Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Mpemba etkisi

Mpemba etkisi(Mpemba'nın paradoksu) şunu belirten bir paradokstur: sıcak su Bazı koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donar, ancak donma işlemi sırasında soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekir. 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, vücudun sıcaklığa kadar soğuduğu süredir. çevre, bu vücut ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olmalıdır. Bu yasa Newton tarafından oluşturuldu ve o zamandan beri pratikte birçok kez doğrulandı. Bu etkide, sıcaklığı 100°C olan su, aynı miktardaki 35°C sıcaklığa sahip 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 farkı daha fazla olduğundan 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 kaybedilir ve dolayısıyla su oluşur. daha fazla buz.

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 katmanı yükseltir. ılık su yüzeye. 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.

1963'te Erasto Mpemba adlı Tanzanyalı bir öğrenci öğretmenine aptalca bir soru sordu: Dondurucusundaki sıcak dondurma neden soğuk olandan daha hızlı dondu?

Tanzanya'daki Magambi Lisesi öğrencisi olan Erasto Mpemba, aşçı olarak pratik çalışmalar yaptı. 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.

Açıklama için fizik öğretmenine döndü ama öğrenciye sadece güldü ve şunları söyledi: "Bu evrensel fizik değil, Mpemba fiziği." Bundan sonra Mpemba sadece sütle değil aynı zamanda sıradan suyla da deneyler yaptı.

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 etkiye Mpemba etkisi adı verildi.

Bunun neden olduğunu bilmek ister misiniz? Sadece birkaç yıl önce bilim insanları bu olguyu açıklamayı başardılar...

Mpemba Etkisi (Mpemba Paradoksu), donma işlemi sırasında soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradokstur. 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 olgu kendi zamanlarında Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti. 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 sıcaklığa sahip sudan 0°C daha hızlı soğur.

O zamandan beri açıkça konuşuyorlar farklı versiyonlar Bunlardan biri şu şekilde geliyordu: Sıcak suyun bir kısmı önce basitçe buharlaşır ve ardından daha az kaldığında su daha hızlı donar. Bu versiyon, sadeliği nedeniyle en popüler hale geldi, ancak bilim adamlarını tam olarak tatmin etmedi.

Şimdi kimyager Xi Zhang liderliğindeki Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden bir araştırmacı ekibi, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna dair asırlık gizemi çözdüklerini söylüyor. Çinli uzmanların keşfettiği gibi işin sırrı, su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarında depolanan enerji miktarında yatıyor.

Bildiğiniz gibi su molekülleri, parçacık düzeyinde elektron alışverişine benzeyen, kovalent bağlarla bir arada tutulan bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşur. Bir diğer bilinen gerçek hidrojen atomlarının komşu moleküllerdeki oksijen atomlarına çekilmesi ve hidrojen bağlarının oluşması gerçeğinde yatmaktadır.

Aynı zamanda su molekülleri genel olarak birbirini iter. Singapurlu bilim adamları şunu fark etti: Su ne kadar sıcaksa, itici kuvvetlerdeki artış nedeniyle sıvının molekülleri arasındaki mesafe de o kadar büyük olur. Sonuç olarak hidrojen bağları gerilir ve dolayısıyla daha fazla enerji depolanır. Bu enerji su soğuduğunda açığa çıkar; moleküller birbirine yaklaşır. Ve bilindiği gibi enerjinin açığa çıkması soğutma anlamına gelir.

İşte bilim adamlarının öne sürdüğü varsayımlar:

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 buharlaşma nedeniyle sıcaklığı düşer.

Sıcaklık farkı

Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha 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 halde kalabilir. 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? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir: yüzeyinde, su ile soğuk hava arasında yalıtkan görevi gören ve böylece daha fazla buharlaşmayı önleyen ince bir buz tabakası oluşur. 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 sıcaklıktaki bir ortama koyarsanız suyun yüzey tabakası daha hızlı donacaktır. Bu su, 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğundan yüzeyde kalacak ve ince, soğuk bir tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında kısa sürede su 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. Buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle suyun yüzey tabakası daha hızlı 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 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 karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında bu gazlar sudan açığa çıkar çünkü yüksek sıcaklıklarda sudaki çözünürlükleri daha düşüktür. 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% 100 yeniden üretilmesini sağladığı sorusuna kesin 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 yapıldığı koşullara bağlıdır. Tam da her zaman çoğaltılmadığı için.

