음펨바 효과

Mpemba effect

음펨바 효과는 초기에 뜨거운 액체(일반적으로 물)가 다른 유사한 조건에서 차가워지기 시작하는 동일한 액체보다 더 빨리 얼 수 있다는 관찰에 붙여진 이름입니다.그 이론적 근거와 효과를 [1][2]내는 데 필요한 매개변수에 대해서는 의견이 분분하다.

음펨바 효과는 1963년 크게 대중화된 탄자니아 학생 에라스토 바르톨로메오 음펨바의 이름을 따왔다.그러나 이 발견과 그것에 대한 주목할 만한 관찰은 아리스토텔레스에 의해 [3]상식이라고 말해온 고대부터 시작되었다.

정의.

이 현상은 "뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 언다"는 의미로 받아들여질 때 재현하거나 확인하는 것이 어렵다. 왜냐하면 이 문구가 잘못 [4]정의되어 있기 때문이다.

Monwhea Jeng은 보다 정확한 표현을 제안했습니다.

"초기 매개변수와 한 쌍의 온도가 존재하는데, 이러한 매개변수가 동일하고 초기 균일한 온도에서만 다른 두 개의 수역이 주어진다면 뜨거운 수역은 더 [5]빨리 얼게 될 것입니다."

그러나 이러한 정의에도 불구하고, "얼음"이 물이 눈에 보이는 얼음 표면층을 형성하는 지점, 물의 전체 부피가 단단한 얼음 덩어리가 되는 지점, 또는 물이 0°C(32°F; 273K)[4]에 도달하는 지점을 가리키는지는 명확하지 않다.위의 정의는 따뜻한 온도가 냉각 표면의 서리를 녹여 냉각 표면과 물 [4]용기 사이의 열 전도율을 높이는 것과 같은 효과를 관찰할 수 있는 간단한 방법을 제시합니다.대안으로, 음펨바 효과는 처음에 그러한 [4]조건을 충족하는 것처럼 보일 수 있는 상황이나 상황에서는 분명하지 않을 수 있다.

관찰.

이력 컨텍스트

아리스토텔레스와 같은 고대 과학자들에 의해 물의 결빙에 대한 열의 다양한 영향이 설명되었다.

"이전에 물이 따뜻해졌다는 사실은 얼음이 빨리 얼게 하는 원인이 됩니다. 왜냐하면 물이 더 빨리 식기 때문입니다.그러므로 많은 사람들은 물을 빨리 식히고 싶을 때 햇볕에 쬐는 것부터 시작한다.폰토스의 주민들은 물고기를 잡으려고 얼음 위에 진을 칠 때(얼음을 파서 고기를 잡는다) 갈대 주변에 따뜻한 물을 붓는다.갈대들은 얼음을 납처럼 사용하여 [6]갈대를 고정하기 때문이다.

아리스토텔레스의 설명은 항페리스티스를 포함했다: ""질질의 반대되는 [citation needed]질에 둘러싸인 결과로서 질성의 강도의 증가""

프랜시스 베이컨과 같은 초기 현대 과학자들은 "약간 미지근한 물은 완전히 차가운 [7]물보다 더 쉽게 얼어요."라고 언급했다.

르네 데카르트는 그의 방법에 관한 담화에서 이 현상을 그의 소용돌이 이론과 연관지어 다음과 같이 썼다.

"불 위에 오랫동안 놓아둔 물이 다른 물보다 빨리 언다는 것을 경험으로 알 수 있는데, 그 이유는 물이 [8]가열되는 동안 휘어지는 것을 멈출 수 없는 입자가 증발하기 때문입니다."

스코틀랜드의 과학자 조셉 블랙은 이전에 끓인 [9]물과 비교한 이 현상의 특별한 사례를 조사했다; 이전에 끓인 물은 더 빨리 얼었다.증발이 제어되었습니다.그는 끓이지 않은 물을 휘젓는 것이 실험 결과에 미치는 영향에 대해 논의하면서, 끓이지 않은 물을 휘젓는 것이 이전에 끓인 물과 동시에 얼게 하는 것을 언급했고, 또한 매우 차가운 끓이지 않은 물을 휘젓는 것이 즉시 얼게 하는 것을 언급했다.그리고 나서 조셉 블랙은 물의 과냉각에 대한 화씨 묘사에 대해 논의했고, 현대 용어로는 이전에 끓인 물은 쉽게 [citation needed]과냉각될 수 없다고 주장했다.

음펨바의 관찰

이 효과는 탄자니아 에라스토 음펨바의 이름을 따왔다.그는 1963년 탕가니카 마감바 중등학교 양식 3에서 요리 수업에서 뜨거웠던 아이스크림 믹스를 얼리고 차가운 믹스 전에 얼었다는 것을 알게 된 것을 묘사했다.그 후, 이링가의 Mkwawa Secondary(구 고등학교)의 학생이 되었다.교장은 다르에스살람에 있는 대학 대학의 데니스 오스본 박사를 물리학 강의에 초대했다.강의가 끝난 후 음펨바는 그에게 중심 질문을 던졌다.

