Sıcak su neden daha hızlı soğur? Su hakkında bilmediğiniz şeyler

Britanya Kraliyet Kimya Derneği, bazı durumlarda sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğunu bilimsel olarak açıklayabilen herkese 1.000 £ ödül verecek.

“Modern bilim, görünüşte basit olan bu soruyu hâlâ cevaplayamıyor. Dondurmacılar ve barmenler bu etkiyi günlük işlerinde kullanıyorlar ancak kimse bunun neden işe yaradığını gerçekten bilmiyor. Bu sorun, Aristoteles ve Descartes gibi filozofların bunun üzerinde düşünmesiyle binlerce yıldır biliniyor," dedi İngiliz Kraliyet Kimya Topluluğu başkanı Profesör David Phillips, Topluluğun basın açıklamasında aktarıldığı gibi.

Afrikalı bir aşçı İngiliz fizik profesörünü nasıl yendi?

Bu bir 1 Nisan şakası değil, sert bir fiziksel gerçeklik. Galaksiler ve kara deliklerle kolayca çalışan ve kuarkları ve bozonları aramak için dev hızlandırıcılar inşa eden modern bilim, temel suyun nasıl "işlediğini" açıklayamıyor. Okul ders kitabı Daha sıcak bir cismi soğutmanın, soğuk bir cismi soğutmaktan daha fazla zaman aldığını açıkça belirtiyor. Ancak su için bu yasaya her zaman uyulmaz. Aristoteles M.Ö. 4. yüzyılda bu paradoksa dikkat çekmişti. e. Eski Yunanlı Meteorologica I adlı kitabında şöyle yazmıştır: “Suyun önceden ısıtılması donmasına neden olur. Bu nedenle pek çok kişi sıcak suyu daha hızlı soğutmak istediğinde önce onu güneşe koyar...” Orta Çağ'da Francis Bacon ve Rene Descartes bu olguyu açıklamaya çalışmışlardır. Ne yazık ki, ne büyük filozoflar ne de klasik termofiziği geliştiren çok sayıda bilim adamı bunu başaramadı ve bu nedenle böylesine sakıncalı bir gerçek uzun süre "unutuldu".

Ve ancak 1968'de Tanzanya'dan gelen okul çocuğu Erasto Mpembe sayesinde herhangi bir bilimden uzak "hatırladılar". 1963 yılında mutfak sanatları okulunda okurken 13 yaşındaki Mpembe'ye dondurma yapma görevi verildi. Teknolojiye göre sütü kaynatmak, içindeki şekeri eritmek, oda sıcaklığına kadar soğutmak ve ardından donmak üzere buzdolabına koymak gerekiyordu. Görünüşe göre Mpemba çalışkan bir öğrenci değildi ve tereddüt ediyordu. Dersin sonuna yetişemeyeceğinden korktuğu için hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, yoldaşlarının tüm kurallara göre hazırlanan sütünden bile daha erken dondu.

Mpemba keşfini fizik öğretmeniyle paylaştığında tüm sınıfın önünde ona güldü. Mpemba hakareti hatırladı. Beş yıl sonra, Dar es Salaam'daki üniversitede öğrenci olarak ünlü fizikçi Denis G. Osborne'un bir konferansına katıldı. Dersin ardından bilim adamına bir soru sordu: "Biri 35 °C (95 °F) ve diğeri 100 °C (212 °F) sıcaklıktaki, eşit miktarda su içeren iki özdeş kabı alıp bunları yere koyarsanız Dondurucuya koyarsanız, sıcak kaptaki su daha hızlı donacaktır. Neden?" Tanrının unuttuğu Tanzanya'dan gelen genç bir adamın sorusuna İngiliz bir profesörün tepkisini tahmin edebilirsiniz. Öğrenciyle dalga geçti. Ancak Mpemba böyle bir cevaba hazırdı ve bilim adamına iddiaya meydan okudu. Anlaşmazlıkları, Mpemba'nın haklı olduğunu ve Osborne'un mağlup olduğunu doğrulayan deneysel bir testle sona erdi. Böylece aşçı çırak bilim tarihine adını yazdırmış ve bu olaya bundan sonra “Mpemba etkisi” adı verilmiştir. Onu bir kenara atmak, “yok” ilan etmek mümkün değil. Bu fenomen mevcut ve şairin yazdığı gibi "acımıyor."

