Probano je. Pogledajte da li možete uočiti nedostatak dizajna
Magnet A vuče čeličnu kuglu E uz rampu. Kada lopta E dođe do rupe B, ona pada kroz nju, kotrlja se kroz rupu F i ponovo se popne do A pa opet padne kroz rupu B i tako dalje kruži?
Problem? Ako je magnet A dovoljno jak da povuče loptu E uz rampu, bit će dovoljno jak da spriječi pad kroz rupu. Kuglica E će se jednostavno pričvrstiti za magnet A zauvijek osim ako ne uložite energiju u sistem da biste je uklonili.
Što ako koristite elektromagnet koji se isključuje i dozvoljava lopti da padne. Ne, za to bi bila potrebna energija uložena u sistem.
Barijera između B i magneta? Ne, kugla će se zalijepiti za barijeru.
Vjerovatno biste mogli napraviti super efikasnu mašinu koja je trajala dosta vremena koristeći magnete, ali takve mašine već postoje. One propadaju, samo su potrebni mjeseci ili godine. Od njih jednostavno ne možete dobiti nikakav rad.
Zapamtite! Vječni motori (perpetuum mobile) su protiv zakona fizike tj. Prvog i Drugog zakona termodinamike. Zato američki zavod za patente neće izdati patent za uređaj za vječnu mašinu (perpetuum mobile) osim ako ga prati model koji radi.
USA Today piše da su naučnici s Univerziteta Purdue razvili ultra bijelu boju koja reflektira 98,1 posto sunčevih zraka dok emitira infracrveno zračenje. Zbog toga površina ostaje hladnija u odnosu na okolinu te bi nova ultra bijela boja mogla efikasno zamijeniti klima uređaje u nekim slučajevima. Ova bijela boja je dobila Guinnessov certifikat zbog svoje “rekordne bjeline”, a mnogo je efikasnija od obične boje koja zapravo zagrijava površine. Krov površine 93 kvadratna metra obojen novom bijelom bojom bi dao snagu hlađenja od 10 kW snage hlađenja, što je više u odnosu na klima uređaje koji se koriste za većinu kuća.
Danas već postoje boje koje reflektiraju toplotu, ali reflekcija sunčevih zraka ne prelazi 90 posto te ove boje ne hlade površine.
Trik je u korištenju visokog omjera barij sulfata, spoja koji se često koristi za kozmetiku i foto papir, i to u česticama različitih veličina. Širi raspon veličina čestica pomaže u raspršivanju više svjetlosnog spektra, čime se reflektira više sunčevih zraka.
Kada će se nova bijela boja pojaviti u prodaji, zasad nije poznato, ali ta namjera postoji. Patenti su već registrovani, a bijela boja bi trebala postati novo “oružje” u borbi protiv klimatskih promjena. Mogla bi eliminisati potrebu za klima uređajima u nekim domovima, posebno u toplim regijama s dosta sunčeve svjetlosti. Također, mogla bi pomoći u smanjenju emisije gasova i potrošnji energije te uštedjeti novac tokom toplih ljetnih dana.
Prvo što treba primijetiti je da je gotovo sve sat. Smeće najavljuje dane sa sve lošijim mirisom. Bore označavaju godine. “Mogli biste odrediti vrijeme mjerenjem koliko se vaša kava ohladila na vašem stoliću”, rekao je Huber, koji je sada na Tehničkom univerzitetu u Beču i Institutu za kvantnu optiku i kvantne informacije Beč.
Rano u razgovorima u Barceloni Huber, Erker i njihove kolege shvatili su da je sat sve što podliježe nepovratnim promjenama: promjene u kojima se energija širi među više čestica ili u šire područje. Energija teži disipaciji – a entropija, mjera njenog rasipanja, ima tendenciju povećanja – jednostavno zato što postoji daleko, daleko više načina za raspodjelu energije nego za njenu visoku koncentraciju. Ova numerička asimetrija i znatiželjna činjenica da je energija započela ultrakoncentrirano na početku svemira, razlog su zašto se energija sada kreće prema sve raštrkanijim aranžmanima, jednu po jednu šalicu kave koja se hladi.
Čini se da ne samo da snažna tendencija širenja energije i nepovratni porast entropije uzrokuju strelicu vremena, već prema Huberu i kompaniji, također računaju satove. “Ireverzibilnost je zaista fundamentalna”, rekao je Huber. “Ovaj pomak u perspektivi smo htjeli istražiti.”
Kafa ne čini odličan sat. Kao i kod većine nepovratnih procesa, njegove interakcije s okolnim zrakom događaju se stohastički. To znači da morate izračunavati prosjek tokom dugog vremenskog razdoblja, obuhvaćajući mnoge slučajne sudare između molekula kave i zraka, kako biste precizno procijenili vremenski interval. Zato kafu, smeće ili bore ne nazivamo satovima.
