ムペンバ効果
ムペンバ
1963
2020
経緯
[ムペンバ
前史
[21世紀 初頭 現在 の捉 えられ方
[原因
[ムペンバ
凍結 の定義 - 「凍結 」を水 の表面 に氷 の層 が確認 できた段階 とするのか(表面 凍結 )、完全 に氷 の固 まりとなった段階 (全体 凍結 )とするのか。
- なお
実験 によっては、凍結 や過 冷却 を実験 対象 から除外 し、前 段階 の温度 変化 や温度 勾配 に的 を絞 っているケースもある。その場合 は、氷点下 到達 や凍結 開始 を測定 終了 の目安 にしている。
- なお
実験 設定 実験 素材 - アイスクリーム素材 、水道 水 、純 水 (蒸留 水 、イオン交換 樹脂 処理 水 、等 )、etc. その他 :脱 気 処理 の有無 冷却 方法 -直 冷 式 冷凍庫 (底面 冷却 )、ファン式 冷凍庫 (上面 冷却 )、低温 室 、氷点下 の野外 (→発見 の前史 )、etc.
冷却 効率 蒸発 -蒸発 は吸熱反応 である(水 の蒸発 熱 : 45.2 kJ/mol (0℃,1atm))。また蓋 のない容器 では、蒸発 により水 の分量 が減 る[12]。有力 な説 だが、これだけで現象 全体 を説明 するのは難 しい[13]。対流 -熱 輸送 が促進 された。水 は摂氏 4度 以下 で密度 が減少 し、(上面 冷却 で)下部 の冷却 を担 う対流 が抑制 される。一方 、より密度 の低 い高温 の水 では、この抑制 は起 こりにくいと考 えられるので、初期 の急速 冷却 がそのまま持続 するだろう。訳注 : (英語 版 に基 づき初版 翻訳 を手直 し)[14] また対流 の相違 により、過渡 的 な温度 勾配 や温度 分布 に相違 が生 じる点 も見逃 せない。(→複雑 系 問題 )霜 - オリジナル実験 当時 一般 的 だった直 冷 式 冷凍庫 は、底面 冷却 部 に霜 が発生 しやすく、これが底面 断熱 材 として機能 した。高温 の水 を庫 内 に入 れると、底面 の霜 が溶 けて冷却 効率 が改善 され、下 側 および横 から凍 りやすい。これに対 し低温 の水 は上側 から凍 りやすく、全体 凍結 過程 では上面 からの放射 や空気 対流 が妨 げられて冷却 効率 が低下 する。
凍結 プロセス -不 均一 核 生成 凍結 開始 の偶発 性 -通常 の実験 環境 でバルクの純 水 は、下限 約 -10℃前後 の過 冷却 状態 から偶発 的 に急速 凍結 するため、凍結 開始 時間 に統計 的 なばらつきが生 じる。ばらつきが0℃までの冷却 時間 と比較 して充分 大 きい場合 、水 と湯 の凍結 時間 の逆転 現象 が起 こりうる。この偶発 性 は、何 らかの外部 擾乱 (物理 的 刺激 )をきっかけに界面 や容器 表面 で発生 する不 均一 核 生成 が原因 と推測 される。
(この説 は経験 に裏 づけられた示唆 に富 む指摘 だが、その反面 現象 の本質 である凍結 現象 の解明 を遠 ざける可能 性 もあるので注意 を要 する。)過 冷却 -仮説 として、低温 の水 は高温 の水 と比較 して過 冷却 が深 くなりやすく、高温 の水 より凍 りにくいと考 えられる[15][16]。仮説 の解釈 -対流 の項 の説明 に基 づいて、この仮説 の解釈 を試 みる。低温 の水 は、安定 した垂直 温度 分布 を形成 し対流 が抑制 されるため、全体 的 な過 冷却 が静 かに進行 する。高温 の水 は、不安定 な垂直 温度 分布 を形成 し、ある程度 対流 が持続 すると考 えられ(「対流 」参照 )、物理 運動 の揺 動 で氷 晶 を発生 しやすい。仮 に、極端 な温度 ムラとしてバルクの過 冷却 が発生 すると、その中 で氷 晶 が部分 凍結 へと成長 するというシナリオが考 えられる。仮説 の背景 上記 のマクロな現象 としての解釈 の他 、潜在 的 に、よりミクロな問題 「水素 結合 でつながった水分 子 の構造 」[17] が関与 している可能 性 もある。(→先端 科学 の観点 )不純物 の影響 -不 均一 核 生成
水中 に氷 晶 の核 となる不純物 が多 いと凍結 が促進 されるため、過 冷却 はあまり重要 でなくなる。ただし高温 の水 の加熱 で不純物 が析出 すると(水中 の不純物 の減少 により)、上記 仮説 が成立 する[18] (→次項 参照 )。
不純物 の影響 -凝固 点 降下 、不 均一 核 生成
複雑 系 問題 (マクロ視点 )
[この
先端 科学 の観点 (ミクロ視点 )
[非 平衡 相 転移 、非線形 効果 [22][23]水 の特異 性 [24][25]
物理 化学 の未 解決 問題 [26]の一 つ「水素 結合 でつながった水分 子 の構造 」の関与 を期待 する議論 [17]がある[27]。国内 における水分 子 構造 関連 の研究 には、等 あるが、今 のところムペンバ効果 への直接的 関与 を示唆 する結果 は特 に出 ていない模様 である。
日本 での反応
[NHKの
2009
呼称 に対 する異論
[2009
最新 の研究 成果
[Wiredの
ただし、Brownridgeの
この
2020
ムペンバ
クマールらの
脚注
[- ^
