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姆潘巴现象

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所谓姆潘巴现象Mpemba effect)的多种表述:

  • 指在同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。
  • 亚里士多德:“先前被加热过的水,有助于它更快地结冰。”[1]可理解为“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下比较,加热过的水更快结冰”

亚里士多德[1]弗兰西斯·培根[2]笛卡尔[3]均曾以不同的方式描述过该现象,但是均未能引起广泛的注意(注意亚里士多德的描述与上述大不相同)。1963年,坦尚尼亞的一位中学生埃拉斯托·姆潘巴英语Erasto B. Mpemba在制作冰淇淋时,發現热牛奶经常比冷牛奶先结冰。1969年,他和丹尼斯·奥斯伯恩博士(Denis G. Osborne)就此現象共同撰写了一篇论文,因此该现象便以其名字命名[4][5]

也有人說亚里士多德描述的可能不是姆潘巴现象。书中的原话是:“先前被加热过的水,有助于它更快地结冰。”[1][6]指的是被加热过的(warmed)水,而非热水或温水(warm water)。

不管怎么说所谓“姆潘巴现象”并没有给出准确定义:并未给出热水是几度,冷水是几度,容器的形状,水的纯度。甚至连结冰的定义都不明确:出现了可见的冰块还是出现第一粒晶种? 实际的实验的结果是:热水有的时候结冰比冷水快,大部分时间还是冷水快。因为实际结晶动力学的复杂性,和过冷过程的不确定性,冷水过冷没结冰热水没过冷直接结冰了的情况也是会发生的。

盧至悅與美國馬里蘭大學(University of Maryland)化學與生物化學博士後研究員奧倫‧拉茲(Oren Raz)2017 年共同發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS USA)的研究,預測彭巴效應的冷凝「捷徑」有可能存在。[7]

為探究亞里斯多德的理論和超過半世紀的彭巴效應爭議,加拿大西門菲莎大學(Simon Fraser University)物理學博士候選人艾比納許‧庫瑪(Avinash Kumar),和他的指導教授約翰‧貝契霍佛(John Bechhoefer),兩人利用一個裝滿水的大燒杯打造「熱熄」膠體系統(colloidal system)作為提供穩定溫度熱來源的「熱庫」(heat bath)。
庫瑪在實驗中,利用 1.5 微米的小玻璃珠代替水分子,並根據機率分佈(probability distribution),從不同方向讓玻璃珠落入燒杯中數千次,每當玻璃珠墜落,研究人員便會利用光鑷(optical tweezers)進行虛擬勢能(virtual potential)側寫,改變機率分佈和該系統的溫度。
隨著變因不同,研究人員觀察到熱水在特定情況下比冷水較快凝結的情況,在其中一次觀察中,熱玻璃珠在 2 毫秒的時間凝結,比冷玻璃珠還快上 10 倍,庫瑪與貝契霍佛的研究結果 8 月 5 日發表於《自然》(Nature)期刊。[8]

目前任職於以色列魏茨曼科學研究學院(Weizmann Institute of Science)的拉茲表示,「很高興看到彭巴效應真的行得通」,但他謹慎地說,「我們不知道這是否為水的特性。」[9]

试验论证[编辑]

“一篇《二十世纪十大科学骗局》的文章,里面提到姆潘巴现象只是愚人节的产物。”[10]这被很多文章和论文引用。[11]

科学网2010年报道,纽约州立大学宾厄姆顿分校负责辐射安全的官员詹姆斯·布朗里奇撰文,认为这种现象可能与水中杂乱无章的杂质有关。[12]布朗里奇认为,杂乱无章的杂质才是导致热水更快速冻结的关键因素。过去10年时间里,他利用空闲时间进行了数百次有关姆佩巴效应的实验,最终发现这种效应基于不稳定过度冷却现象的证据。布朗里奇说“水几乎从不在温度降到零度时冻结,通常是在更低温度下才开始冻结,也就是所说的过度冷却现象。冻结点取决于水中与冰晶形成有关的杂质。通常情况下,水可能含有几种类型杂质,其中包括尘粒、被溶解的盐类以及细菌,每一种杂质都能在特定温度下触发冻结机关。核化温度最高的杂质决定了水的冻结温度。” 结晶动力学和杂质和晶种都有关系。用非常纯净的水(多次蒸馏并且过了非常细的半透膜去除杂质颗粒,或者直接使用MilliQ Water)并且容器干净没有大划痕的话水可以过冷并且不结冰。目前没有报道有人以严格的条件重复此实验。

热传导不能解释所谓“姆潘巴现象”。热水降温当然快,但需要降低的温度也更多。本身热水需要一段时间才能达到冷水的温度,才能到达冷水的“起跑线”。原命题对降温速度和周围温差都未有定义,甚至很难构成一个完整的科学结论。一般来说,结晶速度未必是越低越快。过冷提供热力学动力,同时需要一定温度来提供动力学的晶钟burst(从液态到若干纳米的晶种是有活化能的)。该问题已在各种物质的Time-temperature-transformation diagrams有详细研究。

2012年,一个叫英國皇家化學學會舉辦比賽[13],尝试解釋姆潘巴现象。颁奖典礼上问题发起者也提到了该实验的重复性问题。获奖选手Bregovic的解释是,有时候热水比冷水先结冰的原因是这些情况下冷水放冰箱更趋近于过冷,热水趋近于结冰。而且因为对流的原因热水其实冷的也挺快的。[14]

2013年新加坡南洋理工大學宣稱,氫鍵(hydrogen bonds)在水溫高時較長,以延展儲蓄能量;遭遇低溫時迅速縮短,釋出能量冷卻,造成姆潘巴现象[15]。但此文章是直接拿DFT计算出来的结果,并没有直接的实验证据。并且DFT是相当粗糙的计算方法。

參考文獻[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Aristotle, Meteorology I.12 348b31–349a4 (英文)"The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly…"
  2. ^ Francis Bacon, Novum Organum, Lib. II, (拉丁文)
  3. ^ Descartes, Les Meteores(法文)影像版
  4. ^ Physics Education, Volume 4, Issue 3, pp. 172-175 (1969) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/4/3/312
  5. ^ 一碗冰淇淋惹出的大麻煩!熱水結冰比冷水快? https://pansci.asia/archives/190853
  6. ^ The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly
  7. ^ Lu, Z., & Raz, O. (2017). Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(20), 5083-5088. doi: 10.1073/pnas.1701264114
  8. ^ Kumar A., & Bechhoefer J. (2020). Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature, 584(7819), 64-68. doi: 10.1038/s41586-020-2560-x
  9. ^ We don’t know whether this is the effect in water or not. https://www.sciencenews.org/article/physics-new-experiment-hot-water-freeze-faster-cold-mpemba-effect3
  10. ^ 20世纪的十大“科学骗局”,作者:吴学安,Science Times,图片版
  11. ^ 李强(编辑)一杯冷水和一杯热水放入冰柜中哪杯水先结冰?说明原因 互联网档案馆存檔,存档日期2014-08-10.中国学网
  12. ^ 科学家揭开有时热水冻结速度超过冷水之谜,科学网, 2010-03-29
  13. ^ Mpemba Competition. Royal Society of Chemistry. 2012.
  14. ^ Winner of the Mpemba Competition. Royal Society of Chemistry. 2013.
  15. ^ Mystery of why hot water freezes faster than cold is solved - and it's all down to the strange behaviour of atom bonds

外部連結[编辑]