冷たい水と熱い水ではどちらが早く消えますか? なぜ温水は冷水より早く凍るのですか?

ムペンバ効果（ムペンバのパラドックス）は次のように述べるパラドックスです。お湯条件によっては、冷水よりも早く凍結しますが、凍結プロセス中に冷水の温度を通過する必要があります。このパラドックスは、同じ条件下では、より加熱された物体は、同じ温度まで冷却するのに、より加熱されていない物体よりも特定の温度まで冷却するのにより多くの時間がかかるという通常の考えに矛盾する実験的事実です。

この現象は、かつてアリストテレス、フランシス・ベーコン、ルネ・デカルトによって注目されましたが、タンザニアの男子生徒エラスト・ムペンバが、熱いアイスクリーム混合物が冷たいものより早く凍ることを発見したのは 1963 年のことでした。

エラスト・ムペンバさんはタンザニアのマガンビ高校の生徒として調理師として実務に携わった。彼は自家製アイスクリームを作る必要がありました。牛乳を沸騰させ、砂糖を溶かし、室温まで冷ましてから、冷蔵庫に入れて凍らせました。どうやら、ムペンバは特に勤勉な学生ではなく、課題の最初の部分を完了するのが遅れたそうです。レッスンの終わりまでに間に合わないのではないかと心配して、彼はまだ温かい牛乳を冷蔵庫に入れました。驚いたことに、それは与えられた技術に従って調製された仲間の牛乳よりもさらに早く凍った。

その後、ムペンバさんは牛乳だけでなく、普通の水でも実験しました。いずれにせよ、すでにムクワヴァ中等学校の生徒だった彼は、ダルエスサラームのユニバーシティ・カレッジのデニス・オズボーン教授（学校長から生徒たちに物理学の講義をするよう招待された）に、特に水について尋ねた。同じ量の水を2つの同じ容器に入れ、一方の水の温度を35℃、もう一方の水を100℃にし、冷凍庫に入れると、2番目の水はより速く凍ります。なぜ？オズボーンはこの問題に興味を持ち、すぐに 1969 年に彼とムペンバは実験結果を物理教育誌に発表しました。それ以来、彼らが発見した効果はこう呼ばれるようになりました。 ムペンバ効果.

これまでのところ、この奇妙な効果を正確に説明する方法は誰もわかっていません。科学者は単一のバージョンを持っていませんが、多くのバージョンがあります。すべては熱水と冷水の性質の違いに関するものですが、この場合どの性質が役割を果たしているのかはまだ明らかではありません。つまり、過冷却、蒸発、氷の形成、対流の違い、または水に対する液化ガスの影響です。異なる温度。

ムペンバ効果の矛盾は、体が体温まで下がるまでの時間が長いということです。環境、この身体と環境の間の温度差に比例する必要があります。この法則はニュートンによって確立され、その後実際に何度も確認されてきました。この効果では、温度 100°C の水は、温度 35°C の同じ量の水よりも早く 0°C まで冷却されます。

ただし、ムペンバ効果は既知の物理学の枠組み内で説明できるため、これはまだパラドックスを意味するものではありません。ムペンバ効果については次のとおりです。

蒸発

熱水は容器からより速く蒸発するため、その体積が減少し、同じ温度の水の体積が小さいほど、より早く凍結します。 100℃に加熱された水は、0℃に冷却されると質量の16％を失います。

蒸発効果 – 二重効果。まず、冷却に必要な水の質量が減少します。そして第二に、水相から蒸気相への転移の蒸発熱が減少するという事実により、温度が低下します。

温度差

両者の温度差により、お湯そして冷たい空気が多くなります。したがって、この場合の熱交換はより激しくなり、お湯はより早く冷えます。

低体温症

水が0℃以下に冷えても、必ずしも凍るとは限りません。条件によっては、過冷却が起こり、氷点下の温度でも液体のままになることがあります。場合によっては、水は -20℃ の温度でも液体のままであることがあります。

