Новости

Эксперимент показал, действительно ли горячая вода остывает быстрее холодной

Горячее вещество может остывать быстрее, чем теплое, выяснило новое исследование. В некоторых случаях ускорение бывает даже экспоненциальным.

Исследование опубликовано в Nature, кратко о нем сообщает Science News.

Эксперимент был вдохновлен парадоксом Мпембы — противоречащему здравому смыслу наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Однако экспериментально изучить это явление было непросто из-за сложных свойств воды и особенностей процесса ее замерзания. Авинаш Кумар и Джон Беххефер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби, Канада, придумали, как обойти трудности. Вместо воды они использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра, а также изучали эффект Мпембы на примере процесса охлаждения, а не замораживания, который считается более сложным. «Это был первый случай, когда  получился чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект», — отмечает химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, а измерения проводились 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусинку, создавая энергетический ландшафт (потенциал), а шарик тем временем охлаждался в ванне с водой. 

Чтобы изучить, как система охлаждается, исследователи отслеживали движение шариков во времени. Бусины изначально имели высокую или умеренную температуру, а ученые измеряли, сколько времени требуется, чтобы бусины остыли до температуры воды. При определенных условиях шарики, которые изначально были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда даже экспоненциально быстрее, чем изначально более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как охлаждение шариков с более низкой начальной температурой заняло в 10 раз больше времени.

Принято считать, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору в деле охлаждения. Но в некоторых случаях эта простая логика неверна — в частности, для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия. Для таких систем вместо прямого пути от горячего к холодному может быть несколько вариантов. Это похоже на то, как путешественник может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема через гору.

Ранее ученые нашли самый быстрый способ нагрева материала: сперва его нужно охладить.

 

Читайте также
Теория струн, или Теория всего
Теория струн, или Теория всего
Если вы думаете, что речь идет о музыке, то спрячьте гитару: теория струн — неразгаданная часть физики XXI, а то и XX века!
Варп-двигатель: как технология из Star Trek поможет покорить космос
Варп-двигатель: как технология из Star Trek поможет покорить космос
Варп-двигатель придумали фантасты, но эта технология имеет серьезное научное обоснование.
Вопрос науки. От квазаров до Байкала — где ищут нейтрино высоких энергий
Вопрос науки. От квазаров до Байкала — где ищут нейтрино высоких энергий
Нейтрино: что это такое и почему на них охотится мировое научное сообщество?