"한 개는 35°C(95°F)에서, 다른 한 개는 100°C(212°F)에서 등 동일한 양의 물을 가진 두 개의 유사한 용기를 가져다가 냉동실에 넣으면 100°C(212°F)에서 시작된 것이 먼저 얼게 됩니다. 왜일까요?"

음펨바는 처음에는 반 친구들과 선생님 모두에게 조롱을 받았다.하지만 처음 당황한 후, 오스본은 그의 직장에서 이 문제에 대해 실험했고 음펨바의 발견을 확인했습니다.그들은 음펨바가 아프리카 야생동물 [10]관리 대학에서 공부하고 있을 때 1969년에 그 결과를 함께 발표했다.

Mpemba와 Osborne은 가정용 냉장고의 아이스박스에 70ml(2.5imp floz; 2.4 US floz)의 물 샘플을 100ml(3.5imp floz; 3.4 US floz)의 비커에 넣어 폴리스틸렌 폼 시트 위에 놓았습니다.그 결과, 초기 온도가 25°C(77°F)로 동결 시작까지의 시간이 가장 길었고 약 90°C(194°F)에서 훨씬 낮았다.그들은 증발에 의한 액체 부피의 손실과 용해된 공기의 영향을 배제했다.이들의 설정에서 대부분의 열 손실은 액체 [10]표면에서 발생하는 것으로 밝혀졌다.

현대 실험 작품

David Auerbach는 액체 냉각 욕조에 넣은 유리 비커 샘플에서 관찰한 효과에 대해 설명했습니다.모든 경우에 물이 과냉각되어 일반적으로 -6 ~ -18 °C(21 ~ 0 °F, 267 ~ 255 K)의 온도에 도달한 후 자발적으로 얼었다.자발적 동결이 시작되는 데 필요한 시간 동안 상당한 무작위 변화가 관찰되었으며, 일부 경우에는 물이 먼저 뜨겁게(부분적으로) 얼었다.[11]

2016년 Burridge와 Linden은 이 기준을 0°C(32°F; 273K)에 도달하는 시간으로 정의하고 실험을 수행했으며 현재까지 발표된 연구 결과를 검토했다.그들은 원래 주장했던 큰 차이는 재현되지 않았으며, 작은 효과를 보여주는 연구는 온도계의 위치 변화에 영향을 받을 수 있다고 언급했다. "우리는 다소 슬프게도 음펨바 [1]효과에 대한 의미 있는 관찰을 뒷받침하는 증거가 없다고 결론지었다."

통제된 실험에서는 그 효과가 전적으로 과냉각으로 설명될 수 있으며 냉동 시간은 [12][13]사용된 용기에 의해 결정되었습니다.

Physical World의 리뷰어 Philip Ball은 다음과 같이 썼다.

"음펨바 효과가 진짜라고 해도 - 뜨거운 물이 차가운 것보다 더 빨리 얼 수 있다면 - 설명이 사소한 것인지 밝은 [4]것인지 명확하지 않습니다."

Ball은 현상에 대한 조사가 많은 초기 파라미터(물의 종류와 초기온도, 용존가스 및 기타 불순물, 용기의 크기, 모양과 재료, 냉장고의 온도 등)를 제어하고 특정 시간 설정 방법에 대한 합의가 필요하다고 지적했다.f f freezing, 이 모든 것이 Mpemba 효과의 유무에 영향을 줄 수 있습니다.필요한 방대한 다차원 실험 배열은 왜 그 효과가 아직 [4]이해되지 않았는지 설명할 수 있다.

New Scientist는 효과를 [14]극대화하기 위해 각각 35°C와 5°C(95 및 41°F, 308 및 278K)에서 용기를 사용하여 실험을 시작할 것을 권장합니다.관련 연구에서 냉동고 온도는 용기 온도와 마찬가지로 [citation needed]음펨바 현상을 관찰할 확률에도 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.

이론적 설명

음펨바 효과의 실제 발생은 [13]논란의 여지가 있지만, 몇 가지 이론적 설명이 그 발생을 설명할 수 있다.2017년 두 연구 그룹은 독립적으로 동시에 이론적인 음펨바 효과를 발견했으며, 냉각되고 평형과는 거리가 먼 시스템을 가열하는 데 초기에 평형에 가까운 다른 시스템보다 시간이 적게 걸리는 새로운 "역" 음펨바 효과를 예측했다.Lu와[15] Raz는 마르코프 통계역학에 기초한 일반적인 기준을 제시하며, Ising 모델과 확산 역학에서 역음펨바 효과의 출현을 예측한다.Lasanta와 동료들은[16] 또한 평형 초기 상태에서 입자가스에 대한 직접 및 역 M펨바 효과를 예측한다.이 마지막 연구에서, 두 M펨바 효과로 이어지는 매우 일반적인 메커니즘은 맥스웰-볼츠만 분포에서 크게 벗어난 입자 속도 분포 함수 때문이라고 제안되었다.뉴욕 주립 대학의 방사선 안전 담당자인 제임스 브라운리지 씨는 과냉각이 [17][12]관여하고 있다고 말했다.또한 여러 분자역학 시뮬레이션은 과냉각 시 수소 결합의 변화가 [18][19]이 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 뒷받침하고 있다.Tao와 동료들은 진동 스펙트럼 분석과 밀도 함수 이론 최적화 물 클러스터를 이용한 모델링의 결과에 기초하여, 그 이유가 다양한 수소 결합의 광범위한 다양성과 특이성 발생에 있을 수 있다는 또 다른 가능한 설명을 제안했다.온도가 올라갈수록 강한 수소 결합이 증가한다는 게 핵심이다.강한 결합을 가진 작은 클러스터가 존재하기 때문에 따뜻한 물이 [2]빠르게 냉각될 때 육각형 얼음의 핵 형성이 용이해집니다.

