ムペンバ効果

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ムペンバ効果（ムペンバこうか、Mpemba effect）は、特定の状況下では高温の水がより低温の水よりも短時間で凍ることがある現象のことである。科学雑誌「ニュー・サイエンティスト」（New Scientist、読者層は一般大衆・科学者の双方を対象にした雑誌だが査読付き論文雑誌ではない）はこの現象を確認したい場合、効果が最大化されるよう摂氏35度と摂氏5度の水で実験を行うことを推奨している[1]。

目次

[編集] 発見の経緯

ムペンバ効果はタンザニアの高校生、エラスト・B・ムペンバ（Erasto B. Mpemba）にちなんで名付けられた。ムペンバはマガンバ中学校の3年次当時の1963年に初めてこの現象に出くわした。ムペンバは調理の授業中、アイスクリームミックスを熱いまま凍らせたところ冷ましてから凍らせたものよりも先に凍ることに気付いた。その後ムペンバはイリンガ（Iringa）のムカワ高校に進学した。ムカワ高校では校長がダルエスサラームにある大学からデニス・G・オズボーン博士を招き、物理学の講演が行われた。講演終了後、ムペンバは「同じ体積の35度の水と100度のお湯を冷凍庫に入れたら、100度のお湯が先に凍りました。なぜでしょうか?」と、クラスメイトからは嘲笑の的にされるだけだった質問をしてみた。当初オズボーン博士は半信半疑だったもののムペンバの発見を検証し、ムペンバとともに1969年に研究結果をまとめ出版した[2][3]。なおムペンバは2008年現在国際連合食糧農業機関（FAO）の「アフリカ森林および野生動物委員会」で働いている[4]。

[編集] 原因

ムペンバ効果が起こる環境下ではさまざまな要素が関わっているものと考えられる。

  • 凍結の定義 - 「凍結」を水の表面に氷の層が確認できた段階とするのか、完全に氷の固まりとなった段階(全体凍結)とするのか。
  • 冷却効率
    • 蒸発 - 蒸発は吸熱反応である(水の蒸発熱(0℃,1atm): 45.2 kJ/mol)。また蓋のない容器では、蒸発により水の分量が減る[5]。
      有力な説だが、これだけで現象全体を説明するのは難しい[6]。
    • 対流 - 熱輸送が促進された。摂氏4度以下で水の密度が減少すると、(上面/側面冷却で)下側の水を冷やす働きのある対流が抑制される。より密度の低い高温の水ではこの抑制が起こりにくいと考えられ、初期段階での急速冷却を支えていると思われる。また対流の相違により、過渡的な温度勾配や温度分布に相違が生じる点も見逃せない。(→ 複雑系問題)
    • 霜 - オリジナル実験当時一般的だった直冷式冷凍庫は、底面冷却部に霜が発生しやすく、これが底面断熱材として機能した。高温の水を庫内に入れると、底面の霜が溶けて冷却効率が改善され、下側および横から凍りやすい。これに対し低温の水は上側から凍りやすく、全体凍結過程では 上面からの放射や空気対流が妨げられて冷却効率が低下する。
  • 凍結プロセス - 不均一核生成
    • 凍結開始の偶発性 - 通常の実験環境でバルクの純水は、下限約-10℃前後の過冷却状態から偶発的に急速凍結するため、凍結開始時間に統計的なばらつきが生じる。ばらつきが0℃までの冷却時間と比較して充分大きい場合、水と湯の凍結時間の逆転現象が起こりうる。この偶発性は、何らかの外的擾乱をきっかけに界面や容器表面で起こる不均一核生成が原因と推測される。
    • 過冷却 - 仮説として、低温の水は高温の水と比較して過冷却が深くなりやすく、高温の水より凍りにくいと考えられる[7][8]。
      • 仮説の背景
        後で触れる「水素結合でつながった水分子の構造」の問題[9][10][11]が関与している可能性がある。(→ 先端科学の観点)
      • 不純物の影響 - 不均一核生成
        水中に氷晶の核となる不純物が多いと凍結が急速に促進されるため、過冷却はあまり重要でなくなる。ただし高温の水の加熱で不純物が析出した場合は、上記仮説が成立する[12] (→次項参照)。
  • 不純物の影響 - 凝固点降下、不均一核生成
    • 溶質 - 炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムその他によるもの[12]。
      純水ではなく硬水を使った場合、煮沸により煮沸容器表面に無機塩が析出して軟水となる。低温の水は煮沸しないと硬水のままなので、全体凍結過程で 無機塩の濃縮が生じ凍りにくくなる。
    • 溶存気体 - 高温の水の加熱で、溶存気体の溶解度が低下し微小な気泡を生じた場合、界面積が増加し凍結しやすくなる。

