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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


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1:
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。
図中の “O” と “H” の間の点線が水素結合。
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。
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
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4:
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5:
>>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:
>>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。
6:
アキレスと亀みたいな話だな
7:
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:
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?
68:
>>11
ダメ
水素結合とイオン結合を混同しておる
69:
>>11
水素結合は1evもいらない。
例; 雪の結晶
12:
本文に熱の文字が一個もない
>>1のエネルギーとは熱力学とは違う五次元以上のエネルギーかな
13:
なるほど、わからん
15:
>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、冷却が加されるとのことです。
ここで一気にイメージできなくなった
分かる人は分かるんだろうけど
16:
そりゃお湯入れれば
冷蔵庫のコンプレッサー全開だからだろ
119:
自分の勝手な解釈
普通の水
長時間の間に、水分子同士が必要以上に短距離になっちゃって数十個集まって固まってるものが
幾つも浮かんでいる状態。もちろん、水分子単独のものもいくつかはある
一度沸騰させてから冷まして3時間程度のもの
分子がまだバラバラのものが多い
そこから凍らせる
普通の水
過剰に距離を縮めてしまってまとまっている分子の集合体を、一旦、氷として結晶化する距離にまで
伸びるまで待たないといけない。その時にエネルギーを要するので、なかなか凍らない
一度沸騰させてから冷まして3時間程度のもの
普通に氷になる分子間距離に、もっと遠い所から近づいていくだけから、早く凍る
最初は、>>16の可能性を無視できないなあ?と冗談のように思っていたwww
17:
こういう実験結果とかだと埒が明かないので理論物理学方面での解決を望む
18:
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。
20:
>>18
いや冷えるのは水のほうが早いぞ。
凍るのが湯からのほうが早いだけで。
27:
つか、過冷却を除外してない時点でゴミ実験すぎる。
>>20が言う通り、結局は水の方が早く冷えている事に何ら変わりが無い。
しかも、グラフの部分凍結開始から全凍結完了までの時間を見れば解るが
凍結に要した時間も水の方が短い。
あくまで「部分的に凍り始めたタイミングが湯の方が早かった」ってだけ。
どうせ微細なゴミでも混入してたんだろってレベルの結果だな。
30:
>>18
ビールを早く冷したい時は氷に浸けてクルクル回すといい、なぜって対流が起きて分子各々が冷たい所に素早くあたり影響しあって
対流が少ない物より早く冷える
19:
沸騰させた水の方がただの水より不純物少なくて
その分早く凍ったとかそういう落ちに期待
22:
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。
24:
人は記憶型と思考型に大別できる
ではおらがひとつ
水は外側は簡単に凍るが中央部はなかなか凍らん
中央部の温度を下げてやれば結果として全体が早く凍る
温度が高いと対流が発生しやすいんでねーか?
対流によって中央部に外側の冷たい水が流れ込む
25:
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
26:
お湯からだと対流が有るから中心部まで早く冷却されるんじゃないの?
28:
冷えるのと凍るのとを違う現象として分けて考えれば分かってくる
水は0℃以下に冷えても直ぐに凍らないのよ
31:
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。
34:
成金は、下手にカネの使い道を知ってるせいで、落ちぶれるときは早い、みたいなことか。
35:
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→氷結度の加
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:
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:
>>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
42:
結晶成長の過程は内部の欠陥や欠陥の形成ともかなり関係しているのに
水素結合間距離っていう結論はちょっとお粗末過ぎないか
査読なしのブツにそこまで求めても仕方がないが
43:
ムペンバ効果 実験してみた
44:
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、
本番段階の冷却がくなる。
45:
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。
47:
・対流していない水は熱を伝え難い
・水の赤外吸収スペクトルは温度に依存して変わる
対流が起きないように、水面の上からヒーターで暖めたりすると、
深さ0.5mmと深さ17mmの温度差が3分で18度くらいになったりする
96:
>>47 追加
・熱伝導率(0℃) 水 0.56?0.57、氷 2.2 W/[K・m]
48:
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
49:
まずはここでいう「冷凍庫」を定義しないとダメじゃね?の?
50:
そう言われればそうかって気もするけど
本当にそうなのかなんてわからんな
51:
国際宇宙ステーションとかで実験してみて
52:
熱い方が運動が活発で密度が低いから、同じ温度で冷やすと
密度が低い分冷えやすくて先に凍るんじゃないの?
53:
理解不能。ただし冷凍庫のそばにいれたコーラが凍って痛い目にあった経験
多数にて、凍れば体積を増す現実はうけいれている。
あと冷たくなった夫婦関係が嫁の体積を増すことになったのではと、このスレ
みて仮説をたててみた。
55:
>>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
59:
冷却能力がどの程度の場合か書いてないと
意味ないよね
60:
まずは冷却を定義せなならんのじゃね?