この効果の理由は、最初の氷の結晶が形成され始めるためには結晶形成中心が必要であるためです。それらが液体の水中に存在しない場合、結晶が自然に形成されるのに十分な温度が低下するまで過冷却が続きます。過冷却された液体中でそれらが形成され始めると、より速く成長し始め、スラッシュアイスを形成し、それが凍って氷を形成します。

熱水は、加熱すると溶存ガスや気泡が除去され、氷の結晶形成の中心となる可能性があるため、低体温症の影響を最も受けやすくなります。

低体温症になるとなぜお湯が早く凍ってしまうのでしょうか? の場合には冷水過冷却されていない場合、次のことが起こります。この場合、容器の表面に薄い氷の層が形成されます。この氷の層は水と冷気の間の断熱材として機能し、さらなる蒸発を防ぎます。この場合、氷結晶の形成速度は低くなります。過冷却された熱水の場合、過冷却された水には氷の保護層がありません。したがって、オープントップからははるかに速く熱が失われます。

過冷却プロセスが終了し、水が凍結すると、より多くの熱が失われ、その結果生成されます。もっと氷を.

この効果の研究者の多くは、ムペンバ効果の場合は低体温症が主な要因であると考えています。

対流

冷水は上から凍結し始めるため、熱放射と対流のプロセスが悪化して熱損失が悪化しますが、熱水は下から凍結し始めます。

この影響は、水密度の異常によって説明されます。水の密度は 4 ℃ で最大になります。水を 4 ℃に冷却し、それより低い温度に置くと、水の表層がより早く凍結します。この水は温度 4 ℃の水より密度が低いため、表面に残り、薄い冷たい層を形成します。このような条件下では、短時間のうちに水面に薄い氷の層が形成されますが、この氷の層が断熱材として機能し、下層の水層を保護し、水温は4℃に保たれます。したがって、その後の冷却プロセスは遅くなります。

熱湯の場合は状況が全く異なります。水の表層は蒸発によりより早く冷却され、もっと大きな違い温度また、冷水の層は熱水の層よりも密度が高いため、冷水の層は沈み込み、層が上昇します。温水表面に。この水の循環により、温度が急速に下がります。

しかし、なぜこのプロセスは平衡点に達しないのでしょうか? この対流の観点からムペンバ効果を説明するには、水の冷たい層と熱い層が分離され、平均水温が 4 ℃を下回った後も対流プロセス自体が継続すると仮定する必要があります。

しかし、水の冷たい層と熱い層が対流の過程によって分離されるというこの仮説を裏付ける実験的証拠はありません。

水に溶けている気体

水には常に酸素と二酸化炭素という気体が溶けています。これらのガスには水の凝固点を下げる作用があります。高温では水への溶解度が低くなるため、水を加熱するとこれらのガスが水から放出されます。したがって、熱水が冷えると、加熱されていない冷水よりも常に溶存ガスの量が少なくなります。したがって、加熱された水の凝固点はより高く、より早く凍結します。この事実を裏付ける実験データはありませんが、この要因はムペンバ効果を説明する際の主要な要因と考えられることがあります。

熱伝導率

これらすべての条件（および他の条件）は多くの実験で研究されましたが、どの条件がムペンバ効果を 100 パーセント再現するかという疑問に対する明確な答えは得られませんでした。

たとえば、1995 年にドイツの物理学者 David Auerbach は、この効果に対する過冷却水の影響を研究しました。彼は、過冷却状態に達した熱水は冷水よりも高い温度で凍結し、したがって後者よりも早く凍結することを発見しました。しかし冷水高温状態よりも早く過冷却状態に到達し、それによって以前の遅れが補償されます。

さらに、アウアーバッハの結果は、熱水は結晶化中心が少ないため、より大きな過冷却を達成できるという以前のデータと矛盾しました。水が加熱されると、水に溶けているガスが水から抜け、沸騰すると水に溶けている塩の一部が析出します。

