Zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna? Zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna? Mpemba učinek

Mpemba učinek(Mpembajev paradoks) je paradoks, ki trdi, da topla voda Pod nekaterimi pogoji zamrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora med postopkom zamrzovanja 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, da se čas, v katerem se telo ohladi na temperaturo okolju, mora biti sorazmerna 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 in posledično tvori veliko več toplote 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 topla voda 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.

Leta 1963 je tanzanijski šolar po imenu Erasto Mpemba svojemu učitelju postavil neumno vprašanje - zakaj je topel sladoled v njegovem zamrzovalniku zmrznil hitreje od mrzlega?

Kot dijak srednje šole Magambi v Tanzaniji je Erasto Mpemba opravljal praktično delo kot kuhar. 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.

Za pojasnilo se je obrnil na učitelja fizike, ta pa se je učencu le nasmejal z besedami: "To ni univerzalna fizika, ampak fizika Mpemba." Po tem je Mpemba eksperimentiral ne le z mlekom, ampak tudi z navadno vodo.

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.

Vas zanima zakaj se to zgodi? Pred nekaj leti je znanstvenikom uspelo razložiti ta pojav...

Učinek Mpemba (paradoks Mpemba) je paradoks, ki pravi, da vroča voda pod nekaterimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora med postopkom zamrzovanja prestati 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 v svojem času opazili Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes. 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.

Od takrat sta spregovorila različne različice, od katerih je ena zvenela takole: del tople vode najprej preprosto izhlapi, nato pa, ko je ostane manj, voda hitreje zmrzne. Ta različica je zaradi svoje preprostosti postala najbolj priljubljena, vendar ni popolnoma zadovoljila znanstvenikov.

Zdaj skupina raziskovalcev s tehnološke univerze Nanyang v Singapurju, ki jo vodi kemik Xi Zhang, pravi, da je razrešila starodavno skrivnost, zakaj topla voda zmrzne hitreje kot hladna. Kot so ugotovili kitajski strokovnjaki, je skrivnost v količini energije, shranjene v vodikovih vezeh med molekulami vode.

Kot veste, so molekule vode sestavljene iz enega atoma kisika in dveh atomov vodika, ki jih držijo skupaj kovalentne vezi, kar na ravni delcev izgleda kot izmenjava elektronov. Še ena znano dejstvo leži v tem, da atome vodika privlačijo atomi kisika iz sosednjih molekul – in nastanejo vodikove vezi.

Hkrati se molekule vode praviloma odbijajo. Znanstveniki iz Singapurja so opazili: toplejša kot je voda, večja je razdalja med molekulami tekočine zaradi povečanja odbojnih sil. Posledično se vodikove vezi raztegnejo in zato shranijo več energije. Ta energija se sprosti, ko se voda ohladi – molekule se približajo druga drugi. In sproščanje energije, kot je znano, pomeni hlajenje.

Tukaj so predpostavke znanstvenikov:

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, izgubi 16 % svoje mase, ko se ohladi na 0 °C. Učinek izhlapevanja je dvojni učinek. Prvič, zmanjša se masa vode, ki je potrebna za hlajenje. In drugič, zaradi izhlapevanja se njegova temperatura zniža.

Temperaturna razlika

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

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? Pri hladni vodi, ki ni prehlajena, se zgodi naslednje: na njeni površini se oblikuje tanka plast ledu, ki deluje kot izolator med vodo in hladnim zrakom in s tem preprečuje 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 v okolje z nižjo temperaturo, bo površinska plast vode hitreje zmrznila. Ker je ta voda manj gosta kot voda pri 4 °C, bo ostala na površini in tvorila tanko hladno plast. V teh pogojih se bo v kratkem času na površini vode naredila tanka plast ledu, vendar bo ta plast ledu delovala 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. Površinska plast vode se bo zaradi izhlapevanja in večje temperaturne razlike hitreje ohladila. Poleg tega so plasti hladne vode gostejše od plasti vroče vode, zato se bo plast hladne vode pogreznila, pri čemer bo plast tople vode prišla na površje. To kroženje vode zagotavlja hiter padec temperature. Toda zakaj ta proces ne doseže ravnotežne točke? Da bi razložili učinek Mpemba z vidika konvekcije, bi bilo treba domnevati, 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 sproščajo iz vode, ker je njihova topnost v vodi manjša pri visokih temperaturah. 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 nedvoumnega odgovora na vprašanje - kateri od njih zagotavljajo 100-odstotno reprodukcijo učinka Mpemba - 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.

