Witam drodzy miłośnicy ciekawostek. Dzisiaj porozmawiamy o. Myślę jednak, że pytanie postawione w tytule może wydawać się po prostu absurdalne – ale czy zawsze trzeba całkowicie ufać osławionemu „zdrowemu rozsądkowi”, a nie ściśle ustalonemu doświadczeniu testowemu. Spróbujmy dowiedzieć się, dlaczego gorąca woda Zamraża szybciej niż zimno

Odniesienie historyczne

O tym, że w kwestii zamrażania zimnej i ciepłej wody „nie wszystko jest czyste” wspominał już Arystoteles, następnie podobne uwagi poczynili F. Bacon, R. Descartes i J. Black. W niedawna historia Efektowi temu nadano nazwę „Mpemba paradox” – od imienia ucznia z Tanganiki, Erasto Mpemby, który zadał to samo pytanie wizytującemu profesorowi fizyki.

Pytanie chłopca nie padło puste miejsce, ale z czysto osobistych obserwacji procesu schładzania mieszanek lodowych w kuchni. Oczywiście obecni tam koledzy z klasy wraz z nauczycielem śmiali się z Mpemby - jednak po eksperymentalnym sprawdzeniu osobiście przez profesora D. Osborne'a chęć wyśmiania Erasto z nich „wyparowała”. Ponadto Mpemba wraz z profesorem opublikowali szczegółowy opis tego efektu w 1969 roku w Physics Education - i od tego czasu powyższa nazwa utrwaliła się w literaturze naukowej.

Jaka jest istota zjawiska?

Układ eksperymentu jest dość prosty: przy innych parametrach testuje się identyczne cienkościenne naczynia, w których znajdują się ściśle równe ilości wody, różniące się jedynie temperaturą. Naczynia są ładowane do lodówki, po czym rejestrowany jest czas przed utworzeniem się lodu w każdym z nich. Paradoks polega na tym, że w naczyniu z początkowo cieplejszą cieczą dzieje się to szybciej.

Jak współczesna fizyka to wyjaśnia?

Paradoks nie ma uniwersalnego wytłumaczenia, ponieważ równolegle przebiega kilka równoległych procesów, których wkład może różnić się od określonych warunków początkowych – ale z jednakowym skutkiem:

• zdolność cieczy do przechłodzenia - początkowo zimna woda bardziej podatne na hipotermię, tj. pozostaje płynny, gdy jego temperatura jest już poniżej punktu zamarzania
• przyspieszone chłodzenie - para z gorącej wody zamieniana jest w mikrokryształki lodu, które cofając się przyspieszają proces, działając jako dodatkowy „zewnętrzny wymiennik ciepła”
• efekt izolacji - w przeciwieństwie do ciepłej wody, zimna woda zamarza od góry, co prowadzi do zmniejszenia wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie

Istnieje szereg innych wyjaśnień (ostatni raz konkurs na najlepszą hipotezę zorganizowało niedawno Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemii, w 2012 r.) - ale wciąż nie ma jednoznacznej teorii dla wszystkich przypadków kombinacji warunków wejściowych...

Wydaje się jasne, że zimna woda zamarza szybciej niż gorąca, ponieważ w równych warunkach gorąca woda potrzebuje więcej czasu na schłodzenie, a następnie zamarznięcie. Jednak tysiące lat obserwacji, a także współczesne eksperymenty wykazały, że jest też odwrotnie: w pewnych warunkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Kanał naukowy Sciencium wyjaśnia to zjawisko:

Jak wyjaśniono w powyższym filmie, zjawisko, w którym gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, znane jest jako efekt Mpemby, nazwany tak na cześć Erasto Mpemby, studenta z Tanzanii, który w 1963 r. szkolny projekt. Uczniowie musieli doprowadzić mieszaninę śmietanki i cukru do wrzenia, ostudzić, a następnie włożyć do zamrażarki.

