ムペンバ効果

ムペンバ効果とは、最初は熱い液体（通常は水）が、他の同様の条件下では冷たい液体よりも早く凍るという観察結果に付けられた名前です。その理論的根拠と効果を生み出すために必要なパラメータについては意見が分かれています。^{[1] [2]}

ムペンバ効果は、1963年に中学生だったタンザニアのエラスト・バルトロメオ・ムペンバにちなんで名付けられました。この効果の最初の発見と観察は古代に遡り、アリストテレスはそれが常識であったと述べています。^[3]

この現象は、「熱い水は冷たい水よりも早く凍る」という意味に解釈される場合、定義が曖昧であるため、再現や確認が困難です。^[4] Monwhea Jeng は、より正確な表現を提案しました。「一連の初期パラメータと一対の温度が存在し、これらのパラメータが同一で​​、初期の均一温度のみが異なる 2 つの水体がある場合、熱い水の方が早く凍ります。」^[5]

ジェンの定義でも、「凍結」が水が目に見える氷の層を形成する時点を指すのか、水全体が固体の氷の塊になる時点を指すのか、それとも水が 0 °C (32 °F; 273 K) に達した時点を指すのかは明らかではありません。^[4]ジェンの定義では、温度が上昇すると冷却面の霜が溶け、冷却面と水容器の間の熱伝導率が増加するなど、この効果が観察される単純な方法が示されています。^[4]あるいは、ムペンバ効果は、一見適格と思われる状況や環境でも明らかではない可能性があります。^[4]

水の凍結に対する熱のさまざまな影響は、アリストテレスを含む古代の科学者によって説明されている。「水が事前に温められているという事実は、水が早く凍結する一因となる。なぜなら、水は早く冷えるからである。そのため、多くの人は、水を早く冷やしたいとき、まず太陽の光に当てる。」^[6]アリストテレスの説明には、反蠕動現象が含まれていた。「...ある性質の強度が、その性質と反対の性質に囲まれた結果として増加すると考えられる。」^{[引用が必要]}

フランシス・ベーコンは「少しぬるい水は完全に冷たい水よりも凍りやすい」と指摘した。^[7] ルネ・デカルトは『方法序説』の中で、この現象を自身の渦理論と関連づけて次のように書いている。「長時間火にかけられた水は他の水よりも早く凍ることが経験的にわかる。その理由は、水が加熱されている間に、最も曲がりを止めることができない粒子が蒸発するからである。」^[8]

スコットランドの科学者ジョセフ・ブラックは、この現象の特殊なケースを調査し、沸騰させた水と沸騰させていない水を比較した。^[9]彼は、沸騰させた水の方が早く凍ることを発見した。蒸発は制御されていた。彼は、かき混ぜることによる実験結果への影響について論じ、沸騰させていない水をかき混ぜると、沸騰させた水と同時に凍ること、また非常に冷たい沸騰させていない水をかき混ぜるとすぐに凍ることに注目した。ジョセフ・ブラックはその後、ダニエル・ガブリエル・ファーレンハイトによる水の過冷却の説明について論じ、沸騰させた水はそれほど容易に過冷却できないと主張した。^[要出典]

この効果はタンザニアの科学者エラスト・ムペンバにちなんで名付けられました。彼は1963年、タンガニーカのマガンバ中等学校の3年生の時に、料理の授業で熱いアイスクリームの混合物を凍らせているときに、冷たい混合物よりも先に凍ることに気づいたと説明しました。彼は後にイリンガのムクワワ中等学校（旧高等学校）の生徒になりました。校長はダルエスサラームのユニバーシティ・カレッジからデニス・オズボーン博士を招き、物理学の講義をしてもらいました。講義の後、ムペンバは彼に尋ねました。「同じ量の水が入った2つの似たような容器を用意し、一方は35℃（95℉）で、もう一方は100℃（212℉）です。これを冷凍庫に入れると、100℃（212℉）から始まった方が先に凍ります。なぜですか？」ムペンバは最初、クラスメートからも先生からも嘲笑されました。しかし、当初は困惑したが、オズボーンは職場に戻って実験を行い、ムペンバの発見を確認した。彼らは1969年に、ムペンバがアフリカ野生生物管理大学で学んでいたときに、共同でその結果を発表した。^[10]

