dom Okna i drzwi Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna

Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna

Efekt Mpemby(Paradoks Mpemba) to paradoks, który to mówi gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż zimna woda, chociaż w procesie zamrażania musi przekroczyć temperaturę zimnej wody. Ten paradoks jest eksperymentalnym faktem, który przeczy zwykłym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach ciało cieplejsze potrzebuje więcej czasu, aby ostygnąć do określonej temperatury, niż ciało chłodniejsze, aby ochłodzić się do tej samej temperatury.

Zjawisko to zauważyli wówczas Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku tanzański uczeń Erasto Mpemba stwierdził, że gorąca mieszanka lodowa zamarza szybciej niż zimna.

Jako uczeń Magamby Liceum w Tanzanii zrobił to Erasto Mpemba praktyczna praca w sztuce kulinarnej. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, ostudzić do temperatura pokojowa a następnie wstawić do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był szczególnie pilnym uczniem i zwlekał z wykonaniem pierwszej części zadania. Obawiając się, że nie zdąży do końca lekcji, włożył jeszcze gorące mleko do lodówki. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według danej technologii.

Potem Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą. W każdym razie, będąc już uczniem Mkvava High School, zapytał o wodę profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły do wygłoszenia wykładu z fizyki dla uczniów): „Jeśli bierzesz dwa identyczne pojemniki z równą objętością wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim - 100°C i wkładacie je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej Dlaczego? Zagadnieniem tym zainteresował się Osborne i wkrótce w 1969 roku wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie „Physics Education”. Od tego czasu odkryty przez nich efekt to tzw Efekt Mpemby.

Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wyjaśnić ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, chociaż jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji lub wpływ skroplonych gazów na wodę w temp. różne temperatury.

Paradoks efektu Mpemba polega na tym, że czas, w którym ciało ochładza się do temperatury środowisko, powinna być proporcjonalna do różnicy temperatur między tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W ten sam sposób woda o temperaturze 100°C schładza się do 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Jednak nie oznacza to jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można również wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby:

Odparowanie

Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym jego objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej. Woda podgrzana do 100 C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0 C.

Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, temperatura spada ze względu na fakt, że zmniejsza się ciepło parowania przejścia z fazy wodnej do fazy gazowej.

różnica temperatur

Ponieważ różnica temperatur między gorąca woda i więcej zimnego powietrza – stąd wymiana ciepła w tym przypadku jest intensywniejsza i gorąca woda szybciej się ochładza.

hipotermia

Kiedy woda jest schładzana poniżej 0 C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulec przechłodzeniu, pozostając ciekłym w temperaturach poniżej punktu zamarzania. W niektórych przypadkach woda może pozostać płynna nawet w temperaturze -20 C.

Powodem tego efektu jest to, że aby pierwsze kryształki lodu zaczęły się formować, potrzebne są centra tworzenia kryształów. Jeśli nie znajdują się w ciekłej wodzie, przechłodzenie będzie kontynuowane, dopóki temperatura nie spadnie na tyle, że kryształy zaczną się spontanicznie tworzyć. Kiedy zaczną się formować w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lodową breję, która zamarznie, tworząc lód.

Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie eliminuje rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako centra tworzenia się kryształków lodu.

Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, zachodzi następująca sytuacja. W tym przypadku cienka warstwa na powierzchni naczynia powstanie lód. Ta warstwa lodu będzie działać jako izolator między wodą a zimnym powietrzem i zapobiegnie dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia kryształków lodu w tym przypadku będzie mniejsza. W przypadku przechłodzonej wody gorącej woda przechłodzona nie posiada powierzchniowej warstwy ochronnej lodu. W związku z tym znacznie szybciej traci ciepło przez otwartą górę.

Kiedy proces przechłodzenia się kończy i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, a tym samym więcej lodu.

Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.

Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, podczas gdy gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.

Efekt ten tłumaczy się anomalią w gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4 C. Jeśli schłodzisz wodę do 4 C i ustawisz ją w niższej temperaturze, warstwa powierzchniowa wody zamarznie szybciej. Ponieważ ta woda ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 4°C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody przez krótki czas tworzy się cienka warstwa lodu, ale ta warstwa lodu będzie służyła jako izolator chroniący dolne warstwy wody, która pozostanie w temperaturze 4 C. Dlatego , dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy.

