一种研究姆潘巴效应的实验设备及其实验方法

1.本发明涉及实验设备技术领域，具体是指一种研究姆潘巴效应的实验设备及其实验方法。


背景技术：

2.姆潘巴效应(mpemba effect)是一个在物理化学科普界非常重要的问题，指在同等体积、同等质量和同等冷却环境下，温度高的液体比温度低的液体先结冰的现象。目前，已有许多研究人员对这个问题进行研究并提出自己了的观点。
3.因为姆潘巴效应通常在实验中很难观察到，因此学术界多数研究者转而采用理论计算、分子模拟、理论模型的方法，试图解释或者预测姆潘巴效应是否存在。jin等人进行了分子动力学模拟，从结晶层面提出在热水中六聚体态的较高占比是姆潘巴效应下更快结晶的原因。[jin j,goddard iii w a.mechanisms underlying the mpemba effect in water from molecular dynamics simulations[j].the journal of physical chemistry c,2015,119(5):2622-2629]。
[0004]
tao等人根据振动光谱和密度泛函理论优化水团簇模拟的结果提出了另一种可能的解释：随着温度升高，总体氢键作用减弱其中弱静电氢键断裂而强氢键的数量增加；当温水快速冷却时，由这些少量的强氢键带来的小而强结合的团簇的存在促进了六边形冰的成核，因此出现了姆潘巴现象。[tao y,zou w,jia j,et al.different ways of hydrogen bonding in water-why does warm water freeze faster than cold water？[j].journal of chemical theory and computation,2017,13(1):55-76]。
[0005]
kumar等人构建了一个复杂的胶体体系的模型，通过理论计算和分子模拟，认为姆潘巴效应是可以发生的。[kumar a,bechhoefer j.exponentially faster cooling in a colloidal system[j].nature,2020,584(7819):64-68]。
[0006]
申请号为200510024079.2的中国专利公开了一种研究姆潘巴问题的实验装置及方法。该装置由冰箱和自动测温记录仪组成，她们利用糖、清水、牛奶、淀粉、冰淇淋等多种材料，采用多点自动测温记录仪，在记录了大量数据后进行多因素分析，最后得出结论：“在同质同量同外部温度环境条件下，不可能出现初温高的液体比初温低的液体先结冰的现象，所以姆潘巴现象不可能发生”。并提出了引起误解的三种可能，作者认为，只有当冰箱有温差、牛奶含糖量不同或糖没有溶解、含有较多淀粉等非液体成分时，姆潘巴现象才有可能发生。通过对实验进行分析，质疑者提出：这个专利描述的实验中使用的仪器精度差以及实验方法缺乏科学性，因此得出的结论难以使学者们信服。
[0007]
李守良等人通过使用arduino和一些传感器相结合制作一个验证姆潘巴现象的装置，并使用制作的装置测量液体温度在不同时间上的变化，该装置的特点是每间隔30秒能存储一次液体的温度，但在真实的测量过程中，所得到的函数图像与液体冷却实际图像明显不符，因此该装置不能应用于对姆潘巴现象的验证中。[李守良,张敬云,谢作如.基于arduino测量的“姆潘巴现象”[j].中国信息技术教育,2016(01):70-71]。
[0008]
在过去的研究中，虽有不少研究者提出了一些理论模型和机理来试图解释姆潘巴效应，但由于一直缺少实验直接观测的结果，使得这些模型理论并未受所有人接受。经过研究，我们发现，姆潘巴效应在实验中很难观察到的原因主要有以下几点：(1)稳定的冷却环境；(2)实时准确的在线温度测量系统；(3)严谨准确的数据处理方法；(4)可以观察到姆潘巴效应的特定的条件。
[0009]
姆潘巴效应之所以成为50年来国际物理化学科普届的经典难题，让人困惑，带来争议，大家对此争论不休，主要是缺乏一套可以用来研究姆潘巴效应的科学实验设备。仅仅用常见的温度计、烧杯、试管、冰箱去尝试做实验，很难观察到姆潘巴效应，也很难得到可靠有说服力的试验结果。因此，研发一套科学实验设备，破解姆潘巴效应之谜，来解决这一困扰物理化学科普届50年的难题，清晰地终结关于姆潘巴效应的困惑和争论，无论是科学研究本身，还是科学普及中培养科学思维，思辨与推理都具有十分重要的实用性和科学价值。


技术实现要素：

[0010]
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以更为方便的研究姆潘巴效应，使得这个实验能够在水这一简单体系中，在特定的实验条件下，非常容易地直接观察到姆潘巴效应的实验设备。