今のところ、一つだけ言えることは、この効果の再現は実験が行われる条件に大きく依存するということです。それは常に再現されるわけではないからです。

O.V.モシン

文学ソース:

「熱水は冷水よりも早く凍ります。なぜそうなるのですか?」、ジャール・ウォーカー著『アマチュア科学者』『サイエンティフィック・アメリカン』第 1 巻。 237、いいえ。 3、246-257ページ。 1977 年 9 月。

「温水と冷水の凍結」、G.S. Kell は、American Journal of Physics、Vol. 37、いいえ。 5、564〜565ページ。 1969 年 5 月。

「過冷却とムペンバ効果」、David Auerbach、American Journal of Physics、Vol. 63、いいえ。 10、882〜885ページ。 1995 年 10 月。

「ムペンバ効果: 熱水と冷水の凍結時間」、チャールズ A. ナイト、American Journal of Physics、Vol. 64、いいえ。 5、524ページ。 1996 年 5 月。

21.11.2017 11.10.2018 アレクサンダー・フィルツェフ

« 冷たい水と熱い水ではどちらが早く凍りますか?「 - 友達に質問してみてください。おそらくほとんどの人は、冷たい水はより早く凍ると答えるでしょう - そして彼らは間違いを犯すでしょう。

実際、同じ形と体積の 2 つの容器を同時に冷凍庫に入れ、一方には冷水、もう一方には温水を入れた場合、温水の方が早く凍ります。

このような発言は不合理で不合理に思えるかもしれません。論理に従うと、熱水はまず冷水の温度まで冷却されなければならず、この時点で冷水はすでに氷になっているはずです。

では、なぜ熱水は氷点に向かう途中で冷水よりも勝ってしまうのでしょうか? それを理解してみましょう。

観測と研究の歴史

人々はこの逆説的な効果を古代から観察してきましたが、これをあまり重要視する人はいませんでした。したがって、アレストテレス、ルネ・デカルト、フランシス・ベーコンは、冷水と温水の凍結速度の不一致をメモの中で指摘しています。異常現象日常生活の中に現れることが多いです。

長い間、この現象はまったく研究されず、科学者の間で大きな関心を呼び起こしませんでした。

この異常な効果の研究は 1963 年に始まりました。タンザニアの好奇心旺盛な男子生徒、エラストムペンバが、アイスクリーム用の温かいミルクは冷たいミルクよりも早く凍ることに気づきました。この異常な効果の理由について説明が得られることを期待して、青年は学校の物理の先生に尋ねました。しかし、先生は彼を笑うだけでした。

その後、ムペンバは実験を繰り返しましたが、実験では牛乳ではなく水を使用し、逆説的な効果が再び繰り返されました。

6年後の1969年、ムペンバは学校に来た物理学教授デニス・オズボーンにこの質問をした。教授は青年の観察に興味を持ち、実験を行った結果、その効果が確認されたが、なぜこの現象が起こるのかは解明されなかった。

それ以来、この現象はこう呼ばれるようになった ムペンバ効果.

科学観測の歴史を通じて、現象の原因について多くの仮説が提唱されてきました。

そこで2012年、英国王立化学会はムペンバ効果を説明する仮説のコンテストを発表することになる。世界中から科学者がコンテストに参加し、合計22,000人が登録しました科学的作品。これほど膨大な数の記事があるにもかかわらず、ムペンバのパラドックスを明確にするものはありませんでした。

最も一般的なバージョンは、単に熱水がより速く蒸発し、その体積が小さくなり、体積が減少するにつれて冷却速度が増加するため、熱水がより速く凍結するというものです。最も一般的なバージョンは、蒸発を除外した実験が行われたため、最終的には否定されましたが、それでも効果は確認されました。

