कौन सा पानी तेजी से बर्फ में बदलेगा। गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है? Mpemba प्रभाव। आधुनिक भौतिकी इसे कैसे समझाती है

1963 में, तंजानिया के एरास्टो मपेम्बा नाम के एक छात्र ने अपने शिक्षक से एक बेवकूफी भरा सवाल पूछा - ठंडी आइसक्रीम की तुलना में गर्म आइसक्रीम उसके फ्रीजर में तेजी से क्यों जमती है?

मगंबिंस्काया के छात्र के रूप में उच्च विद्यालयतंजानिया में, एरास्टो मपेम्बा ने किया व्यावहारिक कार्यखाना पकाने पर। उसे घर का बना आइसक्रीम बनाने की जरूरत थी - दूध उबालें, उसमें चीनी घोलें, उसे कमरे के तापमान पर ठंडा करें और फिर उसे जमने के लिए फ्रिज में रख दें। जाहिर है, Mpemba विशेष रूप से मेहनती छात्र नहीं था और उसने असाइनमेंट के पहले भाग को पूरा करने में देरी की। इस डर से कि पाठ के अंत तक वह समय पर नहीं पहुंचेगा, उसने ठंडा दूध फ्रिज में रख दिया। उनके आश्चर्य के लिए, यह उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया, जो एक दी गई तकनीक के अनुसार तैयार किया गया था।

उन्होंने स्पष्टीकरण के लिए भौतिकी के शिक्षक की ओर रुख किया, लेकिन उन्होंने केवल निम्नलिखित कहते हुए छात्र पर हँसे: "यह विश्व भौतिकी नहीं है, बल्कि मपेम्बा की भौतिकी है।" उसके बाद, Mpemba ने न केवल दूध के साथ, बल्कि साधारण पानी के साथ भी प्रयोग किया।

किसी भी मामले में, पहले से ही मकवावा हाई स्कूल के छात्र के रूप में, उन्होंने डार एस सलाम में यूनिवर्सिटी कॉलेज के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न से पूछा (छात्रों को भौतिकी पर व्याख्यान देने के लिए प्रधानाध्यापक द्वारा आमंत्रित) विशेष रूप से पानी के बारे में: "यदि हम दो लेते हैं समान मात्रा में पानी के साथ समान कंटेनर ताकि उनमें से एक में पानी का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस हो, और दूसरे में - 100 डिग्री सेल्सियस, और उन्हें फ्रीजर में रख दें, फिर दूसरे में पानी तेजी से जम जाएगा। क्यों?" ओसबोर्न को इस मुद्दे में दिलचस्पी हो गई और जल्द ही 1969 में उन्होंने और मपेम्बा ने अपने प्रयोगों के परिणामों को भौतिकी शिक्षा पत्रिका में प्रकाशित किया। तब से, उन्होंने जो प्रभाव खोजा, उसे Mpemba प्रभाव कहा जाता है।

क्या आप यह जानने के लिए उत्सुक हैं कि ऐसा क्यों हो रहा है? कुछ साल पहले, वैज्ञानिक इस घटना की व्याख्या करने में कामयाब रहे ...

Mpemba effect (Mpemba paradox) एक विरोधाभास है जिसमें कहा गया है कि कुछ शर्तों के तहत गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है, हालांकि इसे ठंड की प्रक्रिया के दौरान ठंडे पानी के तापमान को पार करना होगा। यह विरोधाभास एक प्रायोगिक तथ्य है जो सामान्य अवधारणाओं का खंडन करता है, जिसके अनुसार, समान परिस्थितियों में, एक निश्चित तापमान को ठंडा करने के लिए एक अधिक गर्म शरीर को उसी तापमान पर ठंडा करने के लिए कम गर्म शरीर की तुलना में अधिक समय लगता है।

इस घटना को उनके समय में अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने देखा था। अब तक, कोई नहीं जानता कि इस अजीब प्रभाव को कैसे समझाया जाए। वैज्ञानिकों के पास एक भी संस्करण नहीं है, हालांकि कई हैं। यह सब गर्म और ठंडे पानी के गुणों में अंतर के बारे में है, लेकिन यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि इस मामले में कौन से गुण भूमिका निभाते हैं: सुपरकूलिंग, वाष्पीकरण, बर्फ गठन, संवहन, या पानी पर तरलीकृत गैसों के प्रभाव में अंतर विभिन्न तापमान। Mpemba प्रभाव का विरोधाभास वह समय है जिसके दौरान शरीर एक तापमान तक ठंडा हो जाता है वातावरण, इस शरीर और पर्यावरण के बीच तापमान के अंतर के समानुपाती होना चाहिए। यह नियम न्यूटन द्वारा स्थापित किया गया था और तब से व्यवहार में कई बार इसकी पुष्टि की गई है। इस प्रभाव में, 100 डिग्री सेल्सियस के तापमान वाला पानी 35 डिग्री सेल्सियस के तापमान वाले पानी की समान मात्रा की तुलना में 0 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक तेजी से ठंडा हो जाता है।

तब से, विभिन्न संस्करणों को व्यक्त किया गया है, जिनमें से एक इस प्रकार लग रहा था: गर्म पानी का हिस्सा पहले बस वाष्पित हो जाता है, और फिर, जब कम होता है, तो पानी तेजी से जम जाता है। यह संस्करण, इसकी सादगी के कारण, सबसे लोकप्रिय हो गया, लेकिन वैज्ञानिक पूरी तरह से संतुष्ट नहीं थे।