Toz parçacıkları ve çözünen maddeler suçlanacak mı?

Yıllar geçtikçe pek çok kişi suyun donmasının gizemini çözmeye çalıştı. Bu fenomen için bir sürü açıklama önerildi: buharlaşma, konveksiyon, çözünmüş maddelerin etkisi - ancak bu faktörlerin hiçbiri kesin olarak kabul edilemez. Pek çok bilim adamı tüm yaşamlarını Mpemba etkisine adadı. Radyasyon Güvenliği Dairesi Çalışanı Devlet Üniversitesi New York - James Brownridge - içinde boş zaman on yılı aşkın süredir bu paradoksu inceliyor. Yüzlerce deney yaptıktan sonra bilim adamı, hipotermi "suçunun" kanıtına sahip olduğunu iddia ediyor. Brownridge, suyun 0°C'de yalnızca aşırı soğuduğunu ve sıcaklık bunun altına düştüğünde donmaya başladığını açıklıyor. Donma noktası sudaki yabancı maddeler tarafından düzenlenir; buz kristallerinin oluşum hızını değiştirirler. Toz parçacıkları, bakteriler ve çözünmüş tuzlar gibi yabancı maddeler, kristalizasyon merkezleri çevresinde buz kristalleri oluştuğunda karakteristik bir çekirdeklenme sıcaklığına sahiptir. Suda birden fazla element aynı anda bulunduğunda donma noktası, çekirdeklenme sıcaklığı en yüksek olana göre belirlenir.

Deney için Brownridge aynı sıcaklıkta iki su numunesi aldı ve bunları dondurucuya yerleştirdi. Muhtemelen yabancı maddelerin farklı bir kombinasyonu nedeniyle örneklerden birinin her zaman diğerinden önce donduğunu keşfetti.

Brownridge, sıcak suyun daha hızlı soğuduğunu çünkü suyun sıcaklığı ile dondurucunun sıcaklığı arasında daha büyük bir fark olduğunu söylüyor; bu, soğuk suyun en az 5°C daha düşük olan doğal donma noktasına ulaşmadan önce donma noktasına ulaşmasına yardımcı oluyor.

Ancak Brownridge'in mantığı birçok soruyu gündeme getiriyor. Dolayısıyla Mpemba etkisini kendi yöntemleriyle açıklayabilenler, İngiliz Kraliyet Kimya Derneği'nden bin sterlin için rekabet etme şansına sahip oluyor.

Eşit koşullar altında sıcak suyun soğuması ve ardından donması daha uzun sürdüğünden, soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donduğu açıktır. Ancak bin yıllık gözlemler ve modern deneyler bunun tersinin de doğru olduğunu gösterdi: belirli koşullar altında sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Sciencium Science Channel bu olguyu şöyle açıklıyor:

Yukarıdaki videoda açıklandığı gibi, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olgusu, Mpemba etkisi olarak biliniyor ve adını 1963 yılında bir okul projesi kapsamında dondurma yapan Tanzanyalı bir öğrenci olan Erasto Mpemba'dan alıyor. Öğrenciler krema ve şeker karışımını kaynatıp soğumaya bıraktıktan sonra dondurucuya koydular.

Bunun yerine Erasto, karışımını soğumasını beklemeden hemen sıcak olarak koydu. Sonuç olarak 1,5 saat sonra kendi karışımı donmuşken diğer öğrencilerin karışımları donmamıştı. Bu fenomenle ilgilenen Mpemba, konuyu fizik profesörü Denis Osborne ile incelemeye başladı ve 1969'da sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir makale yayınladılar. Bu, türünün ilk hakemli çalışmasıydı, ancak bu olgunun kendisi, Aristoteles'in M.Ö. 4. yüzyıla kadar uzanan makalelerinde belirtiliyor. e. Francis Bacon ve Descartes da çalışmalarında bu olguya dikkat çekmişlerdir.

