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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

装饰工程通讯 2025-04-08 0

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预热过的液体结冰速率更快。
有证据表明,亚里士多德在公元四世纪首先不雅观察到这种征象,后来这种征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,这一征象开始走向理论的第一步,坦桑尼亚学生 Erasto Mpemba 在烹饪课上不雅观察到,最热的冰淇淋稠浊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征象背后成因的疑问,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(University College in Dar es Salaam)的讲师 Denis Osborne 博士对这一征象进行了实验并确认了 Mpemba 的不雅观察结果。
1969 年,他们俩人揭橥了一篇文章详细先容了其创造。

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这一奇怪的效应后来成为教诲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,一组西班牙研究职员正决定探究这个看似反直觉的 Mpemba 效应存在的缘故原由。

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(图片来自网络侵删)

这只团队建立了一个框架理论来阐明 Mpemba 效应——热水结冰速率比冷水快的神秘物理征象。

图源:Pixabay

“从历史上看,这个效应并没有被人们以严谨的办法加以探究,而仅仅只是作为一种反常征象被提及和教诲”,塞维利亚大学(Universidad de Sevilla)理论物理系研究员和文章的作者之一的 Antonio Prados 说,“在我们看来,通过一个别系来学习和理解这一效应很主要,这个别系该具备有能掌握最小身分的能力。

根据研究小组的报告,某些“身分”必须搜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。
选择这种环境的缘故原由是,团队可以仿照粒子之间的相互浸染,并“进行剖析打算以理解 Mpemba 效应如何以及何时发生”,马德里卡洛斯三世大学(Universidad Carlos III de Madrid)UC3M 的研究员和作者之一的 Antonio Lasanta 说。

当这些粒子碰撞时他们会开释能量。
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。
研究还证明了由同样的相互浸染产生的“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。
这一逆征象最初在一年前由来自以色列魏兹曼研究所(Weizmann Institute)的 Oren Raz 和芝加哥大学(University of Chicago)的 Zhiyue Lu 所预测。

最随意马虎发生这个效应的情形是,当加热或冷却前,粒子的速率有特定的排列方向——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,则流体温度的演化会受到显著的影响,他们阐明说。

对 Mpemba 效应更好的理解不仅会促进我们对根本科学的理解,而且可能在中长期有实际的运用。
例如,如果团队的理论得到证明,它可能研发出使电子设备更快冷却的办法。

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,与水的更为繁芜的行为比较,这个研究由于利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,使得这种分外的相互浸染适宜于更广泛的 Mpemba 效应机制。

同时,Mpemba 还自己首先不雅观察到牛奶中的这个效应,牛奶相称于有许多大颗粒悬浮在水中。
颗粒液体模型也可运用于水的样品中:非纯净水中的大溶质颗粒可能对 Mpemba 的总体效应有贡献。

干系文章已揭橥于《Physical Review Letters》杂志,题目为 When the Hotter Cools More Quickly: Mpemba Effect in Granular Fluids。

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