To ime zadržavamo, shvatili su termodinamičari satova, za objekte čija je sposobnost mjerenja vremena poboljšana periodičnošću: neki mehanizam koji raspoređuje intervale između trenutaka u kojima se događaju nepovratni procesi. Dobar sat se ne menja samo. Otkucava.
Što su tikovi pravilniji, sat je tačniji. U svom prvom članku, objavljenom u Physical Review X 2017., Erker, Huber i koautori pokazali su da bolje mjerenje vremena ima svoju cijenu: što je veća točnost sata, to se više energije rasipa i više entropije proizvodi tokom otkucavanja.
Sat je mjerač protoka za entropiju ”, rekao je Milburn.
Otkrili su da bi idealan sat – koji otkucava savršenom periodičnošću – sagorio beskonačnu količinu energije i proizveo beskonačnu entropiju, što nije moguće. Stoga je tačnost satova u osnovi ograničena.
Zaista, u svom radu Erker i kompanija proučavali su tačnost najjednostavnijeg sata kojeg su se mogli sjetiti: kvantnog sistema koji se sastoji od tri atoma. “Vrući” atom povezuje se s izvorom topline, “hladan” atom se spaja s okolnom okolinom, a treći atom koji je povezan s oba druga “krpelja” podliježući pobudama i raspadima. Energija ulazi u sistem iz izvora topline, pokrećući krpelje, a entropija nastaje kada se otpadna energija ispušta u okoliš.
Istraživači su izračunali da otkucaji ovog troatomskog sata postaju pravilniji što sat proizvodi više entropije. Ovaj odnos između tačnosti sata i entropije “za nas je intuitivno imao smisla”, rekao je Huber, u svjetlu poznate veze između entropije i informacije.
“Postoji duboka veza između entropije i informacija”, rekao je Huber, pa bi svako ograničenje proizvodnje entropije sata trebalo prirodno odgovarati ograničenju informacija – uključujući, rekao je, “informaciju o vremenu koje je proteklo”.
U drugom radu objavljenom u Physical Review X ranije ove godine, teoretičari su proširili svoj model sata sa tri atoma dodavanjem složenosti-u suštini ekstra topli i hladni atomi povezani sa atomom koji otkucava. Pokazali su da ova dodatna složenost omogućava satu da koncentriše vjerovatnoću da se otkucaj dogodi u sve uže vremenske prozore, čime se povećava pravilnost i tačnost sata.
Ukratko, nepovratan porast entropije omogućuje mjerenje vremena, dok periodičnost i složenost poboljšavaju performanse sata. Ali do 2019. nije bilo jasno kako provjeriti timske jednadžbe ili kakve su veze, ako ništa drugo, jednostavni kvantni satovi s onima na našim zidovima.
Fizičari su se trudili razumjeti kako se vrijeme kvantne mehanike može pomiriti s pojmom vremena kao četvrte dimenzije u Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, trenutnom opisu gravitacije. Savremeni pokušaji pomirenja kvantne mehanike i opće relativnosti često tretiraju četverodimenzionalno prostor-vremensko tkivo Einsteinove teorije kao pojavljivanje, neku vrstu holograma skuhanog apstraktnijim kvantnim informacijama. Ako je tako, i vrijeme i prostor trebali bi biti približni pojmovi.
U termodinamici, Joule -Thomsonov efekt (poznat i kao Joule -Kelvinov efekt ili Kelvin -Jouleov efekt) opisuje promjenu temperature realnog plina ili tekućine (za razliku od idealnog plina) kada je protisnuta kroz ventil ili držeći ju izoliranom tako da se toplina ne izmjenjuje s okolinom. Ovaj postupak naziva se proces prigušivanja ili Joule -Thomsonov proces. Na sobnoj temperaturi, svi plinovi osim vodika, helija i neona hlade se nakon ekspanzije Joule -Thomsonovim procesom pri gušenju kroz otvor; ova tri plina imaju isti učinak, ali samo na nižim temperaturama. Većina tekućina, poput hidrauličnih ulja, zagrijat će se Joule -Thomsonovim postupkom prigušivanja.
Proces prigušivanja hlađenjem plinom obično se koristi u procesima hlađenja, poput ukapnivača. U hidraulici se učinak zagrijavanja iz Joule-Thomsonovog prigušivanja može koristiti za pronalaženje interno propuštajućih ventila jer će oni proizvesti toplinu koja se može otkriti termoelementom ili termovizijskom kamerom. Prigušivanje je u osnovi nepovratan proces. Prigušivanje uslijed otpora protoka u dovodnim vodovima, izmjenjivačima topline, regeneratorima i drugim komponentama (toplinskih) strojeva izvor je gubitaka koji ograničava performanse.
Kada se nešto ohladi na apsolutnu nulu (Kelvina), da li se elektroni i druge subatomske čestice prestaju kretati? Ili “apsolutna nula” znači samo da se kretanje zaustavlja na molekularnom nivou (za razliku od subatomskog nivoa)?
Na apsolutnoj nuli molekularno kretanje prestaje. Ali šta se događa sa elektronima, da li se i oni zaustavljaju? Ako to učine, šta ih sprečava da padnu u jezgru?