अब शोधकर्ताओं की एक टीम तकनीकी विश्वविद्यालयरसायनज्ञ शी झांग के नेतृत्व में सिंगापुर में नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी ने कहा कि उन्होंने सदियों पुराने रहस्य को सुलझा लिया है कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है। जैसा कि चीनी विशेषज्ञों ने पाया है, रहस्य पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा में निहित है।

जैसा कि आप जानते हैं, पानी के अणु एक ऑक्सीजन परमाणु और दो हाइड्रोजन परमाणुओं से मिलकर बने होते हैं सहसंयोजक बांड, जो कण स्तर पर इलेक्ट्रॉनों के आदान-प्रदान की तरह दिखता है। एक और ज्ञात तथ्यइस तथ्य में शामिल हैं कि हाइड्रोजन परमाणु पड़ोसी अणुओं से ऑक्सीजन परमाणुओं की ओर आकर्षित होते हैं - इस मामले में हाइड्रोजन बांड बनते हैं।

इसी समय, पानी के अणु आम तौर पर एक दूसरे से विकर्षित होते हैं। सिंगापुर के वैज्ञानिकों ने देखा कि पानी जितना गर्म होता है, प्रतिकारक बलों में वृद्धि के कारण तरल अणुओं के बीच की दूरी उतनी ही अधिक होती है। नतीजतन, हाइड्रोजन बांड खिंच जाते हैं, और इसलिए अधिक ऊर्जा जमा करते हैं। यह ऊर्जा तब निकलती है जब पानी ठंडा हो जाता है - अणु एक दूसरे के करीब चले जाते हैं। और ऊर्जा की रिहाई, जैसा कि आप जानते हैं, का अर्थ है शीतलन।

यहाँ वैज्ञानिकों द्वारा की गई धारणाएँ हैं:

वाष्पीकरण

कंटेनर से गर्म पानी तेजी से वाष्पित हो जाता है, जिससे इसकी मात्रा कम हो जाती है, और समान तापमान वाले पानी की थोड़ी मात्रा तेजी से जम जाती है। 100 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया गया पानी 0 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा होने पर अपने द्रव्यमान का 16% खो देता है। वाष्पीकरण प्रभाव - दोहरा प्रभाव। सबसे पहले, ठंडा करने के लिए आवश्यक पानी की मात्रा कम कर दी जाती है। और दूसरी बात, वाष्पीकरण के कारण इसका तापमान कम हो जाता है।

तापमान अंतराल

इस तथ्य के कारण कि तापमान के बीच का अंतर गर्म पानीऔर अधिक ठंडी हवा - इसलिए, इस मामले में गर्मी का आदान-प्रदान अधिक तीव्र होता है और गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है।

अल्प तपावस्था
जब पानी को 0°C से नीचे ठंडा किया जाता है, तो वह हमेशा जमता नहीं है। कुछ स्थितियों में, यह हाइपोथर्मिया से गुजर सकता है, हिमांक से नीचे के तापमान पर तरल रहना जारी रखता है। कुछ मामलों में, पानी -20 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर भी तरल रह सकता है। इस प्रभाव का कारण यह है कि पहले बर्फ के क्रिस्टल बनने के लिए क्रिस्टल बनने के केंद्रों की आवश्यकता होती है। यदि वे तरल पानी में मौजूद नहीं हैं, तो हाइपोथर्मिया तब तक जारी रहेगा जब तक कि तापमान इतना कम न हो जाए कि क्रिस्टल अनायास बनने लगते हैं। जब वे एक सुपरकूल्ड तरल में बनना शुरू करते हैं, तो वे तेजी से बढ़ने लगते हैं, जिससे एक बर्फ का टुकड़ा बनता है, जो जमने पर बर्फ बन जाएगा। गर्म पानी हाइपोथर्मिया के लिए अतिसंवेदनशील होता है क्योंकि इसे गर्म करने से घुली हुई गैसें और बुलबुले निकल जाते हैं, जो बदले में बर्फ के क्रिस्टल के निर्माण के लिए केंद्र के रूप में काम कर सकते हैं। हाइपोथर्मिया गर्म पानी को तेजी से जमने का कारण क्यों बनता है? ठंडे पानी के मामले में, जो सुपरकूल्ड नहीं है, निम्नलिखित होता है: इसकी सतह पर बर्फ की एक पतली परत बनती है, जो पानी और ठंडी हवा के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करती है, और इस प्रकार आगे वाष्पीकरण को रोकती है। इस मामले में, बर्फ के क्रिस्टल के बनने की दर धीमी होगी। सुपरकूलिंग के अधीन गर्म पानी के मामले में, सुपरकूल्ड पानी में बर्फ की सुरक्षात्मक सतह परत नहीं होती है। इसलिए, खुले शीर्ष के माध्यम से यह बहुत तेजी से गर्मी खो देता है। जब हाइपोथर्मिया प्रक्रिया समाप्त हो जाती है और पानी जम जाता है, तो बहुत अधिक गर्मी खो जाती है और इसलिए बनती है अधिक बर्फ... इस आशय के कई शोधकर्ता हाइपोथर्मिया को Mpemba प्रभाव के मामले में मुख्य कारक मानते हैं।
कंवेक्शन

