Мпемба эффектісі(Мпемба парадоксы) – соны айтатын парадокс ыстық субелгілі бір жағдайларда ол суық суға қарағанда тезірек қатып қалады, дегенмен ол мұздату процесінде суық судың температурасынан өтуі керек. Бұл парадокс кәдімгі идеяларға қайшы келетін тәжірибелік факт, оған сәйкес, бірдей жағдайларда салқынырақ дененің сол температураға дейін салқындауына қарағанда, белгілі бір температураға дейін суыту үшін көбірек уақыт қажет.

Бұл құбылысты сол кезде Аристотель, Фрэнсис Бэкон және Рене Декарт байқаған, бірақ тек 1963 жылы танзаниялық мектеп оқушысы Эрасто Мпемба ыстық балмұздақ қоспасы суыққа қарағанда тезірек қататынын анықтады.

Магамбаның шәкірті ретінде орта мектепТанзанияда Эрасто Мпемба жасады практикалық жұмысаспаздық өнерде. Ол үйде балмұздақ жасау керек болды - сүтті қайнатыңыз, қантты ерітіңіз, салқындатыңыз бөлме температурасысодан кейін мұздату үшін тоңазытқышқа салыңыз. Мпемба аса ынталы студент болмағанға ұқсайды және тапсырманың бірінші бөлігінде кейінге қалдырған. Сабақ біткенше уақытында келмей ме деп қорқып, әлі ыстық сүтті тоңазытқышқа салды. Таң қалдырғаны, ол берілген технология бойынша дайындалған жолдастарының сүтінен де ерте қатып қалған.

Осыдан кейін Мпемба сүтпен ғана емес, қарапайым сумен де тәжірибе жасады. Қалай болғанда да, ол қазірдің өзінде Мквава орта мектебінің студенті болғандықтан, Дар-эс-Саламдағы университет колледжінің профессоры Деннис Осборннан (мектеп директоры студенттерге физикадан дәріс оқуға шақырды) су туралы: «Егер Біреуінде судың температурасы 35°С, ал екіншісінде 100°С болатындай көлемдегі суы бар екі бірдей ыдысты алып, мұздатқышқа қоясыз, екіншісінде су қатып қалады. жылдамырақ. Неге? Осборн бұл мәселеге қызығушылық танытты және көп ұзамай 1969 жылы Мпембамен бірге олар өздерінің эксперименттерінің нәтижелерін «Physics Education» журналында жариялады. Содан бері олар ашқан әсер деп аталады Мпемба эффектісі.

Осы оғаш әсерді қалай түсіндіруге болатынын осы уақытқа дейін ешкім білмейді. Ғалымдар көп болғанымен, бір нұсқасы жоқ. Мұның бәрі ыстық және суық судың қасиеттерінің айырмашылығы туралы, бірақ бұл жағдайда қандай қасиеттер рөл атқаратыны әлі белгісіз: қатты салқындату, булану, мұз түзілу, конвекция немесе сұйытылған газдардың суға әсері. әртүрлі температуралар.

Mpemba әсерінің парадоксы - бұл дененің температураға дейін салқындаған уақыты қоршаған орта, осы дене мен қоршаған орта арасындағы температура айырмашылығына пропорционалды болуы керек. Бұл заңды Ньютон бекітті және содан бері тәжірибеде талай рет расталды. Дәл осындай әсерде 100 ° C температурадағы су 35 ° C температурадағы бірдей мөлшердегі суға қарағанда 0 ° C дейін жылдамырақ салқындайды.

Дегенмен, бұл әлі парадоксты білдірмейді, өйткені Mpemba эффектісін белгілі физикада да түсіндіруге болады. Mpemba эффектісіне қатысты кейбір түсініктемелер:

Булану

Ыстық су ыдыстан тезірек буланып, осылайша оның көлемін азайтады, ал температурасы бірдей судың аз көлемі тезірек қатып қалады. 100 С-қа дейін қыздырылған су 0 С-қа дейін салқындаған кезде өзінің массасының 16% жоғалтады.

Булану эффектісі қос эффект. Біріншіден, салқындату үшін қажетті судың массасы азаяды. Ал екіншіден, су фазасынан бу фазасына өтудің булану жылуының төмендеуіне байланысты температура төмендейді.

температура айырмашылығы

Өйткені арасындағы температура айырмашылығы ыстық сужәне одан да көп суық ауа - демек, бұл жағдайда жылу алмасу қарқынды және ыстық су тезірек салқындатылады.

гипотермия

Су 0 С-тан төмен салқындаған кезде ол әрқашан қатып қалмайды. Белгілі бір жағдайларда ол мұздату нүктесінен төмен температурада сұйық күйінде қалуды жалғастыра отырып, қатты суытуға ұшырауы мүмкін. Кейбір жағдайларда су тіпті -20 C температурада сұйық күйінде қалуы мүмкін.

Бұл әсердің себебі, алғашқы мұз кристалдары қалыптаса бастау үшін кристал түзілу орталықтары қажет. Егер олар сұйық суда болмаса, кристалдар өздігінен қалыптаса бастайтын температура жеткілікті түрде төмендегенше қатты салқындату жалғасады. Олар өте салқындатылған сұйықтықта пайда бола бастағанда, олар тезірек өсе бастайды, мұзды қалыптастыру үшін қатып қалатын мұзды лай түзеді.

Ыстық су гипотермияға ең сезімтал, өйткені оны қыздыру еріген газдар мен көпіршіктерді жояды, бұл өз кезегінде мұз кристалдарының пайда болу орталықтары бола алады.

Неліктен гипотермия ыстық суды тезірек мұздатуға әкеледі? Асқын салқындатылмаған суық су жағдайында келесі жағдай орын алады. Бұл жағдайда жұқа қабатыдыстың бетінде мұз пайда болады. Мұздың бұл қабаты су мен суық ауа арасындағы оқшаулағыш қызметін атқарады және одан әрі буланудың алдын алады. Бұл жағдайда мұз кристалдарының қалыптасу жылдамдығы аз болады. Ыстық судың асқын салқындату жағдайында суытылған суда мұздың қорғаныс беткі қабаты болмайды. Сондықтан ол ашық төбе арқылы жылуды әлдеқайда жылдам жоғалтады.

Қатты салқындату процесі аяқталып, су қатып қалса, жылу әлдеқайда көп жоғалады, демек көбірек мұз.

