Dlaczego ciepła woda szybciej zamarza? Zagadkowy efekt Mpemby
Fizyka często okazuje się niezwykle zaskakującą nauką. Istnieją pewne zjawiska, które urastają do rangi fenomenu. Jednym z nich jest tak zwany efekt Mpemby. Polega on na tym, że w określonych warunkach ciepła woda zamarza szybciej niż zimna. Naukowcy z Uniwersytetu Southern Methodist w Teksasie i chińskiego Uniwersytetu Nanjing uważają, że może mieć to związek z wiązaniami wodorowymi. Co więcej, badacze z Trinity College w Dublinie opisali istnienie tego efektu również w układach kwantowych.
Najprościej ujmując – efekt Mpemby polega na tym, że gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Zjawisku została nadana nazwa na cześć obywatela Tanzanii – Erasta B. Mpemby, który odkrył je na nowo. Trzeba bowiem zaznaczyć, że ów efekt został zaobserwowany przez Arystotelesa czy Kartezjusza. Ten pierwszy pisał na ten temat w swoim traktacie "Meteorologika".
Erasto Mpemba zaobserwował zjawisko podczas przygotowywania lodów. Mający wówczas 13 lat Tanzańczyk zauważył, że gorąca mieszanina lodów zamarzła znacznie szybciej niż ta ostudzona. Efekt jest dość zaskakujący i może zostać uznany za fenomen, ponieważ logicznie rzecz biorąc zimna woda powinna się zamrozić znacznie szybciej.
Naukowcy z Uniwersytetu Southern Methodist w Teksasie i chińskiego Uniwersytetu Nanjing opublikowali artykuł na ten temat w Journal of Chemical Theory and Computation. Badacze sugerują, że przyczyna może leżeć w wiązaniach wodorowych, które występują pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami wody. Podczas podgrzewania wody, ilość silnych wiązań wodorowych zwiększa się, wskutek czego prościej jest wytworzyć strukturę krystaliczną obserwowaną w lodzie. Prawdopodobnie to właśnie to wyjaśnienie wydaje się być najbliższe rozwiązania problemu.
Wartym odnotowania faktem jest występowanie efektu Mpemby w układach kwantowych. Zjawisko zostało opisane przez naukowców z Trinity College w Dublinie. Chodzi o zespół Trinity QuSys, kierowany przez profesora Johna Goolda ze School of Physics. Badacze opublikowali artykuł w czasopiśmie Physical Review Letters.
Profesor Goold twierdzi, że praca jego zespołu umożliwia generowanie efektu Mpemby w układach kwantowych. Korzystając przy tym z narzędzi nierównowagowej termodynamiki kwantowej, naukowcy mogą przeprowadzić przemianę fizyczną, która "podgrzewa" układ kwantowy. Tego rodzaju przemiana, paradoksalnie, pozwala układowi "ochłodzić się" wykładniczo szybciej.
Kierownik zespołu uważa, że efekt Mpemby może pomóc w przyspieszeniu chłodzenia układu kwantowego, co jest nieocenionym atutem, jeśli chodzi o liczne zastosowania w technologiach kwantowych.
Źródła:
Different Ways of Hydrogen Bonding in Water – Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li, and Dieter Cremer, Journal of Chemical Theory and Computation, 2017 13 (1), 55-76
Trinity College Dublin. "Ice cream–inspired physics: Team uncovers a quantum Mpemba effect, with a host of 'cool' implications." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 October 2024.
***
Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!
