Парадокс Мпемби: пояснення, чому гаряче замерзає швидше за холодне, змінює термодинаміку

Японські дослідники з Кіотського університету запропонували універсальний критерій для оцінки ефекту Мпемби, суть якого полягає у тому, що гарячі системи замерзають швидше за більш холодні при однакових умовах.

Вперше подібний ефект, як вважається, був відмічений ще Аристотелем більше 2 тис. років тому. Його заново виявив танзанійський студент Ераст Мпемба у 1963 році. Це сталось, коли він займався приготуванням морозива на одному з кулінарних уроків. Він звернувся до місцевого вчителя фізики із проханням пояснити, чому гаряча суміш морозива у холодильнику замерзає швидше за холодну, але той лише посміявся над ним.

Пізніше Мпемба звернувся з тим же питанням до професора фізики з університету Дар-ес-Саламу Денніса Осборна. Згодом Мпемба та Осборн спільно випустили статтю де описали подібний парадокс на прикладі звичайної води.

Вони також з’ясували, що ефект Мпемби поширюється не лише на воду та прості рідини. Подібне вони спостерігали і у інших системах під мікроскопом. При цьому виявлення цього парадоксу критично залежить від вибіру міри відстані, яку використовують для визначення того, наскільки система далека від рівноваги.

Через те, що існує бескінечна кількість можливих мір відстані, ефект, що спостерігається із використанням однієї міри, може не проявитись протягом будь-якого кінцевого часу за допомогою іншої. Традиційно зазвичай оцінюється швидкість релаксації, яка визначає швидкість повернення системи до рівноваги після зміни температури із використанням однієї монотонної міри. Однак у такому разі можна отримати хибні чи суперечливі результати.

Це змусило японських дослідників розробити універсальний критерій для визначення прояву ефекту Мпемби. Цей критерій покладається не на якийсь один показник, а спирається на теорію термомажоризації — математичну структуру, що об’єднує різні міри відстані.

Використання цієї теорії допомогло японським дослідникам визначити точний критерій для оцінки швидкості теплової релаксації, позбавившись неоднозначностей, які виникали у попередніх дослідженнях. Науковці також визначили, що ефект не обмежується певним діапазоном температур, але може проявлятися в широкому спектрі температурних умов.

Японські дослідники на основі цього запропонували новий погляд на фундаментальні принципи, що керують динамікою теплової релаксації, а також потенційне застосування для підвищення ефективності теплових двигунів і технологій охолодження. За їхніми словами, залишається відкритим ключове питання, у якому мінімальному часовому масштабі може проявитись термомажоризаційний ефект Мпемба? Дослідження цього аспекту через призму обмежень швидкості може допомогти встановити фундаментальні обмеження на динаміку релаксації.

Дослідження було опубліковане у журналі Physical Review Letters

Джерело: SciTechDaily