Бұл әсерді көптеген зерттеушілер гипотермияны Mpemba эффектісі жағдайында негізгі фактор деп санайды.

Конвекция

Суық су жоғарыдан қата бастайды, осылайша жылу сәулеленуі мен конвекция процестерін нашарлатады, демек, жылуды жоғалтады, ал ыстық су төменнен қата бастайды.

Бұл әсер судың тығыздығындағы аномалиямен түсіндіріледі. Судың максималды тығыздығы 4 С. Егер суды 4 С дейін суытып, оны төменірек температураға қойсаңыз, судың беткі қабаты тезірек қатады. Бұл судың тығыздығы 4°С суға қарағанда аз болғандықтан, ол бетінде қалып, жұқа суық қабат түзеді. Бұл жағдайда су бетінде аз уақыт ішінде жұқа мұз қабаты пайда болады, бірақ бұл мұз қабаты 4 С температурада қалатын судың төменгі қабаттарын қорғайтын оқшаулағыш қызметін атқарады. , одан әрі салқындату процесі баяуырақ болады.

Ыстық су жағдайында жағдай мүлдем басқаша. Судың беткі қабаты булану және үлкен температура айырмашылығына байланысты тезірек салқындатылады. Сондай-ақ, суық су қабаттары ыстық су қабаттарына қарағанда тығызырақ, сондықтан суық су қабаты төмен түсіп, қабатты көтереді. жылы субетіне. Судың бұл айналымы температураның тез төмендеуін қамтамасыз етеді.

Бірақ неге бұл процесс тепе-теңдік нүктесіне жетпейді? Mpemba эффектісін конвекция тұрғысынан түсіндіру үшін судың суық және ыстық қабаттары бөлініп, конвекция процесінің өзі кейін жалғасады деп болжауға болады. орташа температурасу 4 градустан төмен түседі.

Дегенмен, судың суық және ыстық қабаттары конвекция арқылы бөлінеді деген бұл гипотезаны растайтын тәжірибелік дәлелдер жоқ.

суда еріген газдар

Суда әрқашанда еріген газдар бар - оттегі және көміртегі диоксиді. Бұл газдардың судың қату температурасын төмендету мүмкіндігі бар. Суды қыздырған кезде бұл газдар судан босатылады, өйткені олардың суда ерігіштігі ... жоғары температуратөменде. Сондықтан ыстық суды салқындатқанда, жылытылмаған суық суға қарағанда ондағы еріген газдар әрқашан аз болады. Сондықтан қыздырылған судың қату температурасы жоғарырақ және ол тезірек қатады. Бұл фактор кейде Mpemba әсерін түсіндіруде негізгі фактор ретінде қарастырылады, дегенмен бұл фактіні растайтын эксперименттік деректер жоқ.

Жылу өткізгіштік

Бұл механизм суды мұздатқышқа салғанда маңызды рөл атқара алады. тоңазытқыш камерасышағын контейнерлерде. Осындай жағдайларда ыстық су құйылған ыдыс астындағы мұзды ерітетіні байқалды. мұздатқыш, осылайша мұздатқыштың қабырғасымен жылу байланысын және жылу өткізгіштігін жақсартады. Нәтижесінде ыстық су ыдысынан жылу суыққа қарағанда тезірек алынады. Өз кезегінде суық суы бар ыдыс астындағы қарды ерітпейді.

Осы жағдайлардың барлығы (басқалар сияқты) көптеген эксперименттерде зерттелді, бірақ олардың қайсысы Mpemba эффектісін 100% жаңғыртуды қамтамасыз етеді деген сұраққа біржақты жауап алынған жоқ.

Мәселен, мысалы, 1995 жылы неміс физигі Давид Ауэрбах судың өте суытуының осы әсерге әсерін зерттеді. Ол қатты салқындатылған күйге жеткен ыстық судың суық суға қарағанда жоғары температурада қататынын, сондықтан соңғысына қарағанда жылдамырақ екенін анықтады. Бірақ суық суқатты салқындатылған күйге ыстық күйге қарағанда тезірек жетеді, осылайша алдыңғы артта қалуды өтейді.

Сонымен қатар, Ауэрбахтың нәтижелері ыстық судың кристалдану орталықтарының аз болуына байланысты үлкен суытуға қол жеткізе алатыны туралы бұрынғы деректерге қайшы келді. Суды қыздырғанда ондағы еріген газдар жойылады, ал қайнатқанда онда еріген кейбір тұздар тұнбаға түседі.

Әзірге тек бір нәрсені бекітуге болады - бұл әсерді жаңғырту негізінен эксперимент жүргізілетін жағдайларға байланысты. Өйткені, ол әрдайым қайталанбайды.

1963 жылы Танзаниядан келген Эрасто Мпемба есімді мектеп оқушысы мұғаліміне ақымақ сұрақ қойды - оның мұздатқышындағы жылы балмұздақ суық балмұздаққа қарағанда неге тез қатады?

Эрасто Мпемба Танзаниядағы Магамбин орта мектебінің студенті болған, практикалық аспаздық жұмысымен айналысқан. Ол үйде балмұздақ жасау керек болды - сүтті қайнатыңыз, оған қантты ерітіңіз, оны бөлме температурасына дейін суытып, содан кейін мұздату үшін тоңазытқышқа қойыңыз. Мпемба аса ынталы студент болмағанға ұқсайды және тапсырманың бірінші бөлігінде кейінге қалдырған. Сабақ біткенше уақытында келмей ме деп қорқып, тоңазытқышқа әлі ыстық сүтті қойды. Таң қалдырғаны, ол берілген технология бойынша дайындалған жолдастарының сүтінен де ерте қатып қалған.

Ол физика пәнінің мұғаліміне түсініктеме алу үшін бұрылды, бірақ ол: «Бұл әлем физикасы емес, Мпемба физикасы» деп студентке күлді. Осыдан кейін Мпемба сүтпен ғана емес, қарапайым сумен де тәжірибе жасады.

Қалай болғанда да, ол қазірдің өзінде Мквава орта мектебінің студенті болғандықтан, Дар-эс-Саламдағы университет колледжінің профессоры Деннис Осборннан (мектеп директоры студенттерге физикадан дәріс оқуға шақырды) су туралы: «Егер Біреуінде судың температурасы 35°С, ал екіншісінде 100°С болатындай көлемдегі суы бар екі бірдей ыдысты алып, мұздатқышқа қоясыз, екіншісінде су қатып қалады. Тезірек. Неге?» Осборн бұл мәселеге қызығушылық танытты және көп ұзамай 1969 жылы Mpemba-мен бірге олар Physics Education журналында өз эксперименттерінің нәтижелерін жариялады. Содан бері олар ашқан әсер Mpemba эффектісі деп аталады.