Ama dedikleri gibi, en olası sebep.

Kimyagerlerin ön baskı web sitesi arXiv.org'da bulunabilecek makalelerinde yazdıklarına göre, sıcak suda hidrojen bağları soğuk suya göre daha güçlüdür. Böylece, sıcak suyun hidrojen bağlarında daha fazla enerjinin depolandığı, yani soğutulduğunda daha fazlasının açığa çıktığı ortaya çıktı. Sıfırın altındaki sıcaklık. Bu nedenle sertleşme daha hızlı gerçekleşir.

Bugüne kadar bilim insanları bu gizemi yalnızca teorik olarak çözdüler. Kendi versiyonlarına dair ikna edici kanıtlar sunduklarında, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu sorusu kapanmış sayılabilir.

Bu yazımızda sıcak suyun neden soğuk suya göre daha hızlı donduğu sorusuna bakacağız.

Isıtılmış su, soğuk sudan çok daha hızlı donar! Bu muhteşem mülk Bilim adamlarının hala kesin bir açıklamasını bulamadıkları su, eski çağlardan beri biliniyor. Mesela Aristoteles'te bile şöyle bir tanım var: kış balıkçılığı: balıkçılar buzdaki deliklere olta taktılar ve daha hızlı donmaları için buzun üzerine ılık su döktüler. Bu fenomen, adını 20. yüzyılın 60'lı yıllarında Erasto Mpemba'dan almıştır. Mnemba, dondurma yaparken tuhaf bir etki fark etti ve açıklama için fizik öğretmeni Dr. Denis Osborne'a başvurdu. Mpemba ve Dr. Osborne farklı sıcaklıklardaki suyla deneyler yaptılar ve neredeyse kaynayan suyun oda sıcaklığındaki sudan çok daha hızlı donmaya başladığı sonucuna vardılar. Diğer bilim adamları da kendi deneylerini yaptılar ve her seferinde benzer sonuçlar elde ettiler.

Fiziksel bir olgunun açıklaması

Bunun neden olduğuna dair genel kabul görmüş bir açıklama yoktur. Pek çok araştırmacı, asıl meselenin, sıcaklığı donma noktasının altına düştüğünde ortaya çıkan sıvının aşırı soğuması olduğunu öne sürüyor. Başka bir deyişle, eğer su 0°C'nin altındaki bir sıcaklıkta donarsa, aşırı soğutulmuş su örneğin -2°C'lik bir sıcaklığa sahip olabilir ve buza dönüşmeden hala sıvı halde kalabilir. Soğuk suyu dondurmaya çalıştığımızda, önce aşırı soğuma ve bir süre sonra sertleşme ihtimali vardır. Isıtılmış suda diğer işlemler meydana gelir. Buza daha hızlı dönüşmesi konveksiyonla ilişkilidir.

Konveksiyon- bu, bir sıvının sıcak alt katmanlarının yükseldiği ve üst, soğutulmuş katmanların düştüğü fiziksel bir olgudur.

Görünüşe göre eski güzel H 2 O formülü hiçbir sır içermiyor. Ancak aslında yaşamın kaynağı ve dünyadaki en ünlü sıvı olan su, bilim adamlarının bile bazen çözemediği birçok gizemle doludur.

İşte en çok 5 ilginç gerçekler su hakkında:

1. Sıcak su, soğuk suya göre daha hızlı donar

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 Tanzanya'da bir lise öğrencisi olan Erasto B. Mpemba, bir dondurma karışımını donduruyordu ve 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.

Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olgusuna "Mpemba etkisi" adı veriliyor. 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.

X.RU'dan "Sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar" konulu not.

Soğutma sorunları bize, soğutma uzmanlarına daha yakın olduğundan, bu sorunun özünü biraz daha derinlemesine incelememize ve böylesine gizemli bir olgunun doğası hakkında iki fikir vermemize izin vereceğiz.

1. Washington Üniversitesi'nden bir bilim adamı, Aristoteles'in zamanından beri bilinen gizemli bir olguya bir açıklama önerdi: Sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu.

Mpemba etkisi adı verilen olay pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin uzmanlar, sürücülere kışın yıkama haznesine sıcak değil soğuk su dökmelerini tavsiye ediyor. Peki bu olgunun arkasında ne yatıyor? uzun zamandır bilinmeyen kaldı.