ठंडा पानी ऊपर से जमने लगता है, जिससे गर्मी विकिरण और संवहन की प्रक्रिया बिगड़ जाती है, और इसलिए गर्मी का नुकसान होता है, जबकि गर्म पानी नीचे से जमने लगता है। इस प्रभाव को जल घनत्व विसंगति द्वारा समझाया गया है। पानी का अधिकतम घनत्व 4°C होता है। यदि आप पानी को 4 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करते हैं और इसे कम तापमान वाले वातावरण में रखते हैं, तो पानी की सतह की परत तेजी से जम जाएगी। चूंकि यह पानी 4 डिग्री सेल्सियस पर पानी की तुलना में कम घना होता है, इसलिए यह सतह पर बना रहेगा, जिससे एक पतली ठंडी परत बन जाएगी। इन परिस्थितियों में पानी की सतह पर थोड़े समय के लिए बर्फ की एक पतली परत बनेगी, लेकिन बर्फ की यह परत पानी की निचली परतों की रक्षा करने वाले एक इन्सुलेटर के रूप में काम करेगी, जो 4 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर रहेगी। इसलिए, आगे की शीतलन प्रक्रिया धीमी होगी। गर्म पानी के मामले में, स्थिति बिल्कुल अलग है। वाष्पीकरण और अधिक तापमान अंतर के कारण पानी की सतह की परत अधिक तेज़ी से ठंडी होगी। इसके अलावा, ठंडे पानी की परतें गर्म पानी की परतों की तुलना में घनी होती हैं, इसलिए ठंडे पानी की परत नीचे गिर जाएगी, जिससे गर्म पानी की परत सतह पर आ जाएगी। पानी का यह संचलन तापमान में तेजी से गिरावट सुनिश्चित करता है। लेकिन यह प्रक्रिया संतुलन बिंदु तक पहुंचने में विफल क्यों होती है? संवहन के दृष्टिकोण से Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने के लिए, किसी को यह मान लेना चाहिए कि पानी की ठंडी और गर्म परतें अलग हो जाती हैं और औसत पानी का तापमान 4 ° C से नीचे जाने के बाद संवहन प्रक्रिया स्वयं जारी रहती है। हालांकि, ऐसा कोई प्रायोगिक डेटा नहीं है जो इस परिकल्पना का समर्थन करे कि पानी की ठंडी और गर्म परतें संवहन द्वारा अलग होती हैं।

पानी में घुली गैसें

पानी में हमेशा घुली हुई गैसें होती हैं - ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड। इन गैसों में पानी के हिमांक को कम करने की क्षमता होती है। जब पानी को गर्म किया जाता है, तो ये गैसें पानी से निकल जाती हैं क्योंकि उच्च तापमान पर पानी में इनकी घुलनशीलता कम होती है। इसलिए, जब गर्म पानी को ठंडा किया जाता है, तो उसमें हमेशा बिना गर्म किए ठंडे पानी की तुलना में कम घुलने वाली गैसें होती हैं। इसलिए, गर्म पानी का हिमांक अधिक होता है और यह तेजी से जम जाता है। इस कारक को कभी-कभी Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने में मुख्य माना जाता है, हालांकि इस तथ्य की पुष्टि करने वाले कोई प्रयोगात्मक डेटा नहीं हैं।

ऊष्मीय चालकता

जब छोटे कंटेनरों में रेफ्रिजरेटर के डिब्बे में पानी रखा जाता है तो यह तंत्र एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। इन परिस्थितियों में, यह देखा गया कि गर्म पानी वाला कंटेनर अपने नीचे फ्रीजर की बर्फ को पिघला देता है, जिससे फ्रीजर की दीवार और तापीय चालकता के साथ थर्मल संपर्क में सुधार होता है। नतीजतन, ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी के साथ कंटेनर से गर्मी तेजी से हटा दी जाती है। बदले में, ठंडे पानी वाला एक कंटेनर इसके नीचे बर्फ नहीं पिघलाता है। इन सभी (और अन्य) स्थितियों का कई प्रयोगों में अध्ययन किया गया है, लेकिन इस सवाल का एक स्पष्ट जवाब नहीं मिला है - उनमें से कौन सा Mpemba प्रभाव का एक सौ प्रतिशत प्रजनन प्रदान करता है - प्राप्त नहीं हुआ है। उदाहरण के लिए, 1995 में जर्मन भौतिक विज्ञानी डेविड ऑरबैक ने इस प्रभाव पर पानी के सुपरकूलिंग के प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि गर्म पानी, सुपरकूल्ड अवस्था में पहुँचकर, ठंडे पानी की तुलना में अधिक तापमान पर जम जाता है, जिसका अर्थ है कि बाद वाले की तुलना में तेज़। लेकिन ठंडा पानी गर्म पानी की तुलना में तेजी से सुपरकूल्ड अवस्था में पहुंच जाता है, जिससे पिछले अंतराल की भरपाई हो जाती है। इसके अलावा, Auerbach के परिणामों ने पहले प्राप्त आंकड़ों का खंडन किया कि कम क्रिस्टलीकरण केंद्रों के कारण गर्म पानी अधिक सुपरकूलिंग प्राप्त कर सकता है। जब पानी को गर्म किया जाता है तो उसमें घुली गैसें उसमें से निकल जाती हैं और जब इसे उबाला जाता है तो इसमें घुले कुछ लवण अवक्षेपित हो जाते हैं। अब तक, केवल एक ही बात पर जोर दिया जा सकता है - इस प्रभाव का पुनरुत्पादन अनिवार्य रूप से उन स्थितियों पर निर्भर करता है जिनमें प्रयोग किया जाता है। ठीक है क्योंकि यह हमेशा पुन: उत्पन्न नहीं होता है।

