Rájöttek, hogy néhány meleg folyadék miért hűl le gyorsabban

Már Arisztotelész korában is észrevették az emberek azt az ellentmondásos tényt, hogy a meleg víz néha gyorsabban fagy meg a hidegnél. A modern időkben ez a jelenség a Mpemba hatás nevet kapta Erasto Mpemba-ról, aki mai Tanzánia területén élt a 60-as években. Mpemba még általános iskolás korában vette észre fagylaltkészítés közben, hogy melegebb tejet használva a fagylalt gyorsabban megfagy mintha hideg tejet használt volna.

Az elmúlt évtizedekben a Mpemba hatást más fizikai rendszerekben is megfigyelték a víz mellett. Közöttük például a szén nanocső rezonátorokkal és a jéghez hasonló szerkezetet felvevő klorát hidrátoknál.

Az új felfedezések ellenére a hatás okáról még mindig csak keveset tudnak. Lehetséges magyarázatok között ott van, a szennyezőanyagok jelenléte, a hidrogén kötések és a szuper-lehűlés. Ezen felül sokan kérdőre vonják a hatás létezését is és egy nem olyan régen megjelenő tanulmány nem talált megfelelő bizonyítékot a hatás megismételhetőségére.

Most az érdeklődés új lángra kapott Antonio Lasanta és munkatársai új tanulmánya nyomán, amiben egy általános mechanizmussal érnek el egy hasonló hatást. A kutatók munkája elméleti szinten demonstrálja és megvizsgálja a Mpemba hatást szemcsés folyadékoknál – amiket például homok vagy más kisebb részecskék alkotnak.

A szemcsés folyadék rendszerek szimulációjával és egyszerű kinetika elméleti megközelítéssel, a kutatóknak sikerült meghatároznia, hogy a jelenség létrejöttében kritikus szerepe van a kiindulási állapotnak, amiben a rendszert elkészítették. A vizsgálatok során sikerült azonosítaniuk azokat a kiindulási állapotokat, amik szükségesek ahhoz, hogy a rendszerben létrejöjjön a Mpemba hatás.

“A munkánk megmutatja a Mpemba hatás létezése nagyon érzékeny a folyadék előkészítésére vagy más szavakkal annak korábbi történelmére,” mondta Andrés Santos, a tanulmány társszerzője a Extremadura Egyetemről. “Véleményünk szerint ez magyarázatot ad a Mpemba hatás megfoghatatlanságára és vitatottságára a vízben, ami így a minták előkészítéseben lévő irányítási hiány következménye.”

Ahogy a kutatók megmutatták, ha a rendszer nem megfelelően lett előkészítve, akkor a hidegebb rendszer gyorsabban lehűl mint a melegebb – a Mpemba hatás nélkül.

“Elméleti szinten megmutattuk, legalább egy gáz esetében, hogy a rendszer hőmérsékleti változása és így a lehűlése és/vagy felmelegedése nem csak a kiindulási hőmérséklettől függ, hanem a rendszer korábbi történelmétől, ami meghatározza az egyéb változók kiindulási értékét,” mondta Santos. “Ezért teljesen elképzelhető, hogy egy eredetileg melegebb rendszer gyorsabban hűl le mint egy hideg egy eltérő előtörténettel.”

A kutatók megjegyezték, hogy a Mpemba hatás más rendszerekhez viszonyított egyszerűsége a szemcsés folyadékok esetében tette lehetővé ezt a felfedezést.

“Az eredményeink megmutatják, hogy a Mpemba hatás egy általános nem egyensúlyi jelenség, ami akkor jelenik meg, amikor a hőmérséklet változás más fizikai mennyiségektől függ, amik a rendszer kiindulási állapotát határozzák meg,” mondta Santos. “Gyakorlatban, egy ilyen kiindulási állapot akkor érhető el, ha a rendszert valamilyen fizikai folyamat nagyon messze sodorja az egyensúlytól (például egy hirtelen melegítés a hűtés előtt). Az elméleti és számítástechnikai munkánk megmutatta, hogy a Mpemba hatás különösen egyszerű egy szemcsés gáznál, mivel a gyakorlatban csak egy extra paraméter van, ami irányítja a Mpemba hatást. Ez a paraméter a kurtózis, ami a Gauss eloszlás sebességelosztási funkciójában lévő eltérés mértéke.”

Ezekkel az új fejleményekkel a tudósok már képesek lehetnek meghatározni a kiindulási hőmérséklet intervallumot, aminél előjön a hatás és a különböző kiindulási paramétereket, amiknek megfelelőnek kell lenni a Mpemba hatás megjelenéséhez.

Az eredmények támogatják azt a feltételezést, hogy létezik egy ellentétes Mpemba hatás is – egy hidegebb folyadék gyorsabban felmelegíthető egy bizonyos hőmérsékletre mint egy már eleve melegebb folyadék. A kutatók a jövőbe ezt a folyamatot is megszeretnék majd részletesebben vizsgálni.

“Az elméleti oldalon, egy hasonló tanulmányt tervezünk, aminél egy molekuláris oldatot anyagot függesztenénk fel egy oldószerben, ami egy nem lineáris húzóerőt fejt ki az oldott részecskékre,” mondta Santos. “Visszatérve a szemcsés oldatokra, meg szeretnénk majd vizsgálni a részecskék érdességének és forgásának hatását a Mpemba hatásra.”

“A kísérleti oldalon, úgy gondoljuk laborban reprodukálni a Mpemba hatást szemcsés gázokban egy áttörést hozna. Már jelenleg is dolgozunk egy ad hoc kísérlet tervén.”

Forrás: arxiv.org

Szerkesztő: arsratio

Oszd meg

Hozzászólás küldése

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.