他の科学者は、ムペンバ効果の原因は水に溶けたガスの蒸発であると信じていました。彼らの意見では、加熱プロセス中に水に溶解したガスが蒸発し、そのため冷水よりも高い密度が得られます。知られているように、密度の増加は変化をもたらします。物理的特性水（熱伝導率の増加）、したがって冷却速度の増加。

さらに、温度に応じた水の循環速度を説明する多くの仮説が提唱されています。多くの研究が、液体が入っている容器の材質間の関係を確立しようと試みてきました。多くの理論は非常にもっともらしいと思われましたが、初期データの欠如、他の実験の矛盾、または特定された要因が単に水の冷却速度と比較できないため、科学的に確認することができませんでした。一部の科学者は研究の中で、その効果の存在に疑問を呈しました。

2013年、シンガポールの南洋理工大学の研究者らは、ムペンバ効果の謎を解明したと主張した。彼らの研究によれば、この現象の理由は、冷水と温水の分子間の水素結合に蓄えられるエネルギー量が大きく異なるためであるという。

コンピューターモデリング法では、水温が高くなるほど、反発力が増大するため、分子間の距離が大きくなるという結果が示されました。その結果、分子の水素結合が伸びて、より多くのエネルギーが蓄えられます。冷却されると、分子は互いに近づき始め、水素結合からエネルギーを放出します。この場合、エネルギーの放出には温度の低下が伴います。

2017年10月、スペインの物理学者は、別の研究の過程で、物質の平衡状態からの離脱（強い冷却の前に強い加熱）が効果の形成に大きな役割を果たしている事を発見した。彼らは、影響が発生する可能性が最大になる条件を決定しました。さらに、スペインの科学者らは逆ムペンバ効果の存在を確認した。彼らは、加熱すると、冷たいサンプルは温かいサンプルよりも早く高温に到達する可能性があることを発見しました。

包括的な情報と数多くの実験にもかかわらず、科学者たちはその効果について研究を続けるつもりです。

実生活におけるムペンバ効果

なぜなのか考えたことはありますか冬時間スケートリンクは冷たくなくて熱湯で満たされていますか？すでに理解されているように、熱湯で満たされたスケートリンクは、冷水で満たされた場合よりも早く凍ってしまうため、このようにするのです。同じ理由で、冬の氷の街では滑り台に熱湯が注がれます。

したがって、この現象の存在を知ることで、人々はウィンタースポーツの場所を準備するときに時間を節約することができます。

さらに、ムペンバ効果は、水を含む製品、物質、材料の凍結時間を短縮するために産業で使用されることがあります。

1963 年、エラストムペンバという名前のタンザニアの男子生徒は、先生に愚かな質問をしました。なぜ冷凍庫の中の温かいアイスクリームは冷たいアイスクリームよりも早く凍るのですか?

彼は物理教師に説明を求めたが、彼はその生徒を笑いながら次のように言っただけだった。「これは普遍的な物理学ではなく、ムペンバの物理学だ。」その後、ムペンバさんは牛乳だけでなく、普通の水でも実験しました。

いずれにせよ、すでにムクワヴァ中等学校の生徒だった彼は、ダルエスサラームのユニバーシティ・カレッジのデニス・オズボーン教授（学校長から生徒たちに物理学の講義をするよう招待された）に、特に水について尋ねた。 2 つの同一のコンテナ等しい体積片方の水の温度が35℃、もう片方の水の温度が100℃になるように水を入れて冷凍庫に入れると、2番目の水はより速く凍ります。なぜ？" オズボーンはこの問題に興味を持ち、すぐに 1969 年に彼とムペンバは実験結果を物理教育誌に発表しました。それ以来、彼らが発見した効果はムペンバ効果と呼ばれるようになりました。

なぜこれが起こるのか知りたいですか? ほんの数年前、科学者たちはこの現象を説明することに成功しました...