Неліктен бұл орын алғанын білгіңіз келе ме? Бірнеше жыл бұрын ғалымдар бұл құбылысты түсіндіре алды ...

Мпемба эффектісі (Mpemba Paradox) - бұл белгілі бір жағдайларда ыстық судың суық суға қарағанда тезірек қататындығын көрсететін парадокс, бірақ ол мұздату процесінде суық судың температурасынан өтуі керек. Бұл парадокс кәдімгі идеяларға қайшы келетін тәжірибелік факт, оған сәйкес, бірдей жағдайларда салқынырақ дененің сол температураға дейін салқындауына қарағанда, белгілі бір температураға дейін суыту үшін көбірек уақыт қажет.

Бұл құбылысты сол кезде Аристотель, Фрэнсис Бэкон және Рене Декарт байқаған. Осы оғаш әсерді қалай түсіндіруге болатынын осы уақытқа дейін ешкім білмейді. Ғалымдар көп болғанымен, бір нұсқасы жоқ. Мұның бәрі ыстық және суық судың қасиеттерінің айырмашылығы туралы, бірақ бұл жағдайда қандай қасиеттер рөл атқаратыны әлі белгісіз: қатты салқындату, булану, мұз түзілу, конвекция немесе сұйытылған газдардың суға әсері. әртүрлі температуралар. Mpemba эффектінің парадоксы мынада: дененің қоршаған орта температурасына дейін салқындаған уақыты осы дене мен қоршаған орта арасындағы температура айырмашылығына пропорционалды болуы керек. Бұл заңды Ньютон бекітті және содан бері тәжірибеде талай рет расталды. Дәл осындай әсерде 100 ° C температурадағы су 35 ° C температурадағы бірдей мөлшердегі суға қарағанда 0 ° C дейін жылдамырақ салқындайды.

Содан бері бар әртүрлі нұсқалар, солардың бірі естілді келесідей: ыстық судың бір бөлігі алдымен жай буланып кетеді, содан кейін оның аз мөлшері қалғанда су тезірек қатады. Бұл нұсқа өзінің қарапайымдылығына байланысты ең танымал болды, бірақ ғалымдар толығымен қанағаттандырмады.

Қазір зерттеушілер тобы Технология университетіХимик Си Чжан басқаратын Сингапурдағы Наньян (Наньян технологиялық университеті) жылы судың суық суға қарағанда неге тез қататыны туралы ғасырлық құпияны шешкендерін айтты. Қытайлық мамандар анықтағандай, оның құпиясы су молекулалары арасындағы сутегі байланыстарында жинақталған энергия көлемінде жатыр.

Өздеріңіз білетіндей, су молекулалары бір оттегі атомы мен екі сутегі атомынан тұрады. коваленттік байланыстар, ол бөлшектер деңгейінде электрондардың алмасуына ұқсайды. Басқа белгілі фактсутегі атомдары көрші молекулалардан оттегі атомдарына тартылады - бұл жағдайда сутегі байланыстары пайда болады.

Сонымен бірге су молекулалары тұтастай бір-бірін итереді. Сингапур ғалымдары су неғұрлым жылы болса, итеру күштерінің артуына байланысты сұйықтық молекулалары арасындағы қашықтық соғұрлым көп болатынын байқады. Нәтижесінде сутектік байланыстар созылады, сондықтан көбірек энергия сақталады. Бұл энергия су суыған кезде бөлінеді - молекулалар бір-біріне жақындайды. Ал энергияны қайтару, өзіңіз білетіндей, салқындатуды білдіреді.

Міне, ғалымдар ұсынған гипотезалар:

Булану

Ыстық су ыдыстан тезірек буланып, осылайша оның көлемін азайтады, ал температурасы бірдей судың аз көлемі тезірек қатып қалады. 100°С-қа дейін қыздырылған су 0°С-қа дейін салқындаған кезде өзінің массасының 16%-ын жоғалтады. Булану эффектісі қос эффект. Біріншіден, салқындату үшін қажетті судың массасы азаяды. Ал екіншіден, буланудың әсерінен оның температурасы төмендейді.

температура айырмашылығы

Ыстық су мен суық ауа арасындағы температура айырмашылығы үлкен болғандықтан, бұл жағдайда жылу беру қарқындырақ және ыстық су тез салқындайды.

гипотермия
Су 0°C төмен салқындаған кезде ол әрқашан қатып қалмайды. Белгілі бір жағдайларда ол мұздату нүктесінен төмен температурада сұйық күйінде қалуды жалғастыра отырып, қатты суытуға ұшырауы мүмкін. Кейбір жағдайларда су тіпті -20°C температурада да сұйық күйінде қалуы мүмкін. Бұл әсердің себебі, алғашқы мұз кристалдары қалыптаса бастау үшін кристал түзілу орталықтары қажет. Егер олар сұйық суда болмаса, кристалдар өздігінен қалыптаса бастайтын температура жеткілікті түрде төмендегенше қатты салқындату жалғасады. Олар өте салқындатылған сұйықтықта пайда бола бастағанда, олар тезірек өсе бастайды, мұзды қалыптастыру үшін қатып қалатын мұзды лай түзеді. Ыстық су гипотермияға ең сезімтал, өйткені оны қыздыру еріген газдар мен көпіршіктерді жояды, бұл өз кезегінде мұз кристалдарының пайда болу орталықтары бола алады. Неліктен гипотермия ыстық суды тезірек мұздатуға әкеледі? Аса салқындамаған суық су жағдайында оның бетінде мұздың жұқа қабаты пайда болады, ол су мен суық ауа арасында оқшаулағыш қызметін атқарады және осылайша одан әрі булануды болдырмайды. Бұл жағдайда мұз кристалдарының қалыптасу жылдамдығы аз болады. Ыстық судың асқын салқындату жағдайында суытылған суда мұздың қорғаныс беткі қабаты болмайды. Сондықтан ол ашық төбе арқылы жылуды әлдеқайда жылдам жоғалтады. Қатты салқындату процесі аяқталып, су қатып қалғанда, жылу әлдеқайда көп жоғалады, демек, көбірек мұз пайда болады. Бұл әсерді көптеген зерттеушілер гипотермияны Mpemba эффектісі жағдайында негізгі фактор деп санайды.
Конвекция

