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        熱水比冷水冷卻得更快嗎?
        來源: 原理       作者:
        時間:2020年08月20日 14:07

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        大約在2300多年前,亞里士多德就觀察到這樣一個現象:要想讓水快速地降溫,一開始就要把水放在陽光下。盡管在過去的成百上千年里,時常有人會提到這樣一種有悖直覺的現象,但直到20世紀60年代,它才被作為一種科學結果發表。

        1963年,坦桑尼亞的一個名叫埃拉斯托·姆潘巴(Erasto Mpemba)的男孩在制作冰淇淋時,將水加熱到高溫給設備消毒。有一次在他進行這一步驟時,他注意到熱水比溫水凍結得更快。后來,他將這種現象寫成了一份報告,成為了第一個描述這種反直覺效應的人。而這種效應后來也被稱作為姆潘巴效應。

        自那之后,這種效應便成為了實驗研究的主題,同時也是爭議之所在。因為在物理學中,冷卻過程并非想象中那么簡單;再加上水的復雜性,更是讓水的結冰成了一個極難掌控的過程,使得科學家難以在實驗室中重現這種效應。

        所以長期以來,科學家對于造成這種現象的原因,如何定義這種現象,以及這種現象是否真的存在等問題,都沒有統一的答案。

        最近,來自加拿大西蒙弗雷澤大學的兩名物理學家 Avinash Kumar 和 John Bechhoefer 用一些微小的玻璃珠代替水分子,繞開了水的復雜性,發展出了一種在可控環境下展現姆潘巴效應的方法,證實了當將兩個初始溫度不同的系統冷卻到同一溫度時,初始溫度較高的系統所用的時間可以比溫度較低的系統更短。實驗結果發表在了2020年8月5日的《自然》雜志上。

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        過去對姆潘巴效應的研究存在定義模糊的問題。在新研究中,研究人員用三個溫度對姆潘巴效應進行了定義,分別是Th(高溫系統的初始溫度)、Tw(低溫系統的初始溫度)、Tc(熱浴溫度),其中Th>Tw>Tc。在這樣的定義下,他們首次實現了在完全可控的設置下,證明從Th冷卻到Tc所需的時間,比從Tw冷卻到Tc的時間更短。

        在實驗中,他們使用了直徑僅為1.5微米的小玻璃珠來代表水分子。然后通過設定參數,選擇在不同的條件下將數千個小玻璃珠投入一個充當熱浴的燒杯中。當每一顆玻璃珠落下時,他們會使用光鑷對玻璃珠施加作用力;與此同時,玻璃珠在這一過程中也會在熱浴中得到冷卻。從玻璃珠在相應的作用力下做的運動,研究人員可以計算出玻璃珠的實效溫度。

        在一項新的實驗中,Avinash Kumar用激光對微小的玻璃珠施加作用力,以證明更熱的玻璃珠的冷卻速度可以比更冷的玻璃珠快。| 圖片來源:SFU 在一項新的實驗中,Avinash Kumar用激光對微小的玻璃珠施加作用力,以證明更熱的玻璃珠的冷卻速度可以比更冷的玻璃珠快。| 圖片來源:SFU

        為了更進一步地研究系統是如何冷卻的,研究人員追蹤了玻璃珠在一段時間內的運動。他們測量了玻璃珠從Th或Tw冷卻到Tc的時間,發現在有的設定下,初始溫度為Th的玻璃珠冷卻得比初始溫度為Tw的玻璃珠快得多。比如在一種特殊設定下,從Th冷卻到Tc只需2毫秒的時間,而從Tw冷卻到Tc則需要10倍以上時間。

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        這種現象看起來似乎很不合理,因為按照常理推測,在Th冷卻到Tc的過程中,首先會被冷卻到Tw,這意味著它需要更多的冷卻時間。然而,為何這種簡單的邏輯在一些特殊情況下不再成立呢?

        問題的關鍵或許在于系統是否處于于熱平衡狀態(系統中的所有部分都達到了均勻的溫度)。對于一個沒有達到熱平衡的系統,溫度不再能成為描述它的行為的一個特征,在這種情況下,材料的行為變得異常復雜。當玻璃珠在冷卻時,系統并不處于熱平衡狀態。

        這樣的系統并沒有一條從熱到冷的直接冷卻路徑,而是有多條冷卻路徑,這就使得一些潛在的冷卻捷徑得以存在。對于玻璃珠來說,更高的初始溫度或許意味著它們可以更容易地被重新排列成與目標溫度相匹配的結構。這就好比是一個徒步旅行者,他的初始位置或許相比他人而言離目的地更遠,卻可以比其他人更快地到達目的地,因為這個更遠的起點實際上能讓他避免翻過一座最難攀爬的高山。

        而根據一些物理學家過去的研究認為,冷卻過程中是可能存在這種捷徑的。雖然目前我們還無法完全確定,這是否就是導致姆潘巴效應的原因。

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        水比我們想象中要復雜得多,它可以在低于凝固點的溫度下仍處于液態,也可以出現這種初始溫度越高冷卻得越快的現象。這項針對水的研究采用的是一種非常簡單的設置來重現水的一種復雜效應。這種設置或許暗示著,姆潘巴效應不僅僅存在于玻璃珠子或水之中,更有可能普遍存在于自然界中。研究人員希望,在實驗中建立的這個模型,或許還將有望用于其他未知的用途。


        (責任編輯:張楠)

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