Videoda neler olduğunu açıklamak için çeşitli seçenekler listeleniyor:

1. Don bir yalıtkandır ve bu nedenle soğuk soğuk su, ısıyı sıcak bir camdan daha iyi depolar, bu da onunla temas ettiğinde buzu eritir
2. İÇİNDE soğuk su Sıcak sudan daha fazla çözünmüş gaz var ve araştırmacılar bunun soğuma oranında rol oynayabileceğini tahmin ediyor, ancak nasıl olduğu henüz belli değil
3. Sıcak su buharlaşma yoluyla daha fazla su molekülü kaybeder, dolayısıyla donacak daha az molekül kalır
4. Sıcak su, artan konvektif akımlar nedeniyle daha hızlı soğuyabilir. Bu akımlar, camın içindeki suyun önce yüzeyde ve yanlarda soğuyarak soğuk suyun batmasına, sıcak suyun ise yükselmesine neden olması nedeniyle oluşur. Sıcak bir bardakta konvektif akımlar daha aktiftir ve bu da soğutma hızını etkileyebilir.

Ancak 2016 yılında kapsamlı bir kontrollü çalışma bu da tam tersini gösterdi: sıcak su, soğuk sudan çok daha yavaş dondu. Aynı zamanda bilim adamları, sıcaklık değişikliklerini belirleyen bir cihaz olan termokuplun konumunu sadece bir santimetre değiştirmenin Mpemba etkisinin ortaya çıkmasına yol açtığını fark ettiler. Diğer benzer çalışmalar üzerinde yapılan bir çalışma, bu etkinin gözlemlendiği tüm durumlarda, termokuplun bir santimetre içinde yer değiştirdiğini gösterdi.

Mpemba etkisi(Mpemba Paradoksu) - bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradoks. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha fazla ısıtılmış bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha az ısıtılmış bir cismin aynı sıcaklığa soğuması için daha fazla zaman harcadığı şeklindeki alışılagelmiş fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.

Bu fenomen bir zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti, ancak Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba ancak 1963'te sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti.

Magambinskaya'nın öğrencisi olmak lise Tanzanya'da Erasto Mpemba yaptı pratik iş yemek pişirmede. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri çözün, oda sıcaklığına soğutun ve ardından donması için buzdolabına koyun. Görünüşe göre Mpemba pek çalışkan bir öğrenci değildi ve görevin ilk bölümünü tamamlamayı geciktirdi. Dersin sonuna yetişemeyeceğinden korktuğu için hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, yoldaşlarının verilen teknolojiye göre hazırlanan sütünden bile daha erken dondu.

Bundan sonra Mpemba sadece sütle değil aynı zamanda sütle de deneyler yaptı. sade su. Her halükarda, zaten Mkwava Ortaokulunda bir öğrenci olarak, Dar Es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (öğrencilere fizik üzerine bir ders vermek üzere okul müdürü tarafından davet edilmiştir) özellikle su hakkında sorular sordu: "Eğer Eşit hacimde su içeren iki özdeş kap, birinde suyun sıcaklığı 35°C, diğerinde - 100°C olacak ve bunları dondurucuya koyun, ikincisinde su daha hızlı donacaktır. Neden?" Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da o ve Mpemba deneylerinin sonuçlarını Fizik Eğitimi dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkinin adı Mpemba etkisi.

Şu ana kadar hiç kimse bu garip etkinin nasıl açıklanacağını tam olarak bilmiyor. Pek çok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yok. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farklılıkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz belli değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisindeki fark. farklı sıcaklıklar.