Суық су жоғарыдан қата бастайды, осылайша жылу сәулеленуі мен конвекция процестерін нашарлатады, демек, жылуды жоғалтады, ал ыстық су төменнен қата бастайды. Бұл әсер судың тығыздығындағы аномалиямен түсіндіріледі. Судың максималды тығыздығы 4 ° C температурада болады. Суды 4°C-қа дейін салқындатып, температурасы төменірек ортаға қойсаңыз, судың беткі қабаты тезірек қатып қалады. Бұл судың тығыздығы 4°С суға қарағанда аз болғандықтан, ол бетінде қалып, жұқа суық қабат түзеді. Мұндай жағдайларда су бетінде аз уақыт ішінде жұқа мұз қабаты пайда болады, бірақ бұл мұз қабаты 4 ° C температурада қалатын судың төменгі қабаттарын қорғайтын оқшаулағыш қызметін атқарады. Сондықтан одан әрі салқындату процесі баяу болады. Ыстық су жағдайында жағдай мүлдем басқаша. Судың беткі қабаты булану және үлкен температура айырмашылығына байланысты тезірек салқындайды. Сондай-ақ, суық су қабаттары ыстық су қабаттарына қарағанда тығызырақ, сондықтан суық су қабаты төмен түсіп, жылы су қабатын бетіне көтереді. Судың бұл айналымы температураның тез төмендеуін қамтамасыз етеді. Бірақ неге бұл процесс тепе-теңдік нүктесіне жетпейді? Мпемба эффектісін конвекция тұрғысынан түсіндіру үшін судың суық және ыстық қабаттары бөлініп, судың орташа температурасы 4°С-тан төмен түскеннен кейін конвекция процесінің өзі жалғасады деп болжауға болады. Дегенмен, суық және ыстық су қабаттары конвекция арқылы бөлінген бұл гипотезаны растайтын эксперименталды дәлелдер жоқ.

суда еріген газдар

Судың құрамында әрқашан еріген газдар – оттегі мен көмірқышқыл газы болады. Бұл газдардың судың қату температурасын төмендету мүмкіндігі бар. Суды қыздырған кезде бұл газдар судан бөлінеді, себебі олардың суда жоғары температурада ерігіштігі төмен. Сондықтан ыстық суды салқындатқанда, жылытылмаған суық суға қарағанда ондағы еріген газдар әрқашан аз болады. Сондықтан қыздырылған судың қату температурасы жоғарырақ және ол тезірек қатады. Бұл фактор кейде Mpemba әсерін түсіндіруде негізгі фактор ретінде қарастырылады, дегенмен бұл фактіні растайтын эксперименттік деректер жоқ.

Жылу өткізгіштік

Бұл механизм суды тоңазытқыштың мұздатқыш камерасына шағын ыдыстарға салғанда маңызды рөл атқара алады. Осы жағдайларда ыстық суы бар ыдыс астындағы мұздатқыштың мұзын ерітетіні, осылайша мұздатқыштың қабырғасымен жылулық жанасуды және жылу өткізгіштігін жақсартатыны байқалды. Нәтижесінде ыстық су ыдысынан жылу суыққа қарағанда тезірек алынады. Өз кезегінде суық суы бар ыдыс астындағы қарды ерітпейді. Осы жағдайлардың барлығы (басқалар сияқты) көптеген эксперименттерде зерттелді, бірақ олардың қайсысы Mpemba эффектісін 100% жаңғыртуды қамтамасыз етеді деген сұраққа біржақты жауап алынған жоқ. Мәселен, мысалы, 1995 жылы неміс физигі Давид Ауэрбах судың өте суытуының осы әсерге әсерін зерттеді. Ол қатты салқындатылған күйге жеткен ыстық судың суық суға қарағанда жоғары температурада қататынын, сондықтан соңғысына қарағанда жылдамырақ екенін анықтады. Бірақ суық су ыстық суға қарағанда тез салқындатылған күйге жетеді, осылайша алдыңғы артта қалуды өтейді. Сонымен қатар, Ауэрбахтың нәтижелері ыстық судың кристалдану орталықтарының аз болуына байланысты үлкен суытуға қол жеткізе алатыны туралы бұрынғы деректерге қайшы келді. Суды қыздырғанда одан ондағы еріген газдар жойылады, ал қайнатқанда онда еріген кейбір тұздар тұнбаға түседі. Әзірге тек бір нәрсені бекітуге болады - бұл әсерді жаңғырту тәжірибе жүргізілетін жағдайларға айтарлықтай байланысты. Өйткені, ол әрдайым қайталанбайды.

Міне, ең ықтимал себеп.

Химиктер arXiv.org алдын ала басып шығару сайтында табуға болатын мақаласында жазғандай, сутегі байланыстары суық суға қарағанда ыстық суда күштірек созылады. Осылайша, ыстық судың сутектік байланыстарында көбірек энергия сақталады, яғни оның көп бөлігі салқындаған кезде бөлінеді. нөлден төмен температуралар. Осы себепті мұздату жылдамырақ.

Осы күнге дейін ғалымдар бұл жұмбақтың шешуін тек теориялық тұрғыдан ғана тапты. Олар өз нұсқасының сенімді дәлелдерін ұсынған кезде, ыстық судың суық суға қарағанда неге тез қатып қалуы туралы сұрақты жабық деп санауға болады.

Су- химиялық тұрғыдан алғанда өте қарапайым зат, дегенмен ол ғалымдарды таң қалдыруды тоқтатпайтын бірқатар ерекше қасиеттерге ие. Төменде аз адамдар білетін кейбір фактілер берілген.

1. Қай су тез қатады – суық па, ыстық па?

Екі ыдысқа су алыңыз: біреуіне ыстық су, екіншісіне суық су құйып, мұздатқышқа салыңыз. Ыстық су суық суға қарағанда тезірек қатып қалады, дегенмен қисынды түрде суық су алдымен мұзға айналуы керек еді: ақырында, ыстық су алдымен салқын температураға дейін салқындауы керек, содан кейін мұзға айналуы керек, ал суық судың салқындауы қажет емес. Неліктен бұл болып жатыр?