[編集] 複雑系問題

冷却の過程にある水の状態を温度という単一のパラメーターで記述してよいかどうか、という問題も存在する。より正確な記述のためには水における温度分布を考える必要がある。モンウェア・ジェン（Monwhea Jeng）はこの問題に関して「解析は大変複雑になる。なぜなら我々は温度という単一のパラメーターではなく温度場を考えることになり、さらに解析に必要な数値流体力学が非常に込み入っているからである」と書いた[6]。

この効果は熱伝導の問題であり[13][7][14][15]、連続体力学に基づいた輸送現象（transport phenomena）の観点からの研究が適している。熱輸送を偏微分方程式で解析する場合、系の挙動を記述するためには水の平均温度など少数のパラメーターを与えるだけでは一般には不十分である。系の幾何学的な詳細や流体の特性、温度場や流れ場などといった多様な条件が系の挙動に極めて複雑に影響を与えうるからである。単純化された熱力学のみに基づいて分析する限りムペンバ効果は直感に反するように思われるが、このことは物理学の問題へのアプローチに際して適切な変数を全て考慮して最も適した理論的道具立てを用いることの必要性を例証している[13][7][15][14]。

[編集] 先端科学の観点

  • 非平衡相転移、非線形効果 [16] [17]
  • 水の特異性 [18][19]
    物理化学の未解決問題 (unsolved problems in chemistry)[20]の一つ「水素結合でつながった水分子の構造」の関与を期待する議論[9]がある[21]。
    国内における水分子構造関連の研究には、
    • 低温高圧下で 水が低密度成分(LDL)と高密度成分(HDL)に相分離するという第二臨界点仮説[10][22]
    • 軟Ｘ線発光分光を使った水の電子状態の秩序無秩序構造の観測[11]
    • シミュレーションを使った 水分子の水素結合ネットワーク構造 のフラグメント解析[23]
    等あるが、今のところムペンバ効果への直接的関与を示唆する結果は特に出ていない模様である。

[編集] 21世紀初頭現在の捉えられ方

科学ライターのフィリップ・ボールは、2006年に雑誌「フィジックス・ワールド」（Physics World）に寄稿した記事中で「問題は、この現象を効率よく再現するのが非常に難しいことにある。現象が現れることもあるし、現れないこともある。そして、もしムペンバ効果が真実である、すなわち高温の水が低温の水よりも速く凍結するとしても、現象の解釈がありきたりなものになるか素晴らしい発見となるかは明らかではない」とした[24]。

[編集] 発見の前史

類似の現象について古代のアリストテレス[25]やフランシス・ベーコン[26]、ルネ・デカルト[27]など近世の科学者が気付いていた可能性がある。アリストテレスは彼がアンチペリスタシス（antiperistasis）と呼んだ「ある性質の強度は、相反する性質に取り囲まれた結果として増強されうる」という（誤った）特性によるものとした。