권장 설명

다음과 같은 설명이 제안되었습니다.

  • 마이크로버블 유도 열전달: 물이 차가워질 때 안정적으로 현탁되어 있는 물에서 비등하는 과정이 대류에 의해 작용하여 물이 [20][21]차가워질 때 열을 더 빨리 전달하는 것이다.
  • 증발:따뜻한 물의 증발은 [22]얼릴 물의 질량을 감소시킨다.증발은 흡열성이며, 이는 수분이 열을 운반하는 증기에 의해 냉각된다는 것을 의미하지만, 이것만으로는 아마도 그 [5]효과 전체를 설명하지 못할 것이다.
  • 대류:열전달을 가속화합니다.수밀도를 4°C(39°F) 미만으로 낮추면 액체 질량의 하부를 냉각시키는 대류 전류를 억제하는 경향이 있습니다. 온수 밀도가 낮을수록 이러한 효과가 감소하여 초기 냉각 속도가 더 빠를 수 있습니다.따뜻한 물에서 더 높은 대류량은 얼음 결정체를 [23]더 빨리 확산시킬 수도 있다.
  • 프로스트: 단열 효과가 있습니다.온도가 낮은 물은 위에서부터 얼기 때문에 방사선과 공기 대류에 의한 열 손실이 더 줄어드는 반면, 따뜻한 물은 물 대류 때문에 바닥과 측면에서 얼기 쉽습니다.이것은 [5]이 요인을 설명하는 실험들이 있기 때문에 논란이 되고 있다.
  • 솔루션:물에 녹은 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 기타 미네랄염은 물을 끓일 때 침전되어 [24]용해된 미네랄을 모두 포함하는 끓이지 않은 물에 비해 어는점이 증가할 수 있다.
  • 열전도율:
    1. 뜨거운 액체의 용기는 용기 아래의 절연체 역할을 하는 서리층을 통해 녹을 수 있습니다(위에서 언급한 바와 같이 서리는 절연체입니다). 따라서 용기는 서리가 형성된 훨씬 차가운 하부층(얼음, 냉동 코일 등)과 직접 접촉할 수 있습니다.이제 용기는 원래 차가운 물보다 훨씬 차가운 표면(또는 냉각 코일 등 열 제거 능력이 뛰어난 표면)에 놓여져 있기 때문에 이 시점부터 훨씬 더 빨리 냉각됩니다.
    2. 뜨거운 비커의 바닥이 녹은 얼음에 젖어 끈적끈적한 얼음을 만들 때 바닥을 통한 전도가 지배적이다.음펨바 효과의 맥락에서 볼 때, 낮은 [25]공기의 냉각 특성에 비해 바닥 얼음이 단열된다고 생각하는 것은 잘못된 것이다.
  • 용해 가스: 차가운 물은 뜨거운 물보다 더 많은 용해 가스를 포함할 수 있으며, 이는 대류 전류와 관련하여 물의 특성을 바꿀 수 있습니다. 이는 실험적인 뒷받침이 있지만 이론적인 [5]설명이 없는 제안입니다.
  • 수소 결합:따뜻한 물에서는 수소 결합이 더 [2]약하다.
  • 결정화:또 다른 설명은 따뜻한 물에서 상대적으로 높은 물 육각체 상태의 인구가 더 빠른 [18]결정화의 원인이 될 수 있다는 것을 암시한다.
  • 전달 함수:Maxwell-Boltzmann 분포에서 크게 벗어나면 [16]기체에 잠재적 M펨바 효과가 나타난다.

유사한 효과

큰 효과가 작은 효과보다 더 빨리 달성될 수 있는 다른 현상은 다음과 같다.

  • 잠열:0°C(32°F)의 얼음을 0°C(32°F)의 물로 바꾸는 것은 0°C(32°F)에서 80°C(176°F)까지의 가열수와 동일한 양의 에너지를 소비한다.
  • 라이덴프로스트 효과: 온도가 낮은 보일러는 온도가 높은 보일러보다 물을 더 빨리 증발시킬 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

메모들

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참고 문헌

외부 링크

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