Un nou experiment sugerează modul în care apa fierbinte poate îngheța mai repede decât cea rece

În fizică, relaxarea nu este atât de simplă pe cât pare.

Un obiect fierbinte se poate răci mai repede decât unul cald, arată un nou studiu. Când a fost răcit, un sistem mai cald s-a răcit în mai puțin timp decât a fost nevoie de un sistem mai rece pentru a atinge aceeași temperatură scăzută. Și în unele cazuri, accelerarea a fost chiar exponențială, raportează fizicienii în 6 august. Natură.

Experimentul a fost inspirat din rapoartele despre efectul Mpemba, observația contraintuitivă conform căreia apa fierbinte uneori îngheață mai repede decât cea rece. Dar experimentele care studiază acest fenomen au fost încurcate de complexitatea apei și a procesului de înghețare, făcând rezultatele dificil de reprodus și lăsând oamenii de știință să nu fie de acord cu privire la ce cauzează efectul, cum să-l definească și dacă este chiar real (SN: 1/6/17).

Pentru a evita aceste complexități, Avinash Kumar și John Bechhoefer, ambii de la Universitatea Simon Fraser din Burnaby, Canada, au folosit mărgele mici de sticlă, de 1,5 micrometri în diametru, în loc de apă. Iar cercetătorii au definit efectul Mpemba pe baza răcirii în loc de procesul mai complicat de înghețare.

Rezultatul: „Este prima dată când un experiment poate fi revendicat ca un experiment curat, perfect controlat, care demonstrează acest efect”, spune chimistul teoretician Zhiyue Lu de la Universitatea din Carolina de Nord la Chapel Hill.

În experiment, o mărgele a reprezentat echivalentul unei singure molecule de apă, iar măsurătorile au fost efectuate de 1.000 de ori într-un anumit set de condiții pentru a produce o colecție de „molecule”. Un laser a exercitat forțe asupra fiecărei mărgele, producând un peisaj energetic sau potențial. Între timp, mărgeaua a fost răcită într-o baie de apă. „Temperatura” efectivă a mărgelelor din încercările combinate ar putea fi derivată din modul în care au traversat peisajul energetic, mișcându-se ca răspuns la forțele transmise de laser.

Pentru a studia modul în care sistemul s-a răcit, cercetătorii au urmărit mișcările margelelor de-a lungul timpului. Mărgelele au început fie la o temperatură ridicată, fie la o temperatură moderată, iar cercetătorii au măsurat cât timp a durat până când margelele se răcesc la temperatura apei. În anumite condiții, margelele care au început mai fierbinți s-au răcit mai repede și, uneori, exponențial mai repede decât margelele mai reci. Într-un caz, margelele mai fierbinți s-au răcit în aproximativ două milisecunde, în timp ce margelele mai reci au durat de 10 ori mai mult.

Experiment cu laser configurat
Într-un nou experiment (prezentat, cu cercetătorul Avinash Kumar), un laser a exercitat forțe asupra mărgelelor mici de sticlă pentru a demonstra că un sistem fierbinte de margele se poate răci mai repede decât unul rece.Prithviraj Basak

Ar putea părea logic să presupunem că o temperatură de pornire mai scăzută ar oferi un avans de netrecut. Într-o cursă simplă în josul termometrului, obiectul fierbinte ar trebui mai întâi să atingă temperatura inițială a obiectului cald, ceea ce sugerează că o temperatură mai mare ar putea doar să adauge timpului de răcire.

Dar, în anumite cazuri, acea logică simplă este greșită – în special, pentru sistemele care nu sunt într-o stare de echilibru termic, în care toate părțile au atins o temperatură uniformă. Pentru un astfel de sistem, „comportamentul său nu mai este caracterizat doar de o temperatură”, spune Bechhoefer. Comportamentul materialului este prea complicat pentru ca un singur număr să-l descrie. Pe măsură ce margelele s-au răcit, ele nu erau în echilibru termic, ceea ce înseamnă că locațiile lor în peisajul energetic potențial nu erau distribuite într-un mod care să permită o singură temperatură să le descrie.

Pentru astfel de sisteme, mai degrabă decât o cale directă de la cald la rece, pot exista mai multe căi către răcoare care să permită posibile comenzi rapide. Pentru margele, în funcție de forma peisajului, pornind de la o temperatură mai mare însemna că se puteau rearanja mai ușor într-o configurație care se potrivește cu o temperatură mai scăzută. Este ca și cum un drumeț ar putea ajunge mai repede la o destinație pornind mai departe, dacă acel punct de plecare îi permite drumeției să evite o urcare grea peste un munte.

Lu și fizicianul Oren Raz au prezis anterior că astfel de scurtături de răcire sunt posibile. „Este foarte plăcut să vezi că funcționează cu adevărat”, spune Raz, de la Institutul de Știință Weizmann din Rehovot, Israel. Dar, notează el, „nu știm dacă acesta este efectul în apă sau nu”.

Apa este mai complexă, incluzând particularitățile impurităților din apă, evaporarea și posibilitatea suprarăcirii, în care apa este lichidă sub temperatura normală de îngheț (SN: 23/03/10).

Dar simplitatea studiului face parte din frumusețea lui, spune fizicianul teoretician Marija Vucelja de la Universitatea Virginia din Charlottesville. „Este una dintre aceste configurații foarte simple și este deja suficient de bogată pentru a arăta acest efect.” Aceasta sugerează că efectul Mpemba ar putea depăși mărgele de sticlă sau apă. „Mi-aș imagina că acest efect apare destul de generic în natură în altă parte, doar că nu i-am acordat atenție.”