如果小編問(wèn)大家:“熱水和冷水哪個(gè)結(jié)冰更快?”南方的同學(xué)可能不約而同的選擇冷水。

“潑水成冰那么火!為什么要用熱水,你知道嗎?《Nature》揭秘:熱水比冷水結(jié)冰更快

北方的同學(xué)就笑了,這是生活常識(shí):答案是熱水!但是為什么呢?

“潑水成冰那么火!為什么要用熱水,你知道嗎?《Nature》揭秘:熱水比冷水結(jié)冰更快

“潑水成冰那么火!為什么要用熱水,你知道嗎?《Nature》揭秘:熱水比冷水結(jié)冰更快

【冰淇淋中發(fā)現(xiàn)的“Mpemba效應(yīng)”】

1963年的一天,坦桑尼亞的一所中學(xué)里一群學(xué)生準(zhǔn)備做冷凍食品。一名叫埃拉斯托·姆潘巴的學(xué)生在熱牛奶里加了糖,準(zhǔn)備放進(jìn)冰箱里做冰淇淋。他覺(jué)得等熱牛奶冷了后再放進(jìn)冰箱,其他同學(xué)就會(huì)把冰箱裝滿(mǎn),于是他把熱牛奶直接放進(jìn)冰箱。等他打開(kāi)冰箱后,他驚奇的發(fā)現(xiàn)只有自己的杯子里變成了美味的冰淇淋,而其他同學(xué)用冷水做的還沒(méi)有結(jié)冰。于是,姆潘巴告訴達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理學(xué)教授奧斯本博士關(guān)于這一特殊現(xiàn)象。尊重科學(xué)的奧斯本又進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn),結(jié)果完全符合姆潘巴的描述。這無(wú)疑證實(shí)了熱水在低溫下比冷水結(jié)冰快。從那時(shí)起,世界上許多科學(xué)期刊都介紹了這種自然現(xiàn)象,并將其命名為“姆潘巴現(xiàn)象”。

【如何科學(xué)驗(yàn)證?】

事實(shí)上對(duì)于Mpemba效應(yīng),這是一種違反直覺(jué)的現(xiàn)象,在一定條件下,熱水比冷水更快結(jié)冰。但是,已經(jīng)報(bào)到的研究這一現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn),由于水結(jié)冰過(guò)程的復(fù)雜性而變得混亂不堪,使得研究結(jié)果難以重現(xiàn),也使得科學(xué)家對(duì)造成這一現(xiàn)象的原因、如何定義這一現(xiàn)象以及這一現(xiàn)象是否真的存在等問(wèn)題上存在分歧。

近日,為了避免體系的復(fù)雜性,西蒙弗雷澤大學(xué)的John Bechhoefer教授團(tuán)隊(duì)用直徑1.5微米的小玻璃珠代替水做研究對(duì)象,研究人員根據(jù)冷卻速度而不是更復(fù)雜的冷凍過(guò)程來(lái)定義Mpemba效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),高溫物體比低溫物體冷卻得更快。當(dāng)我們對(duì)物體冷卻到一定溫度時(shí),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)溫度較高的系統(tǒng)比溫度較低的系統(tǒng)冷卻的時(shí)間要短。在某些情況下,這種高溫加速甚至是指數(shù)級(jí)的。該研究以題為“Exponentially faster cooling in a colloidal system”發(fā)表在頂級(jí)期刊Nature上。

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【Mpemba效應(yīng)的再定義】

研究人員用三個(gè)溫度Th>Tw>Tc來(lái)定義Mpemba效應(yīng),在這三個(gè)溫度下,系統(tǒng)從熱態(tài)冷卻到冷態(tài)的時(shí)間比從中間熱態(tài)冷卻到相同冷態(tài)的時(shí)間Tw短。在上述定義中,Th表示高溫系統(tǒng)的初始狀態(tài),Tw表示低溫系統(tǒng)的初始狀態(tài),Tc表示熱浴溫度。 在這樣的定義下,研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了在完全可控的條件下,證明從Th冷卻到Tc所需的時(shí)間,比從Tw冷卻到Tc的時(shí)間更短。