लेकिन जैसा कि वे कहते हैं, सबसे संभावित कारण।

जैसा कि केमिस्ट अपने लेख में लिखते हैं, जो arXiv.org प्रीप्रिंट साइट पर पाया जा सकता है, हाइड्रोजन बॉन्ड ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी में अधिक तना हुआ होता है। इस प्रकार, यह पता चला है कि गर्म पानी के हाइड्रोजन बांड में अधिक ऊर्जा जमा होती है, जिसका अर्थ है कि उप-शून्य तापमान पर ठंडा होने पर इसका अधिक भाग निकलता है। इस कारण से, जमना तेज है।

आज तक, वैज्ञानिकों ने इस पहेली को केवल सैद्धांतिक रूप से हल किया है। जब वे अपने संस्करण के पुख्ता सबूत पेश करते हैं, तो इस सवाल को बंद माना जा सकता है कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है।

स्कूल में मेरे पसंदीदा विषयों में से एक रसायन शास्त्र था। एक बार एक रसायन शास्त्र के शिक्षक ने हमें एक बहुत ही अजीब और कठिन काम दिया। उन्होंने हमें उन प्रश्नों की एक सूची दी, जिनका हमें रसायन शास्त्र के संदर्भ में उत्तर देना था। हमें इस कार्य के लिए कई दिनों का समय दिया गया था और पुस्तकालयों और सूचना के अन्य उपलब्ध स्रोतों का उपयोग करने की अनुमति दी गई थी। इनमें से एक सवाल पानी के हिमांक को लेकर था। मुझे ठीक से याद नहीं है कि प्रश्न कैसा लगा, लेकिन यह इस तथ्य के बारे में था कि यदि आप एक ही आकार की लकड़ी की दो बाल्टी लेते हैं, एक गर्म पानी के साथ, दूसरी ठंडे पानी के साथ (बिल्कुल निर्दिष्ट तापमान के साथ), और उन्हें रखें एक निश्चित तापमान वाले वातावरण में, उनमें से कौन तेजी से जम जाएगा? बेशक, जवाब ने तुरंत खुद को सुझाव दिया - ठंडे पानी की एक बाल्टी, लेकिन यह हमें बहुत सरल लग रहा था। लेकिन यह एक पूर्ण उत्तर देने के लिए पर्याप्त नहीं था, हमें इसे रासायनिक दृष्टिकोण से सिद्ध करने की आवश्यकता थी। तमाम सोच-विचार और शोध के बावजूद मैं कोई तार्किक निष्कर्ष नहीं निकाल पाया। इस दिन, मैंने इस ट्यूटोरियल को छोड़ने का भी फैसला किया, इसलिए मुझे इस पहेली का हल कभी नहीं मिला।

वर्षों बीत गए, और मैंने पानी के क्वथनांक और हिमांक के बारे में रोज़मर्रा के बहुत सारे मिथक सीखे, और एक मिथक ने कहा: "गर्म पानी तेजी से जमता है।" मैंने कई वेबसाइटों को देखा, लेकिन जानकारी बहुत परस्पर विरोधी थी। और ये सिर्फ राय थी, विज्ञान की दृष्टि से निराधार। और मैंने अपने अनुभव का संचालन करने का फैसला किया। चूँकि मुझे लकड़ी की बाल्टियाँ नहीं मिलीं, इसलिए मैंने एक फ्रीजर, स्टोवटॉप, कुछ पानी और एक डिजिटल थर्मामीटर का इस्तेमाल किया। मैं अपने अनुभव के परिणामों के बारे में थोड़ी देर बाद बात करूंगा। सबसे पहले, मैं आपके साथ पानी के बारे में कुछ दिलचस्प तर्क साझा करूँगा:

गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है। अधिकांश विशेषज्ञों का दावा है कि गर्म पानी की तुलना में ठंडा पानी तेजी से जम जाएगा। लेकिन एक अजीब घटना (तथाकथित मेम्ब इफेक्ट), अज्ञात कारणों से इसके विपरीत साबित होती है: गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है। कई स्पष्टीकरणों में से एक वाष्पीकरण प्रक्रिया है: यदि ठंडे वातावरण में बहुत गर्म पानी रखा जाता है, तो पानी वाष्पित होना शुरू हो जाएगा (बाकी पानी तेजी से जम जाएगा)। और रसायन विज्ञान के नियमों के अनुसार, यह बिल्कुल भी मिथक नहीं है, और सबसे अधिक संभावना है कि शिक्षक हमसे यही सुनना चाहता था।

उबला हुआ पानी नल के पानी की तुलना में तेजी से जमता है। पिछली व्याख्या के बावजूद, कुछ विशेषज्ञों का तर्क है कि उबला हुआ पानी जो कमरे के तापमान तक ठंडा हो गया है, उसे तेजी से जमना चाहिए क्योंकि उबालने से ऑक्सीजन कम हो जाती है।

गर्म पानी की तुलना में ठंडा पानी तेजी से उबलता है। अगर गर्म पानी तेजी से जमता है, तो ठंडा पानी तेजी से उबल सकता है! यह सामान्य ज्ञान के विपरीत है और वैज्ञानिकों का तर्क है कि ऐसा नहीं हो सकता। गर्म नल के पानी को वास्तव में ठंडे पानी की तुलना में तेजी से उबालना चाहिए। लेकिन उबालने के लिए गर्म पानी का उपयोग करने से आप ऊर्जा की बचत नहीं कर रहे हैं। आप कम गैस या प्रकाश का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन वॉटर हीटर उतनी ही ऊर्जा का उपयोग करेगा जितना कि ठंडे पानी को गर्म करने के लिए आवश्यक है। (यह सौर ऊर्जा से थोड़ा अलग है।) वॉटर हीटर द्वारा पानी को गर्म करने के परिणामस्वरूप तलछट दिखाई दे सकती है, इसलिए पानी को गर्म होने में अधिक समय लगेगा।

अगर आप पानी में नमक डालेंगे तो पानी जल्दी उबल जाएगा। नमक क्वथनांक को बढ़ाता है (और, तदनुसार, हिमांक को कम करता है - यही कारण है कि कुछ गृहिणियां आइसक्रीम में थोड़ा सा सेंधा नमक मिलाती हैं)। लेकिन इस मामले में, हम एक और सवाल में रुचि रखते हैं: पानी कब तक उबलता है और क्या इस मामले में क्वथनांक 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर उठ सकता है)। कुकबुक में वे जो कुछ भी लिखते हैं, उसके बावजूद वैज्ञानिकों का तर्क है कि हम उबलते पानी में जितना नमक मिलाते हैं, वह उबलने के समय या तापमान को प्रभावित करने के लिए पर्याप्त नहीं है।

लेकिन यहाँ मुझे क्या मिला है:

ठंडा पानी: मैंने शुद्ध पानी के तीन 100 मिलीलीटर ग्लास बीकर का उपयोग किया: एक कमरे के तापमान पर (72 डिग्री फ़ारेनहाइट / 22 डिग्री सेल्सियस), एक गर्म पानी (115 डिग्री फ़ारेनहाइट / 46 डिग्री सेल्सियस), और एक उबला हुआ पानी (212 डिग्री) एफ / 100 डिग्री सेल्सियस)। मैंने तीनों गिलासों को -18 डिग्री सेल्सियस पर फ्रीजर में रख दिया। और चूंकि मुझे पता था कि पानी तुरंत बर्फ में नहीं बदलेगा, इसलिए मैंने "लकड़ी के फ्लोट" द्वारा ठंड की डिग्री निर्धारित की। जब कांच के केंद्र में रखी छड़ी, आधार को नहीं छूती, तो मैंने मान लिया कि पानी जम गया है। मैंने हर पांच मिनट में चश्मा चेक किया। और मेरे परिणाम क्या हैं? 50 मिनट के बाद पहले गिलास में पानी जम गया। 80 मिनट के बाद गर्म पानी जम गया। उबाला हुआ - 95 मिनट बाद। मेरे निष्कर्ष: फ्रीजर की स्थितियों और मेरे द्वारा उपयोग किए जाने वाले पानी को देखते हुए, मैं मेम्ब प्रभाव को पुन: उत्पन्न करने में असमर्थ था।

मैंने इस प्रयोग को पहले उबले हुए पानी के साथ कमरे के तापमान पर ठंडा करके भी आजमाया। वह ६० मिनट के बाद जम गई - अभी भी ठंडे पानी को जमने से ज्यादा समय लगा।

उबला हुआ पानी: मैंने कमरे के तापमान पर एक लीटर पानी लिया और आग लगा दी। यह 6 मिनट में उबल गया। फिर मैंने इसे फिर से कमरे के तापमान पर ठंडा किया और इसे गर्म में मिला दिया। उसी गर्मी में, गर्म पानी 4 घंटे 30 मिनट में उबाला जाता है। निष्कर्ष: जैसा कि अपेक्षित था, गर्म पानी बहुत तेजी से उबलता है।

उबला हुआ पानी (नमक के साथ): मैंने 1 लीटर पानी में 2 बड़े चम्मच टेबल सॉल्ट मिलाया। यह ६ मिनट ३३ सेकंड के बाद उबल गया, और जैसा कि थर्मामीटर ने दिखाया, १०२ डिग्री सेल्सियस के तापमान पर पहुंच गया। निस्संदेह, नमक क्वथनांक को प्रभावित करता है, लेकिन ज्यादा नहीं। निष्कर्ष: पानी में नमक तापमान और उबलने के समय को ज्यादा प्रभावित नहीं करता है। मैं ईमानदारी से मानता हूं कि मेरी रसोई को शायद ही प्रयोगशाला कहा जा सकता है, और शायद मेरे निष्कर्ष वास्तविकता के विपरीत हैं। मेरा फ्रीजर कम्पार्टमेंट भोजन को असमान रूप से फ्रीज कर सकता है। मेरा चश्मा अनियमित हो सकता है, आदि। लेकिन लैब में जो कुछ भी होता है, जब किचन में जमने या उबालने की बात आती है, तो सबसे महत्वपूर्ण बात सामान्य ज्ञान है।

के साथ संदर्भ मनोरंजक तथ्यपानी के बारे में vaudews के बारे में
जैसा कि फोरम फोरम.ixbt.com पर सुझाया गया है, इस प्रभाव (ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी को तेजी से जमने का प्रभाव) को "अरिस्टोटल-म्पेम्बा प्रभाव" कहा जाता है।

वे। उबला हुआ पानी (ठंडा) "कच्चे" की तुलना में तेजी से जम जाता है

क्या आपने कभी सोचा है कि 82 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया गया पानी ठंड की तुलना में तेजी से क्यों जमता है? सबसे अधिक संभावना नहीं है, मैं इस बात से भी अधिक आश्वस्त हूं कि आपके दिमाग में यह सवाल कभी नहीं आया - कौन सा पानी तेजी से जमता है, गर्म या ठंडा?