[0011]
本发明的另一个目的在于提供上述实验设备研究姆潘巴效应的实验方法。
[0012]
为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：一种研究姆潘巴效应的实验设备，包括恒温冷却系统、固定支架系统、实时测温系统、数据处理系统；
[0013]
所述恒温冷却系统包括恒温冷却装置，所述恒温冷却装置中部设置有恒温冷却槽，恒温冷却装置内部设置有制冷压缩机和恒温冷却控制面板，并通过操作恒温冷却控制面板控制制冷压缩机，使恒温冷却槽内的温度保持在-30℃～100℃之间的任意温度，所述恒温冷却槽内盛装有冷却液；
[0014]
所述固定支架系统包括安装在恒温冷却装置上部的升降支架，所述升降支架上安装有固定容器的夹具，所述夹具固定的容器刚好置于恒温冷却槽内的冷却液内；
[0015]
所述实时测温系统包括置于容器内的温度传感器，以及显示温度传感器传输温度数据的测温显示面板；
[0016]
所述数据处理系统包括能够接受实时测温系统传输的温度数据，并将温度数据处理成图表的pc机。
[0017]
为了更好地实现本发明，进一步地，所述恒温冷却系统的控温精度为
±
0.05℃。
[0018]
为了更好地实现本发明，进一步地，所述容器内盛装的冷却液为无水乙醇、硅油、kcl水溶液、nacl水溶液、nh4cl水溶液、cacl2水溶液、nano3水溶液、nh4no3水溶液、nh4cl/nano3水溶液、nh4no3/nano3水溶液、nh4cl/kno3水溶液、nh4cl/nacl水溶液、nh4no3/nacl水溶液中的一种。
[0019]
为了更好地实现本发明，进一步地，所述温度传感器的测温精度为
±
0.1℃，测温范围为-20℃～100℃。
[0020]
为了更好地实现本发明，进一步地，所述恒温冷却槽的长、宽、高分别15～50cm、15～40cm、10～30cm。
[0021]
为了更好地实现本发明，进一步地，所述容器为烧杯或试管。
[0022]
基于上述研究姆潘巴效应的实验设备进行姆潘巴效应研究的实验方法，具体步骤如下：
[0023]
s1：使用夹具将容器固定在升降支架上，取40ml水置于烧杯中，并密封容器开口，将实时测温系统中的温度传感器置于容器中，实时进行水温观测，并将容器通过水浴加热至初始温度t0；
[0024]
s2：在恒温冷却系统中的恒温冷却槽内加入冷却液，将温度设置为-20℃；
[0025]
s3：将步骤s1中温度达到初始温度t0的容器置于恒温冷却槽中冷却，通过实时测温系统观测容器中水温的变化，直至水完全结冰；
[0026]
s4：通过数据处理系统中的pc机将初始温度为t0的水的冷却曲线；
[0027]
s5：重复步骤s1～s4获取初始温度为t1的水的冷却曲线，其中t1≠t0；
[0028]
s6：对比初始温度为t1的水的冷却曲线与初始温度为t0的水的冷却曲线，判断是否有姆潘巴效应产生。
[0029]
为了更好地实现本发明的实验方法，进一步地，所述步骤s1中的夹具为铁夹，容器为烧杯，所述烧杯的高度为45mm，外径为60mm，壁厚为1mm。
[0030]
为了更好地实现本发明的实验方法，进一步地，所述步骤s1中采用聚乙烯泡沫密封容器的开口。
[0031]
为了更好地实现本发明的实验方法，进一步地，所述步骤s6中，能够观察到姆潘巴效应的t0、t1的取值具体包括：
[0032]
t0＝46.4℃、t1＝67.0℃；
[0033]
t0＝67.0℃、t1＝59.6℃；
[0034]
t0＝75.3℃、t1＝46.6℃；
[0035]
t0＝56.9℃、t1＝83.7℃。
[0036]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0037]
(1)本发明提供的实验设备能够使大家更为方便的研究姆潘巴效应，使得这个实验能够在一个简单的环境下进行，可以是中小学生在科学课堂上进行该实验，中小学生们可以自己操作该装置进行姆潘巴效应的研究，找出可以观察到姆潘巴效应的特定条件，并弄明白其中的科学原理，从而消除对这一问题的困惑；
[0038]
(2)本发明提供的实验设备可以在水这一简单体系中，在特定的实验条件下，非常容易地直接观察到姆潘巴效应。同时通过改变实验条件，探讨冷却过程中热传递的不同方式和影响，使实验者明白，姆潘巴效应是存在的，但并不是一个普遍的现象，只有在特定的条件下才能观察到姆潘巴效应；
[0039]
(3)本发明提供的实验设备破解了姆潘巴效应之谜，来解决这一困扰物理化学科普届50年的难题，清晰地终结关于姆潘巴效应的困惑和争论，无论是科学研究本身，还是科学普及中培养科学思维，思辨与推理都具有十分重要的实用性和科学价值；