Zamiast tego Erasto od razu nastawił swoją miksturę na gorąco, nie czekając, aż ostygnie. W rezultacie po 1,5 godziny jego mieszanka była już zamrożona, ale mieszanki innych uczniów nie. Zaintrygowany tym zjawiskiem, Mpemba zaczął studiować ten problem z profesorem fizyki Denisem Osbornem, aw 1969 roku opublikowali artykuł, w którym stwierdzono, że ciepła woda zamarza szybciej niż zimna. Było to pierwsze tego rodzaju recenzowane badanie, ale samo zjawisko jest wspomniane w artykułach Arystotelesa z IV wieku pne. mi. Francis Bacon i Kartezjusz również odnotowali to zjawisko w swoich badaniach.

Film zawiera kilka opcji wyjaśnienia, co się dzieje:

1. Mróz jest dielektrykiem, dlatego mroźna zimna woda lepiej magazynuje ciepło niż ciepłe szkło, które w kontakcie z nim topi lód.
2. Zimna woda ma więcej rozpuszczonych gazów niż ciepła woda, a naukowcy spekulują, że może to odgrywać rolę w szybkości chłodzenia, chociaż nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób.
3. Gorąca woda traci więcej cząsteczek wody poprzez parowanie, pozostawiając mniej cząsteczek do zamrożenia
4. Ciepła woda może ostygnąć szybciej z powodu zwiększonych prądów konwekcyjnych. Prądy te występują, ponieważ woda w szkle najpierw ochładza się na powierzchni i bokach, powodując opadanie zimnej wody i podnoszenie się wody gorącej. W ciepłym szkle prądy konwekcyjne są bardziej aktywne, co może wpływać na szybkość chłodzenia.

Jednak w 2016 roku przeprowadzono dokładnie kontrolowane badanie, które wykazało coś przeciwnego: gorąca woda zamarzała znacznie wolniej niż zimna woda. Jednocześnie naukowcy zauważyli, że zmiana położenia termopary – urządzenia określającego różnice temperatur – o zaledwie centymetr prowadzi do pojawienia się efektu Mpemby. Badanie innej podobnej pracy wykazało, że we wszystkich przypadkach, w których zaobserwowano ten efekt, nastąpiło przemieszczenie termopary w granicach centymetra.

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.

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 Liceum Mkvava, zapytał profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły do ​​wygłoszenia wykładu z fizyki dla studentów) o wodę: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą objętością wody, tak aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim - 100°C, i włożysz je do zamrażarki, to 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 wpływie skroplonych gazów na wodę w różnych temperaturach.

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 zimna woda, który nie jest przechłodzony, 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 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 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 utworzy się cienka warstwa lodu, ale ta warstwa lodu będzie służyć jako izolator chroniący dolne warstwy wody, które pozostaną w temperaturze 4 C. W związku z tym dalsze chłodzenie będzie wolniejsze.

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 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 zamrażarce. komora chłodziarki 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 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.

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, rozpuszczone w niej gazy są usuwane, a gdy jest gotowana, wytrącają się niektóre rozpuszczone w niej sole.

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.

Chemia była jednym z moich ulubionych przedmiotów w szkole. Kiedyś nauczyciel chemii dał nam bardzo dziwne i trudne zadanie. Dał nam listę pytań, na które musieliśmy odpowiedzieć z chemii. Dostaliśmy na to zadanie kilka dni i pozwolono nam korzystać z bibliotek i innych dostępnych źródeł informacji. Jedno z tych pytań dotyczyło punktu zamarzania wody. Nie pamiętam dokładnie, jak brzmiało pytanie, ale pytanie brzmiało, że jeśli weźmiesz dwa drewniane wiadra tej samej wielkości, jedno z gorącą wodą, drugie z zimną wodą (o dokładnie określonej temperaturze) i umieścisz je w środowisku o określonej temperaturze, które z nich zamarznie szybciej? Oczywiście odpowiedź od razu sama się nasunęła – kubeł zimnej wody, ale wydawało nam się to zbyt proste. Ale to nie wystarczyło, aby udzielić pełnej odpowiedzi, musieliśmy to udowodnić z chemicznego punktu widzenia. Pomimo całego mojego myślenia i badań, nie mogłem wyciągnąć logicznego wniosku. Tego dnia postanowiłem nawet pominąć tę lekcję, więc nigdy nie odkryłem rozwiązania tej zagadki.