Apsolutna nula je nula stepeni na Kelvinovoj skali termometra; odgovara oko -460 stepeni Fahrenheita i -273 stepeni Celzijusa.
Ni Svemir nije tako hladan. Dugotrajni sjaj Velikog praska u prosjeku zagrijava prostor na 3 stepena Kelvina – postoje neki hladniji džepovi. Maglina Bumerang (na 1 stepen K, udaljena 5000 svjetlosnih godina) je najhladnije poznato prirodno mjesto u svemiru.
Umjetno smo spustili temperaturu atoma na Zemlji na gotovo apsolutnu nulu. Atomi blizu apsolutne nule usporavaju se od svoje normalne brzine sobne temperature. Na sobnoj temperaturi, molekuli zraka kreću se oko 1800 kilometara na sat. Na oko 10 mikro stepeni Kelvina, atomi Rubidija kreću se sa samo oko 0,18 kilometara na sat – sporije od kornjače, kaže fizičar Luis Orozco sa Univerziteta Maryland.
Ali materija ne može doseći apsolutnu nulu zbog kvantne prirode čestica. To je povezano s Heisenbergovim principom nesigurnosti (nikada ne možemo znati tačno i brzinu i položaj čestice; zapravo, što preciznije znamo njenu brzinu, manje precizno znamo njen položaj).
Ako bi atom mogao dostići apsolutnu nulu, njegova temperatura bi bila tačno nula, što podrazumijeva tačnu brzinu od nule. Ali tačno poznavanje brzine atoma znači da o njegovom položaju ne znamo baš ništa.
“Zaista ne postoji fizički opis koji dopušta [atom na] nultoj temperaturi”, e-poštom šalje fizičara Erika Ramberga iz Fermilaba. Ako bi atom mogao postići apsolutnu nulu, njegova talasna funkcija bi se proširila “preko svemira”, što znači da se atom ne nalazi nigdje. Ali to je nemoguće. Kada pokušamo sondom istražiti atom ili elektron kako bismo ih lokalizirali, tada mu dajemo određenu brzinu, a time i temperaturu koja nije nula.
Inače, atom možemo zamisliti ili kao česticu (mala biljarska kugla) ili kao val. Kako se atomi približavaju apsolutnoj nuli, njihovi se talasni oblici šire. Talasni oblik velik poput svemira može se činiti čudnim, ali razne istraživačke grupe hladile su atome tamo gdje su njihove talasne funkcije velike kao međuatomska udaljenost. Kada se to dogodi, svi atomi na toj temperaturi čine jedan veliki “super-atom”, kaže gospodin Ramberg. To se naziva Bose-Einstein kondenzat.
godine, laboratorij Helsinškog tehnološkog univerziteta u Finskoj, smanjio je temperaturu nekoliko atoma čak i dalje od istraživača 1995. godine – na najhladniju temperaturu do sada dostignutu – 0,0001 mikro stepeni K. Ali atomi su nastavili vibrirati.
Riječ informacija često se slobodno uzima u značenju podataka. Pretpostavljamo da datoteka veličine 1 MB sadrži 1 MB podataka. Međutim, iz perspektive teorije informacija, podaci nisu jednaki informacijama. U teoriji informacija informacije se matematički definiraju kao količina nesigurnosti ili entropije. Bacanje kocke ima više nesigurnosti od bacanja novčića, te stoga ima više informacija za prenijeti.
Nekomprimirana bitmapska slika ima puno prostorne redundancije u vrijednostima piksela. Drugim riječima, vrijednost piksela može se koristiti za predviđanje vrijednosti susjednih piksela. Tehnike kompresije slike koriste ovu suvišnost. Stoga je komprimirana slika bliža matematičkoj definiciji informacije. Ali MP3 pjesma može sadržavati ponavljanja refrena. Takođe, nakon što smo pjesmu čuli i dobro je zapamtili, ona pruža manje informacija kada je sljedeći put čujemo.
Stoga bi frazu “jedinice podataka” trebalo tumačiti kao “jedinice podataka / pohrane / memorije”.
Mpemba efekt je prirodni efekt kada se ista količina početno toplije vode, brže smrzne od iste količine početno hladnije vode; skraćeno: topla voda se prije smrzne nego hladna.
Povijesni uvod
Mpemba efekt je prirodna pojava koja je odavno poznata u Zapadnom svijetu. Među prvima uočio ju je Aristotel (350 godina prije Krista). On je zapisao:
„„činjenica da je voda prethodno ugrijana pridonosi bržem smrzavanju; tako se hladi brže. Stoga, mnogi ljudi, kada žele smrznuti toplu vodu što prije, prvo je stave na sunce..“”(Aristotel)
13. stoljećuRoger Bacon piše u svome Opus Majus o istom fenomenu i poziva se na Aristotelovu Meterologicu; on spominje da se fenomen događa tek pod nekim posebnim okolnostima. U povijesti su još poznati slučajevi, kao Giovanni Marliani koji je 1461. godine izveo eksperiment i dokazao da ovaj fenomen uistinu postoji. Kasnije u 17. stoljeću Francis Bacon i Rene Decartes sudjeluju u sličnim raspravama; u svojim Novom Organonu, Bacon zapisuje:
„„..water a little warmed is more easily frozen that that which is quite cold.“”(Francis Bacon, Novi Organon, 1620.)