Mpemba etkisinin paradoksu, bir cismin ortam sıcaklığına kadar soğuma süresinin, bu cisim ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturuldu ve o zamandan beri pratikte birçok kez doğrulandı. Bu etkide sıcaklığı 100°C olan su, aynı miktardaki 35°C sıcaklıktaki sudan 0°C daha hızlı soğur.

Ancak Mpemba etkisi bilinen fizik çerçevesinde açıklanabildiği için bu henüz bir paradoks anlamına gelmiyor. Mpemba etkisine ilişkin bazı açıklamalar şunlardır:

Buharlaşma

Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşır, böylece hacmi azalır ve aynı sıcaklıkta daha küçük hacimli su daha hızlı donar. 100°C'ye ısıtılan su, 0°C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder.

Buharlaşma etkisi ikili bir etkidir. Öncelikle soğutma için gerekli olan su kütlesi azalır. İkincisi ise su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer.

Sıcaklık farkı

Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının fazla olması nedeniyle bu durumda ısı alışverişi daha yoğun olur ve sıcak su daha hızlı soğur.

Hipotermi

Su 0 C'nin altına soğuduğunda her zaman donmaz. Bazı koşullar altında aşırı soğumaya maruz kalabilir ve donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam edebilir. Bazı durumlarda su –20 C sıcaklıkta bile sıvı kalabilmektedir.

Bu etkinin nedeni ilk buz kristallerinin oluşmaya başlayabilmesi için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda mevcut değillerse, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmasına yetecek kadar düşene kadar aşırı soğutma devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar, sulu kar buzları oluşturacaklar ve bu da donarak buz oluşturacak.

Sıcak su, hipotermiye en duyarlı olanıdır çünkü ısıtmak, çözünmüş gazları ve kabarcıkları uzaklaştırır ve bunlar da buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilir.

Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? durumunda soğuk su aşırı soğutulmamışsa aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası su ile soğuk hava arasında yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha düşük olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder.

Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybı olur ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur.

Bu etkiyi araştıran birçok araştırmacı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.

Konveksiyon

Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar.

Bu etki su yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun maksimum yoğunluğu 4 C'dedir. Suyu 4 C'ye soğutup daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız suyun yüzey tabakası daha hızlı donacaktır. Bu su, 4 C sıcaklıktaki sudan daha az yoğun olduğundan yüzeyde kalacak ve ince, soğuk bir tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında kısa sürede suyun yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır ancak bu buz tabakası yalıtkan görevi görerek suyun alt katmanlarını koruyacak ve 4 C sıcaklıkta kalacaktır. Bu nedenle daha sonraki soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.

Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Yüzey katmanı buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle su daha çabuk soğuyacaktır. Ayrıca soğuk su katmanları sıcak su katmanlarından daha yoğun olduğundan soğuk su katmanı aşağıya doğru çökerek sıcak su katmanını yüzeye çıkarır. Suyun bu dolaşımı sıcaklığın hızlı bir şekilde düşmesini sağlar.

Peki bu süreç neden bir denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyon açısından bu bakış açısıyla açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon sürecinin devam ettiğini varsaymak gerekir.

Bununla birlikte, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyon süreciyle ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyen hiçbir deneysel kanıt yoktur.

Suda çözünmüş gazlar

Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbon dioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında bu gazlar sudaki çözünürlükleri nedeniyle sudan açığa çıkar. Yüksek sıcaklık altında. Bu nedenle sıcak su soğuduğunda, ısıtılmamış soğuk suya göre her zaman daha az çözünmüş gaz içerir. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksek olur ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.

Termal iletkenlik

Bu mekanizma, suyun buzdolabı bölmesi dondurucusuna küçük kaplar halinde yerleştirilmesi durumunda önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında, bir sıcak su kabının alttaki dondurucudaki buzu erittiği, böylece dondurucu duvarı ile termal teması ve termal iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabındaki ısı, soğuk olana göre daha hızlı uzaklaştırılır. Buna karşılık, soğuk su dolu bir kap, altındaki karı eritmez.