हालाँकि, यह आश्चर्यजनक खोज 1963 में एक साधारण अफ्रीकी स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा द्वारा की गई थी। यह एक जिज्ञासु लड़के का सामान्य अनुभव था, निश्चित रूप से, वह अपने स्वयं के अर्थ की सही व्याख्या नहीं कर सका, और इसके अलावा, 1966 तक दुनिया भर के वैज्ञानिक स्पष्ट और उचित नहीं दे सके। प्रश्न का उत्तर - क्यों गर्म पानीठंड की तुलना में तेजी से जम जाता है।

गर्म पानी 4 डिग्री सेल्सियस पर और ठंडा पानी 0 पर क्यों जमता है?

ठंडे पानी में बहुत अधिक मात्रा में घुली हुई ऑक्सीजन होती है, यह वह है जो पानी के हिमांक को 0 डिग्री पर बनाए रखता है। यदि पानी से ऑक्सीजन को हटा दिया जाता है, और पानी गर्म होने पर ऐसा होता है, हवा के बुलबुले पानी में घुल जाते हैं, जैसा कि अब कहना फैशनेबल है, गिरना, पानी हमेशा की तरह शून्य डिग्री पर बर्फ में नहीं बदल जाता है, और पहले से ही 4 डिग्री सेल्सियस पर... यह पानी में घुली ऑक्सीजन है जो पानी के अणुओं के बीच के बंधन को तोड़ती है, पानी को तरल से ठोस अवस्था में जाने से रोकती है, यह बस में बदल जाएगी

ब्रिटिश रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री किसी को भी £ 1,000 का पुरस्कार दे रही है जो वैज्ञानिक रूप से समझा सकता है कि कुछ मामलों में गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है।

"आधुनिक विज्ञान अभी भी इस प्रतीत होने वाले सरल प्रश्न का उत्तर नहीं दे सकता है। आइसक्रीम बनाने वाले और बारटेंडर अपने दिन-प्रतिदिन के काम में इस प्रभाव का उपयोग करते हैं, लेकिन वास्तव में कोई नहीं जानता कि यह क्यों काम करता है। यह समस्या सहस्राब्दियों से जानी जाती है, अरस्तू और डेसकार्टेस जैसे दार्शनिकों ने इसके बारे में सोचा है, ”ब्रिटिश रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री के अध्यक्ष प्रोफेसर डेविड फिलिप्स ने सोसाइटी से एक प्रेस विज्ञप्ति में उद्धृत किया।

कैसे अफ्रीका के एक रसोइए ने एक ब्रिटिश भौतिकी के प्रोफेसर को हराया

यह कोई अप्रैल फूल का मजाक नहीं है, बल्कि एक कठोर भौतिक वास्तविकता है। वर्तमान विज्ञान, जो आसानी से आकाशगंगाओं और ब्लैक होल के साथ काम करता है, क्वार्क और बोसॉन की खोज के लिए विशाल त्वरक बनाता है, यह नहीं समझा सकता कि प्राथमिक पानी कैसे "काम करता है"। एक स्कूल की पाठ्यपुस्तक स्पष्ट रूप से कहती है कि एक गर्म शरीर को ठंडे शरीर की तुलना में ठंडा होने में अधिक समय लगता है। लेकिन पानी के लिए इस नियम का हमेशा पालन नहीं किया जाता है। ईसा पूर्व चौथी शताब्दी में अरस्तू ने इस विरोधाभास की ओर ध्यान आकर्षित किया। एन.एस. यह वही है जो प्राचीन यूनानी ने Meteorologica I पुस्तक में लिखा है: "तथ्य यह है कि पानी पहले से गरम होता है, यह जम जाता है। इसलिए, बहुत से लोग, जब वे गर्म पानी को जल्दी से ठंडा करना चाहते हैं, तो पहले इसे धूप में रखें ... ”मध्य युग में, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने इस घटना को समझाने की कोशिश की। काश, न तो महान दार्शनिक और न ही शास्त्रीय तापीय भौतिकी विकसित करने वाले कई वैज्ञानिक इसमें सफल हुए, और इसलिए यह असुविधाजनक तथ्य लंबे समय तक "भूल गया"।

और केवल 1968 में उन्होंने तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा को "याद" किया, जो किसी भी विज्ञान से दूर था। कुकिंग स्कूल में पढ़ते समय 1963 में 13 वर्षीय मपेम्बे को आइसक्रीम बनाने का काम सौंपा गया था। तकनीक के अनुसार, दूध को उबालना, उसमें चीनी घोलना, कमरे के तापमान पर ठंडा करना और फिर उसे जमने के लिए फ्रिज में रखना आवश्यक था। जाहिर है, Mpemba एक मेहनती छात्र नहीं था और झिझकता था। इस डर से कि पाठ के अंत तक वह समय पर नहीं पहुंचेगा, उसने गर्म दूध को फ्रिज में रख दिया। उनके आश्चर्य के लिए, यह उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया, जो सभी नियमों के अनुसार तैयार किया गया था।

