Содержание
Почему горячая вода замерзает быстрее?
У вас наверняка есть холодильник, а может, и два. И вы прекрасно умеете ими пользоваться и даже уверены, что холодильник охлаждает и замораживает все то, что оказывается внутри него. Но вот в этот момент и начинаются странности. Например, выясняется, что ничего он не охлаждает, а лишь отводит тепло. Занимается этим странная субстанция под названием фреон — хладагент, который забирает «лишнее» тепло во время собственного кипения.
Продолжаем давать простые ответы на сложные вопросы. Ранее мы изучили возможность включить фары на скорости света, рассуждали на тему, сработает ли кока-кола против ржавчины, почему птиц и электриков не бьет током, когда они сидят на проводах, что будет, если Луна упадет на Землю, и почему перец острый. На этот раз прозондируем вопрос о том, действительно ли горячая вода замерзает в холодильнике быстрее, чем холодная.
Вначале расскажем, как работает холодильник — это тоже интересно. Тем более что существуют заблуждения, связанные с этим простым процессом.
Но при желании вы можете сразу перепрыгнуть к вопросу о заморозке горячей и холодной воды в холодильнике.
- Знакомство с холодильником
- Как работает холодильник
- Процесс охлаждения
- Вода горячая и холодная
- Горячая вода замерзает быстрее?
- Все началось с Мпембы
- Исследования и теории
Как работает холодильник
В бытовых холодильниках используется хладагент с низкой температурой кипения. Чтобы повысить эффективность фреона, в системе создаются благоприятные для этого условия: давление и полная герметизация (не в самом холодильнике, а в контурах охлаждения). Второй аспект — изоляция охлажденного воздуха внутри. Именно поэтому стенки холодильников такие толстые, а резинки дверец должны плотно примыкать к корпусу. Если дверцу оставить открытой, холодильник почувствует себя кондиционером, но надолго его не хватит. То же произойдет, если через задубевший уплотнитель пробирается тепло извне.
Холодильник рекомендуется не использовать в качестве кондиционера и источника освещения
Если смотреть снаружи, у каждого холодильника есть массивный радиатор на задней стенке (правда, во многих современных моделях он может быть спрятан под «фольгой», есть вариации с размещением змеевика сбоку). Его длина обеспечивает эффективное рассеивание фреоном тепла. Поэтому радиатор представляет собой не бак из металла, а длиннющую изогнутую трубку, которую, в свою очередь, крепят к «перекладинам», создающим дополнительную площадь для отвода тепла. Эту внешнюю «решетку» называют конденсатором.
Но есть еще и внутренняя магистраль — испаритель, обычно спрятанный в стенках холодильной и морозильной камер (есть конструкции с испарителем в полках). Вот он и берет на себя основную работу по забору тепла со стенок (они забирают тепло от воздуха внутри, который ласково окутывает продукты) и расположен ближе к внутренней поверхности холодильных камер. В помощь ему иногда добавляют вентиляторы, гоняющие воздух: это позволяет ускорить процесс охлаждения и не дает образовываться конденсату и льду.
Фото: Boots Kitchen Appliances
Фреон по системе двигает компрессор, в цепи также есть фильтр и дроссель, капиллярная трубка — эдакий «пограничник» между конденсатором и охладителем — узкий проход, где сбрасывается давление.
Процесс охлаждения
Компрессор всасывает фреон из трубки, ведущей от испарителя, а затем выталкивает его под давлением через клапан, тем самым разогревая, в конденсатор. Давление меняется с менее чем 1 атмосферы до 8, температура фреона из-за этого подпрыгивает до 100 градусов по Цельсию (температура зависит от типа фреона).
Да, компрессор закачивает в конденсатор на задней стенке «горячий» газообразный хладагент. Он начинает отдавать тепло наружу — потому змеевик нагревается, а хладагент становится все прохладнее (отдает тепло), попутно конденсируясь. Достигнув температуры ниже точки кипения при высоком давлении, фреон переходит в жидкую фазу, попадает в фильтр, который забирает из него невесть откуда взявшиеся влагу и микрочастицы.