Tüm bu koşullar (aynı zamanda diğer) birçok deneyde incelendi, ancak hangisinin Mpemba etkisinin yüzde yüz yeniden üretimini sağladığı sorusuna net bir cevap hiçbir zaman elde edilemedi.

Örneğin 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğumuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta donduğunu ve dolayısıyla soğuk sudan daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğumuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder.

Ayrıca Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma elde edebildiğine ilişkin önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünen gazlar uzaklaştırılır, kaynatıldığında ise içinde çözünen bazı tuzlar çöker.

Şimdilik tek bir şey söylenebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi büyük ölçüde deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Tam da her zaman çoğaltılmadığı için.

O. V. Mosin

Edebikaynaklar:

"Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Neden böyle yapıyor?", Jearl Walker, The Amatör Bilim Adamı, Scientific American, Cilt. 237, Hayır. 3, sayfa 246-257; Eylül 1977.

"Sıcak ve Soğuk Suyun Donması", G.S. Kell, American Journal of Physics, Cilt. 37, Hayır. 5, sayfa 564-565; Mayıs 1969.

"Süper soğutma ve Mpemba etkisi", David Auerbach, American Journal of Physics, Cilt. 63, Hayır. 10, sayfa 882-885; Ekim 1995.

"Mpemba etkisi: Sıcak havaların donma süreleri ve soğuk su", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Cilt 64, Sayı 5, s 524; Mayıs, 1996'da.

su- kimyasal açıdan oldukça basit bir madde, ancak bilim adamlarını şaşırtmaktan asla vazgeçmeyen bir takım olağandışı özelliklere sahiptir. Aşağıda çok az kişinin bildiği birkaç gerçek var.

1. Hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı?

İki kap su alalım; birine sıcak su, diğerine soğuk su döküp dondurucuya koyalım. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donacaktır, ancak mantıksal olarak önce soğuk suyun buza dönüşmesi gerekirdi: sonuçta, sıcak suyun önce soğuk sıcaklığa soğuması ve sonra buza dönüşmesi gerekirken, soğuk suyun soğumasına gerek yoktur. Bu neden oluyor?

1963 yılında Erasto B. Mpemba adlı Tanzanyalı bir öğrenci, bir dondurma karışımını dondururken, sıcak karışımın dondurucuda soğuk olana göre daha hızlı katılaştığını fark etti. Genç adam buluşunu fizik öğretmeniyle paylaştığında ona sadece güldü. Neyse ki öğrenci ısrarcıydı ve öğretmeni bir deney yapmaya ikna etti; bu da keşfini doğruladı: belirli koşullar altında sıcak su aslında soğuk sudan daha hızlı donar.

Şimdi bu sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olayına “ Mpemba etkisi" Doğru, ondan çok önce suyun bu eşsiz özelliği Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti.

Bilim adamları bu olgunun doğasını hala tam olarak anlayamıyorlar; bunu ya aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon arasındaki farkla ya da sıvılaştırılmış gazların sıcak ve soğuk su üzerindeki etkisiyle açıklıyorlar.

2. Anında donabilir

Bunu herkes biliyor su 0°C'ye soğutulduğunda her zaman buza dönüşür... bazı istisnalar dışında! Böyle bir durum, örneğin, çok önemli bir özellik olan aşırı soğutmadır. Temiz su Donma noktasının altına soğutulduğunda bile sıvı kalır. Bu fenomen şu gerçeği nedeniyle mümkün hale gelir: çevre buz kristallerinin oluşumunu tetikleyebilecek kristalizasyon merkezleri veya çekirdekleri içermez. Ve böylece su, sıfır santigrat derecenin altına soğutulduğunda bile sıvı halde kalır.

Kristalleşme süreciörneğin gaz kabarcıkları, yabancı maddeler (kirletici maddeler) veya kabın düzgün olmayan yüzeyi nedeniyle meydana gelebilir. Onlar olmadan su sıvı halde kalacaktır. Kristalleşme süreci başladığında aşırı soğumuş suyun anında buza dönüşmesini izleyebilirsiniz.