ムペンバ効果 (ムペンバのパラドックス) は、凍結プロセス中に冷水の温度を通過する必要があるにもかかわらず、ある条件下では熱水が冷水よりも早く凍結するというパラドックスです。このパラドックスは、同じ条件下では、より加熱された物体は、同じ温度まで冷却するのに、より加熱されていない物体よりも特定の温度まで冷却するのにより多くの時間がかかるという通常の考えに矛盾する実験的事実です。

この現象は、当時のアリストテレス、フランシス・ベーコン、ルネ・デカルトによって注目されました。これまでのところ、この奇妙な効果を正確に説明する方法は誰もわかっていません。科学者は単一のバージョンを持っていませんが、多くのバージョンがあります。すべては熱水と冷水の性質の違いに関するものですが、この場合どの性質が役割を果たしているのかはまだ明らかではありません。つまり、過冷却、蒸発、氷の形成、対流の違い、または水に対する液化ガスの影響です。異なる温度。ムペンバ効果の矛盾は、物体が周囲温度まで下がるまでの時間が、この物体と環境との温度差に比例するということです。この法則はニュートンによって確立され、その後実際に何度も確認されてきました。この効果では、温度 100°C の水は、温度 35°C の同じ量の水よりも早く 0°C まで冷却されます。

それ以来、さまざまなバージョンが表現されてきましたが、そのうちの 1 つは次のようなものでした。熱水の一部が最初は単純に蒸発し、その後、残りが少なくなると水はより速く凍結します。このバージョンは、そのシンプルさのために最も人気がありましたが、科学者を完全に満足させることはできませんでした。

化学者シー・チャン率いるシンガポールの南洋理工大学の研究チームは、なぜ温水が冷水より早く凍るのかという長年の謎を解明したと発表した。中国の専門家が発見したように、その秘密は水分子間の水素結合に蓄えられるエネルギー量にある。

ご存知のように、水分子は酸素原子1個と水素原子2個が結合してできています。共有結合、粒子レベルでは電子の交換のように見えます。別の既知の事実それは、水素原子が隣接する分子の酸素原子に引き付けられ、水素結合が形成されるという事実にあります。

同時に、水分子は一般的に互いに反発します。シンガポールの科学者は、水が温かいほど、反発力が増加するため、液体の分子間の距離が大きくなることに気づきました。その結果、水素結合が引き伸ばされ、より多くのエネルギーが蓄えられます。このエネルギーは水が冷えると放出され、分子が互いに近づくことになります。そして、知られているように、エネルギーの放出は冷却を意味します。

科学者によって提唱された仮説は次のとおりです。

蒸発

熱水は容器からより速く蒸発するため、その体積が減少し、同じ温度の水の体積が小さいほど、より早く凍結します。 100℃に加熱された水は、0℃に冷却されると質量の 16% を失います。蒸発効果は二重効果です。まず、冷却に必要な水の質量が減少します。そして第二に、蒸発により温度が下がります。

温度差

したがって、温水と冷気の温度差が大きいため、この場合の熱交換はより激しくなり、温水はより速く冷却されます。

低体温症
水は0℃以下に冷えても必ずしも凍るとは限りません。条件によっては、過冷却が起こり、氷点下の温度でも液体のままになることがあります。場合によっては、水は -20°C の温度でも液体のままであることがあります。この効果の理由は、最初の氷の結晶が形成され始めるためには結晶形成中心が必要であるためです。それらが液体の水中に存在しない場合、結晶が自然に形成されるのに十分な温度が低下するまで過冷却が続きます。過冷却された液体中でそれらが形成され始めると、より速く成長し始め、スラッシュアイスを形成し、それが凍って氷を形成します。熱水は、加熱すると溶存ガスや気泡が除去され、氷の結晶形成の中心となる可能性があるため、低体温症の影響を最も受けやすくなります。低体温症になるとなぜお湯が早く凍ってしまうのでしょうか? 過冷却されていない冷水の場合、次のことが起こります。その表面に薄い氷の層が形成され、水と冷気の間の断熱材として機能し、それによってさらなる蒸発が防止されます。この場合、氷結晶の形成速度は低くなります。過冷却された熱水の場合、過冷却された水には氷の保護層がありません。したがって、オープントップからははるかに速く熱が失われます。過冷却プロセスが終了し、水が凍結すると、より多くの熱が失われるため、より多くの氷が形成されます。この効果の研究者の多くは、ムペンバ効果の場合は低体温症が主な要因であると考えています。
対流