1963 жылы Эрасто Б.Мпемба есімді танзаниялық студент дайындалған балмұздақ қоспасын мұздату кезінде ыстық қоспаның мұздатқышта суыққа қарағанда тезірек қатып қалғанын байқады. Жас жігіт физика пәнінің мұғалімімен ашқан жаңалығымен бөліскенде, ол тек күлді. Бақытымызға орай, студент табанды болды және мұғалімді эксперимент жүргізуге сендірді, бұл оның ашқан жаңалығын растады: белгілі бір жағдайларда ыстық су суық суға қарағанда тезірек қатып қалады.

Енді ыстық судың суық суға қарағанда тез қату құбылысы « Мпемба эффектісі«. Рас, одан көп бұрын судың бұл ерекше қасиетін Аристотель, Фрэнсис Бэкон және Рене Декарт атап өткен.

Ғалымдар бұл құбылыстың табиғатын толық түсінбейді, оны гипотермия, булану, мұз түзілу, конвекцияның айырмашылығымен немесе сұйытылған газдардың ыстық және суық суға әсерімен түсіндіреді.

2. Ол бірден қатып қалуға қабілетті

Мұны бәрі біледі су 0 °C дейін салқындаған кезде әрқашан мұзға айналады ... кейбір жағдайлардан басқа! Мұндай жағдай, мысалы, өте қасиет болып табылатын суперсалқындату болып табылады таза сумұздатудан төмен салқындағанда да сұйық күйінде қалады. Бұл құбылыс қоршаған ортада мұз кристалдарының пайда болуын тудыруы мүмкін кристалдану орталықтары немесе ядролардың болмауына байланысты мүмкін болады. Сондықтан су нөл градус Цельсийден төмен температураға дейін салқындаған кезде де сұйық күйінде қалады.

кристалдану процесіқоздыруы мүмкін, мысалы, газ көпіршіктері, қоспалар (ластану), контейнердің біркелкі емес беті. Оларсыз су сұйық күйде қалады. Кристалдану процесі басталғанда, сіз өте салқындатылған судың бірден мұзға айналуын көре аласыз.

«Қатты қыздырылған» су қайнау температурасынан жоғары қыздырылғанда да сұйық болып қала беретінін ескеріңіз.

3. Судың 19 күйі

Еш ойланбастан судың неше түрлі күйі бар екенін атаңыз? Егер сіз үш жауап берсеңіз: қатты, сұйық, газ тәрізді, сіз қателесесіз. Ғалымдар судың сұйық түрдегі кем дегенде 5 түрлі күйін және мұздатылған күйдегі 14 күйін ажыратады.

Өте салқындатылған су туралы әңгіме есіңізде ме? Сонымен, сіз не істесеңіз де, -38 ° C температурада тіпті ең таза өте салқындатылған су да кенеттен мұзға айналады. Температура одан әрі төмендегенде не болады? -120°C температурада суға біртүрлі нәрсе бола бастайды: ол меласса тәрізді өте тұтқыр немесе тұтқыр болады, ал -135°C төмен температурада «шыны» немесе «шыны тәрізді» суға айналады - қатты, оның кристалдық құрылымы жоқ.

4. Су физиктерді таң қалдырады

Молекулярлық деңгейде су одан да таң қалдырады. 1995 жылы ғалымдар жүргізген нейтронды шашырау эксперименті күтпеген нәтиже берді: физиктер су молекулаларына бағытталған нейтрондар күтілгеннен 25% аз сутегі протондарын «көретінін» анықтады.

Бір аттосекунд жылдамдығында (10 -18 секунд) әдеттен тыс кванттық эффект орын алатыны анықталды және химиялық формулаорнына су H2O, H1,5O болады!

5. Су жады

Балама ресми медицина гомеопатиясұйылтылған ерітінді екенін айтады дәрілік өнімерітіндіде су молекулаларынан басқа ештеңе қалмайтындай сұйылту факторы өте үлкен болса да, ағзаға емдік әсер етуі мүмкін. Гомеопатияның жақтаушылары бұл парадоксты «деп аталатын тұжырымдамамен түсіндіреді. су жады”, соған сәйкес молекулалық деңгейде суда бір рет еріген заттың «жады» болады және онда бірде-бір ингредиент молекуласы қалмаған соң бастапқы концентрациядағы ерітіндінің қасиеттерін сақтайды.

Гомеопатия принциптерін сынаған Белфасттың Королева университетінің профессоры Мадлен Эннис бастаған халықаралық ғалымдар тобы 2002 жылы бұл тұжырымдаманы біржола жоққа шығару үшін эксперимент жүргізді. Нәтиже керісінше болды. Осыдан кейін ғалымдар әсердің шынайылығын дәлелдей алғанын айтты » су жады«. Алайда тәуелсіз сарапшылардың бақылауымен жүргізілген тәжірибелер нәтиже бермеді. Феноменнің бар екендігі туралы даулар » су жады» жалғастырыңыз.

Судың біз осы мақалада қарастырмаған көптеген басқа ерекше қасиеттері бар. Мысалы, судың тығыздығы температураға байланысты өзгереді (мұздың тығыздығы судан аз); судың жеткілікті үлкен беттік кернеуі бар; сұйық күйде су күрделі және динамикалық өзгеретін су кластерлерінің желісі болып табылады және бұл судың құрылымына әсер ететін кластерлердің мінез-құлқы және т.б.

Осы және басқа да көптеген күтпеген мүмкіндіктер туралы сумақаласынан оқуға болады Судың аномальды қасиеттері”, оның авторы – Лондон университетінің профессоры Мартин Чаплин.

Қай су тезірек қатады, ыстық немесе суық, көптеген факторлар әсер етеді, бірақ сұрақтың өзі сәл оғаш көрінеді. Ыстық судың мұзға айналуы үшін салыстырмалы суық судың температурасына дейін салқындату үшін әлі де уақыт қажет екені физикадан белгілі және түсінікті. Суық су бұл кезеңді өткізіп жіберуі мүмкін, және, тиісінше, уақытында жеңеді.

Бірақ аязда көшеде қай су тез қатады - суық немесе ыстық - деген сұрақтың жауабын кез келген тұрғын біледі. солтүстік ендіктер. Шындығында, ғылыми тұрғыдан алғанда, кез келген жағдайда суық су тезірек қатып қалуы керек.

