Zakaj se topla voda ohladi hitreje? Stvari, ki jih niste vedeli o vodi

Britansko kraljevo združenje za kemijo ponuja 1000 funtov nagrade vsakomur, ki zna znanstveno pojasniti, zakaj vroča voda v nekaterih primerih zmrzne hitreje kot hladna.

»Sodobna znanost še vedno ne more odgovoriti na to na videz preprosto vprašanje. Izdelovalci sladoleda in barmani uporabljajo ta učinek pri vsakdanjem delu, vendar nihče ne ve, zakaj deluje. Ta problem je znan že tisočletja, saj so o njem razmišljali filozofi, kot sta Aristotel in Descartes,« je dejal profesor David Phillips, predsednik britanskega kraljevega kemijskega društva, kot je navedeno v sporočilu za javnost društva.

Kako je kuhar iz Afrike premagal britanskega profesorja fizike

To ni prvoaprilska šala, ampak surova fizična resničnost. Sodobna znanost, ki zlahka operira z galaksijami in črnimi luknjami ter gradi velikanske pospeševalnike za iskanje kvarkov in bozonov, ne zna razložiti, kako »deluje« elementarna voda. Šolski učbenik jasno pove, da je za ohlajanje bolj vročega telesa potrebnih več časa kot za ohlajanje hladnega telesa. Toda za vodo se ta zakon ne upošteva vedno. Na ta paradoks je opozoril Aristotel v 4. stoletju pr. e. Takole je zapisal stari Grk v svoji knjigi Meteorologica I: »Dejstvo, da je voda predgreta, povzroči, da zmrzne. Zato marsikdo, ko želi toplo vodo hitreje ohladiti, jo najprej postavi na sonce ...« V srednjem veku sta ta pojav poskušala pojasniti Francis Bacon in Rene Descartes. Žal, niti velikim filozofom niti številnim znanstvenikom, ki so razvijali klasično termofiziko, to ni uspelo, zato je bilo tako neprijetno dejstvo dolgo časa "pozabljeno".

In šele leta 1968 so se "spomnili" po zaslugi šolarja Erasta Mpembeja iz Tanzanije, daleč od kakršne koli znanosti. Med študijem na kulinarični šoli leta 1963 je 13-letni Mpembe dobil nalogo, da naredi sladoled. Po tehnologiji je bilo treba mleko zavreti, v njem raztopiti sladkor, ohladiti na sobno temperaturo in nato dati v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil priden učenec in je okleval. V strahu, da ne bo zdržal do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zmrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po vseh pravilih.

Ko je Mpemba svoje odkritje delil s svojim učiteljem fizike, se mu je ta smejal pred celim razredom. Mpemba se je spomnil žalitve. Pet let kasneje, že kot študent na univerzi v Dar es Salaamu, se je udeležil predavanja slovitega fizika Denisa G. Osborna. Po predavanju je znanstveniku zastavil vprašanje: »Če vzamete dve enaki posodi z enako količino vode, eno pri 35 °C (95 °F) in drugo pri 100 °C (212 °F), in ju postavite v zamrzovalniku, potem bo voda v vroči posodi hitreje zmrznila. zakaj?" Lahko si predstavljate reakcijo britanskega profesorja na vprašanje mladeniča iz Godforsaken Tanzanije. Norčeval se je iz študenta. Toda Mpemba je bil pripravljen na tak odgovor in je znanstvenika izzval na stavo. Njun spor se je končal z eksperimentalnim testom, ki je potrdil, da je imel Mpemba prav, Osborne pa poražen. Tako se je kuharski vajenec zapisal v zgodovino znanosti in odslej ta pojav imenujemo »Mpemba efekt«. Nemogoče ga je zavreči, razglasiti za »neobstoječega«. Fenomen obstaja in, kot je zapisal pesnik, »ne boli«.

Ali so za to krivi prašni delci in topljenci?