Toda, kot pravijo, najverjetnejši razlog.

Kot pišejo kemiki v svojem članku, ki ga lahko najdete na spletni strani za prednatis arXiv.org, so vodikove vezi v vroči vodi močnejše kot v hladni vodi. Tako se izkaže, da je več energije shranjene v vodikovih vezeh vroče vode, kar pomeni, da se je več sprosti, ko se ohladi na temperature pod ničlo. Zaradi tega pride do strjevanja hitreje.

Do danes so znanstveniki to skrivnost rešili le teoretično. Ko predstavijo prepričljive dokaze svoje različice, se lahko vprašanje, zakaj vroča voda zamrzne hitreje kot hladna voda, šteje za zaključeno.

V tem članku bomo preučili vprašanje, zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda.

Ogrevana voda zmrzne veliko hitreje kot hladna voda! to neverjetna lastnina voda, natančne razlage, za katero znanstveniki še vedno ne najdejo, je znana že v pradavnini. Na primer, tudi pri Aristotelu obstaja opis zimski ribolov: ribiči so vtaknili ribiške palice v luknje v ledu, da bi te hitreje zamrznile, pa so na led polivali toplo vodo. Ta pojav je dobil ime po Erastu Mpembi v 60. letih 20. stoletja. Mnemba je med pripravo sladoleda opazil nenavaden učinek in se za razlago obrnil na svojega učitelja fizike, dr. Denisa Osborna. Mpemba in dr. Osborne sta eksperimentirala z vodo pri različnih temperaturah in ugotovila, da skoraj vrela voda začne zmrzovati veliko hitreje kot voda pri sobni temperaturi. Drugi znanstveniki so izvedli lastne poskuse in vsakič dobili podobne rezultate.

Razlaga fizikalnega pojava

Splošno sprejete razlage, zakaj do tega pride, ni. Mnogi raziskovalci menijo, da je celoten smisel v podhladitvi tekočine, ki se pojavi, ko njena temperatura pade pod ledišče. Z drugimi besedami, če voda zmrzne pri temperaturi pod 0 °C, ima lahko preohlajena voda temperaturo na primer -2 °C in še vedno ostane tekoča, ne da bi se spremenila v led. Ko poskušamo zamrzniti mrzlo vodo, obstaja možnost, da se najprej prehladi in šele čez nekaj časa strdi. Drugi procesi se odvijajo v segreti vodi. Njegovo hitrejše preoblikovanje v led je povezano s konvekcijo.

Konvekcija- to je fizikalni pojav, pri katerem se tople spodnje plasti tekočine dvigajo, zgornje, ohlajene pa padajo.

Zdi se, da dobra stara formula H 2 O ne vsebuje skrivnosti. A v resnici je voda – vir življenja in najbolj znana tekočina na svetu – prežeta s številnimi skrivnostmi, ki jih celo znanstveniki včasih ne znajo razrešiti.

Tukaj je 5 najbolj zanimiva dejstva o vodi:

1. Vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda

Vzamemo dve posodi z vodo: v eno nalijemo vročo vodo, v drugo 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 Erasto B. Mpemba, srednješolec v Tanzaniji, zamrzoval mešanico sladoleda in 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.

Zdaj se ta pojav, ko vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda, imenuje »učinek Mpemba«. 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.

Opomba X.RU na temo "Vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda."

Ker je problematika hlajenja bližja nam, strokovnjakom za hlajenje, si bomo dovolili, da se nekoliko poglobimo v bistvo tega problema in podamo dve mnenji o naravi tako skrivnostnega pojava.