Lata mijały, a ja poznałem wiele codziennych mitów na temat temperatury wrzenia i zamarzania wody, a jeden mit głosił: „gorąca woda szybciej zamarza”. Przeglądałem wiele stron internetowych, ale informacje były zbyt sprzeczne. A były to tylko opinie, nieuzasadnione z punktu widzenia nauki. I zdecydowałem się wziąć własne doświadczenie. Ponieważ nie mogłem znaleźć drewnianych wiader, użyłem zamrażarka, kuchenkę, trochę wody i termometr cyfrowy. O wynikach mojego doświadczenia opowiem nieco później. Najpierw podzielę się z Wami kilkoma ciekawymi argumentami na temat wody:

Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Większość ekspertów twierdzi, że zimna woda zamarza szybciej niż gorąca. Ale jedno zabawne zjawisko (tzw. efekt Memby), z nieznanych przyczyn, dowodzi czegoś przeciwnego: gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Jednym z kilku wyjaśnień jest proces parowania: jeśli bardzo gorąca woda zostanie umieszczona w zimnym otoczeniu, woda zacznie parować (pozostała ilość wody szybciej zamarznie). A zgodnie z prawami chemii to wcale nie jest mit i najprawdopodobniej właśnie to chciał od nas usłyszeć nauczyciel.

Przegotowana woda szybciej zamarza woda z kranu. Pomimo wcześniejszych wyjaśnień, niektórzy eksperci twierdzą, że gotowana woda, schłodzone do temperatury pokojowej, powinno szybciej zamarzać, ponieważ w wyniku wrzenia zmniejsza się ilość tlenu.

Zimna woda gotuje się szybciej niż gorąca. Jeśli gorąca woda zamarza szybciej, zimna woda może się szybciej zagotować! Jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, a naukowcy twierdzą, że tak po prostu nie może być. Gorąca woda z kranu powinna faktycznie gotować się szybciej niż zimna woda. Ale używając gorącej wody do gotowania, nie oszczędzasz energii. Możesz zużyć mniej gazu lub prądu, ale podgrzewacz wody zużyje taką samą ilość energii, jaka jest potrzebna do podgrzania zimnej wody. (Z energia słoneczna sprawa wygląda trochę inaczej). W wyniku podgrzewania wody za pomocą podgrzewacza wody może tworzyć się osad, przez co woda będzie się dłużej nagrzewać.

Jeśli dodasz sól do wody, zagotuje się szybciej. Sól podnosi temperaturę wrzenia (a co za tym idzie obniża temperaturę zamarzania - dlatego niektóre gospodynie domowe dodają trochę soli kamiennej do lodów). Ale w tym przypadku interesuje nas inne pytanie: jak długo woda będzie się gotować i czy temperatura wrzenia w tym przypadku może wzrosnąć powyżej 100 ° C). Wbrew temu, co mówią książki kucharskie, naukowcy twierdzą, że ilość soli, którą dodajemy do wrzącej wody, nie jest wystarczająca, aby wpłynąć na czas lub temperaturę wrzenia.

Ale oto co mam:

Zimna woda: Użyłem trzech szklanych zlewek o pojemności 100 ml z oczyszczoną wodą: jedna szklanka o temperaturze pokojowej (72°F/22°C), jedna z gorącą wodą (115°F/46°C) i jedna z przegotowaną wodą (212°F/100°C). Włożyłem wszystkie trzy szklanki do zamrażarki w temperaturze -18°C. A ponieważ wiedziałem, że woda nie zamieni się od razu w lód, stopień zamarznięcia określałem za pomocą „drewnianego pływaka”. Kiedy patyk umieszczony na środku szklanki nie dotykał już dna, sądziłem, że woda zamarzła. Sprawdzałem okulary co pięć minut. A jakie mam wyniki? Woda w pierwszej szklance zamarzła po 50 minutach. Ciepła woda zamarzła po 80 minutach. Gotowane - po 95 minutach. Moje wnioski: Biorąc pod uwagę warunki panujące w zamrażarce i użytą wodę nie udało mi się odtworzyć efektu Memby.

Próbowałem również tego eksperymentu z wcześniej przegotowaną wodą schłodzoną do temperatury pokojowej. Zamarzło w 60 minut - nadal trwało dłużej niż zamarzanie zimnej wody.

Przegotowana woda: Wziąłem litr wody o temperaturze pokojowej i podpaliłem. Gotowała się w 6 minut. Następnie ponownie schłodziłam do temperatury pokojowej i dodałam do gorącego. Przy tym samym ogniu gorąca woda gotowała się w 4 godziny i 30 minut. Wniosek: zgodnie z oczekiwaniami gorąca woda gotuje się znacznie szybciej.

Przegotowana woda (z solą): do 1 litra wody dodałam 2 duże łyżki soli kuchennej. Gotował się w 6 minut 33 sekundy i jak pokazał termometr osiągnął temperaturę 102°C. Niewątpliwie sól wpływa na temperaturę wrzenia, ale niewiele. Wniosek: sól w wodzie nie ma większego wpływu na temperaturę i czas wrzenia. Przyznam szczerze, że moją kuchnię trudno nazwać laboratorium i być może moje wnioski mijają się z rzeczywistością. Moja zamrażarka może zamrażać żywność nierównomiernie. Moje szklane okulary mogą być nieregularny kształt, itp. Ale cokolwiek dzieje się w laboratorium, kiedy rozmawiamy o o zamrażaniu lub gotowaniu wody w kuchni, najważniejszy jest zdrowy rozsądek.

łącze z interesujące fakty o wodzie wszystko o wodzie
jak sugerowano na forum forum.ixbt.com, efekt ten (efekt szybszego zamrażania ciepłej wody niż zimnej wody) nazywa się „efektem Arystotelesa-Mpemby”

Te. woda przegotowana (schłodzona) zamarza szybciej niż „surowa”

21.11.2017 11.10.2018 Aleksander Firtsew

« Która woda zamarza szybciej, zimna czy gorąca?”- spróbuj zadać pytanie znajomym, najprawdopodobniej większość z nich odpowie, że zimna woda zamarza szybciej - i popełni błąd.

W rzeczywistości, jeśli jednocześnie umieścisz w zamrażarce dwa naczynia o tym samym kształcie i objętości, z których jeden będzie zawierał zimną wodę, a drugi gorącą, wówczas gorąca woda zamarznie szybciej.

Takie stwierdzenie może wydawać się absurdalne i nieuzasadnione. Logicznie rzecz biorąc, gorąca woda musi najpierw ostygnąć do niskiej temperatury, a zimna woda powinna już w tym czasie zamienić się w lód.

Dlaczego więc gorąca woda wyprzedza zimną wodę na drodze do zamarznięcia? Spróbujmy to rozgryźć.

Historia obserwacji i badań

Ludzie obserwowali ten paradoksalny efekt od czasów starożytnych, ale nikt nie przywiązywał do niego większej wagi. Tak więc niespójności w szybkości zamrażania zimnej i gorącej wody odnotowali w swoich notatkach Arestotel, a także Rene Descartes i Francis Bacon. Niezwykłe zjawisko często objawiało się w życiu codziennym.

Przez długi czas zjawisko to nie było w żaden sposób badane i nie budziło większego zainteresowania wśród naukowców.

Badanie niezwykłego efektu rozpoczęło się w 1963 roku, kiedy dociekliwy student z Tanzanii, Erasto Mpemba, zauważył, że gorące mleko do lodów zamarza szybciej niż zimne. Mając nadzieję na wyjaśnienie przyczyn niezwykłego efektu, młody człowiek zapytał swojego nauczyciela fizyki w szkole. Jednak nauczyciel tylko się z niego śmiał.

Później Mpemba powtórzył eksperyment, ale w swoim eksperymencie nie używał już mleka, ale wodę, a paradoksalny efekt powtórzył się ponownie.

Sześć lat później, w 1969 roku, Mpemba zadał to pytanie profesorowi fizyki Dennisowi Osborne'owi, który przyszedł do jego szkoły. Profesor zainteresował się obserwacją młodego człowieka, w wyniku czego przeprowadzono eksperyment, który potwierdził obecność efektu, ale nie ustalono przyczyn tego zjawiska.

Od tego czasu zjawisko to nosi nazwę Efekt Mpemby.

W całej historii obserwacji naukowych wysunięto wiele hipotez dotyczących przyczyn tego zjawiska.