जब मपेम्बा ने अपनी खोज एक भौतिकी शिक्षक के साथ साझा की, तो उसने पूरी कक्षा के सामने उसका मज़ाक उड़ाया। Mpemba ने चोट को याद किया। पांच साल बाद, पहले से ही डार एस सलाम विश्वविद्यालय में एक छात्र, वह प्रसिद्ध भौतिक विज्ञानी डेनिस जी ओसबोर्न के एक व्याख्यान में था। व्याख्यान के बाद, उन्होंने वैज्ञानिक से एक प्रश्न पूछा: "यदि आप समान मात्रा में पानी के साथ दो समान कंटेनर लेते हैं, एक 35 डिग्री सेल्सियस (95 डिग्री फ़ारेनहाइट) पर और दूसरा 100 डिग्री सेल्सियस (212 डिग्री फ़ारेनहाइट) पर, और उन्हें डाल दें फ्रीजर में, फिर एक गर्म कंटेनर में पानी तेजी से जम जाएगा। क्यों?" आप कल्पना कर सकते हैं कि एक ब्रिटिश प्रोफेसर की ईश्वर-त्याग तंजानिया के एक युवक के सवाल पर क्या प्रतिक्रिया हुई। उन्होंने छात्र का मजाक उड़ाया। हालांकि, Mpemba इस तरह के जवाब के लिए तैयार थी और उसने वैज्ञानिक को एक शर्त के लिए चुनौती दी। उनका विवाद एक प्रायोगिक परीक्षण के साथ समाप्त हुआ जिसने मपेम्बा की शुद्धता और ओसबोर्न की हार की पुष्टि की। तो शिष्य-रसोइया ने विज्ञान के इतिहास में अपना नाम अंकित कर लिया, और अब से इस घटना को "मपेम्बा प्रभाव" कहा जाता है। इसे त्यागने के लिए, यह घोषित करने के लिए कि "अस्तित्वहीन" काम नहीं करता है। घटना मौजूद है, और, जैसा कि कवि ने लिखा है, "दांतों के लिए नहीं।"

क्या धूल और विलेय दोष हैं?

वर्षों से, कई लोगों ने ठंडे पानी के रहस्य को जानने की कोशिश की है। इस घटना के लिए स्पष्टीकरण का एक पूरा समूह प्रस्तावित किया गया है: वाष्पीकरण, संवहन, विलेय का प्रभाव - लेकिन इनमें से कोई भी कारक अंतिम नहीं माना जा सकता है। कई वैज्ञानिकों ने अपना पूरा जीवन Mpemba प्रभाव के लिए समर्पित कर दिया है। विकिरण सुरक्षा विभाग के कर्मचारी स्टेट यूनिवर्सिटीन्यूयॉर्क शहर - जेम्स ब्राउन्रिज ने अपने खाली समय में विरोधाभास का अध्ययन करते हुए एक दशक बिताया है। सैकड़ों प्रयोग करने के बाद, वैज्ञानिक ने हाइपोथर्मिया के "अपराध" के सबूत होने का दावा किया है। ब्राउनरिज बताते हैं कि 0 डिग्री सेल्सियस पर, पानी केवल सुपरकूल्ड होता है, और जब तापमान नीचे चला जाता है तो जमना शुरू हो जाता है। हिमांक को पानी में अशुद्धियों द्वारा नियंत्रित किया जाता है - वे बर्फ के क्रिस्टल के निर्माण की दर को बदलते हैं। अशुद्धियाँ, और ये धूल के दाने, बैक्टीरिया और घुले हुए लवण हैं, उनके लिए एक विशिष्ट न्यूक्लिएशन तापमान होता है, जब क्रिस्टलीकरण के केंद्रों के आसपास बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं। जब पानी में एक साथ कई तत्व होते हैं, तो हिमांक बिंदु सबसे अधिक वाले तत्व द्वारा निर्धारित किया जाता है उच्च तापमानन्यूक्लियेशन

प्रयोग के लिए, ब्राउन्रिज ने एक ही तापमान के दो पानी के नमूने लिए और उन्हें फ्रीजर में रख दिया। उन्होंने पाया कि एक नमूना हमेशा दूसरे के सामने जम जाता है - संभवतः अशुद्धियों के एक अलग संयोजन के कारण।

ब्राउनरिज का दावा है कि पानी और फ्रीजर के बीच अधिक तापमान अंतर के कारण गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है - इससे ठंडे पानी के अपने प्राकृतिक हिमांक तक पहुंचने से पहले इसके हिमांक तक पहुंचने में मदद मिलती है, जो कि कम से कम 5 डिग्री सेल्सियस कम है।

हालाँकि, ब्राउन्रिज का तर्क कई सवाल उठाता है। इसलिए, जो लोग अपने तरीके से Mpemba प्रभाव की व्याख्या कर सकते हैं, उनके पास ब्रिटिश रॉयल केमिकल सोसाइटी से एक हजार पाउंड के लिए प्रतिस्पर्धा करने का मौका है।

कई कारक प्रभावित करते हैं कि कौन सा पानी तेजी से जमता है, गर्म या ठंडा, लेकिन सवाल खुद थोड़ा अजीब लगता है। यह निहित है, और यह भौतिकी से जाना जाता है, कि गर्म पानी को अभी भी ठंडा होने के लिए तुलनीय ठंडे पानी के तापमान को बर्फ में बदलने के लिए समय की आवश्यकता होती है। इस चरण को छोड़ा जा सकता है, और, तदनुसार, यह समय में जीत जाता है।