W przypadku ciepłej wody sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Powierzchniowa warstwa wody ochładza się szybciej z powodu parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, podnosząc warstwę. ciepła woda na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury.

Ale dlaczego ten proces nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z tego punktu widzenia konwekcji, należałoby założyć, że zimne i gorące warstwy wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji trwa po Średnia temperatura krople wody poniżej 4 st.

Jednak nie ma eksperymentalnych dowodów na poparcie tej hipotezy, że zimne i gorące warstwy wody są oddzielone przez konwekcję.

gazy rozpuszczone w wodzie

Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy - tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Gdy woda jest podgrzewana, gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie wynosi ok wysoka temperatura poniżej. Dlatego, gdy gorąca woda jest schładzana, zawsze jest w niej mniej rozpuszczonych gazów niż w nieogrzewanej zimnej wodzie. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Czynnik ten jest czasami uważany za główny w wyjaśnianiu efektu Mpemby, chociaż nie ma danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt.

Przewodność cieplna

Mechanizm ten może odgrywać znaczącą rolę, gdy woda jest umieszczana w zamrażarce. komora chłodziarki w małych pojemnikach. Zaobserwowano, że w tych warunkach pojemnik z gorącą wodą topi pod sobą lód. zamrażarka, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny ze ścianą zamrażarki i przewodność cieplną. Dzięki temu ciepło jest usuwane z zasobnika ciepłej wody szybciej niż z zasobnika zimnej. Z kolei pojemnik z zimną wodą nie topi pod nim śniegu.

Wszystkie te (jak również inne) warunki były badane w wielu eksperymentach, ale nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają 100% odtworzenie efektu Mpemby.

Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzenia, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a więc szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzenia szybciej niż gorący, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie.

Ponadto wyniki Auerbacha przeczyły wcześniejszym danym, że gorąca woda jest w stanie osiągnąć większe przechłodzenie z powodu mniejszej liczby centrów krystalizacji. Gdy woda jest podgrzewana, usuwane są z niej rozpuszczone gazy, a po zagotowaniu część rozpuszczonych w niej soli wytrąca się.

Jak dotąd można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu zależy zasadniczo od warunków, w jakich przeprowadza się eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.

W 1963 roku uczeń z Tanzanii, Erasto Mpemba, zadał swojemu nauczycielowi głupie pytanie - dlaczego w jego zamrażarce ciepłe lody zamarzają szybciej niż zimne?

Erasto Mpemba był uczniem Magambin High School w Tanzanii, wykonując praktyczne prace kuchenne. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, schłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był szczególnie pilnym uczniem i zwlekał z wykonaniem pierwszej części zadania. Obawiając się, że nie zdąży do końca lekcji, wstawił jeszcze gorące mleko do lodówki. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według danej technologii.

Zwrócił się do nauczyciela fizyki o wyjaśnienie, ale tylko zaśmiał się z ucznia, mówiąc: „To nie jest fizyka światowa, ale fizyka Mpemby”. Potem Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą.

W każdym razie, będąc już uczniem Liceum Mkwawa, zapytał o wodę profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły do wygłoszenia wykładu z fizyki dla uczniów): dwa identyczne pojemniki z równymi objętościami wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim - 100°C i wstawić je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej. Dlaczego?" Osborn zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce w 1969 roku wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od tego czasu odkryty przez nich efekt nazywa się efektem Mpemby.

Czy jesteś ciekaw, dlaczego tak się dzieje? Jeszcze kilka lat temu naukowcom udało się wyjaśnić to zjawisko...

Efekt Mpemby (Mpemba Paradox) to paradoks polegający na tym, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż woda zimna, chociaż w procesie zamrażania musi przekroczyć temperaturę wody zimnej. Ten paradoks jest eksperymentalnym faktem, który przeczy zwykłym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach ciało cieplejsze potrzebuje więcej czasu, aby ostygnąć do określonej temperatury, niż ciało chłodniejsze, aby ochłodzić się do tej samej temperatury.

