При охлаждане по-топлите системи изстиват по-бързо, отколкото е необходимо на по-хладните да достигнат същата температура. А според ново изследване, публикувано в Nature, в някои случаи това ускорение е дори експоненциално.
Експериментът е вдъхновен от ефекта на Мпемба, наблюдение, което изглежда противно на интуицията, че топлата вода замръзва по-бързо от студената. Досегашните експерименти, изучаващи този феномен, са твърде усложнени заради комплексността на състава и процеса на замръзване на водата и са трудно възпроизводими, което оставя учените в несъгласие за причините за ефекта, как да се дефинира и дори дали наистина съществува.
За да преодолеят тези пречки, Авинаш Кумар (Avinash Kumar) и Джон Бекхофер (John Bechhoefer) от Университета Саймън Фрейзър в Бърнаби, Канада, използват малки стъклени зърна с диаметър 1,5 микрометра вместо вода. Освен това учените дефинират ефекта на Мпемба, основавайки се на охлаждането, а не на много по-сложния процес на замръзване.
"За пръв път този експеримент може да бъде наречен чист, перфектно контролиран експеримент, който демонстрира този ефект", обяснява теоретичният химик Джъюе Лу (Zhiyue Lu) от Университета на Северна Каролина в Чепъл хил.
В експеримента всяко микрозърно представлява еквивалента на една молекула вода и са направени 1 000 измервания при конкретни условия, за да се направи сбор от "молекули". Върху всяко мънисто се прилага енергия чрез лазер, създавайки потенциал. Едновременно с това те се охлаждат във вода. Ефективната "температура" на зърната от комбинираните опити може да се получи от това как те се движат в отговор на силите, предизвикани от лазера.
За да изучат как се охлажда системата, учените засичат движението на зърната във времето. Началото е при висока или средна температура и учените измерват колко време отнема на зърната, за да се охладят до температурата на водата. При определени условия зърната, по-загряти в началото, се охлаждат по-бързо, като понякога дори експоненциално по-бързо, в сравнение с по-хладните. В един от случаите, по-топлите зърна се охлаждат за около две милисекунди, докато на по-хладните им отнема 10 пъти по-дълго време.
Може да изглежда логично, че по-ниската начална температура дава предимство. По-топлият предмет трябва първо да достигне началната температура на по-хладния, което ни кара да предполагаме, че по-високата начална температура би забавила охлаждането.
Но в някои случаи простата логика не е вярна, особено за системи, които не са в състояние на топлинно равновесие, т.е. не всички части са достигнали една и съща температура. При такива системи "поведението им вече не се характеризира само от температурата", обяснява Бекхофер. Поведението на материала е твърде сложно, за да бъде описано само с едно число. Докато зърната се охлаждат те не са в топлинно равновесие, което означава, че местоположението и потенциалната им енергия не са разпределени по начин, който позволява да бъдат описани само с една температура.
При подобни системи, вместо директно преминаване от горещо към студено, може да има многобройни пътища на охлаждане, позволяващи потенциални по-бързи варианти. За зърната, според формата и подредбата, започвайки от по-висока температура означава, че могат по-лесно да се подредят в конфигурация, съответстваща на по-ниска температура. Все едно планинар, който достига по-бързо до крайната точка, защото началната, макар и по-далечна, му позволява да избегне голямо изкачване.
Лу и физикът Орен Раз (Oren Raz) и преди са предвиждали, че подобни кратки пътища на охлаждане са възможни.
"Много е хубаво да видим, че това наистина работи", споделя Раз от Научния институт Вайсман в Реховот, Израел. Но той добавя, че "все още не знаем ефектът във водата е такъв или не".
При водата е много по-сложно, включително и заради определени примеси в нея, изпарението или свърхохлаждането, при което водата остава течна под нормалната температура на замръзване.
Но простотата на това изследване е част от неговата красота, обяснява теоретичния физик Мария Вуцелия (Marija Vucelja) от Университета на Вирджиния в Шарлътсвил.
"Това е една от онези много прости постановки, но достатъчно богата, за да демонстрира този ефект", смята Вуцелия, която предполага, че ефектът на Мпемба може би се простира и отвъд стъклените зърна или водата. "Мога да си представя, че този ефект се проявява естествено и другаде в природата, просот не сме му обърнали внимание".
Източник: Science news - A new experiment hints at how hot water can freeze faster than cold
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари