“泼水成冰那么火!为什么要用热水,你知道吗?《Nature》揭秘:热水比冷水结冰更快

如果小编问大家:“热水和冷水哪个结冰更快?”南方的同学可能不约而同的选择冷水。

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北方的同学就笑了,这是生活常识:答案是热水!但是为什么呢?

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【冰淇淋中发现的“Mpemba效应”】

1963年的一天,坦桑尼亚的一所中学里一群学生准备做冷冻食品。一名叫埃拉斯托·姆潘巴的学生在热牛奶里加了糖,准备放进冰箱里做冰淇淋。他觉得等热牛奶冷了后再放进冰箱,其他同学就会把冰箱装满,于是他把热牛奶直接放进冰箱。等他打开冰箱后,他惊奇的发现只有自己的杯子里变成了美味的冰淇淋,而其他同学用冷水做的还没有结冰。于是,姆潘巴告诉达累斯萨拉姆大学物理学教授奥斯本博士关于这一特殊现象。尊重科学的奥斯本又进行了一次实验,结果完全符合姆潘巴的描述。这无疑证实了热水在低温下比冷水结冰快。从那时起,世界上许多科学期刊都介绍了这种自然现象,并将其命名为“姆潘巴现象”。

【如何科学验证?】

事实上对于Mpemba效应,这是一种违反直觉的现象,在一定条件下,热水比冷水更快结冰。但是,已经报到的研究这一现象的实验,由于水结冰过程的复杂性而变得混乱不堪,使得研究结果难以重现,也使得科学家对造成这一现象的原因、如何定义这一现象以及这一现象是否真的存在等问题上存在分歧。

近日,为了避免体系的复杂性,西蒙弗雷泽大学的John Bechhoefer教授团队用直径1.5微米的小玻璃珠代替水做研究对象,研究人员根据冷却速度而不是更复杂的冷冻过程来定义Mpemba效应。研究发现,高温物体比低温物体冷却得更快。当我们对物体冷却到一定温度时,科学家发现温度较高的系统比温度较低的系统冷却的时间要短。在某些情况下,这种高温加速甚至是指数级的。该研究以题为“Exponentially faster cooling in a colloidal system”发表在顶级期刊Nature上。

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【Mpemba效应的再定义】

研究人员用三个温度Th>Tw>Tc来定义Mpemba效应,在这三个温度下,系统从热态冷却到冷态的时间比从中间热态冷却到相同冷态的时间Tw短。在上述定义中,Th表示高温系统的初始状态,Tw表示低温系统的初始状态,Tc表示热浴温度。 在这样的定义下,研究团队首次实现了在完全可控的条件下,证明从Th冷却到Tc所需的时间,比从Tw冷却到Tc的时间更短。

【实验方法】

在实验中,他们使用了直径仅为1.5微米的小玻璃珠来代表水分子。然后通过设定参数,选择在不同的条件下将数千个小玻璃珠投入一个充当热浴的烧杯中。当每一颗玻璃珠落下时,他们会使用光镊对玻璃珠施加作用力;与此同时,玻璃珠在这一过程中也会在热浴中得到冷却。从玻璃珠在相应的作用力下做的运动,研究人员可以计算出玻璃珠的实效温度。事实上,由于微珠的空间尺寸小,能垒低,能迅速与熔池平衡(≱0.1s)。然后可以轻松地进行几千次试验,形成一个统计数据,从中可以精确测量平衡态和非平衡态的温度。

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图1.Mpemba效应的能量势垒及玻尔兹曼分布。

 

为了更进一步地研究系统是如何冷却的,本文中研究人员追踪了玻璃珠在一段时间内的运动。他们测量了玻璃珠从Th或Tw冷却到Tc的时间,发现在有的设定下,初始温度为Th的玻璃珠冷却得比初始温度为Tw的玻璃珠快得多。比如在特定的条件设定下,从Th冷却到Tc只需2毫秒的时间,而从Tw冷却到Tc则需要20毫秒以上的时间。

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图2. 系统弛豫到平衡的动力学。

 

【非对称区域的Mpemba效应】

按照传统的理论,高温物体首先要冷却到低温物体的温度,然后就能和低温物体一样冷却到指定的温度,这意味着高温物体冷却时间要更长。但在某些情况下,这种简单的逻辑是错误的,特别是对于不处于热平衡状态的系统。对于这样一个系统,它的行为不再仅仅以温度为特征。当珠子冷却时,它们并没有处于热平衡状态,这意味着它们在势能分布上的位置并不允许用单一温度来描述它们。

对于这样的系统,没有从热到冷的直接路径,而是有多条到冷的路径,这就允许了潜在的捷径。对于珠子来说,根据势能的分布,从较高的温度开始,意味着它们可以更容易地重新排列成与较低温度相匹配的结构。

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图3. 平衡时间作为初始系统温度的函数。

 

【未来何方?】

特定系统的详细理论可以解释给定系统中的重要现象,例如,添加剂如何增加水中可达到的过冷度,帮助昆虫在亚冷冻温度下存活,应用的一般理论则表明,在各种环境和材料中,类似行为是如何产生的。在这里,作者利用他们对Mpemba效应现象学的理解来识别实验参数的特殊组合,其中a2系数消失(强Mpemba效应),对应于指数更快的冷却。最近的一个理论表明,初始冷却实际上可以使加热时间成倍地加快。事实上,寻找这种反向Mpemba效应仍然是一个诱人的实验目标。更广泛地说,热松弛和散热仍然是重要的技术挑战。例如,它们限制了微处理器和其他集成电路的性能。将类似Mpemba的效应应用到技术相关的材料中,可能会提供新的重要策略,以快速地从局部热源中去除热量。

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