1963 жылы мектеп оқушысы Эрасто Мпемба болашақ балмұздақтың суық қоспасы ұқсас, бірақ ыстық балмұздаққа қарағанда неге ұзақ қататынын түсіндіруді өтінген физика мұғалімі де солай етті.

«Бұл әлемдік физика емес, бірақ Mpemba физикасының бір түрі»

Ол кезде мұғалім бұған күлді, бірақ бір кездері Эрасто оқыған мектепке барған физика профессоры Денис Осборн мұндай әсердің бар екенін эксперименталды түрде растады, бірақ ол кезде бұл үшін ешқандай түсініктеме болмады. . 1969 жылы танымал ғылыми журналда осы ерекше әсерді сипаттаған екі адамның бірлескен мақаласы жарияланды.

Содан бері, айтпақшы, қай су тез қатады деген сұрақ - ыстық немесе суық, өз атауы бар - әсер немесе парадокс, Mpemba.

деген сұрақ көптен бері айтылып жүр

Әрине, мұндай құбылыс бұрын да болған және ол туралы басқа ғалымдардың еңбектерінде айтылған. Бұл сұраққа мектеп оқушысы ғана емес, Рене Декарт, тіпті Аристотель де бір кездері ойланып қалды.

Міне, осы парадоксты шешуге тек ХХ ғасырдың соңында ғана тәсілдер қарастырыла бастады.

Парадокстың пайда болу шарттары

Балмұздақ сияқты, тәжірибе кезінде қатып қалатын қарапайым су ғана емес. Қай судың тез қататыны туралы дауласу үшін белгілі бір шарттар болуы керек - суық немесе ыстық. Бұл процеске не әсер етеді?

Қазір, 21 ғасырда бұл парадоксты түсіндіре алатын бірнеше нұсқалар ұсынылды. Қай судың тез қатуы, ыстық немесе суық, оның булану жылдамдығы суық суға қарағанда жоғары болуына байланысты болуы мүмкін. Осылайша, оның көлемі азаяды, ал көлемінің төмендеуімен мұздату уақыты суық судың ұқсас бастапқы көлемін алсақ, қарағанда қысқа болады.

Мұздатқыш ұзақ уақыт еріген

Тәжірибе үшін пайдаланылған тоңазытқыштың мұздатқышында болуы мүмкін қар төсемі қай су тезірек қатады және неге олай болады. Көлемі бірдей екі ыдысты алсаңыз, бірақ олардың бірінде ыстық су, екіншісінде суық су болса, ыстық суы бар ыдыс астындағы қарды ерітеді, осылайша термиялық деңгейдің тоңазытқыш қабырғасымен жанасуын жақсартады. Суық суға арналған ыдыс мұны істей алмайды. Тоңазытқышта қармен мұндай төсем болмаса, суық су тезірек қатып қалуы керек.

Жоғарғы - төменгі

Сондай-ақ, судың тезірек қату құбылысы - ыстық немесе суық, былайша түсіндіріледі. Белгілі бір заңдарды сақтай отырып, суық су одан қатып қалады жоғарғы қабаттарыстық болған кезде ол керісінше болады - ол төменнен жоғары қарай қатып қалады. Сонымен қатар, суық судың үстіңгі жағында мұз қабаты бар суық қабаты бар, осылайша конвекция процестерін нашарлатады және термиялық сәулелену, осылайша қай судың жылдам қататынын түсіндіреді - суық немесе ыстық. Әуесқойлық эксперименттерден алынған фотосурет қоса берілген және мұнда ол анық көрінеді.

Жылу өшіп, жоғары қарай ұмтылады, сонда ол өте салқын қабатқа кездеседі. Жылулық сәулеленудің еркін жолы жоқ, сондықтан салқындату процесі қиындайды. Ыстық судың жолында мұндай кедергілер мүлдем жоқ. Қайсысы тезірек қатады - суық немесе ыстық, ықтимал нәтиже соған байланысты, сіз кез келген суда еріген белгілі бір заттар бар деп жауап бере аласыз.

Судың құрамындағы қоспалар нәтижеге әсер ететін фактор ретінде

Егер сіз алдамасаңыз және белгілі бір заттардың концентрациясы бірдей суды пайдаланбасаңыз, суық су тезірек қатуы керек. Бірақ еріген кезде жағдай орын алса химиялық элементтертек ыстық суда болады, ал суық суда олар жоқ, ыстық судың ертерек қатып қалу мүмкіндігі бар. Бұл суда еріген заттардың кристалдану орталықтарын құруымен түсіндіріледі, ал бұл орталықтардың аз санымен судың қатты күйге айналуы қиын. Тіпті судың қатты салқындауы мүмкін, яғни нөлден төмен температурада ол сұйық күйде болады.

Бірақ бұл нұсқалардың барлығы ғалымдарға соңына дейін сәйкес келмеді және олар бұл мәселе бойынша жұмысты жалғастырды. 2013 жылы Сингапурдағы зерттеушілер тобы көне жұмбақты шешкендерін айтты.

Қытай ғалымдарының бір тобы бұл әсердің құпиясы сутегі байланыстары деп аталатын байланыстарындағы су молекулалары арасында жинақталған энергия мөлшерінде деп мәлімдейді.

Қытай ғалымдарының жауабы

Қосымша ақпарат болады, оны түсіну үшін қай судың тез қататынын - ыстық немесе суық екенін анықтау үшін химиядан белгілі бір білім қажет. Өздеріңіз білетіндей, ол коваленттік байланыстармен біріктірілген екі H (сутегі) атомы және бір O (оттегі) атомынан тұрады.

Бірақ бір молекуланың сутегі атомдары да көрші молекулаларға, олардың оттегі құрамдас бөлігіне тартылады. Бұл байланыстарды сутектік байланыстар деп атайды.

Сонымен қатар, бір уақытта су молекулалары бір-біріне кері әсер ететінін есте ұстаған жөн. Ғалымдар суды қыздырған кезде оның молекулалары арасындағы қашықтық ұлғаятынын және бұған итеруші күштер ықпал ететінін атап өтті. Суық күйде молекулалар арасында бір қашықтықты алып жатқанда, олар созылады және оларда энергия қоры көбірек болады деп айтуға болады. Дәл осы энергия қоры су молекулалары бір-біріне жақындай бастағанда бөлінеді, яғни салқындау жүреді. Ыстық судағы энергияның көп мөлшері және оны нөлден төмен температураға дейін салқындатқанда көбірек бөлінуі мұндай энергияның аз қоры бар суық суға қарағанда тезірек жүреді. Сонымен, қай су тез қатады - суық немесе ыстық? Көшеде және зертханада Mpemba парадоксы пайда болуы керек, ал ыстық су тезірек мұзға айналуы керек.