Skozi leta so mnogi poskušali razvozlati skrivnost zmrzovanja vode. Predlaganih je bilo cel kup razlag za ta pojav: izhlapevanje, konvekcija, vpliv raztopljenih snovi - vendar nobenega od teh dejavnikov ni mogoče šteti za dokončnega. Številni znanstveniki so vse svoje življenje posvetili učinku Mpemba. Delavec Oddelka za sevalno varnost Državna univerza New York - James Brownridge - v prosti čas preučuje paradoks že več kot desetletje. Po izvedbi na stotine poskusov znanstvenik trdi, da ima dokaze o "krivdi" hipotermije. Brownridge pojasnjuje, da se pri 0 °C voda le prehlaji in začne zmrzovati, ko temperatura pade pod. Zmrzišče uravnavajo nečistoče v vodi – spreminjajo hitrost nastajanja ledenih kristalov. Nečistoče, kot so prašni delci, bakterije in raztopljene soli, imajo značilno nukleacijsko temperaturo, ko se okrog kristalizacijskih središč oblikujejo ledeni kristali. Kadar je v vodi prisotnih več elementov hkrati, je zmrzišče določeno s tistim, ki ima najvišjo temperaturo nukleacije.

Za poskus je Brownridge vzel dva vzorca vode enake temperature in ju postavil v zamrzovalnik. Ugotovil je, da je eden od primerkov vedno zmrznil pred drugim, domnevno zaradi drugačne kombinacije nečistoč.

Brownridge pravi, da se vroča voda ohladi hitreje, ker je večja razlika med temperaturo vode in zamrzovalnika - to ji pomaga doseči zmrzišče, preden hladna voda doseže svoje naravno zmrzišče, ki je vsaj 5 °C nižje.

Vendar Brownridgeova utemeljitev odpira številna vprašanja. Zato se lahko tisti, ki znajo na svoj način razložiti učinek Mpemba, potegujejo za tisoč funtov britanskega kraljevega kemijskega združenja.

Zdi se očitno, da hladna voda zmrzne hitreje kot topla voda, saj se vroča voda pod enakimi pogoji ohladi in nato zamrzne dlje. Vendar pa tudi tisočletna opazovanja sodobni poskusi pokazala, da velja tudi obratno: vroča voda pod določenimi pogoji zamrzne hitreje kot hladna. Znanstveni kanal Sciencium pojasnjuje ta pojav:

Kot je pojasnjeno v zgornjem videoposnetku, je pojav hitrejšega zmrzovanja tople vode od mrzle vode znan kot učinek Mpemba, poimenovan po Erastu Mpembi, tanzanijskem študentu, ki je leta 1963 kot del šolskega projekta naredil sladoled. Učenci so morali mešanico smetane in sladkorja zavreti, pustiti, da se ohladi, nato pa dati v zamrzovalnik.

Namesto tega je Erasto dal svojo mešanico takoj, vročo, ne da bi čakal, da se ohladi. Posledično je bila po 1,5 ure njegova mešanica že zamrznjena, mešanice drugih študentov pa ne. Zainteresiran za pojav, je Mpemba začel preučevati to vprašanje s profesorjem fizike Denisom Osbornom in leta 1969 sta objavila članek, v katerem je navedeno, da topla voda zmrzne hitreje kot hladna. To je bila prva tovrstna recenzirana študija, sam pojav pa je omenjen že v Aristotelovih spisih, ki segajo v 4. stoletje pr. e. Tudi Francis Bacon in Descartes sta v svojih študijah opazila ta pojav.

Videoposnetek navaja več možnosti za razlago dogajanja:

1. Mraz je dielektrik, zato ledeno hladna voda bolje shranjuje toploto kot topel kozarec, ki ob stiku z njim stopi led
2. IN hladna voda več raztopljenih plinov kot tople vode in raziskovalci ugibajo, da bi to lahko imelo vlogo pri hitrosti ohlajanja, čeprav še ni jasno, kako
3. Vroča voda izgubi več molekul vode z izhlapevanjem, zato jih manj ostane za zmrzovanje
4. Topla voda se lahko hitreje ohladi zaradi povečanih konvektivnih tokov. Ti tokovi nastanejo, ker se voda v kozarcu najprej ohladi na površini in ob straneh, zaradi česar hladna voda potone, vroča voda pa se dvigne. V toplem kozarcu so konvektivni tokovi bolj aktivni, kar lahko vpliva na hitrost ohlajanja.

