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趣味科普
热水比冷水冷却得更快吗?
来源: 原理      
时间: 2020年08月20日 14:07

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大约在2300多年前,亚里士多德就观察到这样一个现象:要想让水快速地降温,一开始就要把水放在阳光下。尽管在过去的成百上千年里,时常有人会提到这样一种有悖直觉的现象,但直到20世纪60年代,它才被作为一种科学结果发表。

1963年,坦桑尼亚的一个名叫埃拉斯托·姆潘巴(Erasto Mpemba)的男孩在制作冰淇淋时,将水加热到高温给设备消毒。有一次在他进行这一步骤时,他注意到热水比温水冻结得更快。后来,他将这种现象写成了一份报告,成为了第一个描述这种反直觉效应的人。而这种效应后来也被称作为姆潘巴效应。

自那之后,这种效应便成为了实验研究的主题,同时也是争议之所在。因为在物理学中,冷却过程并非想象中那么简单;再加上水的复杂性,更是让水的结冰成了一个极难掌控的过程,使得科学家难以在实验室中重现这种效应。

所以长期以来,科学家对于造成这种现象的原因,如何定义这种现象,以及这种现象是否真的存在等问题,都没有统一的答案。

最近,来自加拿大西蒙弗雷泽大学的两名物理学家 Avinash Kumar 和 John Bechhoefer 用一些微小的玻璃珠代替水分子,绕开了水的复杂性,发展出了一种在可控环境下展现姆潘巴效应的方法,证实了当将两个初始温度不同的系统冷却到同一温度时,初始温度较高的系统所用的时间可以比温度较低的系统更短。实验结果发表在了2020年8月5日的《自然》杂志上。

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过去对姆潘巴效应的研究存在定义模糊的问题。在新研究中,研究人员用三个温度对姆潘巴效应进行了定义,分别是Th(高温系统的初始温度)、Tw(低温系统的初始温度)、Tc(热浴温度),其中Th>Tw>Tc。在这样的定义下,他们首次实现了在完全可控的设置下,证明从Th冷却到Tc所需的时间,比从Tw冷却到Tc的时间更短。

在实验中,他们使用了直径仅为1.5微米的小玻璃珠来代表水分子。然后通过设定参数,选择在不同的条件下将数千个小玻璃珠投入一个充当热浴的烧杯中。当每一颗玻璃珠落下时,他们会使用光镊对玻璃珠施加作用力;与此同时,玻璃珠在这一过程中也会在热浴中得到冷却。从玻璃珠在相应的作用力下做的运动,研究人员可以计算出玻璃珠的实效温度。

在一项新的实验中,Avinash Kumar用激光对微小的玻璃珠施加作用力,以证明更热的玻璃珠的冷却速度可以比更冷的玻璃珠快。| 图片来源:SFU在一项新的实验中,Avinash Kumar用激光对微小的玻璃珠施加作用力,以证明更热的玻璃珠的冷却速度可以比更冷的玻璃珠快。| 图片来源:SFU

为了更进一步地研究系统是如何冷却的,研究人员追踪了玻璃珠在一段时间内的运动。他们测量了玻璃珠从Th或Tw冷却到Tc的时间,发现在有的设定下,初始温度为Th的玻璃珠冷却得比初始温度为Tw的玻璃珠快得多。比如在一种特殊设定下,从Th冷却到Tc只需2毫秒的时间,而从Tw冷却到Tc则需要10倍以上时间。

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这种现象看起来似乎很不合理,因为按照常理推测,在Th冷却到Tc的过程中,首先会被冷却到Tw,这意味着它需要更多的冷却时间。然而,为何这种简单的逻辑在一些特殊情况下不再成立呢?

问题的关键或许在于系统是否处于于热平衡状态(系统中的所有部分都达到了均匀的温度)。对于一个没有达到热平衡的系统,温度不再能成为描述它的行为的一个特征,在这种情况下,材料的行为变得异常复杂。当玻璃珠在冷却时,系统并不处于热平衡状态。

这样的系统并没有一条从热到冷的直接冷却路径,而是有多条冷却路径,这就使得一些潜在的冷却捷径得以存在。对于玻璃珠来说,更高的初始温度或许意味着它们可以更容易地被重新排列成与目标温度相匹配的结构。这就好比是一个徒步旅行者,他的初始位置或许相比他人而言离目的地更远,却可以比其他人更快地到达目的地,因为这个更远的起点实际上能让他避免翻过一座最难攀爬的高山。

而根据一些物理学家过去的研究认为,冷却过程中是可能存在这种捷径的。虽然目前我们还无法完全确定,这是否就是导致姆潘巴效应的原因。

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水比我们想象中要复杂得多,它可以在低于凝固点的温度下仍处于液态,也可以出现这种初始温度越高冷却得越快的现象。这项针对水的研究采用的是一种非常简单的设置来重现水的一种复杂效应。这种设置或许暗示着,姆潘巴效应不仅仅存在于玻璃珠子或水之中,更有可能普遍存在于自然界中。研究人员希望,在实验中建立的这个模型,或许还将有望用于其他未知的用途。


(责任编辑:张楠)
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