[編集] 日本での反応

NHKの科学情報番組『ためしてガッテン』の2008年7月9日の放送でムペンバ効果が取り上げられ[28]、翌7月10日付のYahoo!JAPAN 検索ランキングで「ムペンバ効果」が21位にランクインした[29]。これに対し物理学者の大槻義彦は、自身のブログにおいて「熱力学の基本法則からありえない」と批判した[30][31]。京都大学の小貫明教授は蒸発熱や対流などのなにか原因がある可能性を指摘している[32]。番組の監修に協力したとされる（当初は放送に反対だったが、条件付きで協力）北海道大学低温科学研究所の前野紀一名誉教授も、複数の条件下では起こりうるとしている[32][33][34][35][16]。

[編集] 参考文献

[編集] 脚注

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  1. ^ How to Fossilise Your Hamster: And Other Amazing Experiments For The Armchair Scientist, ISBN 1846680441
  2. ^ Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1969), “Cool?”, Physics Education (Institute of Physics) 4: 172–175, doi:10.1088/0031-9120/4/3/312 
  3. ^ Mpemba, E B (1979), “Cool?”, Physics Education (Institute of Physics) 14: 410–413, doi:10.1088/0031-9120/14/7/312, http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/14/7/312/pev14i7p410.pdf 
  4. ^ Report of the 14th session of the Working Party on the Management of Wildlife and Protected Areas(), ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/meeting/013/ai572e.pdf 
  5. ^ Kell, G. S. (1969). “The freezing of hot and cold water”. Am. J. Phys. 37: 564­565. DOI: 10.1119/1.1975687.
  6. ^ a b Jeng, Monwhea (2006). “Hot water can freeze faster than cold?!?”. American Journal of Physics 74 (6): 514. DOI: 10.1119/1.2186331. arXiv:physics/0512262v1. 2008年3月18日 閲覧。
  7. ^ a b c Auerbach, David (1995). “Supercooling and the Mpemba effect: when hot water freezes faster than cold”. American Journal of Physics 63 (10): 882­885. DOI: 10.1119/1.18059. 2008年3月18日 閲覧。
  8. ^ S. Esposito, R. De Risi and L. Somma (2008). “Mpemba effect and phase transitions in the adiabatic cooling of water before freezing”. Physica A 387: 757­763. DOI: 10.1016/j.physa.2007.10.029.
  9. ^ a b Chaplin, Martin. "Explanation of the Phase Anomalies of Water". 2009年2月14日 閲覧。
  10. ^ a b Mishima, O, HE Stanley (1998). “The relationship between liquid, supercooled and glassy water” (PDF). Nature. 2009年2月14日 閲覧。
  11. ^ a b 理化学研究所; ストックホルム大学, スタンフォード線型加速器センター, 高輝度光科学研究センター (2008年06月12日). "水に潜む氷の影－水の連続的な状態変化を唱えた常識を覆す　－ 電子の状態を眺めると、２つの構造が水を支配している －（SPring-8 プレスリリース）". 2009年2月14日 閲覧。
  12. ^ a b Katz, Jonathan (2006年4月). "When hot water freezes before cold". 2008年7月10日 閲覧。
  13. ^ a b Knight, Charles A. (1996-05). “The Mpemba effect: the freezing times of hot and cold water”. American Journal of Physics 64 (5): 524. DOI: 10.1119/1.18275. 2008年3月18日 閲覧。
  14. ^ a b Dorsey, N. Ernest (1948-11). “The Freezing of Supercoold Water”. Transactions of the American Philosophical Society 38 (3): 247­328. DOI: 10.2307/1005602. 2008年3月18日 閲覧。
  15. ^ a b Dorsey, N. Ernest (1940). Properties of ordinary water-substance in all its phases: water vapor, water, and all the ices. New York: Reinhold Publishing Corporation. 
  16. ^ a b 前野紀一 (2008). “談話室　「湯と水くらべ」のサイエンス”. 日本雪氷学会誌『雪氷』 (6): 593-599. 2009年2月14日 閲覧。
  17. ^ 小貫 明 (2008). “非平衡相転移現象：熱流による非線形効果” (PDF). 日本物理学会誌: 779­785. 2009年2月14日 閲覧。