Zjawisko to dostrzegli wówczas Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes. Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wyjaśnić ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, chociaż jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji lub wpływ skroplonych gazów na wodę w temp. różne temperatury. Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas, w którym ciało ochładza się do temperatury otoczenia, musi być proporcjonalny do różnicy temperatur między tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W ten sam sposób woda o temperaturze 100°C schładza się do 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Od tego czasu istnieją różne wersje, z których jeden brzmiał w następujący sposób: część gorącej wody najpierw po prostu odparowuje, a następnie, gdy zostaje jej mniejsza ilość, woda szybciej krzepnie. Ta wersja, ze względu na swoją prostotę, stała się najpopularniejsza, ale naukowcy nie byli w pełni usatysfakcjonowani.

Teraz zespół naukowców z Politechnika Nanyang w Singapurze (Uniwersytet Technologiczny Nanyang), kierowany przez chemika Xi Zhanga, powiedział, że rozwiązał odwieczną tajemnicę, dlaczego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna woda. Jak odkryli chińscy eksperci, tajemnica tkwi w ilości energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych między cząsteczkami wody.

Jak wiesz, cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu i dwóch połączonych ze sobą atomów wodoru. wiązania kowalencyjne, co na poziomie cząstek wygląda jak wymiana elektronów. Inny znany fakt polega na tym, że atomy wodoru są przyciągane do atomów tlenu z sąsiednich cząsteczek - w tym przypadku powstają wiązania wodorowe.

Jednocześnie cząsteczki wody jako całość odpychają się nawzajem. Naukowcy z Singapuru zauważyli, że im cieplejsza woda, tym większa odległość między cząsteczkami cieczy z powodu wzrostu sił odpychania. W rezultacie wiązania wodorowe są rozciągnięte, a tym samym magazynują więcej energii. Energia ta jest uwalniana, gdy woda ochładza się - cząsteczki zbliżają się do siebie. A zwrot energii, jak wiadomo, oznacza ochłodzenie.

Oto hipotezy wysunięte przez naukowców:

Odparowanie

Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym jego objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej. Woda podgrzana do 100°C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0°C. Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, z powodu parowania, jego temperatura spada.

różnica temperatur

Ze względu na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa - w związku z tym wymiana ciepła w tym przypadku jest bardziej intensywna i gorąca woda stygnie szybciej.

hipotermia
Kiedy woda jest schładzana poniżej 0°C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulec przechłodzeniu, pozostając ciekłym w temperaturach poniżej punktu zamarzania. W niektórych przypadkach woda może pozostać płynna nawet w temperaturze -20°C. Powodem tego efektu jest to, że aby pierwsze kryształki lodu zaczęły się formować, potrzebne są centra tworzenia kryształów. Jeśli nie znajdują się w ciekłej wodzie, przechłodzenie będzie kontynuowane, dopóki temperatura nie spadnie na tyle, że kryształy zaczną się spontanicznie tworzyć. Kiedy zaczną się formować w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lodową breję, która zamarznie, tworząc lód. Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie eliminuje rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako centra tworzenia się kryształków lodu. Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, na jej powierzchni tworzy się cienka warstwa lodu, który działa jak izolator między wodą a zimnym powietrzem, a tym samym zapobiega dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia kryształków lodu w tym przypadku będzie mniejsza. W przypadku przechłodzonej wody gorącej woda przechłodzona nie posiada powierzchniowej warstwy ochronnej lodu. W związku z tym znacznie szybciej traci ciepło przez otwartą górę. Kiedy proces przechłodzenia się kończy i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, a zatem tworzy się więcej lodu. Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.
Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, podczas gdy gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu. Efekt ten tłumaczy się anomalią w gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4°C. Jeśli schłodzisz wodę do 4°C i umieścisz ją w środowisku o niższej temperaturze, powierzchniowa warstwa wody zamarznie szybciej. Ponieważ ta woda ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 4°C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody przez krótki czas utworzy się cienka warstwa lodu, ale ta warstwa lodu będzie służyć jako izolator chroniący dolne warstwy wody, która pozostanie w temperaturze 4°C. Dlatego dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy. W przypadku ciepłej wody sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Powierzchniowa warstwa wody ochładza się szybciej z powodu parowania i większych różnic temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, podnosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury. Ale dlaczego ten proces nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z punktu widzenia konwekcji, należałoby przyjąć, że warstwy zimnej i gorącej wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji jest kontynuowany po spadku średniej temperatury wody poniżej 4°C. Jednak nie ma eksperymentalnych dowodów na poparcie tej hipotezy, że warstwy zimnej i gorącej wody są oddzielone przez konwekcję.

