为何热水结冰速度更快?我们距离解开这个迷题又近了一步

作者: 王念

来源: DeepTech深科技

发布日期: 2017-12-02 13:49:20

本文探讨了热水结冰速度比冷水快的Mpemba效应,介绍了其历史背景、研究进展以及西班牙研究团队的最新理论框架。文章还讨论了这一效应的可能应用和面临的挑战。

预热过的液体结冰速度更快。有证据表明,亚里士多德在公元四世纪首先观察到这种现象,后来这种现象又引起了弗朗西斯·培根和笛卡尔等知识分子的好奇心。1960年,这一现象开始走向理论的第一步,坦桑尼亚学生Erasto Mpemba在烹饪课上观察到,最热的冰淇淋混合物比冷的冰淇淋结冰得更快。

接着,他作为Mkwawa中学的学生参加一个在Iringa举行的物理讲座上提出了关于这个现象背后成因的疑问,却被同班同学和老师嘲笑。然而,来自达累斯萨拉姆大学学院的讲师Denis Osborne博士对这一现象进行了实验并确认了Mpemba的观察结果。1969年,他们俩人发表了一篇文章详细介绍了其发现。这一奇怪的效应后来成为教育界和科学界的热门话题,但究其成因,人们目前还知之甚少。

现在,一组西班牙研究人员正决定探究这个看似反直觉的Mpemba效应存在的原因。这只团队建立了一个框架理论来解释Mpemba效应——热水结冰速度比冷水快的神秘物理现象。根据研究小组的报告,某些“成分”必须汇集在一起才能在某些特定的系统中发生这一效应。他们研究了粒状流体中的Mpemba效应,该物质含有硬质的非弹性球体,却表现为液体。

选择这种环境的原因是,团队可以模拟粒子之间的相互作用,并“进行分析计算以了解Mpemba效应如何以及何时发生”。当这些粒子碰撞时他们会释放能量。由于较高的温度意味着在分子水平上会有更多的运动,因此在暖和的液体中,Mpemba效应将会发生得更快。研究还证实了由同样的相互作用产生的“逆Mpemba”效应的存在,即最冷的系统会比最热的系统加热得更快。

这一逆现象最初在一年前由来自以色列魏兹曼研究所的Oren Raz和芝加哥大学的Zhiyue Lu所预测。最容易发生这个效应的情况是,当加热或冷却前,粒子的速度有特定的排列倾向——比如说,在均值附近具有高度分散。这样,如果在冷却之前准备好颗粒的状态,则流体温度的演变会受到显著的影响,他们解释说。对Mpemba效应更好的理解不仅会促进我们对基础科学的理解,而且可能在中长期有实际的应用。

例如,如果团队的理论得到证实,它可能研发出使电子设备更快冷却的方式。但是,到那样一个目标还有一段路要走。正如之前Raz和Lu的文章一样,与水的更为复杂的行为相比,这个研究因为使用了非常简化的模型而受到一些批评。但总的来说,这些研究结果相互支持,使得这种特殊的相互作用适合于更广泛的Mpemba效应机制。同时,Mpemba还自己首先观察到牛奶中的这个效应,牛奶相当于有许多大颗粒悬浮在水中。

颗粒液体模型也可应用于水的样品中:非纯净水中的大溶质颗粒可能对Mpemba的总体效应有贡献。相关文章已发表于《Physical Review Letters》杂志,题目为When the Hotter Cools More Quickly: Mpemba Effect in Granular Fluids。

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