[0040]
(4)使用本发明的实验设备直接验证了姆潘巴效应是真实存在的，该实验设备也是目前首套直接用于证实了姆潘巴效应是真实存在的实验设备。
附图说明
[0041]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、
目的和优点将会变得更为明显：
[0042]
图1为本发明的平面结构示意图；
[0043]
图2为本发明中初始温度为53.0℃、81.8℃的冷却曲线对比图；
[0044]
图3为本发明中初始温度为56.9℃、46.4℃的冷却曲线对比图；
[0045]
图4为本发明中初始温度为46.4℃、67.0℃的冷却曲线对比图；
[0046]
图5为本发明中初始温度为56.9℃、67.0℃的冷却曲线对比图；
[0047]
图6为本发明中初始温度为46.6℃、75.3℃的冷却曲线对比图；
[0048]
图7为本发明中初始温度为67.0℃、75.3℃的冷却曲线对比图；
[0049]
图8为本发明中初始温度为56.9℃、83.7℃的冷却曲线对比图；
[0050]
图9为本发明中初始温度为56.9℃、86.3℃的冷却曲线对比图。
[0051]
其中：1—测温显示面板，2—升降支架，3—夹具，4—容器，5—温度传感器，6—恒温冷却槽，7—恒温冷却控制面板，8—制冷压缩机。
具体实施方式
[0052]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0054]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0055]
实施例1：
[0056]
本实施例提供一种研究姆潘巴效应的实验设备，其主要结构，如图1所示，包括恒温冷却系统、固定支架系统、实时测温系统、数据处理系统；
[0057]
所述恒温冷却系统包括恒温冷却装置，所述恒温冷却装置中部设置有恒温冷却槽6，恒温冷却装置内部设置有制冷压缩机8和恒温冷却控制面板7，并通过操作恒温冷却控制面板7控制制冷压缩机8，使恒温冷却槽6内的温度保持在-30℃～100℃之间的任意温度，所述恒温冷却槽6内盛装有冷却液；
[0058]
所述固定支架系统包括安装在恒温冷却装置上部的升降支架2，所述升降支架2上安装有固定容器4的夹具3，所述夹具3固定的容器4刚好置于恒温冷却槽6内的冷却液内；
[0059]
所述实时测温系统包括置于容器4内的温度传感器5，以及显示温度传感器5传输温度数据的测温显示面板1；
[0060]
所述数据处理系统包括能够接受实时测温系统传输的温度数据，并将温度数据处
理成图表的pc机。
[0061]
其中，恒温冷却系统的控温精度为
±
0.05℃；所述容器4内盛装的冷却液为无水乙醇、硅油、kcl水溶液、nacl水溶液、nh4cl水溶液、cacl2水溶液、nano3水溶液、nh4no3水溶液、nh4cl/nano3水溶液、nh4no3/nano3水溶液、nh4cl/kno3水溶液、nh4cl/nacl水溶液、nh4no3/nacl水溶液中的一种；所述温度传感器的测温精度为
±
0.1℃，测温范围为-20～100℃；所述恒温冷却槽6的长、宽、高分别15～50cm、15～40cm、10～30cm；所述容器4为烧杯或试管。
[0062]
实施例2：
[0063]
本实施针对上述实验设备进行姆潘巴效应研究的实验方法，具体步骤如下：
[0064]
s1：使用夹具3将容器4固定在升降支架2上，取40ml水置于容器4中，并密封容器开口，将实时测温系统中的温度传感器5置于容器4中，实时进行水温观测，并将容器4通过水浴加热至初始温度t0；
[0065]
s2：在恒温冷却系统中的恒温冷却槽6内加入冷却液，将温度设置为-20℃；
[0066]
s3：将步骤s1中温度达到初始温度t0的容器4置于恒温冷却槽6中冷却，通过实时测温系统观测容器4中水温的变化，直至水完全结冰；
[0067]
s4：通过数据处理系统中的pc机将初始温度为t0的水的冷却曲线；
[0068]
s5：重复步骤s1～s4获取初始温度为t1的水的冷却曲线，其中t1≠t0；
[0069]
s6：对比初始温度为t1的水的冷却曲线与初始温度为t0的水的冷却曲线，判断姆潘巴效应是否存在。
[0070]
其中，所述步骤s1中的夹具3为铁夹，使用的容器4为烧杯或试管。
[0071]
所述步骤s2中选择使用的冷却液为无水乙醇。
[0072]
所述步骤s1中采用聚乙烯泡沫密封容器4的开口。
[0073]
实施例3：
[0074]
本实施例采用上述实施例提供的实验设备进行姆潘巴效应研究的实验过程，采用不同组别的初始温度t0和t1，进行姆潘巴效应研究，其中，t0和t1分组情况如表一所示：
