Hydrogen-bond memory and water-skin supersolidity resolving the Mpemba paradox

文献情報

出版日 2014-09-09
DOI 10.1039/C4CP03669G
インパクトファクター 3.676
著者

Yongli Huang, Zengsheng Ma, Yichun Zhou, Ji Zhou, Weitao Zheng, Qing Jiang, Chang Q. Sun


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要旨

The Mpemba paradox, that is, hotter water freezes faster than colder water, has baffled thinkers like Francis Bacon, René Descartes, and Aristotle since B.C. 350. However, a commonly accepted understanding or theoretical reproduction of this effect remains challenging. Numerical reproduction of observations, shown herewith, confirms that water skin supersolidity [Zhang et al., Phys. Chem. Chem. Phys., DOI: 10.1039/C1034CP02516D] enhances the local thermal diffusivity favoring heat flowing outwardly in the liquid path. Analysis of experimental database reveals that the hydrogen bond (O:H–O) possesses memory to emit energy at a rate depending on its initial storage. Unlike other usual materials that lengthen and soften all bonds when they absorb thermal energy, water performs abnormally under heating to lengthen the O:H nonbond and shorten the H–O covalent bond through inter-oxygen Coulomb coupling [Sun et al., J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, 3238]. Cooling does the opposite to release energy, like releasing a coupled pair of bungees, at a rate of history dependence. Being sensitive to the source volume, skin radiation, and the drain temperature, the Mpemba effect proceeds only in the strictly non-adiabatic ‘source–path–drain’ cycling system for the heat “emission–conduction–dissipation” dynamics with a relaxation time that drops exponentially with the rise of the initial temperature of the liquid source.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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