Sıcak su neden soğuk suya göre daha hızlı soğur? Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar?

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 Gerçekten soğuktan daha hızlı donuyor.

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, 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.

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 yapıya sahip olmayan katı bir madde olan "camsı" veya "camsı" suya dönüşür. .

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.

Mpemba etkisi(Mpemba Paradoksu) - bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak sıcaklığı geçmesi gerektiğini belirten bir paradoks soğuk su dondurma işlemi sırasında. 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 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

Aradaki sıcaklık farkından dolayı sıcak su ve daha fazla soğuk hava var - bu nedenle bu durumda ısı değişimi daha yoğun ve sıcak su daha hızlı soğuyor.

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.

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 sıcaklıktaki 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

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. Soğuk su, sıcak sudan daha fazla çözünmüş gaza sahiptir ve araştırmacılar bunun soğuma oranında rol oynayabileceğini tahmin etmektedir, ancak bunun nasıl olduğu henüz açık değildir.
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.

Sıcak suyun neden soğuk suya göre daha hızlı donduğuna dair pek çok araştırmacı kendi versiyonlarını ortaya attı ve ileri sürüyor. Bu bir paradoks gibi görünebilir - sonuçta, sıcak suyun donması için önce soğuması gerekir. Ancak gerçek hala bir gerçek ve bilim insanları bunu farklı şekillerde açıklıyor.

Ana sürümler

Açık şu an Bu gerçeği açıklayan birkaç versiyon var:

1. Sıcak su daha hızlı buharlaştığı için hacmi azalır. Aynı sıcaklıkta daha az miktarda suyun donması daha hızlı gerçekleşir.
2. Buzdolabının dondurucu bölmesinde kar astarı bulunmaktadır. İçinde sıcak su bulunan bir kap, altındaki karı eritir. Bu, dondurucuyla termal teması iyileştirir.
3. Soğuk suyun donması, sıcak sudan farklı olarak üst kısımdan başlar. Aynı zamanda konveksiyon ve ısı radyasyonu ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşir.
4. Soğuk su, içinde çözünmüş maddeler olan kristalleşme merkezleri içerir. Sudaki içerikleri küçükse, buzlanma zordur, ancak aynı zamanda aşırı soğutma da mümkündür - ne zaman sıfırın altındaki sıcaklık sıvı haldedir.

Adil olmak gerekirse, bu etkinin her zaman gözlemlenmediğini söyleyebiliriz. Çoğu zaman soğuk su, sıcak sudan daha hızlı donar.

Su hangi sıcaklıkta donar

Su neden donuyor? Belirli miktarda mineral veya organik parçacık içerir. Bu, örneğin, çok ince parçacıklar kum, toz veya kil. Hava sıcaklığı düştükçe bu parçacıklar, çevresinde buz kristallerinin oluştuğu merkezlerdir.

Kristalizasyon çekirdeklerinin rolü, su içeren kaptaki hava kabarcıkları ve çatlaklar tarafından da oynanabilir. Suyu buza dönüştürme işleminin hızı büyük ölçüde bu tür merkezlerin sayısından etkilenir - eğer çok sayıda varsa, sıvı daha hızlı donar. Normal koşullar altında, normal atmosfer basıncında su, 0 derece sıcaklıkta sıvıdan katı duruma dönüşür.

Mpemba etkisinin özü

Mpemba etkisi bir paradokstur ve bunun özü, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasıdır. Bu fenomen Aristoteles ve Descartes tarafından fark edildi. Ancak Tanzanyalı öğrenci Erasto Mpemba, sıcak dondurmanın donmasının daha uzun sürdüğünü ancak 1963 yılında belirledi. Kısa bir zaman soğuktan daha. Bir yemek pişirme görevini tamamlarken bu sonuca vardı.

Şekeri kaynamış sütte eritmesi ve soğuttuktan sonra donması için buzdolabına koyması gerekiyordu. Görünüşe göre Mpemba pek gayretli değildi ve görevin ilk bölümünü geç tamamlamaya başladı. Bu nedenle sütün soğumasını beklemedi ve sıcak bir şekilde buzdolabına koydu. Verilen teknolojiye uygun olarak çalışmayı yapan sınıf arkadaşlarından bile daha hızlı donduğunu görünce çok şaşırdı.

Bu gerçek genç adamın çok ilgisini çekti ve sade su ile deneylere başladı. 1969'da Fizik Eğitimi dergisi Mpemba ve Dar Es Salaam Üniversitesi'nden Profesör Dennis Osborne'un araştırmasının sonuçlarını yayınladı. Tanımladıkları etkiye Mpemba adı verildi. Ancak bugün bile bu olaya ilişkin net bir açıklama bulunmuyor. Tüm bilim adamları bundaki ana rolün soğuk ve sıcak suyun özelliklerindeki farklılıklara ait olduğu konusunda hemfikirdir, ancak tam olarak ne olduğu bilinmemektedir.

Singapur versiyonu

Singapur üniversitelerinden birinden fizikçiler de hangi suyun daha hızlı donduğu sorusuyla ilgilendiler - sıcak mı soğuk mu? Xi Zhang liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, bu paradoksu tam olarak suyun özellikleriyle açıkladı. Herkes suyun bileşimini okuldan biliyor - bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomu. Oksijen bir dereceye kadar elektronları hidrojenden uzaklaştırır, dolayısıyla molekül bir tür “mıknatıstır”.

Sonuç olarak sudaki bazı moleküller birbirlerine hafifçe çekilir ve bir hidrojen bağıyla birleşir. Gücü kovalent bağdan birçok kez daha düşüktür. Singapurlu araştırmacılar, Mpemba paradoksunun açıklamasının tam olarak hidrojen bağlarında yattığına inanıyor. Su molekülleri birbirine çok sıkı bir şekilde yerleştirilirse, moleküller arasındaki bu kadar güçlü bir etkileşim, molekülün ortasındaki kovalent bağı deforme edebilir.

Ancak su ısıtıldığında bağlı moleküller birbirinden biraz uzaklaşır. Sonuç olarak, fazla enerjinin salınması ve daha düşük bir enerji seviyesine geçiş ile moleküllerin ortasında kovalent bağların gevşemesi meydana gelir. Bu, sıcak suyun hızla soğumaya başlamasına neden olur. En azından Singapurlu bilim adamlarının yaptığı teorik hesaplamalar bunu gösteriyor.

Suyu anında dondurmak - 5 inanılmaz numara: Video