風早 寛 (2022).“熱湯 のほうがより速 く氷 になる？” Z会 『速 読英単語 必修 編 改訂 第 7版 増補 版 』:, ISBN 4865314466 - ^ a b Aristotle, Metereology, Book 1 「
水 を前 もって加熱 しておくことで早 く冷却 され、凍結 が急速 に進 む。そのため湯 を早 く冷 ましたい時 に日向 に置 いておく者 もいる。ポンタスの住民 は氷上 で穴 を空 けて釣 りをする際 、アシの周 りに湯 を掛 けて鉛 のように凍 らせ。」 E.W.ウェブスターによる英語 訳 : "The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly: for so it cools sooner. Hence many people, when they want to cool hot water quickly, begin by putting it in the sun. So the inhabitants of Pontus when they encamp on the ice to fish (they cut a hole in the ice and then fish) pour warm water round their reeds that it may freeze the quicker, for they use the ice like lead to fix the reeds." - ^ a b Novum Organum, Lib. II, L, 「やや
温 めた水 は冷水 よりも容易 に凍 る」英文 : "slightly tepid water freezes more easily than that which is utterly cold".ラテン語 の原文 "aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida" - ^ a b Descartes, Les Meteores, 「
長時間 火 に掛 けておいた水 が通常 の水 よりも速 く凍 るのを経験 することがある。理由 は水 が加熱 されている間 に最 も曲 がるのを止 められない粒子 が気化 するからだ」英文 : Discours Premier "One can see by experience that water that has been kept on a fire for a long time freezes faster than other, the reason being that those of its particles that are least able to stop bending evaporate while the water is being heated".フランス語 の原文 "Et on peut voir aussi par experience que l'eau qu'on a tenue longuement sur le feu se gèle plutôt que d'autre, dont la raison est que celles de ses parties, qui peuvent le moins cesser de se plier, s'évaporent pendant qu'on la chauffe." Descartes' explanation here relates to his theory of vortices. - ^
査読 付 き論文 雑誌 ではない - ^ How to Fossilise Your Hamster: And Other Amazing Experiments For The Armchair Scientist, ISBN 1846680441
- ^ a b Kumar, Avinash; Bechhoefer, John (2020-08). “Exponentially faster cooling in a colloidal system” (
英語 ). Nature 584 (7819): 64–68. doi:10.1038/s41586-020-2560-x. ISSN 0028-0836. - ^ Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1969), “Cool?”, Physics Education (Institute of Physics) 4: 172175, doi:10.1088/0031-9120/4/3/312
- ^ Mpemba, E B (1979), “Cool?”, Physics Education (Institute of Physics) 14: 410413, doi:10.1088/0031-9120/14/7/312
- ^ Report of the 14th session of the Working Party on the Management of Wildlife and Protected Areas
- ^ Ball, P. (April 2006). “Does hot water freeze first?”. Physics World 19 (4): 19?21.