Бірақ сұрақ әлі ашық

Бұл түйіннің тек теориялық растауы бар - мұның бәрі әдемі формулалармен жазылған және ақылға қонымды болып көрінеді. Бірақ су тезірек қататын – ыстық немесе суық тәжірибелік деректер практикалық мағынада қойылып, олардың нәтижелері берілгенде, Mpemba парадоксы туралы мәселені жабық түрде қарастыруға болады.

Мпемба эффектісі(Мпемба парадоксы) - қату процесінде суық судың температурасынан өтуі керек болғанымен, белгілі бір жағдайларда ыстық судың суық суға қарағанда тезірек қататынын көрсететін парадокс. Бұл парадокс кәдімгі идеяларға қайшы келетін тәжірибелік факт, оған сәйкес, бірдей жағдайларда салқынырақ дененің сол температураға дейін салқындауына қарағанда, белгілі бір температураға дейін суыту үшін көбірек уақыт қажет.

Бұл құбылысты сол кезде Аристотель, Фрэнсис Бэкон және Рене Декарт байқаған, бірақ тек 1963 жылы танзаниялық мектеп оқушысы Эрасто Мпемба ыстық балмұздақ қоспасы суыққа қарағанда тезірек қататынын анықтады.

Эрасто Мпемба Танзаниядағы Магамбин орта мектебінің студенті болған, практикалық аспаздық жұмысымен айналысқан. Ол үйде балмұздақ жасау керек болды - сүтті қайнатыңыз, оған қантты ерітіңіз, оны бөлме температурасына дейін суытып, содан кейін мұздату үшін тоңазытқышқа қойыңыз. Мпемба аса ынталы студент болмағанға ұқсайды және тапсырманың бірінші бөлігінде кейінге қалдырған. Сабақ біткенше уақытында келмей ме деп қорқып, әлі ыстық сүтті тоңазытқышқа салды. Таң қалдырғаны, ол берілген технология бойынша дайындалған жолдастарының сүтінен де ерте қатып қалған.

Осыдан кейін Мпемба сүтпен ғана емес, қарапайым сумен де тәжірибе жасады. Қалай болғанда да, ол қазірдің өзінде Мквава орта мектебінің студенті болғандықтан, Дар-эс-Саламдағы университет колледжінің профессоры Деннис Осборннан (мектеп директоры студенттерге физикадан дәріс оқуға шақырды) су туралы: «Егер Біреуінде судың температурасы 35°С, ал екіншісінде 100°С болатындай көлемдегі суы бар екі бірдей ыдысты алып, мұздатқышқа қоясыз, екіншісінде су қатып қалады. жылдамырақ. Неге? Осборн бұл мәселеге қызығушылық танытты және көп ұзамай 1969 жылы Мпембамен бірге олар өздерінің эксперименттерінің нәтижелерін «Physics Education» журналында жариялады. Содан бері олар ашқан әсер деп аталады Мпемба эффектісі.

Осы оғаш әсерді қалай түсіндіруге болатынын осы уақытқа дейін ешкім білмейді. Ғалымдар көп болғанымен, бір нұсқасы жоқ. Мұның бәрі ыстық және суық судың қасиеттерінің айырмашылығы туралы, бірақ бұл жағдайда қандай қасиеттер рөл атқаратыны әлі белгісіз: қатты салқындату, булану, мұз түзілу, конвекция немесе сұйытылған газдардың суға әсері. әртүрлі температуралар.

Mpemba эффектінің парадоксы мынада: дененің қоршаған орта температурасына дейін салқындаған уақыты осы дене мен қоршаған орта арасындағы температура айырмашылығына пропорционалды болуы керек. Бұл заңды Ньютон бекітті және содан бері тәжірибеде талай рет расталды. Дәл осындай әсерде 100 ° C температурадағы су 35 ° C температурадағы бірдей мөлшердегі суға қарағанда 0 ° C дейін жылдамырақ салқындайды.

Дегенмен, бұл әлі парадоксты білдірмейді, өйткені Mpemba эффектісін белгілі физикада да түсіндіруге болады. Mpemba эффектісіне қатысты кейбір түсініктемелер:

Булану

Ыстық су ыдыстан тезірек буланып, осылайша оның көлемін азайтады, ал температурасы бірдей судың аз көлемі тезірек қатып қалады. 100 С-қа дейін қыздырылған су 0 С-қа дейін салқындаған кезде өзінің массасының 16% жоғалтады.

Булану эффектісі қос эффект. Біріншіден, салқындату үшін қажетті судың массасы азаяды. Ал екіншіден, су фазасынан бу фазасына өтудің булану жылуының төмендеуіне байланысты температура төмендейді.

температура айырмашылығы

Ыстық су мен суық ауа арасындағы температура айырмашылығы үлкен болғандықтан - демек, бұл жағдайда жылу алмасу қарқынды болады және ыстық су тез салқындайды.

гипотермия

Су 0 С-тан төмен салқындаған кезде ол әрқашан қатып қалмайды. Белгілі бір жағдайларда ол мұздату нүктесінен төмен температурада сұйық күйінде қалуды жалғастыра отырып, қатты суытуға ұшырауы мүмкін. Кейбір жағдайларда су тіпті -20 C температурада сұйық күйінде қалуы мүмкін.

Бұл әсердің себебі, алғашқы мұз кристалдары қалыптаса бастау үшін кристал түзілу орталықтары қажет. Егер олар сұйық суда болмаса, кристалдар өздігінен қалыптаса бастайтын температура жеткілікті түрде төмендегенше қатты салқындату жалғасады. Олар өте салқындатылған сұйықтықта пайда бола бастағанда, олар тезірек өсе бастайды, мұзды қалыптастыру үшін қатып қалатын мұзды лай түзеді.

Ыстық су гипотермияға ең сезімтал, өйткені оны қыздыру еріген газдар мен көпіршіктерді жояды, бұл өз кезегінде мұз кристалдарының пайда болу орталықтары бола алады.