1. Znanstvenik z Univerze v Washingtonu je predlagal razlago skrivnostnega pojava, znanega že iz časov Aristotela: zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna.

Pojav, imenovan učinek Mpemba, se v praksi pogosto uporablja. Strokovnjaki na primer avtomobilistom svetujejo, naj pozimi v rezervoar za pranje točijo hladno, ne vroče vode. Toda kaj se skriva za tem pojavom? za dolgo časa ostal neznan.

Dr. Jonathan Katz z Univerze v Washingtonu je preučeval ta pojav in prišel do zaključka, da imajo pomembno vlogo v vodi raztopljene snovi, ki se pri segrevanju obarjajo, poroča EurekAlert.

Pod raztopljeno snovi dr. Katz se nanaša na kalcijeve in magnezijeve bikarbonate, ki jih najdemo v trdi vodi. Pri segrevanju vode se te snovi obarjajo in na stenah kotlička tvorijo vodni kamen. Voda, ki ni bila nikoli segreta, vsebuje te nečistoče. Ko zmrzne in nastanejo ledeni kristali, se koncentracija nečistoč v vodi poveča za 50-krat. Zaradi tega se zmrzišče vode zniža. »In zdaj se mora voda dodatno ohladiti, da zmrzne,« pojasnjuje dr. Katz.

Obstaja še drugi razlog, ki preprečuje zmrzovanje neogrete vode. Znižanje zmrziščne točke vode zmanjša temperaturno razliko med trdno in tekočo fazo. »Ker je hitrost, s katero voda izgublja toploto, odvisna od te temperaturne razlike, se voda, ki ni bila segreta, slabše ohlaja,« komentira dr. Katz.

Po mnenju znanstvenika je njegovo teorijo mogoče preizkusiti eksperimentalno, saj Učinek Mpemba postane bolj opazen pri trši vodi.

2. Kisik plus vodik plus mraz ustvarja led. Na prvi pogled se zdi ta prozorna snov zelo preprosta. V resnici je led poln številnih skrivnosti. Ice, ki ga je ustvaril Afričan Erasto Mpemba, ni razmišljal o slavi. Dnevi so bili vroči. Je želel sadni led. Vzel je škatlo soka in jo dal v zamrzovalnik. To je naredil več kot enkrat in zato opazil, da sok še posebej hitro zamrzne, če ga najprej postaviš na sonce - res ga segreje! To je čudno, je pomislil tanzanijski šolar, ki je ravnal v nasprotju s svetovno modrostjo. Ali res drži, da je treba tekočino, da se hitreje spremeni v led, najprej ... segreti? Mladenič je bil tako presenečen, da je svoje ugibanje delil z učiteljem. O tej zanimivosti je poročal v tisku.

Ta zgodba se je zgodila v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Zdaj je "učinek Mpemba" znanstvenikom dobro znan. Toda ta na videz preprost pojav je dolgo ostal skrivnost. Zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna?

Šele leta 1996 je fizik David Auerbach našel rešitev. Da bi odgovoril na to vprašanje, je celo leto izvajal eksperiment: segreval je vodo v kozarcu in jo ponovno ohladil. Kaj je torej ugotovil? Pri segrevanju zračni mehurčki, raztopljeni v vodi, izhlapijo. Voda brez plinov lažje zmrzne na stene posode. »Seveda, vodo s visoka vsebnost tudi zrak bo zmrznil," pravi Auerbach, "vendar ne pri nič stopinjah Celzija, ampak samo pri minus štirih do šestih stopinjah." Seveda boste morali počakati dlje. Torej, vroča voda zamrzne pred mrzlo vodo, to je znanstveno dejstvo.

Skoraj ni snovi, ki bi se pred našimi očmi pojavila z enako lahkoto kot led. Sestavljen je samo iz molekul vode - to je elementarnih molekul, ki vsebujejo dva atoma vodika in en atom kisika. Vendar pa je led morda najbolj skrivnostna snov v vesolju. Nekaterih njegovih lastnosti znanstvenikom še ni uspelo pojasniti.