Sam Decartes je 1600. godine bezuspješno pokušavao objasniti zašto se toplija voda brže smrzne od hladnije. U pismu Decartesa kojeg je uputio Mersenneu , piše kako on ne proučava da li se toplija voda brže smrzne od hladnije, nego piše kako je prvo prokuhao vodu i pustio bi je da se ohladi na jednaku temperaturu kao i kod druge posude s neprokuhanom vodom. On kaže da bi se čak i tada prokuhana voda prije smrznula od neprokuhane, tj. da je voda nakon ključanja nekako promijenila svoja svojstva.
Godine 1963. tanzanijski osnovnoškolac Erasto B. Mpemba je uočio istu pojavu i slijedom događaja je vratio u modernu znanost. Naime, u njegovoj školi bio je običaj da učenici rade sladoled. No, u hladnjaku nije uvijek bilo dovoljno mjesta za sve posude s vrućom smjesom mlijeka koje bi se kasnije hladile i pretvorile u sladoled, pa je Mpemba, u strahu da ne ostane bez sladoleda, stavio vruću smjesu mlijeka odmah u hladnjak (a to je bilo zabranjeno jer se smatralo da bi moglo oštetiti dragocijeni hladnjak), a da je prije toga nije pustio da se lagano ohladi na zraku. Uočio je da se posuda mlijeka neobično brzo smrznula i pitao je svoga profesora zašto se toplije mlijeko brže smrzne od hladnijeg. Profesor se samo izrugao s njim. No, Mpemba je bio ustrajan i ponavljao je pokus i pokazivao ga svojim prijateljima. U svakom pokusu toplije mlijeko bi se brže smrznulo od hladnijeg. Mpemba je još saznao da sladoledari u Tanga Cityju već odavno znaju za taj fenomen i praktično ga koriste.
Mpemba je krenuo u srednju školu i na njegovu sreću, u posjet im je došao Dr. Osborne, profesor fizike. Mpemba se odvažio i postavio isto pitanje. Profesor je bio jako skeptičan glede tog problema, ali je ipak obećao Mpembi da će provjeriti. Javio je svome asistentu da provjeri, a ovaj mu je nakon nekoliko eksperimenata dojavio da se toplija voda uistinu brže smrzne od hladnije i dodao je „ali ćemo ponavljati eksperminet dok ne dobijemo prave rezultate“. Ali eksperimenti su davali iste rezultate, pa su dr. Osborne i Mpemba napisali zajednični članak 1969. godine. Ubrzno, nakon objavljivanja članka, uslijedili su napadi, ali i mnogo potvrda Mpembina efekta. Iste godine, nezavisno, dr. Kell je napisao članak o tome kako se toplija voda brže smrzne od hladnije. On je bio upoznat s kanadskom urbanom legendom koja je upozoravala da se auto ne valja prati vrućom vodom za vrijeme hladnih dana, inače će se jako brzo smrznuti. Kell je kao objašnjenje je dao isparavanje. Smatrao je da će toplija voda gubiti na masi i da će se zbog toga brže ohladiti. No, ubrzo je napravljen eksperiment koji je tu tvrdnju demantirao.
Danas postoji nekoliko mogućih objašnjenja, uključujući isparavanje.
Preciznija definicija
Mpemba efekt se pojavljuje kada imamo dvije posude vode, idetične na svaki način, osim što jedna posuda sadrži topliju, a druga hladniju vodu, izložene u okolini u kojoj je tempeatura ispod nule i početno toplija voda se brže smrzne od početno hladnije. Očito je da ovo proturiječi zdravom razumu; uzmimo primjer: Imamo dvije posude vode. U posudi A je voda temperature 80⁰C, a u B vodu temperature 20⁰C. Izložimo ih jednakom hlađenju. Ako vodi u posudi B treba t(x) vremena da se smrzne (0⁰C) , logično je da će vodi u posudi A trebati neki t(y) vremena da se ohladi od 80⁰C do 20⁰C i plus vrijeme t(x) da se ohladi s 20⁰C na 0⁰C; tj za hlađenje vode u posudi A uvijek će trebati više vremena za t(y) od vode u posudi B. Isto tako, ovo proturiječi, na prvi pogled, i zakonima termodinamike i Newtonovom zakonu hlađenja:
gdje je k konstanta, a {displaystyle T_{alpha }} temperatura okoline, dok je T temperatura predmeta. Nije dovoljno postaviti pitanje „Da li se toplija voda brže smrzne od hladnije“, jer je očito da će se litra vruće vode brže smrznuti od čitavog oceana, pa tu i nema neke novosti; dakle nužno je definirati i količinu, isto tako i oblik, okolinu, itd. Isto tako, jasno je da se litra vode od 99,9⁰C neće brže smrznuti od litre vode temperature 0,01⁰C; pa je nužno definirati, uz količinu, i područje razlika temperatura u kojem će se uočavati Mpemba efekt. Isto tako bitno je kako ćemo definirati smrzavanje. To može biti „onda kada se pojave prvi kristalići leda“ ili „kada se voda potpuno smrzne“. Ako je pak proučavamo isparavanje, moramo uzeti u obzir i oblik posude i da li je posuda zatvorena ili ne. Pa je očito da Mpemba efekt ovisi o jednoj jako velikoj domeni parametara i očito je da je nužno uzeti u obzir svaki od tih parametara, ukoliko želimo konačno objašenjenje Mpembina efekta. Naravno, katkada je nemoguće uzeti u obzir sve parametre, jer bi inače trebali beskonačno vremena, pa se uvijek eliminiraju oni za koje smo „uvjereni“ da ne igraju veliku ulogu u cijeloj priči.
