[論文レビュー] Reply to Burridge & Linden: Hot water may freeze sooner than cold

J. I. Katz|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、バーリッジ＆リンデンがMpemba効果を冷却現象として無視したのを是正し、これは冷却ではなく凍結現象であると明確化する。当初の温度が高い水が冷え始める段階で、Mg/Ca炭酸水素塩を含む「硬水」において、ゾーン精錬と freezing point depression（凝固点降下）の効果によって、冷たい水よりも速く凍結することがあると主張する。この効果は、このような水に限定して発生すると予測し、今後の実験に向けた検証可能な理論的枠組みを提示する。

ABSTRACT

In a recent paper in Scientific Reports, Burridge \& Linden misinterpret the Mpemba effect as a statement about the rate of cooling of liquid water, when it is in fact a statement about the rate of freezing of water. Debunking an obviously absurd claim about cooling, they miss the significant effect, its only quantitative experimental study and a theoretical argument that explains the effect and predicts that it occurs only for "hard" water (water with significant dissolved Mg and Ca bicarbonates). This prediction remains to be tested.

研究の動機と目的

• Mpemba効果が冷却現象として誤解されているのを是正し、凍結現象としての本質を明確にすること。
• ウォイエフコウスキら（1988年）による凍結に基づくMpemba効果の唯一の定量的実験研究を強調すること。
• 溶媒濃度と凝固点降下に基づく理論的説明を再確認し、擁護すること。
• Mpemba効果はMg/Ca炭酸水素塩を含む「硬水」でのみ発生すると予測し、実験的に検証可能なこと。
• 先行研究における水の組成の報告不足が再現性と検証性を阻害していることを強調すること。

提案手法

• 標準条件下では、高い初期温度から冷却する時間は、低い初期温度から冷却する時間より常に長くなることを熱力学的分析で示す。
• 冷却時間の初期温度依存性をモデル化するために、熱伝達積分方程式（式1）を適用する。
• 凍結過程におけるゾーン精錬の概念を導入し、溶質が凍結界面に集中することを説明する。
• 凝固点降下理論を適用し、溶質の蓄積が凍結行動に与える影響を説明する。
• カッツ（2009年）の理論的枠組みを用い、溶質再分配と潜熱ダイナミクスによってMpemba効果を説明する。
• 加熱によって炭酸水素塩が炭酸塩に変換され沈殿するため、Mpemba効果は「硬水」に限定して発生すると予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ当初の温度が高い水が、直感的な期待とは反して、当初の温度が低い水よりも先に凍結することがあるのか？
• RQ2 冷却ではなく凍結の文脈において、Mpemba効果を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 なぜMpemba効果はすべての水の種類で観察されないのか？そして、どのような水の性質が重要なのか？
• RQ4 水を加熱すると、特に溶解した炭酸水素塩が存在する場合、その凍結行動はどのように変化するのか？
• RQ5 Mpemba効果は硬水中で信頼性高く予測可能かつ実験的に検証可能なのか？

主な発見

• Mpemba効果は冷却現象ではなく、凍結現象である。バーリッジ＆リンデンはこれを冷却現象として誤解している。
• 凍結に基づくMpemba効果の唯一の定量的実験研究（ウォイエフコウスキら、1988年）は、より温かい水がより冷たい水よりも先に凍結することを示している。
• カッツ（2009年）による理論的説明は、溶質濃度と凝固点降下の観点から、この効果をうまく説明している。
• この効果は、Mg/Ca炭酸水素塩を含む「硬水」でのみ発生すると予測される。加熱により炭酸塩に変換され沈殿するためである。
• 沸騰によりCO2が除去され、炭酸水素塩が炭酸塩に変換されるため、水は「軟水」になり、Mpemba効果の発生条件が消失する。
• バーリッジ＆リンデンの実験でMpemba効果が観察されなかったのは、沸騰させた水を使用していたためであり、これは彼らの水がもう硬水ではなくなっていたことと整合的である。