Vendar pa je v letu 2016 temeljito kontrolirana študija, ki je pokazal nasprotno: topla voda je zmrzovala veliko počasneje kot hladna voda. Hkrati so znanstveniki opazili, da sprememba lokacije termočlena - naprave, ki določa temperaturne spremembe - le za centimeter vodi do pojava učinka Mpemba. Študija drugih podobnih študij je pokazala, da je v vseh primerih, kjer so opazili ta učinek, prišlo do premika termoelementa znotraj centimetra.

Mpemba učinek(Mpemba's Paradox) - paradoks, ki pravi, da vroča voda pod nekaterimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora v procesu zmrzovanja preseči temperaturo hladne vode. Ta paradoks je eksperimentalno dejstvo, ki je v nasprotju z običajnimi predstavami, po katerih se pri enakih pogojih bolj segreto telo ohladi na določeno temperaturo dlje kot manj segreto telo, da se ohladi na isto temperaturo.

Ta pojav so nekoč opazili že Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes, šele leta 1963 pa je tanzanijski šolar Erasto Mpemba ugotovil, da vroča sladoledna zmes zamrzne hitreje kot hladna.

Biti študent Magambinskaya Srednja šola v Tanzaniji Erasto Mpemba storil praktično delo pri kuhanju. Moral je pripraviti domač sladoled - mleko zavreti, v njem raztopiti sladkor, ohladiti na sobno temperaturo in nato dati v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil posebej priden učenec in je s prvim delom naloge odlašal. V strahu, da ne bo zdržal do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zmrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po dani tehnologiji.

Po tem je Mpemba eksperimentiral ne le z mlekom, ampak tudi z navadna voda. Kakor koli že, že kot dijak na srednji šoli Mkwava je profesorja Dennisa Osborna z univerze v Dar Es Salaamu (ki ga je direktor šole povabil, da dijakom predava o fiziki) vprašal prav o vodi: »Če vzamete dve enaki posodi z enakimi prostorninami vode, tako da ima v eni voda temperaturo 35 °C, v drugi pa 100 °C, in ju postavite v zamrzovalnik, v drugem pa bo voda hitreje zmrznila. zakaj?" Osborne se je začel zanimati za to vprašanje in kmalu, leta 1969, sta z Mpembo objavila rezultate svojih poskusov v reviji Physics Education. Od takrat se učinek, ki so ga odkrili, imenuje Mpemba učinek.

Do zdaj nihče ne ve natančno, kako razložiti ta nenavaden učinek. Znanstveniki nimajo ene same različice, čeprav jih je veliko. Gre za razlike v lastnostih tople in hladne vode, vendar še ni jasno, katere lastnosti igrajo vlogo v tem primeru: razlika v podhlajevanju, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali vplivu utekočinjenih plinov na vodo pri različne temperature.

Paradoks efekta Mpemba je v tem, da mora biti čas, v katerem se telo ohladi na temperaturo okolja, sorazmeren temperaturni razliki med tem telesom in okoljem. Ta zakon je postavil Newton in je bil od takrat večkrat potrjen v praksi. Pri tem učinku se voda s temperaturo 100 °C ohladi na temperaturo 0 °C hitreje kot enaka količina vode s temperaturo 35 °C.

Vendar to še ne pomeni paradoksa, saj je učinek Mpemba mogoče razložiti v okviru znane fizike. Tukaj je nekaj razlag za učinek Mpemba:

Izhlapevanje

Vroča voda hitreje izhlapi iz posode, s čimer se zmanjša njena prostornina, manjša količina vode pri enaki temperaturi pa hitreje zmrzne. Voda, segreta na 100 C, pri ohlajanju na 0 C izgubi 16 % svoje mase.