"Aşırı ısıtılmış" suyun, kaynama noktasının üzerinde ısıtıldığında bile sıvı kaldığını unutmayın.

3. Suyun 19 hali

Tereddüt etmeden ne kadar olduğunu söyleyin çeşitli koşullar suya yakın var mı? Üçünü yanıtladıysanız: katı, sıvı, gaz, o zaman yanılıyorsunuz. Bilim adamları suyun sıvı halde en az 5 farklı durumunu, donmuş halde ise 14 durumunu birbirinden ayırıyor.

Süper soğutulmuş su hakkındaki konuşmayı hatırlıyor musunuz? Yani ne yaparsanız yapın, -38 °C'de en saf, aşırı soğutulmuş su bile aniden buza dönüşecektir. Sıcaklık daha da düşerse ne olacak? -120 °C'de suya tuhaf bir şey olmaya başlar: melas gibi süper viskoz veya viskoz hale gelir ve -135 °C'nin altındaki sıcaklıklarda kristal içermeyen katı bir madde olan "camsı" veya "camsı" suya dönüşür. yapı.

4. Su fizikçileri şaşırtıyor

Moleküler düzeyde su daha da şaşırtıcıdır. 1995 yılında bilim insanları tarafından yürütülen bir nötron saçılım deneyi beklenmedik bir sonuç verdi: Fizikçiler, su moleküllerini hedef alan nötronların beklenenden %25 daha az hidrojen protonu "gördüğünü" keşfettiler.

Bir attosaniye (10-18 saniye) hızında alışılmadık bir kuantum etkisinin meydana geldiği ortaya çıktı ve kimyasal formül onun yerine su H2O, H1.5O olur!

5. Su hafızası

Resmi ilaca alternatif homeopati seyreltik bir çözelti olduğunu belirtir tıbbi ürün Seyreltme faktörü solüsyonda su molekülleri dışında hiçbir şey kalmayacak kadar yüksek olsa bile vücut üzerinde iyileştirici bir etkiye sahip olabilir. Homeopatinin savunucuları bu paradoksu " su hafızası“, buna göre moleküler seviyedeki su, bir zamanlar içinde çözünmüş olan maddenin bir “hafızasına” sahiptir ve içinde tek bir bileşen molekülü kalmadığında orijinal konsantrasyondaki çözeltinin özelliklerini korur.

Homeopati ilkelerini eleştiren Belfast Queen's Üniversitesi'nden Profesör Madeleine Ennis'in liderliğindeki bilim adamlarından oluşan uluslararası bir ekip, 2002 yılında bu kavramı kesin olarak çürütmek için bir deney gerçekleştirdi. Sonuç tam tersi oldu. Bunun ardından bilim insanları etkinin gerçekliğini kanıtlayabildiklerini belirttiler” su hafızası" Ancak bağımsız uzmanların gözetiminde yapılan deneyler sonuç vermedi. Fenomenin varlığına ilişkin anlaşmazlıklar " su hafızası"devam etmek.

Suyun bu makalede bahsetmediğimiz pek çok olağandışı özelliği vardır. Örneğin suyun yoğunluğu sıcaklığa bağlı olarak değişir (buzun yoğunluğu suyun yoğunluğundan azdır); suyun oldukça yüksek bir yüzey gerilimi vardır; Sıvı halde su, karmaşık ve dinamik olarak değişen su kümeleri ağıdır ve suyun yapısını vs. etkileyen kümelerin davranışıdır.

Bunlar ve diğer pek çok beklenmedik özellik hakkında su“ başlıklı makalede okunabilir Suyun anormal özellikleri", Londra Üniversitesi profesörü Martin Chaplin tarafından yazılmıştır.

Hangi suyun daha hızlı, sıcak mı yoksa soğuk mu donacağını etkileyen birçok faktör vardır, ancak sorunun kendisi biraz tuhaf görünmektedir. Bunun anlamı, fizikten de bilindiği gibi, sıcak suyun buza dönüşmesi için karşılaştırılan soğuk suyun sıcaklığına kadar soğuması için hala zamana ihtiyacı olduğudur. Soğuk su bu aşamayı atlayabilir ve buna bağlı olarak zaman kazanır.