Moguća objašnjenja
Danas svijet fizike istražuje pet mogućih krivaca za Mpembin efekt. Napomenimo da niti jedno od ovih objašnjenja nije u potpunosti prihvaćeno zbog dosta kontradikcija ili nedostatka matematičkog aparata. Ukratko ćemo ih objasniti:
Isparavanje
Kao što smo već rekli, ovo objašnjenje je dao Kell 1969. godine. On je tvrdio da zbog isparavanja toplija voda izgubi dovoljno mase da se prije ohladi od hladnije vode. To bi značilo da se količina leda od početno toplije vode razlikuje u masi (tj. manja je) od količine leda početno hladnije vode. Uistinu, danas se smatra da je isparavanje važan čimbenik u svemu ovome, ali ipak vjeruje se da ne objašnjava Mpembin efekt, jer je Wojchiecowski, kako smo već spomenuli u prethodnom poglavlju, radio eksperiment sa zatvorenim posudama, gdje je masa vode sačuvana, i ipak bi se pojavljivao Mpembin efekt.
Okolina
Jedan od najjednostavnijih mogućih razloga. Uvjeti iz okoline. Kao primjer se navodi da ako u hladnjak stavimo topliju i hladniju vodu (koje su u čašama). Sada se te čaše nalaze na sloju leda. Toplija čaša će rastopiti taj sloj i imati će bolji kontakt s hladnjakom (kondukcija), te će se tako i brže hladiti. Isto tako, ako promatramo isparavanje, moramo voditi računa o obliku posude. Ovo može zvučati kao nešto banalno, ali upućuje da je bitno uvažiti i efekt okoline, ukoliko želimo točno objasniti ovu pojavu.
Otopljeni plin
Istina je da hladnija voda ima više otopljenog plina u sebi nego toplija voda. Posljedica toga je što se pri ključanju vode otopljeni plin oslobađa. Moguće je da taj plin na neki način utječe na točku smrzavanja vode ili količinu topline potrebne da se određena količina vode ohladi. Poznat je pokus Freemana s vodom zasićenoj s CO2 (koji nije opisivao ionska svojstva, koja su jako bitna). On je proučavao Mpemba efekt s vodom u kojoj je otopljen ugljikov dioksid. Ovo bi se moglo nadovezati na već spomenuti Descartesov pokus; isto tako Mpemba i Osborne su u svome eksperimentu radili s prokuhanom vodom i time je očito da to otopljeni plin i ne mora uzročnik Mpemba efekta (jer ga, kada voda proključa, praktički i nema).
Pothlađivanje
Godine 1916., F.C.Brown je radio eksperiment . Ulio je u 100 staklenih eprueta vodu iz slavine. Od toga, 50 ih je prokuhao, a 50 nije dirao. Prvo je pričekao da se temperature izjednače, a onda ih je stavio u okolinu s temperaturom ispod nule. Primjtio je da su se 44 epruete s prokuhanom vodom raspukle, a samo 4 s neprokuhanom. Brown je primjetio da se prokuhana voda više pothlađuje od neprokuhane. Brown je tu pojavu protumačio s pretpostvakom da prokuhana voda ima manje otopljenog plina koji spriječava pothlađivanje. N.E.Dorsy je, svojim eksperimentima, zaključio da otopljeni plin i ne igra neku važnu ulogu u pothlađivanju . On je pojavu da se toplija voda više pothladi od hladnije prepisao nukleacijskim mjestima koje toplija voda deaktivira. No, D.Auerbach je radio eksperimnete u kojima je dokazo da toplija voda manje pothlađuje nego hladnija, što se suprostavlja rezultatima Browna i Dorseya. Točnije, dokazao je da se početno toplija voda pothladila na -2⁰C, dok se početno hladnija pothladila na -8⁰C. No treba napomenuti da je Auerbach obavio jako mali broj ispitivanja, pa je sve to poprilično zamršeno. Očito da Auerbachova definicija ide u prilog objašnjenju Mpembina efekta, jer bi sada toplija voda trebala obaviti manji „put“ do zamrzavanja, nego hladnije voda. No, još uvijek nije sasvim razjašnjeno zašto se baš početno toplija voda manje pothladi od početno hladnije.