Učinek izhlapevanja je dvojni učinek. Prvič, zmanjša se masa vode, ki je potrebna za hlajenje. In drugič, temperatura se zmanjša zaradi dejstva, da se toplota izhlapevanja pri prehodu iz vodne faze v parno fazo zmanjša.

Temperaturna razlika

Ker je temperaturna razlika med vročo vodo in hladnim zrakom večja, je izmenjava toplote v tem primeru intenzivnejša in topla voda se hitreje ohladi.

hipotermija

Ko se voda ohladi pod 0 C, ne zmrzne vedno. Pod nekaterimi pogoji se lahko podvrže prehladitvi in ​​ostane tekoča tudi pri temperaturah pod lediščem. V nekaterih primerih lahko voda ostane tekoča tudi pri temperaturi –20 C.

Razlog za ta učinek je, da so potrebni centri za tvorbo kristalov, da se začnejo oblikovati prvi ledeni kristali. Če jih ni v tekoči vodi, se bo podhlajevanje nadaljevalo, dokler temperatura ne pade dovolj, da se kristali spontano tvorijo. Ko se začnejo oblikovati v preohlajeni tekočini, bodo začele hitreje rasti in tvoriti ledeno brozgo, ki bo zmrznila v led.

Vroča voda je najbolj dovzetna za hipotermijo, saj se pri njenem segrevanju odstranijo raztopljeni plini in mehurčki, ki lahko služijo kot središča za nastanek ledenih kristalov.

Zakaj podhladitev povzroči hitrejše zmrzovanje tople vode? V primeru hladna voda, ki ni prehlajen, se zgodi naslednje. V tem primeru bo na površini plovila nastala tanka plast ledu. Ta plast ledu bo delovala kot izolator med vodo in hladnim zrakom ter bo preprečila nadaljnje izhlapevanje. Hitrost nastajanja ledenih kristalov bo v tem primeru manjša. V primeru vroče vode, izpostavljene podhlajevanju, prehlajena voda nima zaščitne površinske plasti ledu. Zato veliko hitreje izgublja toploto skozi odprt vrh.

Ko se proces podhlajevanja konča in voda zmrzne, se izgubi veliko več toplote in zato nastane več ledu.

Številni raziskovalci tega učinka menijo, da je hipotermija glavni dejavnik v primeru učinka Mpemba.

Konvekcija

Hladna voda začne zmrzovati od zgoraj, s čimer se poslabšajo procesi toplotnega sevanja in konvekcije ter s tem izgube toplote, vroča voda pa začne zmrzovati od spodaj.

Ta učinek je razložen z anomalijo v gostoti vode. Voda ima največjo gostoto pri 4 C. Če vodo ohladite na 4 C in jo postavite na nižjo temperaturo, bo površinska plast vode hitreje zmrznila. Ker je ta voda manj gosta kot voda pri temperaturi 4 C, bo ostala na površini in tvorila tanko hladno plast. V teh pogojih bo v kratkem času na površini vode nastala tanka plast ledu, vendar bo ta plast ledu služila kot izolator in ščitila spodnje plasti vode, ki bodo ostale pri temperaturi 4 C. Zato bo nadaljnji proces ohlajanja počasnejši.

Pri topli vodi je situacija popolnoma drugačna. Površinski sloj voda se bo hitreje ohladila zaradi izhlapevanja in večje temperaturne razlike. Poleg tega so plasti hladne vode gostejše od plasti vroče vode, zato se bo plast hladne vode pogreznila in dvignila plast tople vode na površje. To kroženje vode zagotavlja hiter padec temperature.

Toda zakaj ta proces ne doseže ravnotežne točke? Da bi razložili učinek Mpemba s tega vidika konvekcije, bi bilo treba predpostaviti, da sta hladna in vroča plast vode ločeni in se sam proces konvekcije nadaljuje, ko povprečna temperatura vode pade pod 4 C.

Vendar pa ni nobenih eksperimentalnih dokazov, ki bi podpirali to hipotezo, da so hladne in vroče plasti vode ločene s procesom konvekcije.