gazy rozpuszczone w wodzie

Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy - tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Gdy woda jest podgrzewana, gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie w wysokiej temperaturze jest mniejsza. Dlatego, gdy gorąca woda jest schładzana, zawsze jest w niej mniej rozpuszczonych gazów niż w nieogrzewanej zimnej wodzie. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Czynnik ten jest czasami uważany za główny w wyjaśnianiu efektu Mpemby, chociaż nie ma danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt.

Przewodność cieplna

Mechanizm ten może odgrywać znaczącą rolę, gdy woda jest umieszczana w lodówce z zamrażarką w małych pojemnikach. W tych warunkach zaobserwowano, że pojemnik z gorącą wodą topi lód znajdującej się pod spodem zamrażarki, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny ze ścianką zamrażarki i przewodność cieplną. Dzięki temu ciepło jest usuwane z zasobnika ciepłej wody szybciej niż z zasobnika zimnej. Z kolei pojemnik z zimną wodą nie topi pod nim śniegu. Wszystkie te (jak również inne) warunki były badane w wielu eksperymentach, ale jednoznacznej odpowiedzi na pytanie - które z nich zapewniają 100% odwzorowanie efektu Mpemby - nie uzyskano. Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzenia, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a więc szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzenia szybciej niż gorąca woda, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie. Ponadto wyniki Auerbacha przeczyły wcześniejszym danym, że gorąca woda jest w stanie osiągnąć większe przechłodzenie z powodu mniejszej liczby centrów krystalizacji. Gdy woda jest podgrzewana, usuwane są z niej rozpuszczone gazy, a po zagotowaniu część rozpuszczonych w niej soli wytrąca się. Na razie można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu w znacznym stopniu zależy od warunków, w jakich przeprowadza się eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.

A oto najbardziej prawdopodobny powód.

Jak piszą chemicy w swoim artykule, który można znaleźć na stronie preprint arXiv.org, wiązania wodorowe są silniej rozciągane w gorącej wodzie niż w zimnej wodzie. Okazuje się więc, że w wiązaniach wodorowych gorącej wody magazynowane jest więcej energii, co oznacza, że więcej jej jest uwalniane po schłodzeniu do temperatury poniżej zera. Z tego powodu zamrażanie jest szybsze.

Do tej pory naukowcy rozwiązali tę zagadkę tylko teoretycznie. Kiedy przedstawią przekonujące dowody na swoją wersję, pytanie, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda, można uznać za zamknięte.

Woda- dość prosta substancja z chemicznego punktu widzenia ma jednak szereg niezwykłych właściwości, które nigdy nie przestają zadziwiać naukowców. Poniżej kilka faktów, o których wie niewiele osób.

1. Która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca?

Weź dwa pojemniki z wodą: do jednego wlej gorącą wodę, a do drugiego zimną wodę i umieść je w zamrażarce. Ciepła woda zamarznie szybciej niż zimna, chociaż logicznie rzecz biorąc, zimna woda powinna była najpierw zamienić się w lód: w końcu gorąca woda musi najpierw ostygnąć do zimnej temperatury, a następnie zamienić się w lód, podczas gdy zimna woda nie musi się ochładzać. Dlaczego to się dzieje?

W 1963 roku student z Tanzanii, Erasto B. Mpemba, zamrażając przygotowaną mieszankę lodów, zauważył, że gorąca mieszanka krzepnie w zamrażarce szybciej niż zimna. Kiedy młody człowiek podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten tylko się z niego śmiał. Na szczęście uczeń był wytrwały i przekonał nauczyciela do przeprowadzenia eksperymentu, który potwierdził jego odkrycie: w pewnych warunkach gorąca woda naprawdę zamarza szybciej niż zimna.

Teraz to zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej nazywa się „ Efekt Mpemby". To prawda, że \u200b\u200bna długo przed nim tę wyjątkową właściwość wody zauważyli Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes.