После этого настает черед «дросселя» — чтобы увеличить длину, капиллярную трубку закручивают в спираль. Ее малое сечение необходимо для того, чтобы сбросить давление фреона до уровня меньше 1 атмосферы и дальше снизить его температуру. В новых условиях температура кипения хладагента окажется на уровне минус 23 градусов (меньше давление — ниже температура кипения; температуры могут отличаться в зависимости от марки фреона), и он постепенно закипает, используя для этого процесса «продуктовое» тепло, собираемое с помощью испарителей. Кипение, в свою очередь, обеспечивает процесс охлаждения (кипение = поглощение тепла). По пути хладагент «прогревается» и тогда засасывается в компрессор. Все происходит заново.
Теперь главный вопрос:
Почему горячая вода замерзает быстрее?
Честно говоря, правильно будет поставить вопрос так: действительно ли горячая вода может замерзнуть в холодильнике быстрее? Короткий ответ — да. Но он вырван из контекста, так как, кивая головой утвердительно, нужно добавить: при определенных условиях.
Все началось с Мпембы
Откуда вообще растут ноги? Оказывается, существует так называемый эффект Мпембы, получивший свое название в честь школьника Эрасто Мпембы из Танганьики еще в начале шестидесятых годов прошлого века. Согласно легенде, парень поинтересовался у своего преподавателя по физике о причинах того, почему горячая вода замерзает быстрее. Точнее, его интересовало, почему разогретая смесь мороженого застывает в холодильнике быстрее, чем холодная. Преподаватель тогда усмехнулся и иронично потрепал Эрасто по голове. Знал бы учитель, какую интересную тему поднял его подопечный.
Считается, что впервые на эффект Мпембы (называя его, конечно, иначе) обратили внимание Аристотель и Рене Декарт, современным же ученым предстояло найти феномену объяснение. Этой идеей они заразились благодаря Мпембе — или, точнее, физику Деннису Осборну, который оказался с выездной лекцией в школе, где учился мальчик. Забавно, однако за все прошедшие десятилетия однозначного ответа так и не появилось — именно из-за наличия условий, при которых горячая вода действительно замерзает быстрее холодной. Поэтому ученые приходят к разным выводам.
Эрасто Мпемба много лет спустя. Фото: Virdex
Исследования и теории
На этот счет проводилось множество исследований. В 2016 году, например, была опубликована работа испанских физиков. По их данным, возникновение эффекта Мпембы возможно в случае, если существует определенная разница в температуре в емкостях с одинаковым объемом холодного и горячего «чего-то», помещенного в одинаковые условия. Более того, более холодная среда нагревается быстрее, чем менее холодная, — это «обратный эффект Мпембы». Но это была математическая модель, и связана она была с теорией сыпучих тел.
В то же время в одном из строго контролируемых экспериментов их коллег вода, нагретая до температур 21,8, 57,3 и 84,7 градуса, остыла за 6397, 9504 и 10 812 секунд соответственно. То есть кипяток не стал спорить с законами термодинамики.
Существует набор теорий, которые объясняют возможность того, что горячая вода застынет быстрее холодной, окажись она в холодильнике. Согласно одной из них, конвекционные потоки в горячей воде более выражены и остаются такими даже по достижении одинаково низкой температуры с холодным образцом воды. Выглядит не очень вероятно.
Может, горячая вода быстрее испаряется, ее объем уменьшается, и потому она застывает быстрее? Вряд ли объем испарений окажется значимым. То же касается варианта, в котором холодная вода в холодильнике быстрее покрывается льдом, тем самым мешая дальнейшему теплообмену: горячая тоже покрывается льдом.
Также звучит предположение, что горячая вода может содержать меньше растворенных газов и различных примесей, что влияет на температуру ее замерзания, однако это опровергается как минимум исследованием, упомянутым выше (с длительностью замерзания в секундах): там все образцы были предварительно нагреты до температуры кипения.