V vodi raztopljeni plini

Voda vedno vsebuje v njej raztopljene pline - kisik in ogljikov dioksid. Ti plini lahko znižajo zmrzišče vode. Pri segrevanju vode se ti plini sprostijo iz vode, ker je njihova topnost v vodi visoka temperatura spodaj. Ko se vroča voda ohlaja, je v njej vedno manj raztopljenih plinov kot v neogrevani hladni vodi. Zato je zmrzišče segrete vode višje in hitreje zmrzne. Ta dejavnik se včasih obravnava kot glavni pri razlagi učinka Mpemba, čeprav ni nobenih eksperimentalnih podatkov, ki bi to dejstvo potrdili.

Toplotna prevodnost

Ta mehanizem ima lahko pomembno vlogo, ko je voda v zamrzovalniku hladilnega dela v majhnih posodah. Pod temi pogoji je bilo opaženo, da posoda z vročo vodo stopi led v zamrzovalniku pod njim, s čimer se izboljša toplotni stik s steno zamrzovalnika in toplotna prevodnost. Posledično se toplota iz posode za vročo vodo odvaja hitreje kot iz hladne. Posoda s hladno vodo pa ne topi snega pod seboj.

Vse te (pa tudi druge) pogoje so preučevali v številnih poskusih, vendar jasnega odgovora na vprašanje - kateri od njih zagotavljajo stoodstotno reprodukcijo Mpemba efekta - nikoli niso dobili.

Na primer, leta 1995 je nemški fizik David Auerbach proučeval vpliv podhlajene vode na ta učinek. Odkril je, da vroča voda, ko doseže preohlajeno stanje, zamrzne pri višji temperaturi kot hladna voda in zato hitreje kot slednja. Toda hladna voda doseže prehlajeno stanje hitreje kot vroča voda in s tem kompenzira prejšnji zaostanek.

Poleg tega so bili Auerbachovi rezultati v nasprotju s prejšnjimi podatki, da je vroča voda lahko dosegla večje podhlajevanje zaradi manj kristalizacijskih centrov. Pri segrevanju vode se iz nje odstranijo v njej raztopljeni plini, pri vrenju pa se oborijo nekatere v njej raztopljene soli.

Zaenkrat je mogoče trditi le eno - reprodukcija tega učinka je bistveno odvisna od pogojev, pod katerimi se izvaja poskus. Ravno zato, ker ni vedno reproducirana.

O. V. Mosin

Literarniviri:

"Vroča voda zamrzne hitreje kot hladna voda. Zakaj je tako?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, št. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zamrzovanje tople in hladne vode", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, št. 5, str. 564-565; maj, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, št. 10, str. 882-885; oktober 1995.

"Učinek Mpemba: čas zmrzovanja vročine in hladno voda", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, letnik 64, št. 5, str. 524; maj, 1996.

voda- precej preprosta snov s kemijskega vidika, vendar ima številne nenavadne lastnosti, ki nikoli ne prenehajo presenečati znanstvenikov. Spodaj je nekaj dejstev, ki jih le malo ljudi pozna.

1. Katera voda hitreje zmrzne – hladna ali vroča?

Vzamemo dve posodi z vodo: v eno nalijemo vročo vodo, v drugo pa hladno in ju postavimo v zamrzovalnik. Topla voda bo zmrznila hitreje kot hladna voda, čeprav bi se morala hladna voda po logiki najprej spremeniti v led: navsezadnje se mora vroča voda najprej ohladiti na hladno temperaturo, nato pa se spremeni v led, hladni vodi pa se ni treba ohladiti. Zakaj se to dogaja?

Leta 1963 je tanzanijski študent Erasto B. Mpemba med zamrzovanjem sladoledne mešanice opazil, da se vroča mešanica v zamrzovalniku strdi hitreje kot hladna. Ko je mladenič svoje odkritje delil s svojim učiteljem fizike, se mu je le smejal. K sreči je bil učenec vztrajen in je učitelja prepričal v poskus, ki je potrdil njegovo odkritje: vroča voda pod določenimi pogoji dejansko zmrzne hitreje kot hladna.