Naukowcy nie do końca rozumieją naturę tego zjawiska, tłumacząc je albo różnicą w hipotermii, parowaniem, tworzeniem się lodu, konwekcją, albo wpływem skroplonych gazów na ciepłą i zimną wodę.

2. Jest w stanie natychmiast zamrozić

Wszyscy to wiedzą woda zawsze zamienia się w lód po schłodzeniu do 0 °C ... z wyjątkiem niektórych przypadków! Takim przypadkiem jest na przykład przechłodzenie, które jest właściwością bardzo czysta woda pozostają płynne nawet po schłodzeniu poniżej zera. Zjawisko to staje się możliwe dzięki temu, że środowisko nie zawiera centrów krystalizacji ani jąder, które mogłyby prowokować tworzenie się kryształków lodu. I tak woda pozostaje w stanie ciekłym nawet po schłodzeniu do temperatur poniżej zera stopni Celsjusza.

proces krystalizacji mogą być wywołane np. przez pęcherzyki gazu, zanieczyszczenia (zanieczyszczenia), nierówną powierzchnię pojemnika. Bez nich woda pozostanie w stanie ciekłym. Kiedy rozpocznie się proces krystalizacji, możesz obserwować, jak przechłodzona woda natychmiast zamienia się w lód.

Należy zauważyć, że „przegrzana” woda również pozostaje w stanie ciekłym nawet po podgrzaniu powyżej temperatury wrzenia.

3. 19 stanów wody

Bez wahania wymień, ile różnych stanów ma woda? Jeśli odpowiedziałeś trzy: ciało stałe, ciecz, gaz, to się mylisz. Naukowcy rozróżniają co najmniej 5 różnych stanów wody w stanie ciekłym i 14 stanów w stanie zamrożonym.

Pamiętasz rozmowę o super schłodzonej wodzie? Więc bez względu na to, co robisz, w temperaturze -38 ° C nawet najczystsza przechłodzona woda nagle zamieni się w lód. Co się stanie, gdy temperatura spadnie jeszcze bardziej? W temperaturze -120°C z wodą zaczyna dziać się coś dziwnego: staje się ona bardzo lepka lub lepka, jak melasa, a w temperaturach poniżej -135°C zamienia się w wodę „szklistą” lub „szklistą” - solidny, który nie ma struktury krystalicznej.

4. Woda zaskakuje fizyków

Na poziomie molekularnym woda jest jeszcze bardziej zaskakująca. W 1995 roku eksperyment z rozpraszaniem neutronów przeprowadzony przez naukowców dał nieoczekiwany wynik: fizycy odkryli, że neutrony skierowane na cząsteczki wody „widzą” o 25% mniej protonów wodoru niż oczekiwano.

Okazało się, że z prędkością jednej attosekundy (10-18 sekund) zachodzi niezwykły efekt kwantowy, a wzór chemiczny zamiast tego woda H2O, staje się H1.5O!

5. Pamięć wody

Alternatywny oficjalna medycyna homeopatia stwierdza, że rozcieńczony roztwór produkt leczniczy może działać leczniczo na organizm, nawet jeśli współczynnik rozcieńczenia jest tak duży, że w roztworze nie pozostaje nic poza cząsteczkami wody. Zwolennicy homeopatii wyjaśniają ten paradoks pojęciem zwanym „ pamięć wody”, zgodnie z którym woda na poziomie molekularnym ma „pamięć” substancji raz w niej rozpuszczonej i zachowuje właściwości roztworu o początkowym stężeniu, gdy nie pozostanie w nim ani jedna cząsteczka składnika.

Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez profesor Madeleine Ennis z Queen's University w Belfaście, która krytykowała zasady homeopatii, przeprowadził w 2002 roku eksperyment, aby raz na zawsze obalić tę koncepcję. Rezultat był odwrotny. Następnie naukowcy powiedzieli, że udało im się udowodnić rzeczywistość efektu ” pamięć wody". Eksperymenty prowadzone pod okiem niezależnych ekspertów nie przyniosły jednak rezultatów. Spory o istnienie zjawiska” pamięć wody" Kontynuować.