Ancak kuzey enlemlerinde yaşayan herhangi biri, dışarıda soğukta hangi suyun daha hızlı donduğu - soğuk veya sıcak - sorusunun cevabını bilir. Aslında bilimsel olarak, her durumda soğuk suyun daha hızlı donacağı ortaya çıktı.

1963'te okul çocuğu Erasto Mpemba'nın görüştüğü fizik öğretmeni, gelecekteki dondurmanın soğuk karışımının donmasının benzer ama sıcak olandan neden daha uzun sürdüğünü açıklama talebiyle aynı şeyi düşündü.

“Bu evrensel fizik değil, bir çeşit Mpemba fiziği”

O zamanlar öğretmen buna sadece güldü, ancak bir zamanlar Erasto'nun çalıştığı okulu ziyaret eden fizik profesörü Deniss Osborne, böyle bir etkinin varlığını deneysel olarak doğruladı, ancak o zamanlar bunun için bir açıklama yoktu. 1969'da bu iki kişinin ortak makalesi popüler bir bilimsel dergide yayınlandı ve bu tuhaf etkiyi anlattı.

O zamandan beri, bu arada, hangi suyun daha hızlı donduğu sorusunun - sıcak mı yoksa soğuk mu - kendi adı var - Mpemba etkisi veya paradoks.

Soru uzun zamandır ortalıkta dolaşıyor

Doğal olarak böyle bir olay daha önce de yaşanmıştı ve diğer bilim adamlarının çalışmalarında da bahsedilmişti. Bu konuyla sadece okul çocuğu ilgilenmiyordu, Rene Descartes ve hatta Aristoteles de bir zamanlar bu konu üzerinde düşünmüştü.

Ancak bu paradoksu çözecek yaklaşımları ancak yirminci yüzyılın sonunda aramaya başladılar.

Bir paradoksun ortaya çıkması için koşullar

Dondurmada olduğu gibi, kolay değil sade su deney sırasında donuyor. Hangi suyun daha hızlı donacağını (soğuk veya sıcak) tartışmaya başlamak için belirli koşulların mevcut olması gerekir. Bu sürecin gidişatını neler etkiler?

Şimdi ise 21. yüzyılda bu paradoksu açıklayabilecek çeşitli seçenekler öne sürülüyor. Hangi suyun daha hızlı donacağı, sıcak veya soğuk, buharlaşma oranının soğuk suya göre daha yüksek olmasına bağlı olabilir. Böylece hacmi azalır ve hacim azaldıkça donma süresi, başlangıçta aynı hacimde soğuk su aldığımıza göre daha kısa olur.

Dondurucunun buzunu çözeli uzun zaman oldu.

Hangi suyun daha hızlı donacağı ve bunun neden olacağı, deney için kullanılan buzdolabının dondurucusunda mevcut olabilecek kar tabakasından etkilenebilir. Hacimleri aynı olan ancak birinde sıcak su, diğerinde soğuk iki kap alırsanız, sıcak su içeren kap alttaki karı eritecek ve böylece termal seviyenin buzdolabının duvarı ile teması artacaktır. Bir kap soğuk su bunu yapamaz. Soğutucu bölmesinde böyle bir kar tabakası yoksa soğuk suyun daha hızlı donması gerekir.

Üst - alt

Ayrıca suyun daha hızlı (sıcak veya soğuk) donması olgusu da şu şekilde açıklanmaktadır. Belirli yasalara göre, soğuk su üst katmanlardan donmaya başlar, sıcak su ise tam tersini yapar - aşağıdan yukarıya doğru donmaya başlar. Üstünde soğuk bir tabaka bulunan ve yer yer buz oluşmuş olan soğuk suyun, konveksiyon ve termal radyasyon süreçlerini kötüleştirdiği, böylece hangi suyun daha hızlı donduğunu - soğuk veya sıcak - açıkladığı ortaya çıktı. Amatör deneylerden elde edilen fotoğraflar ektedir ve bu burada açıkça görülmektedir.