原文 :"The problem is that the effect is frustratingly hard to reproduce - sometimes it appears, and sometimes not. In fact, no-one has agreed exactly how the experiments should be conducted in the first place. And even if the Mpemba effect is real - if hot water can sometimes freeze more quickly than cold - it is not clear whether the explanation would be trivial or illuminating." - ^ Kell, G. S. (1969). “The freezing of hot and cold water”. Am. J. Phys. 37: 564565. doi:10.1119/1.1975687.
- ^ a b Jeng, Monwhea (2006). “Hot water can freeze faster than cold?!?”. American Journal of Physics 74 (6): 514. doi:10.1119/1.2186331. arXiv:physics/0512262v1 2008
年 3月 18日 閲覧 。. - ^
翻訳 元 英語 版 "Mpemba effect" 16:20, 9 July 2008 (UTC)に書 かれた短 い一文 。ためしに「左記 条件 を満 たす垂直 分布 の例 上面 高温 解 低温 解 密度 [g/cm3]対 流 9℃ ( 加 冷却 水 ?)0.999781 8.2℃ 0.999837 温 度
ム
ラ(7℃) (1℃) ～ 0.999900 (6℃) (2℃) ～ 0.999941 (5℃) (3℃) ～ 0.999965 3.98℃ 0.999973 底面 密度 の出典 :日本 化 学会 (編 ),
『化学 便覧 基礎 編 』,丸善 (1966)対流 が抑制 されない」理由 を検討 すると、この文 が示唆 に富 む一文 である事 が判 る。蒸発 熱 の効果 でお湯 が急速 冷却 され、仮 に摂氏 4度 を跨 ぐ極端 な温度 勾配 が実現 されるとする。この温度 勾配 の最 下部 は密度 最大 の3.98℃となるが、その上部 の温度 勾配 は一意 に決 まらず(低温 側 (3.98℃未満 )と高温 側 (3.98℃以上 )の二 重 解 )、温度 ムラのある過渡 的 で不安定 な状態 になると推測 される。更 に8.2℃以上 では(過 冷却 水 を除 き)同等 の密度 を持 つ低温 側 の水 が存在 しないので、上部 に局所 的 な対流 が持続 されると推測 される。以上 、この一文 の説明 する状況 の解釈 を試 みた。このような状態 が実際 に実現 しうるかどうか、また温度 ムラが発生 する場合 それはどのように測定 されるのか、今後 の解明 が期待 される。 - ^ a b c Auerbach, David (1995). “Supercooling and the Mpemba effect: when hot water freezes faster than cold”. American Journal of Physics 63 (10): 882885. doi:10.1119/1.18059.