2. Supercooling in "instant" zamrzovanje

Vsi vedo, da se voda vedno spremeni v led, ko se ohladi na 0 °C ... razen v nekaterih primerih! Tak primer je na primer "supercooling", ki je lastnost zelo čisto vodo ostanejo tekoče tudi, ko se ohladijo pod ledišče. Ta pojav je mogoč zaradi dejstva, da okolje 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. Proces kristalizacije lahko sprožijo 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.

Oglejte si video (2.901 KB, 60 s) Phila Medine (www.mrsciguy.com) in se prepričajte sami >>

Komentiraj. Pregreta voda tudi ostane tekoča, tudi če se segreje nad vrelišče.

3. "Steklena" voda

Hitro in brez oklevanja navedite, koliko različni pogoji je blizu vode?

Če ste odgovorili tri (trdno, tekoče, plinasto), ste se zmotili. Znanstveniki identificirajo vsaj 5 različnih stanj tekoče vode in 14 stanj ledu.

Se spomnite pogovora o zelo ohlajeni vodi? Torej, ne glede na to, kaj počnete, se pri -38 °C tudi najčistejša zelo ohlajena voda nenadoma spremeni v led. Kaj se zgodi z nadaljnjim upadanjem?

temperatura? Pri -120 °C se z vodo začne dogajati nekaj čudnega: postane super viskozna ali viskozna, kot je melasa, pri temperaturah pod -135 °C pa se spremeni v "steklasto" ali "steklasto" vodo - trdno snov brez kristalne strukture .

4. Kvantne lastnosti vode

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 voda namesto običajne - H 2 O, postane H 1,5 O!

5. Ali ima voda spomin?

Homeopatija, alternativa konvencionalni medicini, trdi, da 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 enkrat v njej raztopljena, in ohrani lastnosti raztopine prvotne koncentracije, potem ko niti enkrat molekula sestavine ostane v njej.

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 ta koncept dokončno ovrgla.Rezultat je bil ravno nasproten.Po tem so znanstveniki povedali, da uspeli dokazati resničnost učinka "vodnega spomina". Vendar poskusi, izvedeni pod nadzorom neodvisnih strokovnjakov, niso prinesli rezultatov. Spori o obstoju pojava "vodnega spomina" se nadaljujejo.

Voda ima še veliko drugih nenavadnih lastnosti, o katerih v tem članku nismo govorili.

Literatura.

1. 5 res čudnih stvari o vodi / http://www.neatorama.com.
2. Skrivnost vode: nastala je teorija o učinku Aristotel-Mpemba / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Skrivnosti nežive narave. Najbolj skrivnostna snov v vesolju / http://www.bibliotekar.ru.

Učinek Mpemba ali zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna? Učinek Mpemba (paradoks Mpemba) je paradoks, ki pravi, da vroča voda pod nekaterimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora med postopkom zamrzovanja prestati 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. Kot dijak srednje šole Magambi v Tanzaniji je Erasto Mpemba opravljal praktično delo kot kuhar. 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 navadno vodo. 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, izgubi 16% svoje mase, ko se ohladi na 0 C. 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 toplo vodo in hladnim zrakom večja, je izmenjava toplote v tem primeru intenzivnejša in topla voda se hitreje ohlaja. 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 hladne vode, ki ni prehlajena, 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. Površinska plast vode se bo zaradi izhlapevanja in večje temperaturne razlike hitreje ohladila. 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, potem ko povprečna temperatura vode pade pod 4 C. Vendar pa ni eksperimentalnih podatkov, ki bi potrdili to hipotezo, da se hladne in tople plasti vode ločijo s procesom konvekcije. V vodi raztopljeni plini V vodi so vedno raztopljeni plini – kisik in ogljikov dioksid. Ti plini lahko znižajo zmrzišče vode. Pri segrevanju vode se ti plini sproščajo iz vode, ker je njihova topnost v vodi manjša pri visokih temperaturah. 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