Sinds de dagen van Aristoteles, mensen hebben de contra-intuïtieve opmerking gemaakt dat warm water soms sneller bevriest dan koud water. In de moderne tijd, de waarneming is het Mpemba-effect genoemd naar Erasto Mpemba, een basisschoolleerling die begin jaren '60 woonde in wat nu Tanzania is. Bij het maken van ijs, Mpemba merkte op dat het gebruik van warmere melk ervoor zorgt dat het ijs sneller bevriest dan bij het gebruik van koudere melk.

In de afgelopen decennia is het Mpemba-effect is bestudeerd en waargenomen in verschillende fysieke systemen naast water, waaronder resonatoren van koolstofnanobuisjes en ijsachtige waterkooien die clathraathydraten worden genoemd. Ondanks deze bevindingen, de oorzaken van het effect zijn niet goed begrepen. Voorgestelde verklaringen omvatten de aanwezigheid van onzuiverheden, waterstofbinding, en onderkoeling. Zelfs het loutere bestaan ​​van het Mpemba-effect blijft controversieel, omdat een recente studie onvoldoende bewijs vond om een ​​zinvol effect te repliceren.

Nutsvoorzieningen, hun interesse opnieuw aangewakkerd door een recent document waarin een generiek mechanisme voor soortgelijke effecten wordt voorgesteld, wetenschappers Antonio Lasanta en co-auteurs van universiteiten in Spanje zijn teruggekomen op de vraag in een nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . In hun werk, de onderzoekers demonstreren en onderzoeken theoretisch het Mpemba-effect in granulaire vloeistoffen, zoals die gemaakt van zand of andere kleine deeltjes.

Met behulp van simulaties van granulaire systemen en een eenvoudige kinetische theoriebenadering, de onderzoekers konden vaststellen dat de initiële omstandigheden waarin het systeem wordt voorbereid een cruciale rol spelen bij het bepalen of het systeem het Mpemba-effect vertoont. Hun analyse stelde hen ook in staat om de beginvoorwaarden te identificeren die nodig zijn om een ​​korrelig systeem het Mpemba-effect te laten vertonen.

"Ons werk toont aan dat het bestaan ​​van het Mpemba-effect erg gevoelig is voor de eerste voorbereiding van de vloeistof of, met andere woorden, naar zijn voorgeschiedenis, " co-auteur Andrés Santos aan de Universiteit van Extremadura in Badajoz, Spanje, vertelde Phys.org . "Naar onze mening, dit kan de ongrijpbaarheid en controverse van het Mpemba-effect in water verklaren, als gevolg van het gebrek aan controle op de gedetailleerde initiële voorbereiding van het monster."

Zoals de onderzoekers lieten zien, als een systeem niet onder bepaalde beginvoorwaarden is voorbereid, dan koelt het koudere systeem sneller af dan het warmere, zoals verwacht, en er is geen Mpemba-effect.

"We hebben theoretisch laten zien, tenminste in het geval van een gas, dat de temperatuurontwikkeling van een systeem en dus de afkoel- en/of verwarmingssnelheid niet alleen afhangt van de begintemperatuur, maar ook op de voorgeschiedenis van het systeem dat de initiële waarde van de extra variabelen bepaalt, "Zei Santos. "Daarom, het is perfect mogelijk dat een aanvankelijk verwarmd systeem sneller afkoelt dan een kouder systeem met een andere geschiedenis."

Zoals de onderzoekers verder uitlegden, de eenvoud van het Mpemba-effect in korrelvormige vloeistoffen in vergelijking met water en andere systemen stelde hen in staat om tot deze conclusie te komen.

"Onze resultaten laten zien dat het Mpemba-effect een generiek niet-evenwichtsverschijnsel is dat optreedt als de evolutie van de temperatuur afhangt van andere fysieke grootheden die de initiële toestand van het systeem kenmerken, "Zei Santos. "In de praktijk, zo'n begintoestand kan experimenteel worden bereikt als het systeem door een fysieke procedure heel ver van het evenwicht wordt verwijderd (bijvoorbeeld door een plotselinge verwarmingsimpuls voorafgaand aan het afkoelen). Ons theoretische en computationele werk laat zien dat het Mpemba-effect bijzonder eenvoudig is in een korrelig gas, sinds, in praktijk, er is één enkele extra parameter die het Mpemba-effect regelt. Deze parameter is de kurtosis, die de afwijking van de snelheidsverdelingsfunctie van een Gauss-verdeling meet."

Met dit nieuwe inzicht de onderzoekers konden een reeks begintemperaturen schatten waarvoor het effect naar voren komt en bepalen hoe verschillend de beginwaarden van deze parameter moeten zijn om het Mpemba-effect te laten optreden.

De resultaten ondersteunen ook voorspellingen van het bestaan ​​van een omgekeerd Mpemba-effect:bij verhitting, een kouder monster kan eerder een hete doeltemperatuur bereiken dan een warmer monster. De onderzoekers zijn van plan om dit gebied en anderen in de toekomst te onderzoeken.

"Aan de theoretische kant, we zijn van plan een soortgelijk onderzoek uit te voeren in het geval van een moleculaire opgeloste stof (waarbij botsingen volledig elastisch zijn) gesuspendeerd in een oplosmiddel dat een niet-lineaire sleepkracht op de opgeloste deeltjes veroorzaakt, "Zei Santos. "Teruggaand op granulaire vloeistoffen, we willen ook de impact van deeltjesruwheid en spin op het Mpemba-effect analyseren. In het laatste systeem is het eenvoudigste model zou de temperatuurevolutie koppelen aan die van de parameter die de niet-equipartitie van energie tussen de translatie- en rotatievrijheidsgraden meet.

"Aan de experimentele kant, we denken dat het reproduceren in een laboratorium van het Mpemba-effect in een korrelig gas een doorbraak zou zijn. We werken momenteel aan de opzet van een ad-hocexperiment."

© 2017 Fys.org