【實(shí)驗(yàn)方法】

在實(shí)驗(yàn)中,他們使用了直徑僅為1.5微米的小玻璃珠來(lái)代表水分子。然后通過(guò)設(shè)定參數(shù),選擇在不同的條件下將數(shù)千個(gè)小玻璃珠投入一個(gè)充當(dāng)熱浴的燒杯中。當(dāng)每一顆玻璃珠落下時(shí),他們會(huì)使用光鑷對(duì)玻璃珠施加作用力;與此同時(shí),玻璃珠在這一過(guò)程中也會(huì)在熱浴中得到冷卻。從玻璃珠在相應(yīng)的作用力下做的運(yùn)動(dòng),研究人員可以計(jì)算出玻璃珠的實(shí)效溫度。事實(shí)上,由于微珠的空間尺寸小,能壘低,能迅速與熔池平衡(?0.1s)。然后可以輕松地進(jìn)行幾千次試驗(yàn),形成一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),從中可以精確測(cè)量平衡態(tài)和非平衡態(tài)的溫度。

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圖1.Mpemba效應(yīng)的能量勢(shì)壘及玻爾茲曼分布。

 

為了更進(jìn)一步地研究系統(tǒng)是如何冷卻的,本文中研究人員追蹤了玻璃珠在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。他們測(cè)量了玻璃珠從Th或Tw冷卻到Tc的時(shí)間,發(fā)現(xiàn)在有的設(shè)定下,初始溫度為T(mén)h的玻璃珠冷卻得比初始溫度為T(mén)w的玻璃珠快得多。比如在特定的條件設(shè)定下,從Th冷卻到Tc只需2毫秒的時(shí)間,而從Tw冷卻到Tc則需要20毫秒以上的時(shí)間。

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圖2. 系統(tǒng)弛豫到平衡的動(dòng)力學(xué)。

 

【非對(duì)稱(chēng)區(qū)域的Mpemba效應(yīng)】

按照傳統(tǒng)的理論,高溫物體首先要冷卻到低溫物體的溫度,然后就能和低溫物體一樣冷卻到指定的溫度,這意味著高溫物體冷卻時(shí)間要更長(zhǎng)。但在某些情況下,這種簡(jiǎn)單的邏輯是錯(cuò)誤的,特別是對(duì)于不處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng),它的行為不再僅僅以溫度為特征。當(dāng)珠子冷卻時(shí),它們并沒(méi)有處于熱平衡狀態(tài),這意味著它們?cè)趧?shì)能分布上的位置并不允許用單一溫度來(lái)描述它們。

對(duì)于這樣的系統(tǒng),沒(méi)有從熱到冷的直接路徑,而是有多條到冷的路徑,這就允許了潛在的捷徑。對(duì)于珠子來(lái)說(shuō),根據(jù)勢(shì)能的分布,從較高的溫度開(kāi)始,意味著它們可以更容易地重新排列成與較低溫度相匹配的結(jié)構(gòu)。

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圖3. 平衡時(shí)間作為初始系統(tǒng)溫度的函數(shù)。

 

【未來(lái)何方?】

特定系統(tǒng)的詳細(xì)理論可以解釋給定系統(tǒng)中的重要現(xiàn)象,例如,添加劑如何增加水中可達(dá)到的過(guò)冷度,幫助昆蟲(chóng)在亞冷凍溫度下存活,應(yīng)用的一般理論則表明,在各種環(huán)境和材料中,類(lèi)似行為是如何產(chǎn)生的。在這里,作者利用他們對(duì)Mpemba效應(yīng)現(xiàn)象學(xué)的理解來(lái)識(shí)別實(shí)驗(yàn)參數(shù)的特殊組合,其中a2系數(shù)消失(強(qiáng)Mpemba效應(yīng)),對(duì)應(yīng)于指數(shù)更快的冷卻。最近的一個(gè)理論表明,初始冷卻實(shí)際上可以使加熱時(shí)間成倍地加快。事實(shí)上,尋找這種反向Mpemba效應(yīng)仍然是一個(gè)誘人的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。更廣泛地說(shuō),熱松弛和散熱仍然是重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如,它們限制了微處理器和其他集成電路的性能。將類(lèi)似Mpemba的效應(yīng)應(yīng)用到技術(shù)相關(guān)的材料中,可能會(huì)提供新的重要策略,以快速地從局部熱源中去除熱量。

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