冷水は上から凍結し始めるため、熱放射と対流のプロセスが悪化して熱損失が悪化しますが、熱水は下から凍結し始めます。この影響は、水密度の異常によって説明されます。水の密度は 4°C で最大になります。水を4℃に冷却し、それより低い温度の環境に置くと、水の表層はより早く凍結します。この水は 4°C の水より密度が低いため、表面に残り、薄い冷たい層を形成します。このような条件下では、水面に薄い氷の層が短時間形成されますが、この氷の層は断熱材として機能し、下層の水層を保護し、水温は 4°C に保たれます。。したがって、さらなる冷却プロセスは遅くなります。熱湯の場合は状況が全く異なります。水の表層は、蒸発と大きな温度差により、より早く冷却されます。また、冷水の層は熱水の層よりも密度が高いため、冷水の層が沈み、温水の層が表面に浮上します。この水の循環により、温度が急速に下がります。しかし、なぜこのプロセスは平衡点に達しないのでしょうか? 対流の観点からムペンバ効果を説明するには、水の冷たい層と熱い層が分離され、平均水温が 4 °C を下回った後も対流プロセス自体が継続すると仮定する必要があります。しかし、水の冷たい層と熱い層が対流の過程によって分離されるというこの仮説を裏付ける実験的証拠はありません。

水に溶けている気体

熱伝導率

この機構は、水を小さな容器に入れて冷蔵室の冷凍庫に入れる場合に重要な役割を果たします。このような条件下では、熱湯の入った容器が下の冷凍庫内の氷を溶かし、それによって冷凍庫の壁との熱接触と熱伝導率が向上することが観察されています。その結果、熱水容器からは冷たい水容器よりも早く熱が奪われます。逆に、冷水を入れた容器では下の雪は溶けません。これらすべての条件（およびその他の条件）は多くの実験で研究されましたが、質問に対する明確な答え（どの条件がムペンバ効果を 100 パーセント再現するか）は得られませんでした。たとえば、1995 年にドイツの物理学者 David Auerbach は、この効果に対する過冷却水の影響を研究しました。彼は、過冷却状態に達した熱水は冷水よりも高い温度で凍結し、したがって後者よりも早く凍結することを発見しました。しかし、冷水は熱水よりも早く過冷却状態に達するため、以前の遅れが補われます。さらに、アウアーバッハの結果は、熱水は結晶化中心が少ないため、より大きな過冷却を達成できるという以前のデータと矛盾しました。水が加熱されると、水に溶けているガスが水から抜け、沸騰すると水に溶けている塩の一部が析出します。今のところ、言えることは 1 つだけです。この効果が再現されるかどうかは、実験が行われる条件に大きく依存します。それは常に再現されるわけではないからです。

しかし、彼らが言うように、最も可能性の高い理由はこれです。

プレプリント Web サイト arXiv.org に掲載されている論文で化学者らが書いているように、水素結合は冷水よりも熱水の方が強くなります。したがって、熱水の水素結合にはより多くのエネルギーが蓄えられており、氷点下に冷却されるとより多くのエネルギーが放出されることがわかります。このため、硬化が早くなります。

現在まで、科学者たちは理論的にのみこの謎を解決しています。彼らが自分たちのバージョンの説得力のある証拠を提示すれば、なぜ温水は冷水よりも早く凍るのかという問題は解決したと考えることができます。