Ta pojav, ko vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda, se imenuje " Mpemba učinek" Res je, veliko pred njim so to edinstveno lastnost vode opazili že Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes.

Znanstveniki še vedno ne razumejo popolnoma narave tega pojava in ga razlagajo bodisi z razliko v podhlajevanju, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali z učinkom utekočinjenih plinov na vročo in hladno vodo.

2. Lahko takoj zamrzne

Vsi to vedo vodo se vedno spremeni v led, ko se ohladi na 0 °C ... z nekaterimi izjemami! Tak primer je na primer prehladitev, ki je lastnost zelo čisto vodo ostanejo tekoče tudi, ko se ohladijo pod ledišče. Ta pojav postane mogoč zaradi dejstva, da okolju ne vsebuje centrov ali kristalizacijskih jeder, ki bi lahko sprožila nastanek ledenih kristalov. In tako voda ostane v tekoči obliki tudi, ko se ohladi pod nič stopinj Celzija.

Postopek kristalizacije lahko povzročijo na primer plinski mehurčki, nečistoče (kontaminanti) ali neravna površina posode. Brez njih bo voda ostala v tekočem stanju. Ko se začne proces kristalizacije, lahko opazujete, kako se zelo ohlajena voda takoj spremeni v led.

Upoštevajte, da "pregreta" voda prav tako ostane tekoča, tudi če je segreta nad vrelišče.

3. 19 stanj vode

Brez oklevanja navedite, koliko različni pogoji je blizu vode? Če ste odgovorili na tri: trdno, tekoče, plinasto, potem ste se zmotili. Znanstveniki razlikujejo vsaj 5 različnih stanj vode v tekoči obliki in 14 različnih stanj v zamrznjeni obliki.

Se spomnite pogovora o zelo ohlajeni vodi? Torej, ne glede na to, kaj počnete, se bo pri -38 °C tudi najčistejša zelo ohlajena voda nenadoma spremenila v led. Kaj se bo zgodilo, ko bo temperatura še padla? Pri -120 °C se z vodo začne dogajati nekaj nenavadnega: postane super viskozna ali viskozna, kot je melasa, pri temperaturah pod -135 °C pa se spremeni v "steklasto" ali "steklasto" vodo - trdno snov, ki nima kristalov struktura.

4. Voda preseneča fizike

Na molekularni ravni je voda še bolj presenetljiva. Leta 1995 je poskus sipanja nevtronov, ki so ga izvedli znanstveniki, prinesel nepričakovan rezultat: fiziki so odkrili, da nevtroni, usmerjeni v molekule vode, »vidijo« 25 % manj vodikovih protonov, kot je bilo pričakovano.

Izkazalo se je, da pri hitrosti ene atosekunde (10 -18 sekund) pride do nenavadnega kvantnega učinka in kemijska formula namesto vode H2O, postane H1.5O!

5. Vodni spomin

Alternativa uradni medicini homeopatija navaja, da je razredčena raztopina zdravilni izdelek lahko zdravilno deluje na telo, tudi če je faktor redčenja tako visok, da v raztopini ne ostane nič razen molekul vode. Zagovorniki homeopatije pojasnjujejo ta paradoks s konceptom, imenovanim " vodni spomin«, po katerem ima voda na molekularni ravni »spomin« na snov, ki je bila nekoč v njej raztopljena, in ohrani lastnosti raztopine prvotne koncentracije, potem ko v njej ne ostane niti ena molekula sestavine.

Mednarodna skupina znanstvenikov pod vodstvom profesorice Madeleine Ennis s Queen's University v Belfastu, ki je kritizirala načela homeopatije, je leta 2002 izvedla poskus, da bi koncept enkrat za vselej ovrgla. Rezultat je bil nasproten. Po tem so znanstveniki izjavili, da so lahko dokazali resničnost učinka " vodni spomin" Vendar poskusi, izvedeni pod nadzorom neodvisnih strokovnjakov, niso prinesli rezultatov. Spori o obstoju pojava " vodni spomin"nadaljuj.

