Zakaj se topla voda ohladi hitreje kot hladna? Zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna?

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. Na srečo je bil učenec vztrajen in je učitelja prepričal, da je izvedel poskus, ki je potrdil njegovo odkritje: pod določenimi pogoji topla voda Res zmrzne hitreje kot mraz.

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 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.

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 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. 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 sama molekula sestavine.

Mednarodna ekipa 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.

Mpemba učinek(Mpemba's Paradox) - paradoks, ki pravi, da vroča voda pod nekaterimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora prestati temperaturo hladna voda med postopkom zamrzovanja. 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

Zaradi temperaturne razlike med topla voda in tam je več hladnega zraka - zato 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.

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. Erasto Mpemba je kot dijak srednje šole Magambi v Tanzaniji 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. Površinski sloj vode se bo zaradi izhlapevanja in večje temperaturne razlike hitreje ohladil. 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

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 voda. To je bila prva tovrstna recenzirana študija, sam pojav pa je omenjen že v Aristotelovih spisih, ki segajo v 4. stoletje pred našim štetjem. 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. Hladna voda ima več raztopljenih plinov kot topla voda 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.

Mnogi raziskovalci so predlagali in postavljajo svoje različice, zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna. Zdi se kot paradoks - navsezadnje se mora vroča voda najprej ohladiti, da bi zmrznila. Vendar dejstvo ostaja dejstvo, znanstveniki pa ga razlagajo na različne načine.

Glavne različice

Vklopljeno ta trenutek Obstaja več različic, ki pojasnjujejo to dejstvo:

1. Ker vroča voda hitreje izhlapeva, se njena prostornina zmanjša. In zmrzovanje manjše količine vode pri isti temperaturi se zgodi hitreje.
2. Zamrzovalni del hladilnika ima snežno oblogo. Posoda z vročo vodo topi sneg pod seboj. To izboljša toplotni stik z zamrzovalnikom.
3. Zamrzovanje hladne vode se za razliko od tople vode začne na vrhu. Hkrati se poslabšata konvekcija in toplotno sevanje ter posledično toplotne izgube.
4. Hladna voda vsebuje kristalizacijske centre – v njej raztopljene snovi. Če je njihova vsebnost v vodi majhna, je zaledenitev težka, čeprav je hkrati možno prehladitev - ko temperatura pod ničlo je v tekočem stanju.

Čeprav po pravici lahko rečemo, da ta učinek ni vedno opazen. Zelo pogosto hladna voda zmrzne hitreje kot topla voda.

Pri kateri temperaturi voda zmrzne

Zakaj voda sploh zmrzne? Vsebuje določeno količino mineralnih ali organskih delcev. To je na primer lahko zelo drobni delci pesek, prah ali glina. Ko se temperatura zraka zniža, so ti delci središča, okoli katerih nastajajo ledeni kristali.

Vlogo kristalizacijskih jeder lahko igrajo tudi zračni mehurčki in razpoke v posodi z vodo. Na hitrost procesa spreminjanja vode v led v veliki meri vpliva število takšnih centrov – če jih je veliko, tekočina hitreje zamrzne. V normalnih pogojih, pri normalnem atmosferskem tlaku, se voda spremeni v trdno stanje iz tekočine pri temperaturi 0 stopinj.

Bistvo efekta Mpemba

Učinek Mpemba je paradoks, katerega bistvo je, da v določenih okoliščinah vroča voda zmrzne hitreje kot hladna. Ta pojav sta opazila že Aristotel in Descartes. Vendar pa je šele leta 1963 tanzanijski šolar Erasto Mpemba ugotovil, da vroč sladoled zamrzne dlje. kratek čas kot hladno. To je ugotovil, ko je opravljal kuharsko nalogo.

V kuhanem mleku je moral raztopiti sladkor in ga ohladiti postaviti v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil posebej priden in je prvi del naloge začel opravljati pozno. Zato ni čakal, da se mleko ohladi, ampak ga je dal še vročega v hladilnik. Bil je zelo presenečen, ko je zmrznila še hitreje kot pri njegovih sošolcih, ki so delo opravljali v skladu z dano tehnologijo.

To dejstvo je mladeniča zelo zanimalo in začel je eksperimentirati z navadno vodo. Leta 1969 je revija Physics Education objavila rezultate raziskav Mpembe in profesorja Dennisa Osborna z Univerze v Dar Es Salaamu. Učinek, ki so ga opisali, je dobil ime Mpemba. Vendar še danes ni jasne razlage za pojav. Vsi znanstveniki se strinjajo, da glavno vlogo pri tem igrajo razlike v lastnostih ohlajene in tople vode, kaj natančno pa ni znano.

Singapurska različica

Fizike z ene od singapurskih univerz je zanimalo tudi vprašanje, katera voda hitreje zmrzne – topla ali hladna? Skupina raziskovalcev pod vodstvom Xija Zhanga je ta paradoks pojasnila prav z lastnostmi vode. Vsi poznajo sestavo vode iz šole - atom kisika in dva atoma vodika. Kisik do neke mere vleče elektrone stran od vodika, zato je molekula neke vrste "magnet".

Zaradi tega se določene molekule v vodi rahlo privlačijo med seboj in so združene z vodikovo vezjo. Njegova moč je mnogokrat manjša od kovalentne vezi. Singapurski raziskovalci verjamejo, da je razlaga za Mpembin paradoks prav v vodikovih vezeh. Če so molekule vode zelo tesno skupaj, potem lahko tako močna interakcija med molekulami deformira kovalentno vez v sredini same molekule.

Toda ko se voda segreje, se vezane molekule nekoliko odmaknejo druga od druge. Posledično pride do sprostitve kovalentnih vezi v sredini molekul s sproščanjem odvečne energije in prehodom na nižjo energijsko raven. To vodi do dejstva, da se vroča voda začne hitro ohlajati. Vsaj tako kažejo teoretični izračuni singapurskih znanstvenikov.

Voda v trenutku zmrzne - 5 neverjetnih trikov: Video