Woda ma wiele innych niezwykłych właściwości, których nie omówiliśmy w tym artykule. Na przykład gęstość wody zmienia się wraz z temperaturą (gęstość lodu jest mniejsza niż gęstość wody); woda ma dość duże napięcie powierzchniowe; w stanie ciekłym woda jest złożoną i dynamicznie zmieniającą się siecią skupisk wody i to właśnie zachowanie skupisk wpływa na strukturę wody itp.

O tych i wielu innych nieoczekiwanych funkcjach woda można przeczytać w artykule Anomalne właściwości wody”, którego autorem jest Martin Chaplin, profesor Uniwersytetu Londyńskiego.

To, która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, zależy od wielu czynników, ale samo pytanie wydaje się trochę dziwne. Rozumie się i wiadomo z fizyki, że gorąca woda potrzebuje jeszcze czasu, aby ostygnąć do temperatury porównywalnej zimnej wody, aby zamienić się w lód. Zimna woda może pominąć ten etap i odpowiednio wygrywa na czas.

Ale odpowiedź na pytanie, która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca - na ulicy w mrozie, zna każdy mieszkaniec północnych szerokościach geograficznych. W rzeczywistości okazuje się naukowo, że w każdym razie zimna woda musi po prostu szybciej zamarzać.

Podobnie nauczyciel fizyki, do którego w 1963 roku zwrócił się uczeń Erasto Mpemba z prośbą o wyjaśnienie, dlaczego zimna mieszanka przyszłych lodów zamarza dłużej niż podobna, ale gorąca.

„To nie jest fizyka świata, ale jakaś fizyka Mpemba”

W tym czasie nauczyciel tylko się z tego śmiał, ale Deniss Osborne, profesor fizyki, który kiedyś chodził do tej samej szkoły, w której studiował Erasto, eksperymentalnie potwierdził istnienie takiego efektu, chociaż wtedy nie było na to wyjaśnienia . W 1969 roku w popularnym czasopiśmie naukowym opublikowano wspólny artykuł dwóch mężczyzn, którzy opisali ten osobliwy efekt.

Od tego czasu, nawiasem mówiąc, pytanie, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna, ma swoją własną nazwę - efekt, czyli paradoks, Mpemba.

Pytanie krąży od dłuższego czasu

Oczywiście takie zjawisko miało miejsce już wcześniej i zostało wspomniane w pracach innych naukowców. Nie tylko uczeń był zainteresowany tym pytaniem, ale także Rene Descartes, a nawet Arystoteles kiedyś o tym myśleli.

Oto tylko podejścia do rozwiązania tego paradoksu zaczęto szukać dopiero pod koniec XX wieku.

Warunki wystąpienia paradoksu

Podobnie jak w przypadku lodów, podczas eksperymentu nie tylko zwykła woda zamarza. Muszą zaistnieć pewne warunki, aby można było spierać się, która woda zamarza szybciej – zimna czy gorąca. Co wpływa na ten proces?

Teraz, w XXI wieku, zaproponowano kilka opcji, które mogą wyjaśnić ten paradoks. Która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, może zależeć od tego, że ma większą szybkość parowania niż zimna woda. W ten sposób zmniejsza się jego objętość, a wraz ze spadkiem objętości czas zamrażania staje się krótszy, niż gdybyśmy wzięli podobną początkową objętość zimnej wody.

Zamrażarka była dawno rozmrożona

Na to, która woda zamarza szybciej i dlaczego tak się dzieje, może mieć wpływ pokrywa śnieżna, która może znajdować się w zamrażarce lodówki użytej do eksperymentu. Jeśli weźmiesz dwa pojemniki o identycznej objętości, ale jeden z nich będzie miał gorącą wodę, a drugi zimną wodę, pojemnik z gorącą wodą stopi śnieg pod spodem, poprawiając w ten sposób kontakt poziomu termicznego ze ścianą lodówki. Zbiornik zimnej wody nie może tego zrobić. Jeśli w lodówce nie ma takiej wyściółki ze śniegiem, zimna woda powinna zamarzać szybciej.