Mpemba と Osborne は、100 ml ビーカーに入った 70 ml の水サンプルを、発泡スチロールのシートの上に置いた家庭用冷蔵庫のアイスボックスに入れたと報告している。彼らは、初期温度が 25 °C (77 °F) のときに凍結開始までの時間が最も長く、90 °C (194 °F) 前後では凍結開始までの時間が大幅に短くなることを示した。彼らは、蒸発による液体の体積損失と溶解空気の影響を重要な要因として除外した。彼らの設定では、熱損失のほとんどは液体表面からであることがわかった。^[10]

デイヴィッド・アウアーバッハは、液体冷却槽に入れられたガラスビーカー内のサンプルで観察された効果について説明しました。すべてのケースで水は過冷却し、自然に凍結する前に典型的には-6～-18℃（21～0°F、267～255K）の温度に達しました。自然凍結が始まるのに必要な時間にはかなりのランダムな変動が見られ、場合によっては、より高温で始まった水が最初に（部分的に）凍結するという結果になりました。^[11]

2016年、バーリッジとリンデンは基準を0℃（32℉、273K）に達するまでの時間と定義し、実験を行い、これまでに発表された研究をレビューした。彼らは、当初主張されていた大きな差は再現されておらず、小さな効果を示す研究は温度計の位置のばらつきによって影響を受ける可能性があると指摘した。「やや残念なことに、ムペンバ効果の有意義な観察を裏付ける証拠はないという結論に至った。」^[1]

制御された実験では、この効果は過冷却によって完全に説明でき、凍結時間は使用された容器によって決まりました。^[12] Mpemba効果を確認する実験結果は、溶解した固体やガス、その他の交絡因子を考慮していないという欠陥があると批判されています。^[13]

Physics Worldの評論家であるフィリップ・ボールは次のように書いている。「たとえムペンバ効果が本当だとしても、つまり熱い水が冷たい水よりも早く凍ることがあるとしても、その説明が些細なものになるのか、それとも啓発的なものになるのかは明らかではない。」^[4]ボールは、この現象の調査では、多数の初期パラメータ（水の種類と初期温度、溶解したガスやその他の不純物、容器のサイズ、形状、材質、冷蔵庫の温度など）を制御し、凍結時間を確立する特定の方法を確立する必要があると書いている。これらはすべて、ムペンバ効果の有無に影響を与える可能性がある。必要な膨大な多次元の実験配列は、この効果がまだ理解されていない理由を説明するかもしれない。^[4]

ニューサイエンティスト誌は、効果を最大化するために、容器の温度をそれぞれ35℃と5℃（95℉と41℉、308Kと278K）にして実験を始めることを推奨している。 ^[14]

Mpemba効果の実際の発生については議論があるが、^[13]その発生を説明する理論的な説明がいくつかある。

2017年、2つの研究グループが独立して同時に理論的なMpemba効果を発見し、冷却された平衡から遠いシステムを加熱すると、当初平衡に近い別のシステムよりも加熱時間が短くなるという新しい「逆」Mpemba効果も予測しました。Zhiyue LuとOren Razは、マルコフ統計力学に基づく一般的な基準を提示し、イジングモデルと拡散ダイナミクスにおける逆Mpemba効果の出現を予測しました。 ^[15] Antonio Lasantaと共著者らも、平衡から遠い初期状態にある粒状ガスの直接および逆Mpemba効果を予測しました。 ^[16] Lasantaの論文では、両方のMpemba効果につながる非常に一般的なメカニズムは、マクスウェル・ボルツマン分布から大幅に逸脱する粒子速度分布関数によるものであることも示唆されています。^[16]