Впрочем, результаты другого исследования все же указывают на возможность изменения состава воды кипячением и, как следствие, изменения температуры ее кристаллизации (в теории). Тогда возможен вариант, при котором горячая вода замерзает раньше. Или нет — это как повезет. Один из авторов исследования, Джеймс Браунридж, дополняет, что вода вообще редко замерзает при 0 градусов — обычно температура ниже. Поэтому вскипяченная вода может опередить некипяченую, будучи горячее последней.
И наконец, самое очевидное: образец воды, нагретый до 90 градусов, ни при каких обстоятельствах не замерзнет быстрее образца с температурой в 10 градусов — разница должна быть «адекватной» (так себе термин).
В целом Браунридж и некоторые другие ученые сходятся во мнении, что учесть все переменные, которые влияют на скорость замерзания холодной и горячей воды, сложно: необходимо учитывать размеры посуды, размещение образцов в холодильной камере, да даже состав воздуха в ней. Поэтому горячее мороженое Мпембы действительно могло замерзать быстрее холодного — как минимум из-за разного состава и термической обработки. А варианты с суперхлажденной водой или странными химическими составами к эффекту имени танганьиканца отношения не имеют.
Читайте также:
- Откуда взялись «цифровые наркотики», о которых снова вспомнили
- История человека, спасшего миллионы детей своей кровью, и случайной разработки кардиостимулятора
Onlíner рекомендует
Холодильник ATLANT ХМ 4626-109 ND
7 отзывов
отдельностоящий, полный No Frost, электронное управление, класс A+, полезный объём: 348 л (254 + 94 л), зона свежести, перенавешиваемые двери, автодоводчик дверей, складная полка, полка для вина, лоток для яиц, 59. 5x66x206.8 см, белый
Купить
Сравнить эти товары →
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро
Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. [email protected]
Можно ли заморозить воду теплом? | Мир вокруг нас
При этом у нее очень простая формула: в молекуле два атома водорода и один атом кислорода. По своей сути это оксид водорода. Конечно, в обычном понимании, если не вдаваться в возможности воды приобретать другие свойства.
Различают воду пресную, питьевую, дождевую, морскую, речную, подземную, минеральную, дистиллированную, легкую, тяжелую, мягкую и жесткую. Словом, про воду можно написать очень много, и все это будет очень интересно читать. Причина «читабельности» будет в очень необычных (по сравнению с другими веществами) свойствах воды.
Пресная вода замерзает при температуре 0 градусов по Цельсию
Фото: Depositphotos
Один из самых странных парадоксов воды — точка ее замерзания. Любой школьник скажет, что вода замерзает при температуре 0 градусов по Цельсию. Но при этом речь идет о пресной воде. Если же взять морскую воду при обычной ее солености, то замерзание начинается только при минус 1,91 градуса. Содержание в воде каких-либо других химических примесей «сдвигает» точку начала замерзания еще больше.
Интересно и необычно. Тем более что вода может замерзать и при… нагревании! Фантастика и мистика, но доказанный наукой факт!
В Израиле есть институт Вейцмана. Он был создан в 1934 году. Основное направление научных исследований в нем — естественные науки. Это математика, химия, физика, биология и прочие науки. Все лекции и исследования в институте ведутся преимущественно на международном английском языке. По этой причине институт пользуется популярностью на мировом уровне. Его ученые часто делают сенсационные открытия. Последнее из них связано с изучением необычных свойств воды.
Чтобы вода замерзла, необходима шероховатая поверхность
Фото: Depositphotos
Ученые названного института заметили, что замерзание воды зависит от того, с чем она соприкасается. Любая неровная поверхность влияет на начало замерзания. Пусть это влияние очень незначительно (сотые доли градуса), но оно существует и определяется точными приборами. Для появления кристалликов льда нужны шероховатости. Именно шероховатости являются «катализатором» формирования кристалликов. Чем больше их и они крупнее, тем быстрее вся вода превратится в лед.