[0075]
表一不同初始温度的分组情况
[0076]
[0077]
其中，组1具体实验过程为：
[0078]
a、使用铁夹将烧杯(高度：45mm、外径：60mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取40ml水置于烧杯中，并使用聚乙烯泡沫将烧杯口封住，将实时测温系统中的热电偶置于烧杯中实时观测水的温度，将烧杯放入水浴中加热到初始温度为53.0℃。
[0079]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到53.0℃的烧杯置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出53.0℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为81.8℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图2所示)；在上述条件下，初始温度为53.0℃和81.8℃时，不能观察到姆潘巴效应。
[0080]
组2具体实验过程为：
[0081]
a、使用铁夹将试管(外径：30mm、长度：200mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取40ml水置于试管中，并使用聚乙烯泡沫将试管口封住，将实时测温系统中的热电偶置于试管中实时观测水的温度，将试管放入水浴中加热到初始温度为56.9℃。
[0082]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到56.9℃的试管置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出56.9℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为56.9℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图3所示)；在上述条件下，初始温度为56.9℃和46.4℃时，不能观察到姆潘巴效应。
[0083]
组3具体实验过程为：
[0084]
a、使用铁夹将试管(外径：30mm、长度：200mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取40ml水置于试管中，并使用聚乙烯泡沫将试管口封住，将实时测温系统中的热电偶置于试管中实时观测水的温度，将试管放入水浴中加热到初始温度为67.0℃。
[0085]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到67.0℃的试管置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出67.0℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为67.0℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图4所示)；在上述条件下，初始温度为67.0℃和46.4℃时，能够观察到姆潘巴效应。
[0086]
组4具体实验过程为：
[0087]
a、使用铁夹将试管(外径：30mm、长度：200mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取40ml水置于试管中，并使用聚乙烯泡沫将试管口封住，将实时测温系统中的热电偶置于试管中实时观测水的温度，将试管放入水浴中加热到初始温度为67.0℃。
[0088]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到67.0℃的试管置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出67.0℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为56.9℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图5所示)；在上述条件下，初始温度为67.0℃和56.9℃时，能够观察到姆潘巴效应。
[0089]
组5具体实验过程为：
[0090]
a、使用铁夹将试管(外径：30mm、长度：200mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取40ml水置于试管中，并使用聚乙烯泡沫将试管口封住，将实时测温系统中的热电偶置于试管中