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松本 正和 . “非 晶 質 相 の構造 の違 いをいかに見分 けるか ～シミュレーションからのアプローチ～” (PDF). 2009年 2月 14日 閲覧 。 - ^
日本 放送 協会 . “2008年 7月 9日 放送 分 ”. 2008年 8月 2日 閲覧 。 ただし公式 サイトでは「ムペンバ効果 」という用語 は使 わず「驚 きの氷 早 作 り技 」として紹介 している。(一部 引用 )氷 を作 るとき、普通 は、水 とお湯 では水 のほうが早 く凍 ると思 うことでしょう。しかし！約 20℃以上 の水 ならば、なんと温度 が高 いほど早 く凍 るのです。 (中略 ) また、ある研究 論文 によると、70グラムの水 で実験 したところ、20℃の場合 は凍 り始 めるまでに100分 かかるのに対 し、100℃の場合 は30分 で凍 り始 めたとされています (一部 引用 終 わり) - ^ yahoo.co.jp
- ^
大槻 義彦 公式 ブログ2008年 7月 22日 、「ムペンバ効果 」 - ^
大槻 義彦 公式 ブログ2008年 7月 31日 、「ムペンバ効果 、再 び」 - ^ JCastニュース: 「
水 よりお湯 の方 が早 く凍 る！」 「ためしてガッテン」実験 は本当 か 2008/7/26 18:18 - ^ a b “2009/10/01 「ムペンバ
現象 (湯 と水 凍結 逆転 現象 ) のサイエンス」”. Y.AMO(apj)Lab Faculty of Science, Yamagata University. 2009年 10月 31日 閲覧 。山形大学 理学部 物質 生命 化 学科 天羽 優子 准 教授 による研究 会 発表 内容 の個人 的 メモ。ニセ科学 業者 批判 で著名 な天羽 氏 は、研究 会 への参加 理由 を現象 の科学 的 解明 ではなく「単 なる情報 収集 」だと表明 しており、メモ内容 はあくまで天羽 氏 個人 の認識 に過 ぎない点 で注意 を要 する。 - ^ Wired
参考 文献
[- Dorsey, N. Ernest (1948). “The freezing of supercooled water”. Trans. Am. Phil. Soc. 38: 247326. doi:10.2307/1005602. An extensive study of freezing experiments.
- Auerbach, David (1995). “Supercooling and the Mpemba effect: when hot water freezes quicker than cold”. American Journal of Physics 63 (10): 882885. Auerbach attributes the Mpemba effect to differences in the behaviour of supercooled formerly hot water and formerly cold water.
- Knight, Charles A. (May 1996). “The MPEMBA effect: The freezing times of hot and cold water”. American Journal of Physics 64, Issue 5: 524.
- Monwhea, Jeng (2006). “The Mpemba effect: When can hot water freeze faster than cold?”. American Journal of Physics 74, number 6: 514.
- Chown, Marcus (June 2006). “Why water freezes faster after heating”. New scientist.
関連 項目
[外部 リンク
[- Sanders, Laura;
江藤 千夏 ／合 原 弘子 (2010年 3月 26日 ). “お湯 が水 より速 く凍 る: 「ムペンバ効果 」の再現 に成功 ”. WIRED Archives. WIRED.jp. 2011年 10月 19日 時点 のオリジナルよりアーカイブ。2011年 9月 6日 閲覧 。 - Ceceri, Kathy;
江藤 千夏 ／合 原 弘子 (2010年 2月 23日 ). “お湯 が水 より速 く凍結 ？動画 と説明 ”. WIRED Archives. WIRED.jp. 2012年 2月 7日 時点 のオリジナルよりアーカイブ。2011年 9月 6日 閲覧 。 - Brownridge, James (2010
年 2月 22日 ). “A search for the Mpemba effect: When hot water freezes faster then cold water” (PDF) (英語 ). ニューヨーク州立 大学 ビンガムトン校 . 2011年 4月 1日 時点 のオリジナルよりアーカイブ。2011年 9月 6日 閲覧 。 - SCI.PHYSICSで
繰 り返 し現 われる質問 とその回答 -お湯 は冷水 より早 く凍 る！- - Adams, Cecil; Mary M.Q.C. (1996
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州立 大学 . 2008年 7月 10日 閲覧 。 - Kurtus, Ron (October 2002). “The Mpemba Effect: Hot Water Freezes before Cold” (html). School for Champions. 2008
年 7月 10日 閲覧 。 - assabs.harvard.edu article collection.
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年 7月 10日 閲覧 。 on the online Cherwell. - “Can hot water freeze faster than cold water?”. 2008
年 7月 10日 閲覧 。 in the カリフォルニア大学 Usenet Physics FAQ. - “The Phase Anomalies of Water: Hot Water may Freeze Faster than Cold Water”. 2008
年 8月 20日 閲覧 。 An analysis of the Mpemba effect. London South Bank University.