こんにちは親愛なる恋人たち興味深い事実。今日は、についてお話します。しかし、タイトルで提起された質問は単に不合理に見えるかもしれないと思いますが、厳密に確立されたテスト実験ではなく、悪名高い「常識」を常に全面的に信頼する必要があります。なぜ温水は冷水よりも早く凍るのかを考えてみましょう。

歴史的参照

凍る冷水と熱水の問題では、「すべてが純粋であるわけではない」ということがアリストテレスの著作で言及され、その後、F. ベーコン、R. デカルト、J. ブラックによって同様の注記がなされました。で近現代史この効果には、客員物理学教授に同じ質問をしたタンガニーカの男子生徒エラスト・ムペンバにちなんで「ムペンバのパラドックス」という名前が付けられました。

少年の疑問はどこからともなく湧き上がったものではなく、キッチンでアイスクリームを冷やす過程を純粋に個人的に観察したことから生じたものでした。もちろん、その場に居合わせたクラスメイト達も、学校の先生ムペンバは笑ったが、D・オズボーン教授が個人的に実験した後、エラストをからかいたいという欲求は「蒸発」した。さらに、ムペンバは教授とともに、1969 年に『物理教育』誌にこの効果の詳細な説明を発表し、それ以来、上記の名前が科学文献に定着しました。

現象の本質は何でしょうか？

実験の設定は非常に簡単です。他のすべての条件が等しい場合、厳密に同量の水を含み、温度だけが異なる同一の薄壁容器がテストされます。容器を冷蔵庫に入れ、その後、それぞれの容器に氷が形成されるまでの時間を記録します。矛盾しているのは、最初に熱い液体が入っている容器では、この現象がより早く起こるということです。

現代物理学はこれをどのように説明しますか?

このパラドックスには普遍的な説明はありません。いくつかの並列プロセスが同時に発生し、その寄与は特定の初期条件によって異なりますが、結果は均一です。

液体の過冷却能力 - 最初は冷たい水の方が過冷却になりやすいです。温度がすでに氷点下である場合でも液体のままです
加速冷却 - 熱水からの蒸気は氷の微結晶に変換され、後退するときにプロセスを加速し、追加の「外部熱交換器」として機能します。
断熱効果 - 熱水とは異なり、冷水は上から凍結するため、対流と放射による熱伝達の低下につながります。

他にも多くの説明があります (英国王立化学会が最も優れた仮説を競うコンテストを最後に開催したのは最近、2012 年でした) - しかし、入力条件の組み合わせのすべてのケースに対応する明確な理論はまだありません...

英国王立化学会は、説明できる人に1000ポンドの賞金を与えるとしている。科学的な点場合によっては温水が冷水よりも早く凍る理由がわかりました。

「現代科学は、この一見単純な疑問にまだ答えることができません。アイスクリームメーカーやバーテンダーは日常の仕事でこの効果を利用していますが、なぜそれが機能するのかは誰も知りません。この問題は何千年も前から知られており、アリストテレスやデカルトなどの哲学者がこの問題について考えてきました」と英国王立化学会会長のデビッド・フィリップス教授は協会のプレスリリースで引用されているように述べた。

アフリカ出身の料理人がいかにして英国の物理学教授を破ったか

これはエイプリルフールの冗談ではなく、厳しい物理的現実です。銀河やブラックホールを簡単に操作し、クォークやボソンを探すために巨大な加速器を建設する現代科学は、素水がどのように「機能する」かを説明できません。学校の教科書には、冷えた体を冷やすよりも、熱くなった体を冷やす方が時間がかかると明記されています。しかし、水の場合、この法則は常に守られるわけではありません。アリストテレスは紀元前 4 世紀にこの矛盾に注目しました。 e. 古代ギリシャ人は著書『メテオロロジカ I』の中で次のように書いています。したがって、多くの人は、お湯を早く冷やしたいとき、まず太陽に当てます...」中世、フランシス・ベーコンとルネ・デカルトはこの現象を説明しようとしました。悲しいことに、偉大な哲学者も古典的熱物理学を開発した多くの科学者もこれに成功しなかったため、そのような不都合な事実は長い間「忘れられ」ていました。

