Парадокс Мпембы: объяснение, почему горячее замерзает быстрее холодного, меняет термодинамику

Японские исследователи из Киотского университета предложили универсальный критерий для оценки эффекта Мпембы, суть которого заключается в том, что горячие системы замерзают быстрее более холодных при одинаковых условиях.

Впервые подобный эффект, как считается, был отмечен еще Аристотелем более 2 тыс. лет назад. Его заново обнаружил танзанийский студент Эраст Мпемба в 1963 году. Это произошло, когда он занимался приготовлением мороженого на одном из кулинарных уроков. Он обратился к местному учителю физики с просьбой объяснить, почему горячая смесь мороженого в холодильнике замерзает быстрее холодной, но тот лишь посмеялся над ним.

Позже Мпемба обратился с тем же вопросом к профессору физики из университета Дар-эс-Салама Деннису Осборну. Впоследствии Мпемба и Осборн совместно выпустили статью где описали подобный парадокс на примере обычной воды.

Они также выяснили, что эффект Мпембы распространяется не только на воду и простые жидкости. Подобное они наблюдали и в других системах под микроскопом. При этом обнаружение этого парадокса критически зависит от выбора меры расстояния, которую используют для определения того, насколько система далека от равновесия.

Так как существует бесконечное количество возможных мер расстояния, наблюдаемый эффект с использованием одной меры, может не проявиться в течение какого-либо конечного времени с помощью другой. Традиционно обычно оценивается скорость релаксации, которая определяет скорость возвращения системы к равновесию после изменения температуры с использованием одной монотонной меры. Однако в таком случае можно получить ложные или противоречивые результаты.

Это заставило японских исследователей разработать универсальный критерий для определения проявления эффекта Мпембы. Этот критерий полагается не на какой-то один показатель, а опирается на теорию термомажоризации — математическую структуру, объединяющую различные меры расстояния.

Использование этой теории помогло японским исследователям определить точный критерий для оценки скорости тепловой релаксации, избавившись от противоречий, которые возникали в предыдущих исследованиях. Ученые также определили, что эффект не ограничивается определенным диапазоном температур, но может проявляться в широком спектре температурных условий.

Японские исследователи на основе этого предложили новый взгляд на фундаментальные принципы, управляющие динамикой тепловой релаксации, а также потенциальное применение для повышения эффективности тепловых двигателей и технологий охлаждения. По их словам, остается открытым ключевой вопрос, в каком минимальном временном масштабе может проявиться термомажоризационный эффект Мпембы? Исследование этого аспекта через призму ограничений скорости может помочь установить фундаментальные ограничения на динамику релаксации.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters

Источник: SciTechDaily