Ända sedan Aristoteles 'dagar, människor har gjort den kontraintuitiva observationen att varmt vatten ibland fryser snabbare än kallt vatten. I modern tid, observationen har fått namnet Mpemba -effekten efter Erasto Mpemba, en grundskoleelev som bor i nuvarande Tanzania i början av 60 -talet. När du gör glass, Mpemba observerade att användningen av varmare mjölk gör att glassen fryser snabbare än när man använder kallare mjölk.

Under de senaste decennierna har Mpemba -effekten har studerats och observerats i flera fysiska system förutom vatten, inklusive kolnanorörsresonatorer och isliknande vattenburar som kallas klatrathydrat. Trots dessa fynd, orsakerna till effekten är inte väl förstådda. Föreslagna förklaringar inkluderar förekomsten av föroreningar, vätebindning, och superkylning. Även själva existensen av Mpemba -effekten är fortfarande kontroversiell, som en ny studie fann otillräckliga bevis för att replikera en meningsfull effekt.

Nu, deras intresse återupplivas av ett nyligen publicerat dokument som föreslår en generisk mekanism för liknande effekter, forskare Antonio Lasanta och medförfattare från universitet i Spanien har återkommit till frågan i en ny studie publicerad i Fysiska granskningsbrev . I deras arbete, forskarna demonstrerar teoretiskt och undersöker Mpemba -effekten i granulära vätskor, såsom de som är gjorda av sand eller andra små partiklar.

Med hjälp av simuleringar av granulära system och en enkel kinetisk teori, forskarna kunde fastställa att de ursprungliga förhållandena under vilka systemet är förberett spelar en avgörande roll för att avgöra om systemet uppvisar Mpemba -effekten eller inte. Deras analys gjorde det också möjligt för dem att identifiera de initiala förhållanden som krävs för att ett granulärt system ska kunna uppvisa Mpemba -effekten.

"Vårt arbete visar att förekomsten av Mpemba -effekten är mycket känslig för den första beredningen av vätskan eller, med andra ord, till sin tidigare historia, "medförfattare Andrés Santos vid University of Extremadura i Badajoz, Spanien, berättade Phys.org . "Enligt vår åsikt, detta kan förklara svårigheterna och kontroversen kring Mpemba -effekten i vatten, som en konsekvens av bristen på kontroll över den detaljerade initiala beredningen av provet. "

Som forskarna visade, om ett system inte är förberett under vissa initiala förhållanden, då svalnar det kallare systemet snabbare än det varmare, som förväntat, och det finns ingen Mpemba -effekt.

"Vi visade teoretiskt, åtminstone när det gäller en gas, att systemets temperaturutveckling och därmed dess kylning och/eller uppvärmningshastighet inte beror enbart på initialtemperaturen, men också om den tidigare historiken för systemet som styr initialvärdet för de extra variablerna, "Sa Santos." Därför, det är fullt möjligt att ett initialt uppvärmt system kyls ner snabbare än ett kallare med en annan historia. "

Som forskarna förklarade vidare, enkelheten i Mpemba -effekten i granulära vätskor jämfört med vatten och andra system gjorde att de kunde nå denna slutsats.

"Våra resultat visar att Mpemba-effekten är ett generiskt icke-jämviktsfenomen som uppstår om temperaturutvecklingen beror på andra fysiska storheter som kännetecknar systemets initialtillstånd, "Sa Santos." I praktiken ett sådant initialtillstånd kan uppnås experimentellt om systemet tas med någon fysisk procedur väldigt långt bort från jämvikt (t.ex. genom en plötslig uppvärmningsimpuls före nedkylning). Vårt teoretiska och beräkningsarbete visar att Mpemba -effekten är särskilt enkel i en granulär gas, eftersom, i praktiken, det finns en enda extra parameter som styr Mpemba -effekten. Denna parameter är kurtosen, som mäter avvikelsen för hastighetsfördelningsfunktionen från en gaussisk fördelning. "

Med denna nya förståelse, forskarna kunde uppskatta ett intervall av initialtemperaturer för vilka effekten framträder och bestämma hur olika initialvärdena för denna parameter måste vara för att Mpemba -effekten ska visas.

Resultaten stöder också förutsägelser om förekomsten av en invers Mpemba -effekt:vid uppvärmning, ett kallare prov kan uppnå en varm måltemperatur tidigare än ett varmare prov. Forskarna planerar att undersöka detta område och andra i framtiden.

"På den teoretiska sidan, vi planerar att utföra en liknande studie när det gäller ett molekylärt löst ämne (där kollisioner är helt elastiska) suspenderat i ett lösningsmedel som producerar en olinjär dragkraft på de lösta partiklarna, "Santos sa." Återgår till granulatvätskor, Vi vill också analysera effekterna av partiklarnas grovhet och spinn på Mpemba -effekten. I det senare systemet, den enklaste modellen skulle koppla temperaturutvecklingen till den för parametern som mäter energiens icke-utbyte mellan de translationella och roterande frihetsgraderna.

"På den experimentella sidan, vi tror att reproducering i ett laboratorium av Mpemba -effekten i en granulär gas skulle vara ett genombrott. Vi arbetar för närvarande med att utforma ett ad hoc -experiment. "

© 2017 Phys.org