实时观测水的温度，将试管放入水浴中加热到初始温度为75.3℃。
[0091]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到75.3℃的试管置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出75.3℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为46.6℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图6所示)；在上述条件下，初始温度为75.3℃和46.6℃时，能够观察到姆潘巴效应。
[0092]
组6具体实验过程为：
[0093]
a、使用铁夹将试管(外径：30mm、长度：200mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取40ml水置于试管中，并使用聚乙烯泡沫将试管口封住，将实时测温系统中的热电偶置于试管中实时观测水的温度，将试管放入水浴中加热到初始温度为75.3℃。
[0094]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到75.3℃的试管置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出75.3℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为67.0℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图7所示)；在上述条件下，初始温度为75.3℃和67.0℃时，不能观察到姆潘巴效应。
[0095]
组7具体实验过程为：
[0096]
a、使用铁夹将试管(外径：30mm、长度：200mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取40ml水置于试管中，并使用聚乙烯泡沫将试管口封住，将实时测温系统中的热电偶置于试管中实时观测水的温度，将试管放入水浴中加热到初始温度为56.9℃。
[0097]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到56.9℃的试管置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出56.9℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为83.7℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图8所示)；在上述条件下，初始温度为56.9℃和83.7℃时，能够观察到姆潘巴效应。
[0098]
组8具体实验过程为：
[0099]
a、使用铁夹将试管(外径：30mm、长度：200mm、壁厚：1mm)固定在铁架台上，取30ml水置于试管中，并使用聚乙烯泡沫将试管口封住，将实时测温系统中的热电偶置于试管中实时观测水的温度，将试管放入水浴中加热到初始温度为56.9℃。
[0100]
b、恒温冷却系统的冷却槽中加入无水乙醇作为冷却液，将温度设置到-20℃；然后将步骤a中加热到56.9℃的试管置于恒温冷却系统中的冷却槽中冷却，观察容器中液体的温度变化，直至液体完全结冰；从智能测温系统中导出数据，通过电脑软件做出56.9℃水的冷却曲线；使用相同的方法做出初始温度为86.3℃水的冷却曲线；通过对比两条冷却曲线得出(如图9所示)；在上述条件下，初始温度为86.3℃和56.9℃时，不能够观察到姆潘巴效应。
[0101]
实验结果论，如表二所示：
[0102]
表二实验结果
[0103][0104][0105]
实验结论：姆潘巴效应可以发生，但并不是一个普遍的现象，只有在特定的条件下才能观察到姆潘巴效应。即便是在能够观察到姆潘巴效应的条件下，也没有任何神秘的违背物理化学中有关温度、热量、热传递原理的情况。能观察到姆潘巴效应的根本原因是温度高的水比温度低的水冷却的速度快。
[0106]
可以理解的是，根据本发明一个实施例的研究姆潘巴效应的实验设备结构，例如温度传感器5和制冷压缩机8等部件的工作原理和工作过程都是现有技术，且为本领域的技术人员所熟知，这里就不再进行详细描述。
[0107]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。