Voda ima še veliko drugih nenavadnih lastnosti, o katerih v tem članku nismo govorili. Na primer, gostota vode se spreminja glede na temperaturo (gostota ledu je manjša od gostote vode); voda ima precej visoko površinsko napetost; v tekočem stanju je voda kompleksna in dinamično spreminjajoča se mreža vodnih skupkov, obnašanje grozdov pa vpliva na strukturo vode itd.

O teh in številnih drugih nepričakovanih lastnostih vodo lahko preberete v članku “ Nenavadne lastnosti vode«, avtor Martin Chaplin, profesor na Univerzi v Londonu.

Veliko je dejavnikov, ki vplivajo na to, katera voda hitreje zmrzne, topla ali hladna, a samo vprašanje se zdi nekoliko čudno. Posledica, in to je znano iz fizike, je, da vroča voda še vedno potrebuje čas, da se ohladi na temperaturo primerjane hladne vode, da se spremeni v led. Hladna voda lahko preskoči to stopnjo in s tem pridobi čas.

Toda odgovor na vprašanje, katera voda hitreje zamrzne - hladna ali vroča - zunaj v mrazu, pozna vsak prebivalec severnih zemljepisnih širin. Pravzaprav se znanstveno izkaže, da bo hladna voda v vsakem primeru preprosto hitreje zmrznila.

Učitelj fizike, na katerega se je leta 1963 obrnil šolar Erasto Mpemba, je razmišljal enako s prošnjo, naj pojasni, zakaj hladna zmes bodočega sladoleda zamrzne dlje kot podobna, a vroča.

"To ni univerzalna fizika, ampak nekakšna fizika Mpemba"

Takrat se je učitelj temu le smejal, toda Deniss Osborne, profesor fizike, ki je nekoč obiskal isto šolo, kjer je študiral Erasto, je eksperimentalno potrdil prisotnost takega učinka, čeprav takrat ni bilo razlage za to. Leta 1969 je bil v poljudnoznanstveni reviji objavljen skupni članek teh dveh ljudi, ki sta opisala ta nenavaden učinek.

Od takrat, mimogrede, ima vprašanje, katera voda hitreje zamrzne - vroča ali hladna - svoje ime - učinek Mpemba ali paradoks.

Vprašanje je prisotno že dolgo časa

Seveda se je takšen pojav zgodil že prej in je bil omenjen v delih drugih znanstvenikov. To vprašanje ni zanimalo samo šolarja, ampak sta o tem nekoč razmišljala tudi Rene Descartes in celo Aristotel.

Toda pristope k rešitvi tega paradoksa so začeli iskati šele ob koncu dvajsetega stoletja.

Pogoji za pojav paradoksa

Tako kot pri sladoledu tudi tukaj ni lahko navadna voda zamrzne med poskusom. Da se začne prepirati o tem, katera voda hitreje zamrzne - hladna ali vroča, morajo biti prisotni določeni pogoji. Kaj vpliva na potek tega procesa?

Zdaj, v 21. stoletju, je bilo predstavljenih več možnosti, ki lahko pojasnijo ta paradoks. Katera voda zmrzne hitreje, vroča ali hladna, je lahko odvisno od dejstva, da ima večjo stopnjo izhlapevanja kot hladna voda. Tako se njena prostornina zmanjša, z zmanjševanjem prostornine pa postane čas zamrzovanja krajši, kot če vzamemo enako začetno prostornino hladne vode.

Že nekaj časa je minilo, odkar ste odmrznili zamrzovalnik.

Katera voda zmrzne hitreje in zakaj do tega pride, lahko vpliva snežna obloga, ki je morda prisotna v zamrzovalniku hladilnika, uporabljenega za poskus. Če vzamete dve po prostornini enaki posodi, vendar je v eni topla voda, v drugi pa hladna, bo posoda s toplo vodo pod seboj stopila sneg in s tem izboljšala stik toplotne ravni s steno hladilnika. Posoda s hladno vodo tega ne more storiti. Če v hladilnem delu ni takšne obloge s snegom, bi morala hladna voda hitreje zmrzniti.

