının sayısının artmasıdır . Küçük güçlü bağlanmış kümeler varlığı edecek kolaylaştırır çekirdeklenme ve altıgen buz ılık su hızlı bir şekilde soğutulur zaman.

Önerilen açıklamalar

Aşağıdaki açıklamalar önerilmiştir:

  • Mikrokabarcık kaynaklı ısı transferi : Su soğudukça sabit bir şekilde asılı kalan sudaki kaynatma kaynaklı mikro kabarcıkların, daha sonra su soğudukça ısıyı daha hızlı aktarmak için konveksiyonla hareket etmesidir.
  • Buharlaşma : Sıcak suyun buharlaşması dondurulacak suyun kütlesini azaltır. Buharlaşma endotermiktir , yani su kütlesi ısıyı uzaklaştıran buhar tarafından soğutulur, ancak bu muhtemelen tek başına etkinin tamamını açıklamaz.
  • Konveksiyon : Isı transferini hızlandırmak. Su yoğunluğunun 4 °C'nin (39 °F) altına düşürülmesi, sıvı kütlenin alt kısmını soğutan konveksiyon akımlarını bastırma eğilimindedir; sıcak suyun daha düşük yoğunluğu bu etkiyi azaltacak ve belki de daha hızlı ilk soğutmayı sürdürecektir. Daha sıcak sudaki daha yüksek konveksiyon, buz kristallerini daha hızlı yayabilir.
  • Frost : Yalıtım etkisi vardır. Daha düşük sıcaklıktaki su üstten donma eğiliminde olacak ve radyasyon ve hava taşınımıyla daha fazla ısı kaybını azaltacak, daha sıcak su ise su taşınımı nedeniyle alttan ve yanlardan donma eğiliminde olacaktır. Bu faktörü hesaba katan deneyler olduğu için bu tartışmalıdır.
  • Çözünenler : Kalsiyum karbonat , magnezyum karbonat ve suda çözünen diğer mineral tuzlar, su kaynatıldığında çökerek, tüm çözünmüş mineralleri içeren kaynatılmamış suya kıyasla donma noktasında bir artışa neden olabilir.
  • Termal iletkenlik : Daha sıcak sıvının bulunduğu kap, kabın altında yalıtkan görevi gören bir don tabakası aracılığıyla eriyebilir (don, yukarıda belirtildiği gibi bir yalıtkandır), kabın çok daha soğuk bir alt katmanla doğrudan temas etmesine izin verir. üzerinde oluşan don (buz, soğutma serpantinleri, vb.) Kap şimdi daha soğuk bir yüzeye (veya soğutma serpantinleri gibi ısıyı uzaklaştırmada daha iyi olan bir yüzeye) dayanır ve bu nedenle bu noktadan itibaren çok daha hızlı soğur. .
  • Çözünmüş gazlar : Soğuk su, sıcak sudan daha fazla çözünmüş gaz içerebilir, bu da konveksiyon akımlarına göre suyun özelliklerini bir şekilde değiştirebilir; bu, bazı deneysel destekleri olan ancak teorik açıklamaları olmayan bir önermedir.
  • Hidrojen bağı : Sıcak suda hidrojen bağı daha zayıftır.
  • Kristalleşme : Başka bir açıklama, ılık suda nispeten daha yüksek su heksameri hallerinin popülasyonunun daha hızlı kristalleşmeden sorumlu olabileceğini düşündürmektedir.
  • Dağıtım fonksiyonu : Maxwell-Boltzmann dağılımından güçlü sapmalar, gazlarda potansiyel Mpemba etkisinin ortaya çıkmasına neden olur.

benzer etkiler

Büyük etkilerin küçük etkilerden daha hızlı elde edilebileceği diğer fenomenler şunlardır:

  • Gizli ısı : 0 °C'den (32 °F) buzu 0 °C'ye (32 °F) çeviren su, 0 °C'den (32 °F) 80 °C'ye (176 °F) kadar ısıtma suyuyla aynı miktarda enerji alır. ;
  • Leidenfrost etkisi : Düşük sıcaklıklı kazanlar bazen suyu daha yüksek sıcaklıktaki kazanlardan daha hızlı buharlaştırabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Notlar

bibliyografya

Dış bağlantılar