@ 2017.11.19 , 21:00

姆彭巴效应:热水会比冷水更快结冰

姆彭巴效应:热水会比冷水更快结冰
Credit 123RF

这个谜题或许可以追溯到亚里士多德的时代:在合适的环境下,热水竟然比冷水更快地结冰。现在,一群来自西班牙物理学家首次从理论上解答了这种看似矛盾现象——姆彭巴(Mpemba)效应——是怎么发生的。

正如马德里查尔斯三世大学(Charles III University Madrid)的Antonio Lasanta发表在《物理评论通讯》(Physical Review Letters)上的一篇论文所描述的,答案取决于个体水分子的速度,因为它们像蚁穴中的蚂蚁一样在四面八方漫无目的地奔跑。

在几个世纪以来,许多科学家和自然哲学家都已经注意到了姆彭巴效应,其中包括勒内·笛卡尔和弗朗西斯·培根,但是直到20世纪60年代才真正对其用现代的手段进行了研究。当时一个名叫Erasto Mpemba的坦桑尼亚少年发现一种冰淇淋的混合物比一杯冷水更容易结冰时,事情就发生了变化。 Mpemba向一位正在他的高中演讲的物理学家做咨询,然后他们一同在高中的实验室里证实了这个效应的存在性。

从那以后,人们对姆彭巴效应提出了可能的各种解释:温水蒸发时更高效地带走热量,或者在流体内发生异常流动,甚至过度冷却,在水转化成冰之前,水温远低于零度。

没有一个解释是能令大多数人信服的。事实上,最近的一项研究“有些伤感地”推断,其实并没有证明姆彭巴效应存在的真实证据。

为了探究这个问题,西班牙研究人员首先进行了更清晰的定义。想象两个放在冰箱里的烧杯,一杯是热水,另一个是冷的。如果按照Mpemba效应,则较热的一个将比较冷的一个更早达到零度。

在每个烧杯里面,组成水的分子始终做着不规则运动。如果水温升高,它们会移动得更快。如果它们冷却下来,就会步履蹒跚;如果冻结成冰,水分子就会卡在一个位置,无力地颤抖。

Lasanta的团队分析了这种情况的简化版本,其中液体中的微粒是微小的球体,彼此之间每次碰撞时都会失去一点能量。

传统观点认为,每个烧杯结冰的时间只取决于其初始温度。热水中的分子移动得更快,这意味着减慢它们的速度需要更多的时间 ——因此液体越热,冷却的时间越长。

想必读者也能猜到,事情不会完全如同传统的理论的预言——研究人员发现,温度不是唯一的决定性因素。

如果分子像蚂蚁一样围绕巢穴运动,则液体的温度对应于它们的平均速度。所以如果所有的蚂蚁都以每小时50米的速度行走,则对温度而言,实际效果相当于一半的蚂蚁以50米/每小时的速度前进,剩下的四分之一的一小时行走75米,其余的则是是25米。

然而,偏离常值的蚂蚁数量——磨磨蹭蹭的落后者和活力四射的超前者——在液体冷却速度方面起着关键作用。这种偏离平均值的程度(统计学家称之为“峰度”)的性质在早期的研究中被忽略,这可能是造成姆彭巴效应可重复性差的原因。

在方程中插入峰度等于重新定下了游戏规则。 Lasanta说:“我们现在可以进行定量的分析计算,以了解Mpemba效应如何以及何时发生。”

当条件恰到好处时——如果热烧杯的温度比冷烧杯的温度要高,而且分子的速度足以产生很高的峰度,那么数值模拟显示,较热的样品会比冷的样品冷却得更快。

“实际上,我们发现,热水可以更快地冷却,同时也有相反的效果:冷水也可以更快达到地沸点,这将被称为逆姆彭巴效应。”Lasanta说。

下一步?尝试用实验证明数值计算的模拟结果——首先在实验室环境里,然后在开放的现实世界中。如果全部成功,这一发现可能会应用在改进制冷和冷藏技术方面。

本文译自 cosmosmagazine,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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