科學也可以如此靠近

非洲小學生問了個問題,全球科學家大呼不解,半個世紀仍無答案!


2018年6月07日17時 今日科學 環球科學大觀
環球科學大觀

科學的眼光觀世界 富有的思維察明理

如果你想更快地讓水結冰,那就把水加熱。這一「反人類常識」的問題在上世紀60年代被提出,一名來自非洲坦尚尼亞的小學生Erasto Mpemba發現熱的冰淇淋液比冷的混合液更快地結冰,他的好奇心激起了科學界長達數十年之久的激烈辯論,熱度至今都絲毫不減!

這一反直覺的現象稱之為Mpemba效應,是物理學中一個令人頗為頭疼的怪異現象。「Mpemba效應」指在同等質量和同等冷卻環境下,溫度略高的液體比溫度略低的液體(非純水)先結冰的現象。雖然長久以來找不到令人信服的解釋和證據,很多人並不相信這一現象,但它卻是真實存在的。

為什麼高溫液體會更快地結冰?已有的大多數猜想大都圍繞著高溫液體分子比較冷的分子運動速度更快。今年早些時候,曾有研究人員通過模擬水分子簇,揭示了水的初始溫度和分子形成冰晶的難以程度之間的聯繫,認為冷水無法提供足夠斷裂氫鍵的能量。

最近,西班牙研究人員開創性的構建出一個模型來簡化這一問題。假設加熱流體為非彈性顆粒的集合體,這種利用塊狀表示複雜的流體動力學的方法可以更簡單的微調系統的初始條件,顯示出粒子的振動如何轉化為逐漸冷卻的速度。這一最新研究不僅解釋了怪異的Mpemba效應,更暗示著一個顛覆性的結論。

Mpemba效應是一種普遍的非平衡現象。這項研究表明Mpemba效應適用於幾乎任何流體,對流體的前期狀態非常敏感。溫度的變化取決於表征系統初始狀態的其他物理量。換句話說,理論上任何可以導致溫度損失的方式都可以使流體更快地冷卻。

令人驚訝的是,相同的模型表明較冷的流體可以更快地被加熱,可能推動逆向的Mpemba效應。在某些條件下,冰水會比常溫水更快地達到沸點?目前研究人員正在研究這種預測的可能性…


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