Najkompleksniji parametar od svih. Kako se voda hladi, razvijaju se konvenkcijske struje i temperatura više nije homogena. Zbog ove pojave, analiza se zakomplicira, jer više ne radimo s jednim parametrom, već sa skalarnom funkcijom i dinamika fluida postaje teška za opisati. Ipak, za temperature poviše 4⁰C, toplija voda ima manju gustoću od hladnije, i početi će se gibati (dizati) prema vrha, kao što predviđa Arhimedov zakon; tj. javljati će se ascedentno i descedetno strujanje. Očito je, zbog temperaturne nehomogenosti, da voda pri srednjoj temperaturi od, npr. 35⁰C, neće biti u svim dijelovima na toj temperaturi, već će na vrhu (posude) biti mnogo toplija a na dnu (posude) mnogo hladnije; što povlači i veće isparavanje od predviđenog. Ako želimo preko konvekcije objasniti Mpembin efekt, moramo promatrati i isparavanje. Valja napomenuti da je konvekcija osjetljiva na oblik i dimenzije posude.
Natječaj
2012. godine Britansko kraljevsko društvo za kemiju održalo je natječaj u potrazi za radovima koji bi ponudili moguće objašnjenje za Mpemba efekt. Među više od 22000 pristiglih prijava, rad Nikole Bregovića, asistenta na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu osvojio je prvo mjesto. Njegov je rad pobjedničkim proglasio sam Erasto Mpemba.
Literatura
Aristotle in E. W. Webster, “Meteorologica I”, Oxford U. P., Oxford
F.Bacon, The Opus Majus of Roger Bacon, Part 6, p.584
R.Descartes, Euvres Letters de Descartes, p.998
D. Auerbach, “Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold”
Mpemba and Osborne, “Cool”, Physics Education vol. 4
G.S. Kell, “The Freezing of Hot and Cold Water”, American Journal of Physics
B. Wojciechowski, “Freezing of Aqueous Solutions Containing Gases”, Cryst. Res. Technol
I. Firth, “Cooler?”, Phys. Educ. vol. 6
M.Freeman, “Cooler still – an answer? ” Phys. Educ.
F.C.Brown, „The frequent bursting of hot water pipes in household plumbing systems“, Phys. Rev.
N.E.Dorsy, „The freezing of supercooled water“, Trans. Am. Philos. Soc
Učinkovitost električnih automobila mnogo je veća od benzinskih ili hibridnih vozila. Iako svi to znaju, malo tko zna da to rezultira neočekivanim i kontraintuktivnim utjecajima na domet i performanse. Prosječna učinkovitost motora automobila je 20 do 25 posto. To nije rezultat lošeg inženjeringa; daleko od toga. Moderni motor s unutrašnjim sagorijevanjem rezultat je više od sto godina kontinuiranog razvoja i milijardi dolara istraživanja. Ova niska efikasnost rezultat je izbora dizajna performansi ubrzanja i tvrdih ograničenja koja nameću zakoni termodinamike. Najefikasniji benzinski motor trenutno proizvodi Toyota i postiže toplotnu efikasnost od oko 40 posto.
Skoro sva električna vozila imaju stepen korisnosti motora i pogona preko 90%. Veća efikasnost je dobra stvar, ali i nemilosrdno izlaže loše odluke inženjerskog dizajna u stvarnim uvjetima. Razmotrimo nekoliko hipotetičkih električnih vozila koje se kreću autoputem na putu, od kojih svako ima identična akumulatora od 50 KWH.
Plavi automobil Vladinih motora = 92% efikasnosti = domet od 150 milja
Ograničeni zeleni automobil Lanterna = 96% efikasnosti = domet od 300 milja
Crveni automobil Stark Industries = 98% efikasnost = domet od 600 milja
Wayne Industries crni automobil = 99% efikasnosti = domet od 1.200 milja
Koliko dalje može ići Zeleni automobil od Plavog automobila? Odgovor je 100 posto! Udvostručite raspon na istu količinu energije! Crveni automobil je dvostruko bolji od toga, ali samo upola bolji od vrhunskog Crnog automobila. Male razlike u učinkovitosti između 90% i 100% = OGROMNE razlike u rasponu i / ili veličini / troškovima baterije. Procijenjeno je da pri brzini od 75mph na autoputu u ravnini bez vjetra, Tesla Model S trošak energije nastaje zbog:
72% otpornost na vjetar
21% otpor kotrljanja guma
7% svi ostali gubici zajedno
To nije zato što Model S ima lošu aerodinamiku, daleko od toga. Model S ima CdA (aerodinamički koeficijent povlačenja) od 6,2 četvornih metara što je vrlo dobro i zapravo identično Priusu treće generacije. Pri brzinama na autocesti, raspon po KWH gotovo u potpunosti ovisi o aerodinamičnom obliku / veličini električnog automobila i kvaliteti / poravnavanju / inflaciji guma. Trenutni proizvođači automobila koji su navikli da rade u rasponu niske efikasnosti od 25% nisu navikli da se drže visokih standarda izvrsnosti u ovom pogledu. Vozilo s 92% efikasnosti je nevjerovatno poboljšanje u odnosu na trenutna vozila od 20 do 25%. Ali bilo koji tradicionalni proizvođač automobila koji svoju „igru“ dovede u arenu električnih vozila A + i A ++ naći će se poniženim u pogledu efikasnosti, dometa i performansi.
