Effet Mpemba - Mpemba effect

Mpemba-deux-sondes-eau.svg

L' effet Mpemba est le nom donné à l' observation selon laquelle un liquide (généralement de l' eau ) qui est initialement chaud peut geler plus rapidement que le même liquide qui commence à froid, dans des conditions par ailleurs similaires. Il existe un désaccord sur sa base théorique et les paramètres requis pour produire l'effet.

L'effet Mpemba doit son nom à l'écolier tanzanien Erasto Bartholomeo Mpemba (né en 1950) dont l'histoire en 1963 est devenue très populaire. La découverte et les observations notées de celui-ci, cependant, ont leur origine dans les temps anciens, ayant été dit par Aristote comme étant de notoriété publique.

Définition

Le phénomène, pris au sens de « l'eau chaude gèle plus vite que le froid », est difficile à reproduire ou à confirmer car cette affirmation est mal définie. Monwhea Jeng propose une formulation plus précise :

Il existe un ensemble de paramètres initiaux, et une paire de températures, telles qu'étant donné deux masses d'eau identiques dans ces paramètres, et ne différant que par des températures uniformes initiales, la chaude gèlera plus tôt.

Cependant, même avec cette définition, il n'est pas clair si le "gel" fait référence au point auquel l'eau forme une couche superficielle visible de glace, le point auquel tout le volume d'eau devient un bloc de glace solide, ou lorsque l'eau atteint 0 °C (32 °F). Une quantité d'eau peut être à 0 °C (32 °F) et ne pas être de la glace; après qu'une quantité suffisante de chaleur ait été retirée pour atteindre 0 °C (32 °F), davantage de chaleur doit être retirée avant que l'eau ne passe à l'état solide (glace), de sorte que l'eau peut être liquide ou solide à 0 °C (32 °F).

Avec la définition ci-dessus, il existe des moyens simples d'observer l'effet, par exemple si une température plus élevée fait fondre le givre sur une surface de refroidissement et augmente ainsi la conductivité thermique entre la surface de refroidissement et le réservoir d'eau. Alternativement, l'effet Mpemba peut ne pas être évident dans des situations et dans des circonstances qui peuvent à première vue sembler y répondre.

Observations

Contexte historique

Divers effets de la chaleur sur le gel de l'eau ont été décrits par d'anciens scientifiques comme Aristote : « Le fait que l'eau ait été préalablement réchauffée contribue à sa congélation rapide : car ainsi elle se refroidit plus tôt. vite, commencez par la mettre au soleil. Ainsi les habitants du Pont, lorsqu'ils campent sur la glace pour pêcher (ils font un trou dans la glace puis pêchent) versent de l'eau tiède autour de leurs roseaux pour qu'elle gèle plus vite, car ils utilise la glace comme du plomb pour fixer les roseaux." L'explication d'Aristote impliquait l' antipéristasis , "l'augmentation supposée de l'intensité d'une qualité en raison de l'entourage de sa qualité contraire".

Les premiers scientifiques modernes tels que Francis Bacon ont noté que « l'eau légèrement tiède gèle plus facilement que celle qui est totalement froide ». Dans l'original latin , "aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida".

René Descartes écrivait dans son Discours sur la méthode : « On peut voir par expérience que l'eau qui a été longtemps tenue au feu gèle plus vite que les autres, la raison étant que celles de ses particules qui sont le moins capables d'arrêter de se courber s'évaporent pendant que l'eau est chauffée." Cela se rapporte à la théorie des vortex de Descartes .

Le scientifique écossais Joseph Black a étudié un cas particulier de ce phénomène en comparant l'eau préalablement bouillie à l'eau non bouillie ; l'eau préalablement bouillie a gelé plus rapidement. L'évaporation a été contrôlée. Il a discuté de l'influence de l'agitation sur les résultats de l'expérience, notant que l'agitation de l'eau non bouillie la faisait geler en même temps que l'eau préalablement bouillie, et a également noté que l'agitation de l'eau non bouillie très froide conduisait à une congélation immédiate. Joseph Black a ensuite discuté de la description de Fahrenheit de la surfusion de l'eau (bien que le terme de surfusion n'ait pas été alors inventé), arguant, en termes modernes, que l'eau préalablement bouillie ne pouvait pas être aussi facilement surfondue.

