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【科学】ムペンバ効果 -お湯が水よりも早く凍る、その仕組みが明らかに

  1. 名前: オカルト2ちゃんねる 2013/12/10(火) 03:48:26
    1: sin+sinφ ★:2013/11/05(火) 05:15:31.63 ID:

    冷たい水と湯気の立ち上るお湯の両方を冷凍庫に入れると、お湯のほうが早く凍結する…
    一見すると何かの勘違いなのではないかとも思われるこの現象は、
    再発見者の名前をとってムペンバ効果と呼ばれています。
    このムペンバ効果、科学研究の対象とみなされ始めたのはごく最近ですが、
    経験的には千年以上も前から知られていたもので、
    古くはアリストテレスも著書 “Μετεωρολογικ?ν(Metereology,気象学)”
    でこの事に関する記述を残しています。

    今回、シンガポールにある南陽工科大学のXi Zhang氏らは、この不可思議なムペンバ効果が、
    水分子間に働く水素結合によるものだとする結果を、論文投稿サイト “arXiv(アーカイブ)” に公開しました。

    水素結合というのは、ある水分子の中の水素原子と、別の水分子の酸素原子の間で働く化学的な結合です。
    2つの分子の距離が十分に遠い状態ではこのような繋がりは発生しませんが、
    互いの距離が縮まってゆくと、徐々に強い相互作用を示すようになります。 
    この水素結合、水の物性に大きな影響を与えることで知られています。
    例えば、液体の温度を下げて固体にさせると、物理的には体積が減少するはずなのですが、
    氷では水よりも体積が大きくなります。
    また、水の密度はまだ液体状態にある4℃で最大になる(=氷よりもギュッと詰まっている)ことが知られていますが、
    これもまた他の物質にはほとんど見られない現象で、水素結合の影響によるものとされています。

    Xia氏らの説明は、以下のとおり。
    水の温度が上昇すると、水分子同士の距離が徐々に開いて水素結合の距離は広がってゆき、
    これに伴って共有結合(上図のH-O間の実線部分)の距離が縮まることで、結合エネルギーが増加してゆきます。
    ここから温度をどんどんと下げてゆくと、分子同士の距離は徐々に縮まってゆくのですが、
    同時に共有結合の距離も徐々に広がってゆきます。
    こうなると温度が高い時に共有結合に保存されたエネルギーは放出されることになるのですが、
    この時のエネルギー放出に伴う温度低下が、伝導や放射といった温度低下プロセスに上乗せされることで、冷却が加速されるとのことです。
    実際にXia氏らは、この温水の水分子に貯えられた「追加分」のエネルギーによる冷却効果を計算したところ、
    実験で得られた冷水に対する温水の冷却効率の差分に相当していることを確認したとしています。

    arXivは査読や審査のないプレプリントの論文のみを扱うサイトであるため、
    この結果が “真に” 学術的に認められたものであるかは(現時点では)議論が残るところですが、
    (データを真とするならば)論理的には筋が通っているように感じます。
    いずれにせよ、こうした身近な現象が未だに謎の残るテーマとして扱われているというのは何とも興味深いことですね。

    ソース:お湯が水よりも早く凍る、その仕組みが明らかに /ガジェット速報
    http://ggsoku.com/tech/mechanism-of-mpemba-effect-revealed/

    イメージ:
    ムペンバ効果の一例。0℃に達するのは水(青線)の方が早いが、凍結が始まるのはお湯(赤線)のほうが早い。
    http://blog-imgs-49.fc2.com/s/o/r/sorepoi/nu2cagrj_mk1.jpg
    図中の “O” と “H” の間の点線が水素結合。
    http://blog-imgs-49.fc2.com/s/o/r/sorepoi/fkx10eni_sax.jpg
    初期温度に対する緩和時間と、緩和時間に対する必要エネルギー。arXivより引用。
    http://blog-imgs-49.fc2.com/s/o/r/sorepoi/bvn12yyd_q02.png

    以上。一部割愛。

    参考:大槻先生はムペンバ効果に懐疑的だったようです。。
    2008年7月 第2回 【ムペンバ効果】 /大槻義彦のページ(ムペンバ効果に否定的です)
    http://ohtsuki-yoshihiko.cocolog-nifty.com/blog/2008/07/72_2893.html
    5: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 05:30:30.45 ID:

    >>1

    以前、ためしてガッテンでちょろっとこの話をしてたんだけど、
    2ちゃんでも結構話題になり暫く騒いでいた。
    が、結局「NHKは嘘つき」って事になっていた気がする。

    自分も信じていなかった
    冷凍庫にお湯を入れると温感センサーが反応してフル稼働するから早いんじゃないか?とかそんな風に思っていた。
    9: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 05:39:40.69 ID:

    >>5

    そうそう、俺も温度センサーとかそっちの関係なのかと思ってた。
    48: エラ通信 ◆0/aze39TU2:2013/11/05(火) 08:24:21.77 ID:

    少しマジメにいうと、
    零度を基準にするからわかりづらいのであって、
    絶対零度を基準にしたら、
    より熱量のおおきいほうが、より多くの熱量を奪われる。

    水ってのは、状態変化する特性をもった物質であり、
    その前後で熱を溜め込んだり、余計に放出する性質を持つ。


    この特性域を熱量の大きいほうがより早く突破することについての説明が>>1
    55: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 08:57:49.68 ID:

    >>1
    のグラフが怪しいんだが。
    間違いなく冷水の方が早く冷えてるじゃん。
    もしかして、凝固が始まってない「過冷却状態」のことを「まだ凍ってない」って言い換えてるのか?w
    だったらちょっと振動を加えておけば、間違いなく冷水が早く凍りますよw
    71: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 11:19:16.09 ID:

    過冷却の温度グラフ
    http://blog-imgs-49.fc2.com/s/o/r/sorepoi/m5fskmv0_0md.gif

    >>1
    の温度グラフ(青線が水)
    http://blog-imgs-49.fc2.com/s/o/r/sorepoi/nu2cagrj_mk1.jpg
    99: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 15:04:53.83 ID:

    >>1

    > こうなると温度が高い時に共有結合に保存されたエネルギーは放出されることになるのですが、
    > この時のエネルギー放出に伴う温度低下が、伝導や放射といった温度低下プロセスに上乗せされることで、冷却が加速されるとのことです。

    この時のエネルギー放出は伝導や放射といった温度低下プロセスとはまた違うプロセスと言ってるのか?なんのことー?
    伝導や放射の温度低下プロセスのうちに含まれてるプロセスなんじゃ?
    と思ったが、上乗せされる、というか、
    水の温度低下には伝導や放射といった温度低下プロセスを加速させる内部プロセスがあり、
    元お湯は水よりも内部プロセスが活発に働く状態にある、と思えば辻褄が合う気がした
    154: 名無しのひみつ:2013/11/06(水) 05:00:27.70 ID:

    >>1

    このお湯が冷却されて、比較対象の冷水のスタート温度と同じになった瞬間において、

    お湯と冷水の違いって何?
    温度が同じになった時点で、まったく同一のものだよね?
    なのに>>1
    のグラフは、同じ水温まで冷めてからの推移が異なってる。おなしくね?

    例えば、この冷水を用意する時、一度沸騰させてから冷却し、
    このスタート水温になった時点で実験をスタートさせたらどうなるの?
    >>1
    の冷水とは異なるグラフになるの?

    はい論破w
    181: 名無しのひみつ:2013/11/06(水) 18:47:29.48 ID:

    ムペンバはタンザニアの中学生だった

    1969年に、調理実習の時にアイスクリームを作ろうとして材料を加熱して
    それを冷ましてから冷蔵庫に入れるのが常識だし
    電気を無駄にしないで!という観点からも妥当なのに、

    あろうことか、ボコボコ煮立った、クリームと卵黄と砂糖の混合物を
    そのまま冷凍庫に入れるという暴挙をやってのけた
    電気の無駄だねえwww

    そしたら何と!30℃くらいに冷ましてから入れたものより、速く凍ってしまったのだ!

    これって熱いもの入れたから冷凍庫内でセンサーが働いて過剰に冷風を効かせまくっただけじゃないの?
    という意見も勿論多い
    だが、それを考慮しても速すぎる
    更に、一度沸騰させてから冷ましたばかりの水は、ずっと常温だった水より明らかに温度低下が早い、なんて
    結果も出て来た、と>>1
    で言っているわけだ

    で、その説明として、液体状態での水分子ってどういう状態で存在してるんだ?って話が使われるわけだ
    一方そんなのオカルトだ!と批判する声も多数

    もし本当なら、DHMOオソロシスな話題の1つにはなるんじゃないの?って事だ

    http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30402.html

    水は液体の時この図のようなクラスターを作っているものが混ざっている

    じゃあ、一度加熱してから冷ましたばかりの水は、長時間常温だった水に比べて
    クラスターが占める割合は多いのかどうか?って事になる
    7: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 05:33:47.03 ID:

    youtubeでこの実験の動画など見たのですが失敗してましたね。
    他のサイトでも実験した見たもの1つだけ確認してみたのですがそこもこの現象の確認は出来ていませんでした。
    11: sin+sinφ ★:2013/11/05(火) 05:41:41.41 ID:

    大槻先生の主張です(2008年)

    水Aと、それと同じ水を温めたお湯Bがあるとしましょう。
    もちろんBは冷やされやがて、Aと同じ温度になります。それから両者が凍るのには、まったく同じ時間がかかります。
    つまり、AとBが凍るまでにはBのお湯が冷やされ、Aの温度になる時間だけ余分にかかります。

    水の分子構造がA・Bで異なれば、この論理は崩れる可能性もあります。
    つまり、水を少し温めてしまうと元の温度に冷ましてもその分子構造が変わってしまうということです。
    分子構造の変化には少なくとも1エレクトロンボルト以上のエネルギーが必要でしょう。
    どうして、20~30℃熱しただけで分子構造が変わるでしょうか?
    18: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 06:12:19.53 ID:

    ということは、ビールを早く冷やしたい場合は一度湯気が出る位暖めてから冷蔵庫に入れればいいんだな。
    魚や肉を急速冷凍する場合にも一度茹でてから冷凍庫に入れるのがいいぞ。
    サムソンにアイデア盗まれそうだな。
    22: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 06:35:48.45 ID:

    この現象は定期的に解明したって発表あるよなぁ。
    結局どれが正解なんだか。
    でもこの説明はイマイチ納得いかねぇんだよな。
    23: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 06:36:29.18 ID:

    地引き網の効果を四次元で考えればおのずと分かる事
    25: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 06:38:16.55 ID:

    温度が高い状態で冷やした水と
    温度が低い状態で冷やした水では
    氷になった時の水分子自体の状態が違うって事だろ
    なんかなぁ
    31: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 07:01:51.96 ID:

    なにがなんだかさっぱりわからんということがわかった。
    35: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 07:21:07.04 ID:

    ムペンバ効果って

    水を加熱→気体溶質濃度の低下→過冷却の減少

    水を加熱→固体不純物濃度の増加→氷結速度の加速

    あたりの話じゃないかと予測している


    誰かこの方向で実験してみてくれ
    36: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 07:24:15.96 ID:

    あー凍る時間が早いだけだから、家庭でやっても
    温めた水の方が冷える時間が必要な分
    凍るまでの時間は掛かるのか。
    40: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 07:38:29.33 ID:

    >>36

    そうじゃないからビックリなんだよ
    同時に冷やし始めてもお湯の方が早く凍る
    >>1
    のグラフ見てみて
    43: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 07:59:39.83 ID:

    ムペンバ効果 実験してみた
    44: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 08:01:44.33 ID:

    水は4℃で密度が最大になるから、
    4℃より上では冷水が下がる対流が起こり水温均一になる。
    しかし4℃より下では冷たい水が水面に留まるので、
    水が混ざらない層構造になり下は4℃のまま冷えにくくなる。
    ここからがバケツの水の冷却・凍結の本番で、
    もっと上の水温から4℃まで下がるのは単なる準備段階。
    お湯からスタートすると準備段階で蒸発して重量が減るので、
    本番段階の冷却が速くなる。
    45: エラ通信 ◆0/aze39TU2:2013/11/05(火) 08:02:07.20 ID:

    要するに。

    エネルギー価による単純な足し算引き算じゃなくて、
    相場に突っ込んでる額の多い少ないによる利潤・損失の幅の拡大に近い、ってこった。
    87: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 12:42:06.11 ID:

    過冷却時の結晶化に違いが出るんでそ
    ありそうな話
    105: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 16:32:00.62 ID:

    水の気化熱による温度低下ではなく、
    温度低下そのものが水の膨張を促し顕熱を奪うことを示すのならば
    密閉容器に入れて飽和水蒸気圧に保ちつつ冷却実験するべきでは
    106: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 16:53:20.73 ID:

    鉄も刀なんか作るとき冷やし方で切れ方が違うよね。
    普段液体として触れる機会がおおい水だと
    固体の氷としては実感沸かないけど。
    分子レベルでは違うという事かな。
    126: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 22:41:25.06 ID:

    冷凍庫で氷をつくるときには水ではなくお湯を入れた方が電気代がかからないのかな?
    135: 名無しのひみつ:2013/11/05(火) 23:36:02.26 ID:

    こいつらあほだろ。
    これが可能なら永久機関が可能になるぞ。

    なにせ

    「後から来たのが追い越せる」わけだから、その仕組みを利用すれば
    少ない労力で多い成果 が可能になるわけだ。概念的にわかるだろ。


    あほすぎる。オカルトを信じるやつらはこうも頭が弱いのか。

    専門的な話に惑わされるな。
    それが可能となった場合に、宇宙の法則が崩れるようなことは実現できない。

    いいか、そんな単純でわかりやすくてボケ市民をうなずかせられるようなことがあるなら

    もっと賢い人間が10年早く達成してる。

    今まで証明されていないし議論されていなかったことは3種類しかない。

    1.難しすぎて誰もわからない(今回はそんなレベルじゃない)
    2.大発見だけど誰も気が付いていなかった(極めてまれ)

    3.無駄なこと(99%以上はこれ。おとなしく寝てろ)


    これ読んで真面目にピビンパ効果とか考えてるバカは
    科学的な何かを判断する絶対的な素養にかけている。

    冷却を「後から始めて追い越せる」というのは自然の摂理に大きく反する。

    そんなことが可能であれば重いほど浮きやすい、飛びやすい。

    金属結合の方が分子間の距離が近いからだ。キリッとかいうのかよwwww

    ふむふむしたり顔でうなずくのか?あほだろ。

    あとな、大学教授なんて単語は「コンビニ店員」に置き換えて読めよ。
    313: 名無しのひみつ:2013/12/06(金) 10:37:07.86 ID:

    対流じゃなくて強制的な撹拌流なんだが

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