А что произойдет, если вода находится в сосуде с идеальной поверхностью? Долгое время этот вопрос никого не интересовал. А зря!
Оказывается, в сосуде, в котором нет шероховатостей, вода ведет себя совершенно удивительным образом. Как именно?
Если же сосуд идеально гладкий, вода будет замерзать при нагревании
Фото: Depositphotos
На идеально ровной поверхности воды образуются квази-аморфные пироэлектрические сверхтонкие пленки. То есть как бы на поверхности воды появляется такая пленка, которую мы не видим. Она имеет положительный или отрицательный заряд. При отрицательном заряде замерзание воды начинается сверху вниз, а при положительном — снизу вверх. Положительный заряд такая пленка получает при нагреве воды.
Итог эксперимента оказался совершенно фантастическим. В переохлажденном состоянии вода начала замерзать при нагревании! Сказочное чудо! Но чудо реальное, и его можно воспроизвести сколько угодно раз в лаборатории. Главное условие — сосуд с водой должен иметь идеально отполированную внутри поверхность.
Теги:
нагрев воды,
вода,
свойства воды,
замерзание воды
Понимание того, как замерзают водопроводные трубы
В. Почему зимой трубы с горячей водой замерзают и разрываются чаще, чем трубы с холодной водой?
A. Фостер Лайонс, инженер и консультант по строительным наукам, отвечает: Краткий ответ: трубы горячей воды не подсоединены к туалетам, что помогает уменьшить количество разрывов труб холодной воды. Вот почему.
Вода расширяется при замерзании, увеличиваясь в объеме примерно на 9% от жидкого состояния. Вот почему лед плавает — он менее плотный, чем жидкая вода. Это увеличение объема является непосредственной причиной разрыва водопроводных труб, когда они замерзают, но, вероятно, не по той причине, о которой вы думаете. Расширяющийся лед не давит на стенки трубы, вызывая разрыв; вместо этого ущерб наносит жидкая вода под высоким давлением.
Замерзающие трубы охлаждаются снаружи внутрь. Самым теплым местом всегда является жидкость в центре трубы. Когда температура падает ниже точки замерзания, вода начинает медленно замерзать на внутренней поверхности трубы, что дает достаточно времени для того, чтобы жидкие молекулы воды ушли с дороги, поскольку их соседние, недавно замерзшие твердые молекулы перестраиваются в эти 9 молекул.% большая договоренность. Это замерзание распространяется от области возле стенки трубы к центру трубы, что противоположно росту годичных колец, но похоже на образование бляшек в наших артериях.
Если поблизости есть незамерзшие участки, последние капли жидкости в центре выталкиваются на жидкие участки по обе стороны от замерзшего участка. Когда труба промерзает насквозь, давление на стенки трубы точно соответствует давлению окружающей жидкости вне зоны промерзания. Вода, которая в конце концов выталкивается из середины, направляется либо к источнику воды (например, к водопроводу на улице или к водонагревателю), либо к сантехническим приборам в конце линии (например, к раковине или унитазу).
Перемещенная вода, идущая к источнику, не доставляет особых хлопот. Обычно есть много мест, где можно сбросить это давление, например, огромный объем воды в муниципальной системе, бак с горячей водой или накопительный бак системы колодца. Проблемы возникают из-за перемещенной воды, которая выталкивается к концу линии, и именно здесь случаются прорывы.
Стивен Кордори/Adobe Stock Image
Когда вода замерзает в водопроводной трубе и превращается в лед, она расширяется и сдавливает жидкую воду, оставшуюся в трубе. Поскольку воду трудно сжать, труба лопнет, если нет других средств для сброса повышенного давления.
В трубопроводе горячего водоснабжения этой перемещенной воде некуда деваться. В конце каждой линии находится вентиль, и, если вы не открываете кран постоянно, эти вентили закрыты. По сути, когда лед замерзает в трубах с горячей водой, он толкает жидкую воду в тупик.