Неліктен гипотермия ыстық суды тезірек мұздатуға әкеледі? Асқын салқындатылмаған суық су жағдайында келесі жағдай орын алады. Бұл жағдайда ыдыстың бетінде жұқа мұз қабаты пайда болады. Мұздың бұл қабаты су мен суық ауа арасындағы оқшаулағыш қызметін атқарады және одан әрі буланудың алдын алады. Бұл жағдайда мұз кристалдарының қалыптасу жылдамдығы аз болады. Ыстық судың асқын салқындату жағдайында суытылған суда мұздың қорғаныс беткі қабаты болмайды. Сондықтан ол ашық төбе арқылы жылуды әлдеқайда жылдам жоғалтады.

Қатты салқындату процесі аяқталып, су қатып қалғанда, жылу әлдеқайда көп жоғалады, демек, көбірек мұз пайда болады.

Бұл әсерді көптеген зерттеушілер гипотермияны Mpemba эффектісі жағдайында негізгі фактор деп санайды.

Конвекция

Суық су жоғарыдан қата бастайды, осылайша жылу сәулеленуі мен конвекция процестерін нашарлатады, демек, жылуды жоғалтады, ал ыстық су төменнен қата бастайды.

Бұл әсер судың тығыздығындағы аномалиямен түсіндіріледі. Судың максималды тығыздығы 4 С. Егер суды 4 С дейін суытып, оны төменірек температураға қойсаңыз, судың беткі қабаты тезірек қатады. Бұл судың тығыздығы 4°С суға қарағанда аз болғандықтан, ол бетінде қалып, жұқа суық қабат түзеді. Бұл жағдайда су бетінде аз уақыт ішінде жұқа мұз қабаты пайда болады, бірақ бұл мұз қабаты 4 С температурада қалатын судың төменгі қабаттарын қорғайтын оқшаулағыш қызметін атқарады. , одан әрі салқындату процесі баяуырақ болады.

Ыстық су жағдайында жағдай мүлдем басқаша. Судың беткі қабаты булану және үлкен температура айырмашылығына байланысты тезірек салқындатылады. Сондай-ақ, суық су қабаттары ыстық су қабаттарына қарағанда тығызырақ, сондықтан суық су қабаты төмен түсіп, жылы су қабатын бетіне көтереді. Судың бұл айналымы температураның тез төмендеуін қамтамасыз етеді.

Бірақ неге бұл процесс тепе-теңдік нүктесіне жетпейді? Mpemba эффектісін конвекция тұрғысынан түсіндіру үшін судың суық және ыстық қабаттары бөлініп, судың орташа температурасы 4 С-тан төмен түскеннен кейін конвекция процесінің өзі жалғасады деп болжауға болады.

Дегенмен, судың суық және ыстық қабаттары конвекция арқылы бөлінеді деген бұл гипотезаны растайтын тәжірибелік дәлелдер жоқ.

суда еріген газдар

Судың құрамында әрқашан еріген газдар – оттегі мен көмірқышқыл газы болады. Бұл газдардың судың қату температурасын төмендету мүмкіндігі бар. Суды қыздырған кезде бұл газдар судан бөлінеді, себебі олардың суда жоғары температурада ерігіштігі төмен. Сондықтан ыстық суды салқындатқанда, жылытылмаған суық суға қарағанда ондағы еріген газдар әрқашан аз болады. Сондықтан қыздырылған судың қату температурасы жоғарырақ және ол тезірек қатады. Бұл фактор кейде Mpemba әсерін түсіндіруде негізгі фактор ретінде қарастырылады, дегенмен бұл фактіні растайтын эксперименттік деректер жоқ.

Жылу өткізгіштік

Бұл механизм суды тоңазытқыштың мұздатқыш камерасына шағын ыдыстарға салғанда маңызды рөл атқара алады. Осы жағдайларда ыстық суы бар ыдыс астындағы мұздатқыштың мұзын ерітетіні, осылайша мұздатқыштың қабырғасымен жылулық жанасуды және жылу өткізгіштігін жақсартатыны байқалды. Нәтижесінде ыстық су ыдысынан жылу суыққа қарағанда тезірек алынады. Өз кезегінде суық суы бар ыдыс астындағы қарды ерітпейді.

Осы жағдайлардың барлығы (басқалар сияқты) көптеген эксперименттерде зерттелді, бірақ олардың қайсысы Mpemba эффектісін 100% жаңғыртуды қамтамасыз етеді деген сұраққа біржақты жауап алынған жоқ.

Мәселен, мысалы, 1995 жылы неміс физигі Давид Ауэрбах судың өте суытуының осы әсерге әсерін зерттеді. Ол қатты салқындатылған күйге жеткен ыстық судың суық суға қарағанда жоғары температурада қататынын, сондықтан соңғысына қарағанда жылдамырақ екенін анықтады. Бірақ суық су өте салқындатылған күйге ыстық суға қарағанда тезірек жетеді, осылайша алдыңғы артта қалуды өтейді.

Сонымен қатар, Ауэрбахтың нәтижелері ыстық судың кристалдану орталықтарының аз болуына байланысты үлкен суытуға қол жеткізе алатыны туралы бұрынғы деректерге қайшы келді. Суды қыздырғанда ондағы еріген газдар жойылады, ал қайнатқанда онда еріген кейбір тұздар тұнбаға түседі.

Әзірге тек бір нәрсені бекітуге болады - бұл әсерді жаңғырту негізінен эксперимент жүргізілетін жағдайларға байланысты. Өйткені, ол әрдайым қайталанбайды.

О.В.Мосин

Әдебикөздері:

«Ыстық су суық суға қарағанда тезірек қатып қалады. Неліктен олай етеді?», Джеарл Уокер, The Amateur Scientist, Scientific American, том. 237, жоқ. 3, 246-257 беттер; Қыркүйек, 1977 ж.

«Ыстық және суық судың қатуы», Г.С. Келл американдық физика журналында, том. 37, жоқ. 5, 564-565 беттер; 1969 жылдың мамыры.

«Суперсалқындату және Мпемба эффектісі», Дэвид Ауэрбах, Американдық физика журналында, том. 63, жоқ. 10, 882-885 беттер; Қазан, 1995 ж.

«Мпемба эффектісі: ыстық және суық судың қату уақыты», Чарльз А. Найт, Американдық физика журналында, том. 64, жоқ. 5, 524-бет; мамыр, 1996 ж.