Moglo bi se tvrditi da to utječe samo na električne automobile koji se voze velikom brzinom na putovanjima na velike daljine. Ali ovim nedostaje veća poanta. I.C.E. automobili su toliko neučinkoviti i zahtijevaju toliko održavanja u usporedbi s električnim da su mentalitet, korporativna kultura i poslovni model proizvođača automobila, dilera i servisnih radionica izvan koraka i nekompatibilni s novom tehnologijom.
Ako nema vanjskog pritiska, prva zanimljiva stvar je što bi nam bilo jako lagano napuhati balon, toliko bi ga brzo napuhali da bi on vrlo brzo i pukao. Kad bi balon pukao, sav taj vazduh iz balona bi se ravnomjerno rasporedio po prostoriji i vjerojatno nastavio da se kreće određenom brzinom ili kinetičkom energijom, ako se ta kinetička energija ne bi izgubila na zagrijavanje prostorije. Balon zapravo ne može ni biti u vakuumu osim ako se ne radi o balonu od nekog ekstremno jakog materijala, jer balon u vakuumu puca brzinom zvuka u vakuumu.
Slična stvar se desi kad pošaljemo balon u bezvazdušni prostor u orbitu oko Zemlje. Balon naglo pukne, sav materijal se raširi u okolni skoro prazan prostor. U praznom prostoru nema ni zvuka, tako da se eksplozija ne bi ni čula.
Kada gledate balon na Zemlji u vazduhu, on izgleda mirno, međutim te molekule su očajne da izlete iz balona i ako nema vanjskog pritiska da ih zadrži, one će izletjeti brzinom zvuka iz balona!
Molekule vazduha drže određene sile na okupu, isto i atome. Atomi i molekule iz balona “bježe” u vakuum zato što se već kreću određenim brzinama i nema ništa da ih zaustavi. Kad se nađu u vakuumu, ništa specijalno ne djeluje na njih osim onog šta je već u njima. Ako imaju određenu brzinu… nastaviti će se kretati tom brzinom dok se ne sudare s nekim drugim tijelom. Ako je molekula na okupu ona će i dalje ostati na okupu u vakuumu. Ništa je neće rastrgati. Nema sile u vakuumu, nego ima nedostatak sile. Ništa ne djeluje vakuumu, pa šta god ima neki unutrašnji pritisak, taj ga unutrašnji pritisak “podere” jer nema ništa s vana da taj pritisak izbalansira.
Termodinamička slobodna energija je količina rada koju može izvršiti termodinamički sistem. Koncept je koristan u termodinamici hemijskih ili termičkih procesa u inženjerstvu i nauci. Slobodna energija je unutrašnja energija sistema minus količina energije koja se ne može koristiti za obavljanje posla. Ovu zanimljivu energiju daje entropija sistema pomnožena temperaturom sistema.
Kao i unutrašnja energija, slobodna energija je termodinamička funkcija stanja. Energija je generalizacija slobodne energije, jer je energija sposobnost rada koja je slobodna energija.
Slobodna energija je taj dio bilo koje prve energije koja je dostupna za izvođenje termodinamičkog rada; tj. rad posreduje toplotnom energijom. Slobodna energija podleže nepovratnom gubitku tokom takvog rada. Pošto je energija prvog zakona uvijek konzervirana, evidentno je da je slobodna energija potrošna i da ta vrsta energije može obavljati rad u konačnom vremenu. Nekoliko slobodnih energetskih funkcija može se formulisati na osnovu kriterijuma sistema. Slobodne energetske funkcije su Legendre transformacije unutrašnje energije.
Značenje “slobodnog”
Osnovna definicija “energije” je mjera telesne (u termodinamičnosti, sistemu) sposobnosti izazivanja promjena. Na primer, kada osoba gurne tešku kutiju nekoliko metara napred, ta osoba koristi energiju tako što ju troši u obliku mehaničke energije, poznate i kao rad, u kutiji na udaljenosti od nekoliko metara napred. Matematička definicija ovog oblika energije je proizvod sile koja se vrši na objektu i rastojanja na kome se kutija pomjerila (Rad= Sila x Pređeni put). Pošto je osoba promjenila stacionarni položaj kutije, ta osoba je izvršila energiju na toj kutiji. Rad koji se primenjuje se takođe zove “korisna energija”, jer sva energija od osobe ide u pokretanje kutije. Budući da energija nije stvorena niti uništena, već je konzervisana (1. Zakon termodinamike), ona se konstantno pretvara iz jednog oblika u drugi. Za slučaj osobe koja gura kutiju, energija u obliku interne (ili potencijalne) energije dobijene metabolizmom pretvorena je u rad kako bi potisnula kutiju.