Трудно сжимать воду. Увеличение давления на 1 атмосферу приводит к уменьшению объема всего на 0,005%. С другой стороны, давление резко возрастает, если вы втиснете даже малейшую часть дополнительной воды в тот же объем. Вот что происходит в этих линиях горячей воды.
Долгое время ученые не могли придумать, как создать что-то достаточно прочное, чтобы измерять давление, создаваемое расширением замерзающей смеси воды и льда. Они пробовали толстые латунные контейнеры и даже пушки и артиллерийские снаряды, но ничто не могло сдержать давление, создаваемое расширяющимся льдом, и время от времени они случайно взрывали свои смеси и запускали снаряды на сотни футов. Для сравнения, стенки медной трубы по прочности примерно равны папиросной бумаге в том, что касается расширения льда.
Замерзающий лед может оказывать давление до 43 511,31 фунтов силы на квадратный дюйм (psi). Бытовые водопроводные трубы рассчитаны на давление около 1500 фунтов на квадратный дюйм (3/4-дюймовая тянутая медь) — в зависимости от размера трубы и производственного процесса — что даже не является проблемой, когда вы находитесь на пути к 43 000 фунтов на квадратный дюйм. Замерзающая вода создает давление, которое ломает горы пополам, и является смертным приговором для медных труб, застрявших между ледяной пробкой и закрытым клапаном.
С другой стороны, трубы холодной воды имеют предохранительный клапан – туалеты. Это потому, что в туалетах есть поплавковый клапан, более правильно называемый шаровым краном, который приводится в действие перепадом давления на клапане. Когда давление повышается, клапан открывается и выпускает часть жидкости, а давление снижается. В туалетах это давление срабатывания регулируется положением воздушной камеры. Когда давление подаваемой воды в трубе с холодной водой, питающей унитаз, повышается, воздушная камера опускается в воду в баке, что позволяет небольшому количеству воды проходить через клапан, тем самым сбрасывая давление на подаче.
По мере того, как вода продолжает замерзать по всей длине линии холодной воды в направлении унитаза, она продолжает проталкивать жидкую воду через поплавковый клапан, и давление в этой линии никогда не повышается. Он замерзает, но никогда не лопается, потому что давление в линии никогда не превышает установленное давление поплавкового клапана.
Конечно, если в трубопроводе холодной воды есть два замерзших места, объему между этими местами некуда сбрасывать давление, и труба лопнет. Это случается много. То же самое относится и к линиям горячего водоснабжения.
Еще одна интересная вещь с замерзающей водой: вода в трубопроводах горячей воды замерзает быстрее. Это безумно контринтуитивно, но верно. Вы можете легко продемонстрировать это, налив две равные чашки воды, нагрев одну из них и поставив обе чашки в морозильную камеру. В девяти случаях из 10 сначала замерзнет нагретая чашка. Эта неразгаданная загадка науки называется эффектом Мпембы, и никто не может полностью объяснить (с доказательствами), почему это происходит.
Касательное напряжение, вызванное внутренним давлением в водопроводной трубе, действует перпендикулярно осевому напряжению и стремится отделить стенку трубы по линии, параллельной осевой линии трубы.
Водопроводные трубы лопаются так же, как переваренная колбаса — всегда по всей длине, а не на концах. Как и начинка в оболочке колбасы, вода внутри медной трубы может вызывать только два напряжения в материале оболочки: осевое (которое стремится изменить длину тела) и тангенциальное (при котором направление деформирующей силы параллельно поперечной). — площадь сечения).
Когда вы работаете с математикой, вы обнаружите, что осевое напряжение всегда составляет половину касательного напряжения для любого заданного внутреннего давления жидкости. Так что колбаса и водопровод всегда лопаются по всей длине, потому что там больше напряжение.
При моделировании замерзания воды искусственный интеллект разбивает лед.
Объединив искусственный интеллект и квантовую механику, исследователи из Принстона с беспрецедентной точностью смоделировали образование льда.