EurekAlert'e göre Washington Üniversitesi'nden Dr. Jonathan Katz bu olguyu inceledi ve suda çözünen ve ısıtıldığında çöken maddelerin önemli bir rol oynadığı sonucuna vardı.

Çözünmüş halde maddeler Dr. Katz, sert suda bulunan kalsiyum ve magnezyum bikarbonatları ifade eder. Su ısıtıldığında bu maddeler çökelerek su ısıtıcısının duvarlarında kireç oluşturur. Hiç ısıtılmamış su bu yabancı maddeleri içerir. Donup buz kristalleri oluştuğunda sudaki yabancı maddelerin konsantrasyonu 50 kat artar. Bu nedenle suyun donma noktası düşer. Dr. Katz, "Artık suyun donması için daha da soğuması gerekiyor" diye açıklıyor.

Isıtılmayan suyun donmasını engelleyen ikinci bir sebep daha vardır. Suyun donma noktasının düşürülmesi, katı ve sıvı fazlar arasındaki sıcaklık farkını azaltır. Dr. Katz, "Suyun ısı kaybetme hızı bu sıcaklık farkına bağlı olduğundan ısıtılmamış su daha az soğur" yorumunu yapıyor.

Bilim adamına göre teorisi deneysel olarak test edilebilir çünkü Mpemba etkisi daha sert sularda daha belirgin hale gelir.

2. Oksijen artı hidrojen artı soğuk buz oluşturur. İlk bakışta bu şeffaf madde çok basit görünüyor. Gerçekte buz birçok gizemle doludur. Afrikalı Erasto Mpemba'nın yarattığı Ice, şöhreti düşünmedi. Günler sıcaktı. O istedi meyveli buz. Meyve suyu kutusunu alıp dondurucuya koydu. Bunu bir kereden fazla yaptı ve bu nedenle meyve suyunun özellikle güneşte ilk kez tuttuğunuzda hızlı bir şekilde donduğunu fark etti - gerçekten ısıtıyor! Dünyevi bilgeliğe aykırı davranan Tanzanyalı öğrenci bunun tuhaf olduğunu düşündü. Sıvının daha hızlı buza dönüşmesi için önce ısıtılması gerektiği gerçekten doğru mu? Genç adam o kadar şaşırmıştı ki tahminini öğretmeniyle paylaştı. Bu merakını basına bildirdi.

Bu hikaye geçen yüzyılın altmışlı yıllarında yaşandı. Artık "Mpemba etkisi" bilim adamları tarafından iyi biliniyor. Ancak görünüşte basit olan bu olay uzun süre bir sır olarak kaldı. Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar?

Fizikçi David Auerbach 1996 yılına kadar bir çözüm bulamadı. Bu soruyu cevaplamak için bir yıl boyunca bir deney yaptı: Bir bardaktaki suyu ısıttı ve tekrar soğuttu. Peki ne öğrendi? Isıtıldığında suda çözünen hava kabarcıkları buharlaşır. Gaz içermeyen su, kabın duvarlarında daha kolay donar. "Elbette su yüksek içerik hava da donacak" diyor Auerbach, "fakat sıfır santigrat derecede değil, yalnızca eksi dört ila altı derecede." Tabii ki daha uzun süre beklemeniz gerekecek. Yani sıcak su, soğuk sudan önce donar, bu bir durumdur. bilimsel gerçek.

Buz kadar kolaylıkla gözümüzün önüne çıkan bir madde neredeyse yoktur. Yalnızca su moleküllerinden, yani iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu içeren temel moleküllerden oluşur. Ancak buz belki de Evrendeki en gizemli maddedir. Bilim adamları bazı özelliklerini henüz açıklayamadılar.

2. Aşırı soğutma ve "anında" dondurma

Herkes suyun 0°C'ye soğutulduğunda her zaman buza dönüştüğünü bilir... bazı durumlar hariç! Böyle bir durum, örneğin, çok önemli bir özellik olan "süper soğutma"dır. Temiz su Donma noktasının altına soğutulduğunda bile sıvı kalır. Bu fenomen, ortamın buz kristallerinin oluşumunu tetikleyebilecek kristalizasyon merkezleri veya çekirdekleri içermemesi nedeniyle mümkün olmaktadır. Ve böylece su, sıfır santigrat derecenin altına soğutulduğunda bile sıvı halde kalır. Kristalizasyon işlemi örneğin gaz kabarcıkları, yabancı maddeler (kirletici maddeler) veya kabın düzgün olmayan yüzeyi nedeniyle tetiklenebilir. Onlar olmadan su sıvı halde kalacaktır. Kristalleşme süreci başladığında aşırı soğumuş suyun anında buza dönüşmesini izleyebilirsiniz.