ビンガムトン大学の物理学者ジェームズ・ブラウンリッジは、過冷却が関係していると述べた。^{[17] [12]}いくつかの分子動力学シミュレーションも、過冷却中の水素結合の変化がこの過程で大きな役割を果たしていることを裏付けている。^{[18] [19]} 2017年、ユンウェン・タオと共著者らは、さまざまな水素結合の多様性と特異な発生がこの効果に寄与している可能性があると示唆した。彼らは、温度が上昇するにつれて強い水素結合の数が増え、強く結合した小さなクラスターの存在が、温かい水が急速に冷却されたときに六方晶氷の核形成を促進すると主張した。著者らは、振動分光法と密度汎関数理論で最適化された水クラスターによるモデリングを使用した。 ^[2]

次のような説明も提案されている。

• マイクロバブル誘起熱伝達：沸騰により水中にマイクロバブルが発生し、水が冷えても安定して浮遊したままになり、対流によって水が冷えるにつれて熱をより速く伝達するプロセス。^{[20] [21]}
• 蒸発：温かい水が蒸発すると、凍る水の質量が減ります。^[22]蒸発は吸熱反応であり、水塊は蒸気が熱を奪うことで冷却されますが、これだけでは効果のすべてを説明できない可能性があります。^[5]
• 対流、熱伝達の促進：水の密度が4℃（39℉）以下に低下すると、液体の塊の下部を冷却する対流が抑制される傾向がある。温水の密度が低いとこの効果は減少し、おそらくより急速な初期冷却が持続する。より温かい水では対流が活発になり、氷の結晶がより速く広がる可能性がある。^[23]
• 霜：霜には断熱効果があります。低温の水は上から凍り、放射と空気の対流による熱損失を抑えます。一方、高温の水は対流により下側と側面から凍りやすくなります。この要因を考慮した実験もあるため、議論の余地があります。^[5]
• 溶質：炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、その他の水に溶けているミネラル塩は、水を沸騰させると沈殿し、溶解したミネラルをすべて含む非沸騰水に比べて凝固点が上昇します。^[24]
• 熱伝導率:
  1. より熱い液体の入った容器は、容器の下で絶縁体として機能している霜の層（前述のように霜は絶縁体です）を通り抜けて溶け、霜が形成されたよりはるかに冷たい下層（氷、冷却コイルなど）と容器が直接接触する可能性があります。容器は、元々冷たかった水よりもはるかに冷たい表面（または冷却コイルなどの熱を除去するのに優れた表面）の上に置かれるため、この時点からはるかに速く冷却されます。
  2. ^{[説明が必要]}熱いビーカーの底が溶けた氷で濡れ、その後氷がビーカーの底に固着すると、底を通る伝導が支配的になります。ムペンバ効果の文脈では、空気の冷却特性が悪いのに比べて、底の氷が断熱効果を持つと考えるのは間違いです。^[25]
• 溶存ガス：冷水には温水よりも多くの溶存ガスが含まれる可能性があり、それが対流に関して水の性質を何らかの形で変化させる可能性がある。この仮説は実験的に裏付けられているが、理論的な説明はない。^[5]
• 水素結合：温水中では水素結合は弱くなります。^[2]
• 結晶化：別の説明では、温水中の水六量体状態の相対的に高い割合が結晶化を早める原因である可能性が示唆されている。^[18]
• 分布関数: ^{[説明が必要]}マクスウェル・ボルツマン分布からの大きな偏差は、ガス中に現れる潜在的なMpemba効果をもたらす。^[16]

大きな効果が小さな効果よりも早く達成される可能性がある他の現象は次のとおりです。

• 潜熱: 0 °C (32 °F) の氷を 0 °C (32 °F) の水に変えるには、水を 0 °C (32 °F) から 80 °C (176 °F) に加熱するのと同じ量のエネルギーが必要です。
• ライデンフロスト効果: 低温ボイラーは、高温ボイラーよりも速く水を蒸発させる場合があります。