Góra dół

Również zjawisko, którego woda zamarza szybciej - gorąca lub zimna, jest wyjaśnione w następujący sposób. Zgodnie z pewnymi prawami zimna woda zaczyna zamarzać górne warstwy jak jest gorąco to odwrotnie - zaczyna zamarzać od dołu do góry. Jednocześnie okazuje się, że zimna woda, mająca na wierzchu zimną warstwę z już powstałym miejscami lodem, upośledza tym samym procesy konwekcji i promieniowanie cieplne, wyjaśniając w ten sposób, która woda zamarza szybciej - zimna lub gorąca. W załączeniu zdjęcie z amatorskich eksperymentów, a tu wyraźnie widać.

Ciepło wychodzi, kierując się w górę, i tam spotyka bardzo chłodną warstwę. Nie ma swobodnej drogi dla promieniowania cieplnego, więc proces chłodzenia staje się utrudniony. Ciepła woda absolutnie nie ma takich barier na swojej drodze. Która zamarza szybciej - zimna czy gorąca, od czego zależy prawdopodobny wynik, możesz rozszerzyć odpowiedź, mówiąc, że w każdej wodzie rozpuszczone są określone substancje.

Zanieczyszczenia w składzie wody jako czynnik wpływający na wynik

Jeśli nie oszukujesz i używasz wody o tym samym składzie, w której stężenia niektórych substancji są identyczne, to zimna woda powinna szybciej zamarzać. Ale jeśli sytuacja ma miejsce, gdy rozpuszcza pierwiastki chemiczne dostępne tylko w ciepłej wodzie, podczas gdy zimna woda ich nie ma, to istnieje możliwość wcześniejszego zamarznięcia ciepłej wody. Wyjaśnia to fakt, że substancje rozpuszczone w wodzie tworzą centra krystalizacji, a przy niewielkiej liczbie tych centrów przemiana wody w stan stały jest trudna. Możliwe jest nawet przechłodzenie wody w tym sensie, że w temperaturach poniżej zera będzie ona w stanie ciekłym.

Ale wszystkie te wersje najwyraźniej nie odpowiadały naukowcom do końca i kontynuowali pracę nad tym problemem. W 2013 roku zespół naukowców z Singapuru powiedział, że rozwiązał odwieczną zagadkę.

Grupa chińskich naukowców twierdzi, że tajemnica tego efektu tkwi w ilości energii magazynowanej między cząsteczkami wody w jej wiązaniach, zwanych wiązaniami wodorowymi.

Odpowiedź chińskich naukowców

Nastąpią dalsze informacje, dla zrozumienia których konieczna jest pewna wiedza chemiczna, aby dowiedzieć się, która woda zamarza szybciej - gorąca lub zimna. Jak wiesz, składa się z dwóch atomów H (wodoru) i jednego atomu O (tlenu), połączonych wiązaniami kowalencyjnymi.

Ale atomy wodoru jednej cząsteczki są również przyciągane do sąsiednich cząsteczek, do ich składnika tlenu. Wiązania te nazywane są wiązaniami wodorowymi.

Jednocześnie warto pamiętać, że jednocześnie cząsteczki wody działają na siebie odpychająco. Naukowcy zauważyli, że gdy woda jest podgrzewana, zwiększa się odległość między jej cząsteczkami, co ułatwiają siły odpychające. Okazuje się, że zajmując jedną odległość między cząsteczkami w stanie zimnym, można powiedzieć, że się rozciągają i mają większy zapas energii. To ta rezerwa energii jest uwalniana, gdy cząsteczki wody zaczynają się do siebie zbliżać, to znaczy następuje ochłodzenie. Okazuje się, że większy zapas energii w wodzie gorącej i większe jej uwalnianie po schłodzeniu do temperatur poniżej zera następuje szybciej niż w wodzie zimnej, która ma mniejszy zapas takiej energii. Więc która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca? Na ulicy iw laboratorium powinien wystąpić paradoks Mpemba, a gorąca woda powinna szybciej zamieniać się w lód.

Ale pytanie jest nadal otwarte

Istnieje tylko teoretyczne potwierdzenie tej wskazówki - wszystko to jest zapisane w pięknych formułach i wydaje się prawdopodobne. Ale kiedy dane eksperymentalne, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna, zostaną przedstawione w sensie praktycznym, a ich wyniki zostaną przedstawione, wtedy można będzie uznać kwestię paradoksu Mpemby za zamkniętą.