Phil Medina'dan (www.mrsciguy.com) videoyu (2.901 KB, 60 saniye) izleyin ve kendiniz görün >>

Yorum. Aşırı ısıtılmış su, kaynama noktasının üzerinde ısıtıldığında bile sıvı kalır.

3. "Cam" su

Hızlı ve tereddüt etmeden ne kadar olduğunu söyleyin çeşitli koşullar suya yakın var mı?

Üçünü (katı, sıvı, gaz) yanıtladıysanız, yanılıyorsunuz. Bilim insanları sıvı suyun en az 5 farklı durumunu ve buzun 14 durumunu tespit ediyor.

Süper soğutulmuş su hakkındaki konuşmayı hatırlıyor musunuz? Yani ne yaparsanız yapın, -38 °C'de en saf, aşırı soğutulmuş su bile aniden buza dönüşür. Daha fazla düşüş olursa ne olur?

sıcaklık? -120 °C'de suya tuhaf bir şey olmaya başlar: melas gibi süper viskoz veya viskoz hale gelir ve -135 °C'nin altındaki sıcaklıklarda kristal yapıya sahip olmayan katı bir madde olan "camsı" veya "camsı" suya dönüşür. .

4. Suyun kuantum özellikleri

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 normal - H 2 O yerine su, H 1,5 O olur!

5. Suyun hafızası var mıdır?

Geleneksel tıbbın alternatifi olan Homeopati, seyreltilmiş bir çözüm olduğunu iddia ediyor 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" adı verilen bir kavramla açıklarlar; buna göre moleküler düzeydeki su, içinde çözündüğü maddenin bir "hafızasına" sahiptir ve tek bir süre sonra bile orijinal konsantrasyonun çözeltisinin özelliklerini korur. bileşenin molekülü içinde kalır.

Homeopatinin ilkelerini eleştiren, Queen's Belfast Üniversitesi'nden Profesör Madeleine Ennis'in önderlik ettiği uluslararası bir bilim insanı grubu, 2002 yılında bu kavramı kesin olarak çürütmek için bir deney yaptılar, sonuç ise tam tersi oldu. "Su hafızası" etkisinin gerçekliği kanıtlanabildi ancak bağımsız uzmanların gözetiminde yapılan deneyler sonuç vermedi. "Su hafızası" fenomeninin varlığına ilişkin tartışmalar devam ediyor.

Suyun bu makalede bahsetmediğimiz pek çok olağandışı özelliği vardır.

Edebiyat.

1. Suyla İlgili Gerçekten Garip 5 Şey / http://www.neatorama.com.
2. Suyun gizemi: Aristoteles-Mpemba etkisinin teorisi yaratıldı / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Sırlar cansız doğa. Evrendeki en gizemli madde / http://www.bibliotekar.ru.

Mpemba etkisi veya sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Mpemba Etkisi (Mpemba Paradoksu), donma işlemi sırasında soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradokstur. 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. Tanzanya'daki Magambi Lisesi öğrencisi olan Erasto Mpemba, aşçı olarak pratik çalışmalar yaptı. 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 sıradan suyla da deneyler yaptı. 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 etkiye Mpemba etkisi adı verildi. 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 sıcaklığa sahip sudan 0°C daha hızlı soğur. Ancak Mpemba etkisi bilinen fizik çerçevesinde açıklanabildiği için bu henüz bir paradoks anlamına gelmiyor. Mpemba etkisinin bazı açıklamaları şunlardır: Buharlaşma Sıcak su bir 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. Buharlaşmanın etkisi çift yönlüdür. 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 daha 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? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda 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. Buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle suyun yüzey tabakası daha hızlı 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 açısından açıklamak için, suyun soğuk ve sıcak katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon sürecinin devam ettiğini varsaymak gerekir. Soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyon süreciyle ayrıldığı yönündeki bu hipotezi doğrulayan deneysel veriler. Suda çözünmüş gazlar Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında bu gazlar sudan açığa çıkar çünkü yüksek sıcaklıklarda sudaki çözünürlükleri daha düşüktür. 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. Isı iletkenliği Bu mekanizma, suyun buzdolabı bölmesinin 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