Команда из Принстонского университета точно смоделировала начальные этапы образования льда, применив искусственный интеллект (ИИ) для решения уравнений, управляющих квантовым поведением отдельных атомов и молекул.
Результат моделирования описывает, как молекулы воды превращаются в твердый лед с квантовой точностью. Этот уровень точности, который когда-то считался недостижимым из-за требуемой вычислительной мощности, стал возможен, когда исследователи включили в свои методы глубокие нейронные сети, форму искусственного интеллекта. Исследование было опубликовано 8 августа 2022 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«В каком-то смысле это похоже на воплощение мечты», — сказал Роберто Кар, профессор химии Ральфа У. Дорнте из Принстона, один из пионеров подхода к моделированию молекулярного поведения, основанного на фундаментальных квантовых законах более 35 лет. много лет назад. «Тогда мы надеялись, что в конечном итоге мы сможем изучать такие системы, как эта, но это было невозможно без дальнейшего концептуального развития, и это развитие происходило в совершенно другой области — искусственном интеллекте и науке о данных».
Возможность моделировать начальные этапы замерзания воды, процесс, называемый образованием кристаллов льда, может повысить точность моделирования погоды и климата, а также других процессов, таких как быстрая заморозка продуктов питания.
Видео
Новый подход позволяет исследователям отслеживать активность сотен тысяч атомов в течение периодов времени, которые в тысячи раз длиннее, хотя и составляют всего доли секунды, чем в ранних исследованиях.
Кар стал соавтором подхода к использованию базовых законов квантовой механики для предсказания физического движения атомов и молекул. Законы квантовой механики диктуют, как атомы связываются друг с другом, образуя молекулы, и как молекулы соединяются друг с другом, образуя повседневные предметы.
Кар и Микеле Парринелло, физик, ныне работающий в Итальянском институте технологий в Италии, опубликовали свой подход, известный как «ab initio» (лат. «с самого начала») молекулярной динамики, в новаторской статье в 1985 году.
Но квантово-механические вычисления сложны и требуют огромных вычислительных мощностей. В 1980-х годах компьютеры могли моделировать всего лишь сотню атомов за период в несколько триллионных долей секунды. Последующие достижения в вычислительной технике и появление современных суперкомпьютеров увеличили количество атомов и продолжительность моделирования, но результат далёк от количества атомов, необходимого для наблюдения за сложными процессами, такими как зарождение льда.
ИИ предоставил привлекательное потенциальное решение. Исследователи обучают нейронную сеть, названную в честь ее сходства с работой человеческого мозга, распознавать сравнительно небольшое количество выбранных квантовых вычислений. После обучения нейронная сеть может вычислять силы между атомами, которых она никогда раньше не видела, с квантово-механической точностью. Этот подход «машинного обучения» уже используется в повседневных приложениях, таких как распознавание голоса и беспилотные автомобили.
В случае применения ИИ для молекулярного моделирования большой вклад был сделан в 2018 году, когда аспирант Принстона Линьфэн Чжан, работая с Каром и профессором математики Принстона Вейнаном Э. , нашел способ применять глубокие нейронные сети для моделирования квантово-механических межатомных процессов. силы. Чжан, получивший докторскую степень. в 2020 году и в настоящее время является научным сотрудником Пекинского института исследований больших данных, назвав подход «глубокой потенциальной молекулярной динамикой».
В данной статье Кар и исследователь с докторской степенью Пабло Пьяджи вместе с коллегами применили эти методы для моделирования образования кристаллов льда. Используя молекулярную динамику глубокого потенциала, они смогли запустить моделирование до 300 000 атомов, используя значительно меньшую вычислительную мощность, в течение гораздо более длительных промежутков времени, чем это было возможно ранее. Они провели моделирование на Summit, одном из самых быстрых в мире суперкомпьютеров, расположенном в Окриджской национальной лаборатории.
Эта работа представляет собой одно из лучших исследований образования кристаллов льда, сказал Пабло Дебенедетти, декан Принстона по исследованиям и профессор инженерных и прикладных наук 1950 года, а также соавтор нового исследования.