Isı yukarı doğru hızla dışarı çıkıyor ve orada çok soğuk bir katmanla karşılaşıyor. Isı yayılımı için serbest bir yol olmadığından soğutma işlemi zorlaşır. Sıcak suyun yolunda kesinlikle böyle bir engel yoktur. Hangisi daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı, olası sonucu ne belirler?Herhangi bir suyun içinde belirli maddelerin çözünmüş olduğunu söyleyerek cevabı genişletebilirsiniz.

Sonucu etkileyen bir faktör olarak sudaki yabancı maddeler

Belirli maddelerin konsantrasyonlarının aynı olduğu aynı bileşime sahip su kullanmazsanız, soğuk suyun daha hızlı donması gerekir. Ancak çözüldüğünde bir durum ortaya çıkarsa kimyasal elementler yalnızca sıcak suda bulunur ve soğuk suda yoksa, sıcak suyun daha erken donma olasılığı vardır. Bu, sudaki çözünmüş maddelerin kristalleşme merkezleri oluşturması ve bu merkezlerin az olmasıyla suyun katı duruma dönüşmesinin zor olmasıyla açıklanmaktadır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı halde olması anlamında suyun aşırı soğutulması bile mümkündür.

Ancak görünüşe göre tüm bu versiyonlar bilim adamlarına tam olarak uymuyordu ve bu konu üzerinde çalışmaya devam ettiler. 2013 yılında Singapur'daki bir araştırmacı ekibi asırlık bir gizemi çözdüklerini söyledi.

Bir grup Çinli bilim adamı, bu etkinin sırrının, su molekülleri arasında hidrojen bağları adı verilen bağlarda depolanan enerji miktarında yattığını iddia ediyor.

Çinli bilim adamlarından cevap

Aşağıda, hangi suyun daha hızlı donduğunu - sıcak veya soğuk - anlamak için kimya hakkında biraz bilgi sahibi olmanız gerektiğini anlamak için bilgi verilmiştir. Bilindiği gibi kovalent bağlarla bir arada tutulan iki H (hidrojen) atomu ve bir O (oksijen) atomundan oluşur.

Ancak bir molekülün hidrojen atomları da komşu moleküllere, yani oksijen bileşenlerine çekilir. Bu bağlara hidrojen bağları denir.

Aynı zamanda su moleküllerinin birbirlerini itici etkiye sahip olduğunu da hatırlamakta fayda var. Bilim adamları, su ısıtıldığında molekülleri arasındaki mesafenin arttığını ve bunun itici güçler tarafından kolaylaştırıldığını belirtti. Soğuk halde moleküller arasında aynı mesafeyi işgal ederek esnedikleri ve daha fazla enerji arzına sahip oldukları söylenebilir. Su molekülleri birbirine yaklaşmaya başladığında yani soğuma meydana geldiğinde açığa çıkan bu enerji rezervidir. Sıcak suda daha büyük bir enerji rezervinin olduğu ve soğuduğunda daha fazla salındığı ortaya çıktı. Sıfırın altındaki sıcaklık, bu tür bir enerji rezervine sahip olan soğuk suya göre daha hızlı gerçekleşir. Peki hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı? Sokakta ve laboratuvarda Mpemba paradoksu meydana gelmeli ve sıcak su daha hızlı buza dönüşmelidir.

Ama soru hala açık

Bu çözümün yalnızca teorik bir onayı var - bunların hepsi güzel formüllerle yazılmış ve makul görünüyor. Ancak suyun daha hızlı (sıcak veya soğuk) donduğunu gösteren deneysel veriler pratik kullanıma sunulduğunda ve sonuçları sunulduğunda, Mpemba paradoksu sorununun kapandığı düşünülebilir.