Efekt Mpemby(paradoks Mpemba) - paradoks polegający na tym, że woda gorąca w pewnych warunkach zamarza szybciej niż woda zimna, chociaż w procesie zamarzania musi przekroczyć temperaturę wody zimnej. Ten paradoks jest eksperymentalnym faktem, który przeczy zwykłym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach ciało cieplejsze potrzebuje więcej czasu, aby ostygnąć do określonej temperatury, niż ciało chłodniejsze, aby ochłodzić się do tej samej temperatury.

Erasto Mpemba był uczniem Magambin High School w Tanzanii, wykonując praktyczne prace kuchenne. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, schłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był szczególnie pilnym uczniem i zwlekał z wykonaniem pierwszej części zadania. Obawiając się, że nie zdąży do końca lekcji, włożył jeszcze gorące mleko do lodówki. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według danej technologii.

Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas, w którym ciało ochładza się do temperatury otoczenia, musi być proporcjonalny do różnicy temperatur między tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W ten sam sposób woda o temperaturze 100°C schładza się do 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Jednak nie oznacza to jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można również wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby:

Odparowanie

różnica temperatur

Ze względu na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa - stąd wymiana ciepła w tym przypadku jest bardziej intensywna i gorąca woda szybciej się ochładza.

hipotermia

Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie eliminuje rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako centra tworzenia się kryształków lodu.

Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, zachodzi następująca sytuacja. W takim przypadku na powierzchni naczynia utworzy się cienka warstwa lodu. Ta warstwa lodu będzie działać jako izolator między wodą a zimnym powietrzem i zapobiegnie dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia kryształków lodu w tym przypadku będzie mniejsza. W przypadku przechłodzonej wody gorącej woda przechłodzona nie posiada powierzchniowej warstwy ochronnej lodu. W związku z tym znacznie szybciej traci ciepło przez otwartą górę.

Kiedy proces przechłodzenia się kończy i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, a zatem tworzy się więcej lodu.

Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.

Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, podczas gdy gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.

W przypadku ciepłej wody sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Powierzchniowa warstwa wody ochładza się szybciej z powodu parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, podnosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury.

Ale dlaczego ten proces nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z tego punktu widzenia konwekcji, należałoby przyjąć, że warstwy zimnej i gorącej wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji trwa nadal po spadku średniej temperatury wody poniżej 4 C.

Jednak nie ma eksperymentalnych dowodów na poparcie tej hipotezy, że zimne i gorące warstwy wody są oddzielone przez konwekcję.

gazy rozpuszczone w wodzie

Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy - tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Gdy woda jest podgrzewana, gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie w wysokiej temperaturze jest mniejsza. Dlatego, gdy gorąca woda jest schładzana, zawsze jest w niej mniej rozpuszczonych gazów niż w nieogrzewanej zimnej wodzie. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Czynnik ten jest czasami uważany za główny w wyjaśnianiu efektu Mpemby, chociaż nie ma danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt.

Przewodność cieplna

Wszystkie te (jak również inne) warunki były badane w wielu eksperymentach, ale nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają 100% odtworzenie efektu Mpemby.

Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzenia, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a więc szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzenia szybciej niż gorąca woda, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie.

Jak dotąd można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu zależy zasadniczo od warunków, w jakich przeprowadza się eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.

OV Mosin

Literackiźródła:

„Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Dlaczego tak się dzieje?”, Jearl Walker w The Amateur Scientist, Scientific American, tom. 237, nr. 3, s. 246-257; wrzesień 1977.

„Zamrażanie ciepłej i zimnej wody”, G.S. Kell w American Journal of Physics, tom. 37, nie. 5, s. 564-565; maj 1969.

„Przechłodzenie i efekt Mpemby”, David Auerbach, w American Journal of Physics, tom. 63, nie. 10, s. 882-885; październik 1995 r.

„Efekt Mpemby: czasy zamarzania ciepłej i zimnej wody”, Charles A. Knight, w American Journal of Physics, tom. 64, nr. 5, s. 524; maj 1996.

Budujemy drewniany dom. Portal informacyjny