「最初に冷やしたほうが温まるのが早い」という謎の物理現象を発見

physics 2020/02/24
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point
  • 材料を温める最速の方法は予冷を行うことだという研究が報告された
  • 氷を作る際、熱湯を凍らせたほうが早いと主張するムペンバ効果と類似している
  • 冷やすことで材料の磁性方向に変化が起きることが、原因の可能性がある

氷を作るとき、熱湯から凍らせたほうが凍るのが早い、という話を聞いたことがあるでしょうか?

これはムペンバ効果と呼ばれていて、タンザニアの高校生エラスト・B・ムペンバくんが発見した現象です。

ただ、この現象は科学にとって重要な再現性を得ることが難しく、現象が現れたり現れなかったりするため原因の特定ができていません

新たな研究は、このムペンバ効果を直接検証しているものではありませんが、かなり類似性のある現象のメカニズムについて言及しています。

それは、物質を温める際、最初に冷やしておいたほうが、指数関数的に早く加熱が可能になるという現象です。そして、その原理について磁性が関係している可能性があると報告しています。

単純に見えて謎の多い温度変化の秘密が、これから明らかになるかもしれません。

この研究は、イスラエルのワイツマン科学研究所の物理学者A. Gal氏とO. Raz氏の共著で発表され、アメリカ物理学会から発行される査読付き学術雑誌『PHYSICAL REVIEW LETTERS』に2月13日付けで掲載されています。

Precooling Strategy Allows Exponentially Faster Heating
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.060602

温めますか? 冷やしますか?

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「熱湯のほうが凍りやすい」、もしくは「冷やしておいたほうが効率よく温まりやすい」という主張は、直感に反した現象で、なかなか受け入れがたいものがあります。

ムペンバ効果については、再現は難しいですが確かに存在する現象として確認されています。

今回の研究者が報告する予冷を利用した加熱時間の短縮についても、数学的な検証によって確認されています。

単純に温度変化を見ていても、この現象は理解することができません。予冷を行ってから再加熱された場合と、単純に加熱した場合で、2つの系に違いは見られないからです。

この効果の原理を理解するためには、まったく別の観点から現象を見る必要があると言われています。

そこで、今回の研究者たちが注目したのは磁性でした。

2次元イジング模型

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2次元イジング模型とは、二次元格子を使って物理現象を解析する手法です。

これは格子点を原子に見立てて、磁気などの相互作用を調べることができます。

今回の研究者たちは、この2次元イジング模型を使って、温度変化で起きる隣接する原子の反強磁性と呼ばれる挙動を検討しました。

反強磁性は、磁気が隣接する原子同士で反対方向を向くことで磁気を持たなくなる性質を指します。

研究者たちはこの検証から、予冷で加熱が加速する物質は、冷却することで反強磁性になっている可能性を発見したのです。

反強磁性の磁気モーメント配置。/Credit: Michael Schmid,Wikipedia Commons

材料を冷却することで、異なる方向を向く磁性の比率が変化し、これが加熱の速度に影響しているというのです。

まったく糸口の見えなかった、温度変化の問題が、実は物質の持つ磁性にあるかもしれません。

これは非常に興味深い発見です。

研究者たちは、次にこうした効果を起こしやすい磁性合金を探すことを目指すと言います。

今後この研究が進めば、最初に加熱しておく、冷やしておくという曖昧な条件に頼らず、加熱を高速化させる機械などが設計できるかもしれません。

「冷えたご飯を温め直すと半端に温まる問題」も、ここから解決されるといいですね。

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reference: sciencenews / written by KAIN
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