62:
お風呂に入ったほうが体が冷えて風邪を引くと今まで感じていたんだが・・・・
67:
>>62
それは血管の収縮・拡張によって1分間に
外界が体から奪う熱量が変わるからだ
64:
ふむふむなるほど
さっぱりわからん
76:
温水、温度差が大きくて対流が強く粘度が低い。
容器との接地部分付近のエクマン層が薄くて流早いので、熱が伝わりにくく
接地部は一気に温度が下がり凍り始める。
凍れば0度以下にどんどん下がるのでその接地部分がまた凍る。
冷水、温度差が小さくて対流も弱く粘度が高い。
エクマン層が厚くなり対流の影響による流も遅いので、全体が冷却され
過冷却状態になりやすくなかなか凍らない。
とか、かなぁ。うーん、、
77:
おそらく、水自体の変化とかじゃなくて、微量の不純物の影響があるかないかくらいの差だろ。
それなら、再現性がいまいちである理由にもなる。
78:
どっかに閾値になる温度があるんじゃない?たくさん湯気が立つくらいならそういうこともありそうな気がする。
79:
>>78
水って面白くてね。
液体の間にも、いろいろ特性がかわる。
たとえば福島原発。冷却水は40度弱に暖めて投入するんだそうだ。
低い温度の水を投入すると膨張したり、水蒸気化しやすいらしい。
逆ムベンバ効果みたいなのが、ここにもある。
86:
凍る時間って計測の始まりと終わりはどの時点なのか、定義をはっきりしろ。そこから議論が始まる。
87:
過冷却時の結晶化に違いが出るんでそ
ありそうな話
93:
再現性ないんじゃなかったっけ?
出来るにしても条件つきだろうから、
こんな普遍的なプロセスじゃない気がする
94:
100度から20度になった水と20度のまま1日経った水とで構造が違うってことかい
溶けてる気体の影響を排除して
お湯から冷ました経過時間の違う水で実験てないのかな
98:
お湯の方が水よりエネルギーの消費量が多いから、より早く冷える
きっとこうだ
99:
>>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
102:
ムペンバ効果はこの動画の説明が一番納得できたわ
低音の水は、表面が先に凍っちゃうから内部の圧力が高くなって凍りにくくなる
高温の水は表面が凍るのが遅い上、凍った後も4度近い状態が長いから圧力が高くなりにくく
底面から綺麗に凍りつき結果的に早く凍る
104:
分子のエネルギー分布が熱統計の平衡分布から一時的に外れる過冷却の状態を経由するから
お湯のほうが早く凍結するのではなかったかな
105:
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:
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。
108:
>>106
鉄は温度によって結晶格子の構造が変わるからな
107:
追試待ちだな
残業して帰ったら家は真っ暗なままで息子が泣き叫んでいた
DQNに保険証を貸したら面倒なことになった
【謎】鼻からなんか出てきた!!!なんぞいこれ!?
アニメーターになれる最低限の画力がすごすぎるwww
山梨県の啓発ポスター(1971年作成)がマジ怖すぎな件w(画像)
この大会クソワロタwww
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- ko_jo
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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
コメント一覧
1.
1:
3. :2013年11月06日 11:26 ID:yvAZ3q9G0
4. 湯が容器の底の氷を溶かしてぴったり張り付くから
熱伝導が良くなってく凍るという説
5.
2:
7. :2013年11月06日 11:44 ID:Hakyu9QH0
8. 対流とか熱伝導とかそういうことじゃないの?と昔は言われてて
そういうことが起きるならそうなる時とそうならない時の違いはどこにあるんだろう?
というのが正しい理系の考え方で、大槻教授みたいな
「ボクの読んだ教科書の知識だとそんなことは起きない」ってのはそもそも理系失格なんだよな。
9.
3:
11. :2013年11月06日 11:51 ID:9..mg2WP0
12. それで、これを解明して何を発明するんですか?
条件付き急冷凍機とかはいらないよ?
13.
4:
15. :2013年11月06日 11:51 ID:Vy2Ff0iNO
16. なるほど(ハナホジホジ)
17.
5:
19. :2013年11月06日 11:58 ID:nr8.OXE6O
20. ムペンバって言葉が言いにくいから流行らない
21.
6:
23. :2013年11月06日 12:01 ID:.fPI59Ux0
24. 昔、電話工事で足場確保しようと屋根上に熱湯かけたんだが見事に凍ってしまった
25.
7:
27. :2013年11月06日 12:11 ID:.ETjbVit0
28. これ、再現性がないんだよね。
実証と再現性が科学なんでは?
29.
8:
31. :2013年11月06日 12:30 ID:diGt2keR0
32. ・出典がアリストテレス(権威ゆえ盲信されたが後に多くが誤りと判明)
・誰でもどこでもできる単純な実験だが、未だに議論の的となっている
ミステリ小説なら、状況証拠から明らかにオカルトだ
反惑星やメネシス星と同じで、一度広まったデマが何度となく蒸し返され、独り歩きしているようにしか見えない
動機?
売名と研究費獲得に決まっているじゃないですか
そういえばハチソン効果なんてのもあったね
33.


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