そして1968年になって初めて、科学とは程遠いタンザニア出身の男子生徒エラスト・ムペンベのおかげで彼らは「思い出した」のです。 1963 年に調理師学校で学んでいたとき、13 歳のムペンベはアイスクリームを作るという課題を与えられました。この技術によれば、牛乳を沸騰させ、砂糖を溶かし、室温まで冷却してから冷蔵庫に入れて凍らせる必要がありました。どうやらムペンバは勤勉な学生ではなかったので躊躇していたようだ。レッスンの終わりまでに間に合わないのではないかと心配して、彼はまだ温かい牛乳を冷蔵庫に入れました。驚いたことに、それはすべての規則に従って準備された仲間の牛乳よりもさらに早く凍りました。

ムペンバがこの発見を物理の教師に話すと、教師はクラス全員の前で笑いました。ムペンバはその侮辱を思い出した。 5年後、すでにダルエスサラームの大学の学生だった彼は、有名な物理学者デニス・G・オズボーンの講義に出席した。講義の後、彼は科学者に次のような質問をしました。同額 1 つは 35 °C (95 °F)、もう 1 つは 100 °C (212 °F) の水を入れて冷凍庫に入れると、熱い容器の中の水はより早く凍ります。なぜ？" 神に見捨てられたタンザニア出身の若者からの質問に対する英国の教授の反応は想像できるだろう。彼はその学生をからかった。しかし、ムペンバはそのような答えを用意して、科学者に賭けを挑んだ。彼らの論争は、ムペンバが正しく、オズボーンが敗北したことを確認する実験で終わった。このようにして、見習い料理人は科学史にその名を刻みました。以後、この現象は「ムペンバ効果」と呼ばれるようになりました。それを捨てたり、「存在しない」と宣言したりすることは不可能です。この現象は存在し、詩人が書いたように「それは害を及ぼさない」のです。

塵粒子や溶質が原因でしょうか?

長年にわたり、多くの人が水が凍る謎を解明しようと試みてきました。提供されました花束全体この現象の説明としては、蒸発、対流、溶解物質の影響などが考えられますが、これらの要因はいずれも最終的なものとは考えられません。多くの科学者がムペンバ効果に生涯を捧げてきました。部員放射線の安全性州立大学ニューヨーク - ジェームス・ブラウンリッジ - で自由時間彼はこのパラドックスを10年以上研究してきた。何百もの実験を行った後、科学者は低体温症の「罪」の証拠を掴んだと主張した。ブラウンリッジ氏は、水は0℃では過冷却になるだけで、温度がそれ以下になると凍り始めると説明しています。凝固点は水中の不純物によって調節され、それらは氷の結晶の形成速度を変化させます。塵粒子、細菌、溶解した塩などの不純物は、結晶化中心の周囲に氷の結晶が形成されるときに特有の核生成温度を持っています。水中に複数の元素が同時に存在する場合、凝固点は最も多くの元素を含む元素によって決まります。高温核形成。

実験のために、ブラウンリッジ氏は同じ温度の水サンプルを 2 つ採取し、冷凍庫に入れました。彼は、おそらく不純物の組み合わせが異なるため、標本のうちの 1 つが常に他の標本よりも先に凍結することを発見しました。

ブラウンリッジ氏は、水と冷凍庫の温度差が大きいため、温水はより早く冷えると主張しています。これにより、冷水がより低い自然凝固点に達する前に、温水が凝固点に達することができます。少なくとも、5℃で。

しかし、ブラウンリッジの推論には多くの疑問が生じます。したがって、ムペンバ効果を独自の方法で説明できる人には、英国王立化学会から 1,000 ポンドの賞金を競うチャンスがあります。