L'observation de Mpemba

L'effet porte le nom du Tanzanien Erasto Mpemba . Il l'a décrit en 1963 dans le formulaire 3 de l'école secondaire Magamba, au Tanganyika , en congelant un mélange de crème glacée chaud dans des cours de cuisine et en remarquant qu'il avait gelé avant le mélange froid. Il est ensuite devenu élève à l'école secondaire Mkwawa (anciennement secondaire) à Iringa . Le directeur a invité le Dr Denis Osborne du Collège universitaire de Dar es Salaam à donner une conférence sur la physique. Après la conférence, Mpemba lui a posé la question : « Si vous prenez deux récipients similaires avec des volumes égaux d'eau, l'un à 35 °C (95 °F) et l'autre à 100 °C (212 °F), et les mettez dans un congélateur, celui qui a commencé à 100 °C (212 °F) gèle en premier. Pourquoi ? », pour être ridiculisé par ses camarades de classe et son professeur. Après la consternation initiale, Osborne a expérimenté le problème sur son lieu de travail et a confirmé les conclusions de Mpemba. Ils ont publié les résultats ensemble en 1969, alors que Mpemba étudiait au College of African Wildlife Management . Mpemba et Osborne décrivent le placement d'échantillons d'eau de 70 ml (2,5 imp fl oz; 2,4 US fl oz) dans des béchers de 100 ml (3,5 imp fl oz; 3,4 US fl oz) dans la glacière d'un réfrigérateur domestique sur une feuille de mousse de polystyrène . Ils ont montré que le temps de démarrage de la congélation était le plus long avec une température initiale de 25 °C (77 °F) et qu'il était beaucoup moins long à environ 90 °C (194 °F). Ils ont exclu la perte de volume de liquide par évaporation comme facteur significatif et l'effet de l'air dissous. Dans leur configuration, la plupart des pertes de chaleur provenaient de la surface du liquide.

Travail expérimental moderne

David Auerbach décrit un effet qu'il a observé dans des échantillons dans des béchers en verre placés dans un bain de refroidissement liquide. Dans tous les cas, l'eau a surfondu, atteignant une température de -6 à -18 °C (21 à 0 °F) avant de geler spontanément. Des variations aléatoires considérables ont été observées dans le temps requis pour que la congélation spontanée commence et, dans certains cas, cela a eu pour résultat que l'eau a commencé à geler (partiellement) plus chaude en premier. En 2016, Burridge et Linden ont défini le critère comme le temps nécessaire pour atteindre 0 °C (32 °F), ont mené des expériences et examiné les travaux publiés à ce jour. Ils ont noté que la grande différence revendiquée à l'origine n'avait pas été reproduite et que les études montrant un petit effet pourraient être influencées par des variations dans le positionnement des thermomètres. Ils disent: "Nous concluons, un peu tristement, qu'il n'y a aucune preuve pour soutenir des observations significatives de l'effet Mpemba". Dans des expériences contrôlées, l'effet peut être entièrement expliqué par une surfusion et le temps de congélation a été déterminé par le récipient utilisé. Un critique de Physics World écrit: "Même si l'effet Mpemba est réel - si l'eau chaude peut parfois geler plus rapidement que le froid - il n'est pas clair si l'explication serait triviale ou éclairante." Il a souligné que les enquêtes sur le phénomène doivent contrôler un grand nombre de paramètres initiaux (y compris le type et la température initiale de l'eau, le gaz dissous et d'autres impuretés, et la taille, la forme et le matériau du récipient, et la température du réfrigérateur) et besoin de s'arrêter sur une méthode particulière d'établissement du temps de gel, ce qui pourrait affecter la présence ou l'absence de l'effet Mpemba. Le vaste éventail d'expériences multidimensionnelles requis pourrait expliquer pourquoi l'effet n'est pas encore compris. New Scientist recommande de commencer l'expérience avec des conteneurs à 35 et 5 °C (95 et 41 °F) pour maximiser l'effet. Dans une étude connexe, il a été constaté que la température du congélateur affecte également la probabilité d'observer le phénomène Mpemba ainsi que la température du conteneur.