  18. ^ Chaplin, Martin. "Anomalous properties of water". 2009年2月14日 閲覧。
  19. ^ "水の特異性" (日本語). 2009年2月14日 閲覧。 ("Anomalous properties of water"の邦訳加筆修正版)
  20. ^ “So much more to know”. Science 309 (5731): 78­102. DOI: 10.1126/science.309.5731.78b.
  21. ^ 金森 順次郎. "これからの基礎科学 ─ 国際高等研究所の経験からの管見 ─PDF" (日本語). 2009年2月14日 閲覧。
  22. ^ 三島 修 (2003). “解説　水のポリアモルフィズムと第二臨界点仮説” (PDF). 日本熱測定学会誌 (1): 23­28. 2009年2月14日 閲覧。
  23. ^ 松本 正和. "非晶質相の構造の違いをいかに見分けるか ～シミュレーションからのアプローチ～PDF" (日本語). 2009年2月14日 閲覧。
  24. ^ Ball, P. (April 2006). “Does hot water freeze first?”. Physics World 19（4）: 19–21.　原文:"The problem is that the effect is frustratingly hard to reproduce - sometimes it appears, and sometimes not. In fact, no-one has agreed exactly how the experiments should be conducted in the first place. And even if the Mpemba effect is real - if hot water can sometimes freeze more quickly than cold - it is not clear whether the explanation would be trivial or illuminating."
  25. ^ Aristotle, Metereology, Book 1 「水を前もって加熱しておくことで早く冷却され、凍結が急速に進む。そのため湯を早く冷ましたい時に日向に置いておく者もいる。ポンタスの住民は氷上で穴を空けて釣りをする際、アシの周りに湯を掛けて鉛のように凍らせ。」 E.W.ウェブスターによる英語訳："The fact that the water has previously been warmed contributes to its freezing quickly: for so it cools sooner. Hence many people, when they want to cool hot water quickly, begin by putting it in the sun. So the inhabitants of Pontus when they encamp on the ice to fish （they cut a hole in the ice and then fish） pour warm water round their reeds that it may freeze the quicker, for they use the ice like lead to fix the reeds".
  26. ^ Novum Organum, Lib. II, L, 「やや温めた水は冷水よりも容易に凍る」 英文："slightly tepid water freezes more easily than that which is utterly cold". ラテン語の原文 "aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida"
  27. ^ Descartes, Les Meteores, 「長時間火に掛けておいた水が通常の水よりも速く凍るのを経験することがある。理由は水が加熱されている間に最も曲がるのを止められない粒子が気化するからだ」英文：Discours Premier "One can see by experience that water that has been kept on a fire for a long time freezes faster than other, the reason being that those of its particles that are least able to stop bending evaporate while the water is being heated". フランス語の原文 "Et on peut voir aussy par experience que l'eau qu'on a tenue longuement sur le feu se gele plutot que d'autre, dont la raison est que celles de ses parties, qui peuvent le moins cesser de se plier, s'evaporent pendant qu'on la chauffe." Descartes' explanation here relates to his theory of vortices.
  28. ^ 日本放送協会. "2008年7月9日放送分" (日本語). 2008年8月2日 閲覧。 ただし公式サイトには「ムペンバ効果」の記述はない
  29. ^ yahoo.co.jp
  30. ^ 大槻義彦公式ブログ2008年7月22日、「ムペンバ効果」
  31. ^ 大槻義彦公式ブログ2008年7月31日、「ムペンバ効果、再び」
  32. ^ a b http://www.j-cast.com/2008/07/26024115.html
  33. ^ http://ch08371.kitaguni.tv/e587726.html
  34. ^ http://ch08371.kitaguni.tv/e581383.html
  35. ^ http://www.cml-office.org/ww-gl/article.php/2009010516083450

[編集] 関連項目

[編集] 外部リンク

"http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A0%E3%83%9A%E3%83%B3%E3%83%90%E5%8A%B9%E6%9E%9C" より作成