Ova konverzija energije, međutim, nije linearna. Drugim rečima, neka unutrašnja energija je ušla u guranje kutije, dok su se neke izgubile u vidu toplote (toplotne energije). Razlika unutrašnje energije koja je definisana U i energije koja je izgubljena tokom rada, obično je u obliku toplote, koja se može definisati kao proizvod apsolutne temperature T i entropije S (entropija je mjera poremećaja u sistemu, konkretnije mjera toplotne energije koja nije dostupna za obavljanje posla) tijela je ono što se zove “korisna energija” tijela, ili rad tela koji se obavlja na objektu. U termodinamici, to je ono što je poznato kao “slobodna energija”. Drugim riječima, slobodna energija je mjera rada (korisna energija) koju sistem može izvesti.
Matematički, slobodna energija se izražava kao:
slobodna energija = U-TS
Ovaj izraz znači da je slobodna energija razlika ukupne unutrašnje energije sistema, a energija koja nije dostupna za obavljanje posla, izmenjena apsolutnom temperaturom sistema, poznata i kao entropija .
U 18. i 19. vijeku, teorija toplote, tj. da je toplota oblik energije koja ima vezu sa vibracionim pokretom, počela je da zamjenjuje i kaloričku teoriju, tj. da je toplota fluid. Na sličan način, tokom ovih godina, toplota se počela razlikovati u različitim kategorijama, kao što su “slobodna toplota”, “kombinovana toplota”, “sjajna toplota”, specifična toplota, toplotni kapacitet, “apsolutna toplota”, “latentna toplota “,” slobodna”, itd.
Tako je, u tradicionalnoj upotrebi, pojam “slobodne energije” vezan za Gibbsovu slobodnu energiju, odnosno za sisteme pri konstantnom pritisku i temperaturi, ili Helmholtz slobodnu energiju, odnosno za sisteme na konstantnoj zapremini i temperaturi, znači “dostupna u obliku korisnog rada. “U vezi sa slobodnom energijom Gibbs-a, dodajmo kvalifikaciju da je to slobodna energija za rad bez zapremine.
Kao i kod opšteg koncepta energije, slobodna energija ima više definicija, u zavisnosti od uslova. U fizici, hemiji i biologiji, ovi uslovi su termodinamički parametri (temperatura T, zapremina V, pritisak P, itd.). Naučnici su došli do mnogih načina da definišu slobodnu energiju, a zadržavaju određene parametre od promjene; matematički izražena kao (Kada se temperatura i volumen zadržavaju konstantni, ovo je poznato kao Helmholtz slobodna energija A. Matematički izraz Helmholtzove slobodne energije je:
A = U-TS
Ova definicija slobodne energije je korisna u fizici za objašnjavanje ponašanja izolovanih sistema koji se čuvaju u stalnom volumenu. U hemiji, s druge strane, većina hemijskih reakcija se drži pod stalnim pritiskom. Pod ovim uslovima, toplota reakcije je jednaka entalpi H reakcije, ili sve energije povezane sa reakcijom. Na primjer, ako je istraživač želio da izvrši reakciju sagorjevanja u toplotnoj pumpi, pritisak se održava konstantno tokom reakcije po molu supstance sistema (reaktanti i proizvodi). Zbog toga je toplota reakcije direktna mjera entalpije H reakcije. U ovom slučaju, unutrašnja energija može biti mjera entalpije reakcije u pitanju (H = U). Tako je pod konstantnim pritiskom i temperaturom slobodna energija u reakciji poznata kao Gibbsova slobodna energija G.
slobodna energija u reakciji poznata je kao Gibbsova slobodna energija G.
G = H-TS
Eksperimentalna korisnost ovih funkcija ograničena je na uslove u kojima su određene varijable (T, V ili vanjske p) konstantne, iako imaju teorijski značaj u izradi Makswellovih relacija. Rad koji nije dV može se dodati, npr., Za elektrohemijske ćelije, ili dx radi u elastičnim materijalima i u kontrakciji mišića. Drugi oblici rada koji se ponekad moraju smatrati naponskim, magnetnim, kao što je slučaj sa adiabatskom demagnetizacijom koja se koristi u pristupu apsolutnoj nuli, i radi zbog električne polarizacije. Ovi su opisani tenzorima.
U većini slučajeva interesovanja postoji unutrašnji stepen slobode i procesa, kao što su hemijske reakcije i fazni prelazi, koji stvaraju entropiju. Čak i za homogene materijale, funkcije slobodne energije zavise od (često potisnutog) sastava, onih od svih odgovarajućih termodinamičkih potencijala (opsežnih funkcija), uključujući unutrašnju energiju.