«Зародышеобразование льда — одна из основных неизвестных величин в моделях прогнозирования погоды», — сказал Дебенедетти. «Это довольно значительный шаг вперед, потому что мы видим очень хорошее совпадение с экспериментами. Мы смогли смоделировать очень большие системы, что ранее было немыслимо для квантовых вычислений».
В настоящее время климатические модели получают оценки того, как зарождается припай, главным образом на основе наблюдений, проведенных в лабораторных экспериментах, но эти корреляции носят описательный, а не прогнозный характер и действительны в ограниченном диапазоне экспериментальных условий. В отличие от этого, молекулярное моделирование типа того, что сделано в этом исследовании, может производить моделирование, которое предсказывает будущие ситуации, и может оценивать образование льда в экстремальных условиях температуры и давления, например, на других планетах.
«Методология глубокого потенциала, используемая в нашем исследовании, поможет реализовать перспективу молекулярной динамики ab initio для получения ценных предсказаний сложных явлений, таких как химические реакции и разработка новых материалов», — сказал Афанассиос Панайотопулос, профессор Сьюзен Дод Браун. Химико-биологической инженерии и соавтор исследования.
«Тот факт, что мы изучаем очень сложные явления на основе фундаментальных законов природы, меня очень волнует», — сказал Пьяджи, первый автор исследования и научный сотрудник по химии в Принстоне. Пьяджи получил докторскую степень. работа с Парринелло над разработкой новых методов изучения редких событий, таких как нуклеация, с использованием компьютерного моделирования. Редкие события происходят в масштабах времени, превышающих время моделирования, которое можно себе позволить даже с помощью ИИ, и для их ускорения необходимы специальные методы.
Джек Вейс, аспирант в области химической и биологической инженерии, помог увеличить вероятность наблюдения за зародышеобразованием, «посеяв» крошечные кристаллы льда в моделировании. «Цель затравки — повысить вероятность того, что вода будет образовывать кристаллы льда во время моделирования, что позволит нам измерить скорость зарождения», — сказал Вайс, которого консультируют Дебенедетти и Панагиотопулос.
Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и атома кислорода. Электроны вокруг каждого атома определяют, как атомы могут связываться друг с другом, образуя молекулы.
«Мы начнем с уравнения, описывающего поведение электронов, — сказал Пьяджи. «Электроны определяют, как взаимодействуют атомы, как они образуют химические связи и практически всю химию».
Атомы могут существовать буквально в миллионах различных конфигураций, сказал Кар, директор Центра химии в растворах и интерфейсов, финансируемого Управлением науки Министерства энергетики США и включающего региональные университеты.
«Магия заключается в том, что благодаря некоторым физическим принципам машина способна экстраполировать то, что происходит в относительно небольшом количестве конфигураций небольшого набора атомов, на бесчисленное количество конфигураций гораздо большей системы», — сказал Кар.
Хотя подходы ИИ доступны уже несколько лет, исследователи с осторожностью относятся к их применению для расчетов физических систем, сказал Пьяджи. «Когда алгоритмы машинного обучения стали популярными, большая часть научного сообщества отнеслась к ним скептически, потому что эти алгоритмы — черный ящик. Алгоритмы машинного обучения ничего не знают о физике, так зачем нам их использовать?»
Однако за последние пару лет в этом отношении произошли значительные изменения, сказал Пьяджи, не только потому, что алгоритмы работают, но и потому, что исследователи используют свои знания физики для информирования моделей машинного обучения.
Компания Car рада видеть, что работа, начатая три десятилетия назад, увенчалась успехом. «Развитие произошло благодаря чему-то, что было разработано в другой области, в области науки о данных и прикладной математики», — сказал Кар. «Наличие такого перекрестного взаимодействия между различными областями очень важно».
Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (грант DE-731 SC0019394) и использовала ресурсы Oak Ridge Leadership Computing Facility (грант DE-AC05-00OR22725) в Окриджской национальной лаборатории.