2017年、特定の初期温度でシステム内で指数関数的に速い冷却が発生する「強いMpemba効果」の可能性が、Klich、Raz、Hirschberg、Vuceljaによって予測されました。^[26] 2020年に、強いMpemba効果は、Avinash KumarとJohn Boechhoeferによってコロイド系で実験的に実証されました。^[27]

• 水の密度
• 熱容量
• 水クラスター
• ニュートンの冷却の法則

注記

• Auerbach, David (1995). 「過冷却と Mpemba 効果: 熱い水が冷たい水よりも早く凍る場合」(PDF) . American Journal of Physics . 63 (10): 882–885. Bibcode :1995AmJPh..63..882A. doi :10.1119/1.18059.
  • アウアーバッハは、ムペンバ効果が、以前は熱かった過冷却水と以前は冷たかった水の挙動の違いに起因すると考えています。
• チョーン、マーカス (2006 年 6 月)。「加熱後、水が早く凍るのはなぜか」。ニューサイエンティスト。
• Conover, Emily (2017). 「熱い水は冷たい水よりも早く凍ることがあるという主張をめぐり議論が白熱」Science News . 191 (2): 14. 2018年4月2日閲覧。
• Dorsey, N. Ernest (1948). 「過冷却水の凍結」. Trans. Am. Philos. Soc . 38 (3): 247–326. doi :10.2307/1005602. hdl : 2027/mdp.39076006405018 . JSTOR  1005602.
  • 凍結実験に関する広範な研究。
• Jeng, Monwhea (2006). 「Mpemba 効果: 熱い水が冷たい水よりも速く凍るのはいつですか?」American Journal of Physics . 74 (6): 514–522. arXiv : physics/0512262 . Bibcode :2006AmJPh..74..514J. doi :10.1119/1.2186331.
• ナイト、チャールズ A. (1996 年 5 月)。「MPEMBA 効果: 温水と冷水の凍結時間」。アメリカ物理学ジャーナル64 ( 5): 524。Bibcode : 1996AmJPh..64..524K。doi :10.1119/1.18275 。

ウィキメディア・コモンズには、 Mpemba 効果に関連するメディアがあります。

• 「熱に関する質問」。HyperPhysics 。ジョージア州立大学。
• 「ムペンバ効果: なぜ熱い水は冷たい水よりも早く凍るのか」ムペンバ効果の考えられる説明
• Tyrovolas, Ilias J. (2019). 「Mpemba効果の新しい説明」。第5回エントロピーとその応用に関する国際電子会議。第46巻。p. 2。doi ： 10.3390 / ecea-5-06658。ムペンバ効果の新たな説明
• 「ムペンバ効果: 熱い水は冷たい水よりも早く凍る可能性がある」。Mpemba効果の分析ロンドンサウスバンク大学
• 「Mpemba効果」。2011年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。– ムペンバ効果の歴史と分析
• 「主人公たちが語るムペンバ効果の物語」。YouTube。2013年1月10日。2021年12月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。エラスト・B・ムペンバ、デニス・G・オズボーン博士、レイ・デソウザとの歴史的インタビュー
• 「お湯と冷水ではどちらが早く凍りますか？」2021年8月25日閲覧。高校の実験の説明と実験結果へのリンク
• アダムス、セシル、MQC、メアリー (1996)。「お湯と冷水ではどちらが早く凍りますか?」The Straight Dope。シカゴ リーダー社。
• Brownridge, James (2010)。「Mpemba 効果の探索: 温水が冷水よりも速く凍るとき」。arXiv : 1003.3185 [ physics.pop-ph]。
• Jeng, Monwhea (1998 年 11 月)。「お湯は冷水よりも早く凍りますか?」カリフォルニア大学Usenet物理学FAQ
• Mpemba コンペティション - 王立化学協会
• Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. 「Mpemba 効果」(PDF)。物理学研究所。
• Sun, Chang Q.; Sun, Yi (2016). 水の属性: 単一の概念、複数の神話。Springer Series in Chemical Physics。第 113 巻。Bibcode :2016awsn.book.....S. doi :10.1007 / 978-981-10-0180-2。ISBN 978-981-10-0178-9。