Tak więc w 2012 roku Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemii ogłosiło konkurs na hipotezy wyjaśniające efekt Mpemby. W konkursie brali udział naukowcy z całego świata, łącznie zarejestrowano 22 tys prace naukowe. Mimo tak imponującej liczby artykułów żaden z nich nie wyjaśnił paradoksu Mpemby.

Najpopularniejsza wersja była taka, że ​​gorąca woda zamarza szybciej, ponieważ po prostu szybciej odparowuje, zmniejsza się jej objętość, a wraz ze spadkiem objętości wzrasta szybkość jej chłodzenia. Najbardziej powszechna wersja została ostatecznie obalona, ​​​​ponieważ przeprowadzono eksperyment, w którym wykluczono parowanie, ale mimo to efekt został potwierdzony.

Inni naukowcy uważali, że przyczyną efektu Mpemba jest parowanie gazów rozpuszczonych w wodzie. Ich zdaniem podczas procesu ogrzewania gazy rozpuszczone w wodzie odparowują, dzięki czemu zyskuje ona więcej duża gęstość niż zimno. Jak wiadomo, wzrost gęstości prowadzi do zmiany właściwości fizyczne wody (wzrost przewodności cieplnej), a tym samym zwiększyć szybkość chłodzenia.

Ponadto wysunięto szereg hipotez opisujących szybkość cyrkulacji wody w funkcji temperatury. W wielu badaniach podjęto próbę ustalenia zależności między materiałem pojemników, w których znajdowała się ciecz. Wiele teorii wydawało się bardzo prawdopodobnych, ale nie można było ich naukowo potwierdzić z powodu braku danych początkowych, sprzeczności w innych eksperymentach lub z powodu faktu, że zidentyfikowane czynniki po prostu nie były porównywalne z szybkością chłodzenia wody. Niektórzy naukowcy w swoich pracach kwestionowali istnienie efektu.

W 2013 roku naukowcy z Politechnika Nanyang w Singapurze twierdził, że rozwiązał zagadkę efektu Mpemba. Według ich badań, przyczyna tego zjawiska leży w tym, że ilość energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych między cząsteczkami zimnej i gorącej wody znacznie się różni.

Symulacyjne metody komputerowe dały następujące wyniki: im wyższa temperatura wody, tym większa odległość między cząsteczkami ze względu na wzrost sił odpychania. W konsekwencji wiązania wodorowe cząsteczek są rozciągnięte, magazynując więcej energii. Po schłodzeniu cząsteczki zaczynają zbliżać się do siebie, uwalniając energię z wiązań wodorowych. W tym przypadku uwolnieniu energii towarzyszy spadek temperatury.

W październiku 2017 r. hiszpańscy fizycy w trakcie kolejnych badań odkryli, że to właśnie wyprowadzenie materii z równowagi (mocne nagrzanie przed silnym ochłodzeniem) odgrywa dużą rolę w powstawaniu efektu. Określili warunki, w których prawdopodobieństwo wystąpienia efektu jest maksymalne. Ponadto naukowcy z Hiszpanii potwierdzili istnienie odwrotnego efektu Mpemby. Odkryli, że po podgrzaniu może dotrzeć zimniejsza próbka wysoka temperatura szybciej niż ciepło.

Pomimo wyczerpujących informacji i licznych eksperymentów naukowcy zamierzają kontynuować badanie tego efektu.

Efekt Mpemby w prawdziwym życiu

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się dlaczego zimowy czas Czy lodowisko jest wypełnione gorącą wodą zamiast zimną wodą? Jak już zrozumiałeś, robią to, ponieważ lodowisko wypełnione gorącą wodą zamarza szybciej niż gdyby było wypełnione zimną wodą. Z tego samego powodu zjeżdżalnie w zimowych lodowych miastach są zalewane gorącą wodą.

Tym samym wiedza o istnieniu zjawiska pozwala ludziom zaoszczędzić czas na przygotowywanie stanowisk zimowe widoki Sporty.

Ponadto efekt Mpemba jest czasem wykorzystywany w przemyśle – w celu skrócenia czasu zamarzania produktów, substancji i materiałów zawierających wodę.