Zgoraj spodaj

Tudi pojav, katera voda hitreje zmrzne - vroča ali hladna - je pojasnjen na naslednji način. Po določenih zakonitostih začne hladna voda zmrzovati iz zgornjih plasti, vroča voda pa ravno nasprotno - začne zmrzovati od spodaj navzgor. Izkazalo se je, da hladna voda, ki ima na vrhu hladno plast z že oblikovanim ledom, tako poslabša procese konvekcije in toplotnega sevanja, s čimer pojasnjuje, katera voda hitreje zamrzne - hladna ali vroča. Fotografije amaterskih poskusov so priložene in to je lepo vidno tukaj.

Toplota gre ven, hiti navzgor in tam naleti na zelo hladno plast. Za toplotno sevanje ni proste poti, zato postane proces hlajenja otežen. Topla voda nima prav nobenih takih ovir na svoji poti. Katera zmrzne hitreje – hladna ali vroča, kaj določa verjeten izid?Odgovor lahko razširite tako, da rečete, da ima vsaka voda v sebi raztopljene določene snovi.

Nečistoče v vodi kot dejavnik, ki vpliva na rezultat

Če ne goljufate in uporabljate vodo enake sestave, kjer so koncentracije določenih snovi enake, potem naj bi hladna voda hitreje zmrznila. Če pa pride do situacije, ko se raztopi kemični elementi so na voljo samo v topli vodi, hladna voda pa jih nima, potem obstaja možnost, da topla voda prej zmrzne. To je razloženo z dejstvom, da raztopljene snovi v vodi ustvarjajo kristalizacijske centre in z majhnim številom teh centrov je pretvorba vode v trdno stanje otežena. Možno je celo, da bo voda prehlajena, v smislu, da bo pri temperaturah pod ničlo v tekočem stanju.

Toda vse te različice znanstvenikom očitno niso povsem ustrezale in so še naprej delali na tem vprašanju. Leta 2013 je skupina raziskovalcev v Singapurju povedala, da je rešila starodavno skrivnost.

Skupina kitajskih znanstvenikov trdi, da je skrivnost tega učinka v količini energije, ki je shranjena med molekulami vode v njenih vezeh, imenovanih vodikove vezi.

Odgovor kitajskih znanstvenikov

Sledijo informacije, za razumevanje katerih je potrebno nekaj znanja kemije, da bi razumeli, katera voda hitreje zmrzne - topla ali hladna. Kot je znano, je sestavljen iz dveh atomov H (vodik) in enega atoma O (kisik), ki ju držijo skupaj kovalentne vezi.

Toda tudi vodikove atome ene molekule privlačijo sosednje molekule, njihova kisikova komponenta. Te vezi se imenujejo vodikove vezi.

Ne smemo pozabiti, da imajo molekule vode hkrati odbojni učinek druga na drugo. Znanstveniki so ugotovili, da se pri segrevanju vode razdalja med njenimi molekulami poveča, kar je olajšano z odbojnimi silami. Izkazalo se je, da če zasedajo enako razdaljo med molekulami v hladnem stanju, lahko rečemo, da se raztezajo in imajo večjo zalogo energije. Prav ta zaloga energije se sprosti, ko se molekule vode začnejo približevati druga drugi, torej pride do ohlajanja. Izkazalo se je, da je v vroči vodi večja zaloga energije, pri ohlajanju pa se sprosti večja temperature pod ničlo, se zgodi hitreje kot v hladni vodi, ki ima manjšo zalogo te energije. Katera voda torej hitreje zmrzne - hladna ali vroča? Na ulici in v laboratoriju naj bi se zgodil Mpembin paradoks in vroča voda bi se morala hitreje spremeniti v led.

Toda vprašanje je še odprto

Obstaja le teoretična potrditev te rešitve - vse to je zapisano v lepih formulah in se zdi verjetno. Toda ko bodo eksperimentalni podatki o tem, katera voda zmrzne hitreje - vroča ali hladna - uporabljeni v praksi in predstavljeni njihovi rezultati, potem lahko štejemo, da je vprašanje Mpembinega paradoksa zaključeno.