Explications théoriques

Alors que l'occurrence réelle de l'effet Mpemba est un sujet de controverse, plusieurs explications théoriques pourraient expliquer son apparition. En 2017, deux groupes de recherche ont indépendamment et simultanément trouvé un effet Mpemba théorique et ont également prédit un nouvel effet Mpemba « inverse » dans lequel le chauffage d'un système refroidi et éloigné de l'équilibre prend moins de temps qu'un autre système initialement plus proche de l'équilibre. Lu et Raz donnent un critère général basé sur la mécanique statistique markovienne, prédisant l'apparition de l'effet Mpemba inverse dans le modèle d'Ising et la dynamique de diffusion. Lasanta et ses collaborateurs prédisent également les effets Mpemba directs et inverses pour un gaz granulaire dans un état initial éloigné de l'équilibre. Dans ce dernier travail, il est suggéré qu'un mécanisme très générique conduisant aux deux effets Mpemba est dû à une fonction de distribution de la vitesse des particules qui s'écarte significativement de la distribution de Maxwell-Boltzmann . James Brownridge, responsable de la radioprotection à l' Université d'État de New York , a déclaré qu'il s'agissait d'une surfusion. Plusieurs simulations de dynamique moléculaire ont également soutenu que les changements dans la liaison hydrogène pendant la surfusion jouent un rôle majeur dans le processus. Tao et ses collègues ont proposé une autre explication possible en 2016. Sur la base des résultats de la spectroscopie vibrationnelle et de la modélisation avec des amas d'eau optimisés par la théorie fonctionnelle de la densité , ils suggèrent que la raison pourrait résider dans la grande diversité et l'occurrence particulière de différentes liaisons hydrogène. . Leur argument clé est que le nombre de liaisons hydrogène fortes augmente à mesure que la température augmente . L'existence de petits amas fortement liés facilite à son tour la nucléation de la glace hexagonale lorsque l'eau chaude se refroidit rapidement.

Explications suggérées

Les explications suivantes ont été proposées :

  • Transfert de chaleur induit par les microbulles : le processus d'ébullition induit des microbulles dans cette eau qui restent en suspension de manière stable lorsque l'eau se refroidit, puis agissent par convection pour transférer la chaleur plus rapidement lorsque l'eau se refroidit.
  • Evaporation : L'évaporation de l'eau plus chaude réduit la masse d'eau à congeler. L'évaporation est endothermique , c'est-à-dire que la masse d'eau est refroidie par de la vapeur emportant la chaleur, mais cela ne rend probablement pas compte à lui seul de l'intégralité de l'effet.
  • Convection : Accélération des transferts de chaleur . La réduction de la densité de l'eau en dessous de 4 °C (39 °F) tend à supprimer les courants de convection qui refroidissent la partie inférieure de la masse liquide ; la densité plus faible de l'eau chaude réduirait cet effet, soutenant peut-être le refroidissement initial plus rapide. Une convection plus élevée dans l'eau plus chaude peut également répandre les cristaux de glace plus rapidement.
  • Gel : A des effets isolants . L'eau à basse température aura tendance à geler par le haut, réduisant ainsi les pertes de chaleur supplémentaires par rayonnement et convection de l'air, tandis que l'eau plus chaude aura tendance à geler par le bas et les côtés en raison de la convection de l'eau. Ceci est contesté car il existe des expériences qui expliquent ce facteur.
  • Solutés : Le carbonate de calcium , le carbonate de magnésium et d'autres sels minéraux dissous dans l'eau peuvent précipiter lorsque l'eau est bouillie, entraînant une augmentation du point de congélation par rapport à l'eau non bouillie qui contient tous les minéraux dissous.
  • Conductivité thermique : Le récipient de liquide plus chaud peut fondre à travers une couche de givre qui agit comme un isolant sous le récipient (le givre est un isolant, comme mentionné ci-dessus), permettant au récipient d'entrer en contact direct avec une couche inférieure beaucoup plus froide qui le givre formé sur (glace, serpentins de réfrigération, etc.) Le conteneur repose maintenant sur une surface beaucoup plus froide (ou une meilleure pour évacuer la chaleur, comme les serpentins de réfrigération) que l'eau à l'origine plus froide, et se refroidit donc beaucoup plus rapidement à partir de ce point .
  • Gaz dissous : L'eau froide peut contenir plus de gaz dissous que l'eau chaude, ce qui peut en quelque sorte modifier les propriétés de l'eau par rapport aux courants de convection, une proposition qui a un certain support expérimental mais aucune explication théorique.
  • Liaison hydrogène : Dans l'eau chaude, la liaison hydrogène est plus faible.
  • Cristallisation : Une autre explication suggère que la population relativement plus élevée d'états d'hexamères d'eau dans l'eau chaude pourrait être responsable de la cristallisation plus rapide.
  • Fonction de distribution : De forts écarts par rapport à la distribution de Maxwell-Boltzmann entraînent l'apparition d'un effet Mpemba potentiel dans les gaz.

Effets similaires

D'autres phénomènes dans lesquels de grands effets peuvent être obtenus plus rapidement que de petits effets sont :

  • Chaleur latente : Transformer de la glace de 0 °C (32 °F) à 0 °C (32 °F) d'eau nécessite la même quantité d'énergie que chauffer de l'eau de 0 °C (32 °F) à 80 °C (176 °F) ;
  • Effet Leidenfrost : Les chaudières à basse température peuvent parfois vaporiser l'eau plus rapidement que les chaudières à haute température.

Voir également

Les références

Remarques

Bibliographie

Liens externes