लेकिन इस सवाल का जवाब कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म - बाहर ठंढ में, उत्तरी अक्षांश के किसी भी निवासी को पता है। वास्तव में, वैज्ञानिक रूप से, यह पता चला है कि किसी भी मामले में, ठंडे पानी को बस तेजी से जमना चाहिए।

भौतिकी शिक्षक, जिसे 1963 में स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा द्वारा संपर्क किया गया था, यह समझाने के अनुरोध के साथ कि भविष्य की आइसक्रीम का ठंडा मिश्रण एक समान लेकिन गर्म से अधिक समय तक क्यों जमता है, उसी तरह सोचा।

"यह विश्व भौतिकी नहीं है, बल्कि किसी प्रकार का Mpemba भौतिकी है"

उस समय, शिक्षक केवल इस पर हंसते थे, लेकिन एक भौतिकी के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न, जो एक समय में उसी स्कूल में रुकते थे जहां एरास्टो ने अध्ययन किया था, प्रयोगात्मक रूप से इस तरह के प्रभाव के अस्तित्व की पुष्टि की, हालांकि इसके लिए कोई स्पष्टीकरण नहीं था। 1969 में, एक लोकप्रिय वैज्ञानिक पत्रिका ने इन दो लोगों द्वारा एक संयुक्त लेख प्रकाशित किया जिन्होंने इस अजीबोगरीब प्रभाव का वर्णन किया।

तब से, जिस सवाल का पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा - उसका अपना नाम है - मपेम्बा का प्रभाव, या विरोधाभास।

लंबे समय से उठ रहा है सवाल

स्वाभाविक रूप से, ऐसी घटना पहले भी हुई थी, और इसका उल्लेख अन्य वैज्ञानिकों के कार्यों में किया गया था। इस मुद्दे में न केवल स्कूली छात्र की दिलचस्पी थी, बल्कि रेने डेसकार्टेस और यहां तक ​​​​कि अरस्तू ने भी अपने समय में इसके बारे में सोचा था।

यहाँ इस विरोधाभास को हल करने के लिए केवल दृष्टिकोण हैं जो बीसवीं शताब्दी के अंत में ही देखने लगे।

एक विरोधाभास होने की शर्तें

आइसक्रीम की तरह, यह केवल साधारण पानी नहीं है जो प्रयोग के दौरान जम जाता है। अनिवार्य उपस्थिति कुछ शर्तेंबहस शुरू करने के लिए कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म। इस प्रक्रिया के पाठ्यक्रम को क्या प्रभावित करता है?

अब, २१वीं सदी में, कई विकल्प सामने रखे गए हैं जो इस विरोधाभास की व्याख्या कर सकते हैं। कौन सा पानी तेजी से जमता है, गर्म या ठंडा, यह इस बात पर निर्भर हो सकता है कि ठंडे पानी की तुलना में इसकी वाष्पीकरण दर तेज होती है। इस प्रकार, इसकी मात्रा कम हो जाती है, और मात्रा में कमी के साथ, यदि हम ठंडे पानी की समान प्रारंभिक मात्रा लेते हैं, तो ठंड का समय कम हो जाता है।

फ्रीजर को लंबे समय तक डीफ्रॉस्ट करें

कौन सा पानी तेजी से जमता है, और ऐसा क्यों होता है, यह बर्फ की परत से प्रभावित हो सकता है जो प्रयोग के लिए उपयोग किए जाने वाले रेफ्रिजरेटर के फ्रीजर में पाया जा सकता है। यदि आप दो कंटेनर लेते हैं जो समान मात्रा में हैं, लेकिन उनमें से एक में गर्म पानी है, और दूसरे में ठंडा पानी है, तो गर्म पानी वाला कंटेनर उसके नीचे की बर्फ को पिघला देगा, जिससे दीवार के साथ थर्मल स्तर के संपर्क में सुधार होगा। फ्रिज। एक ठंडे पानी का कंटेनर ऐसा नहीं कर सकता। यदि रेफ्रिजरेटर के डिब्बे में बर्फ के साथ ऐसा कोई अस्तर नहीं है, तो ठंडे पानी को तेजी से जमना चाहिए।

ऊपर से नीचे

साथ ही, जिस परिघटना से पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा, उसे इस प्रकार समझाया गया है। कुछ नियमों का पालन करते हुए, ठंडा पानी ऊपरी परतों से जमना शुरू हो जाता है, जब गर्म पानी इसे दूसरे तरीके से करता है - यह नीचे से ऊपर तक जमने लगता है। उसी समय, यह पता चला है कि ठंडे पानी, पहले से ही बर्फ के साथ एक ठंडी परत होने के कारण, संवहन और थर्मल विकिरण की प्रक्रिया बिगड़ जाती है, जिससे यह समझा जाता है कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म। शौकिया प्रयोगों से फोटो संलग्न है, और यह यहाँ स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहा है।

गर्मी बाहर जाती है, ऊपर की ओर झुकती है, और वहाँ यह बहुत ठंडी परत से मिलती है। गर्मी विकिरण के लिए कोई मुक्त मार्ग नहीं है, इसलिए शीतलन प्रक्रिया कठिन हो जाती है। गर्म पानी के रास्ते में ऐसी कोई बाधा नहीं है। कौन सा तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म, जिस पर संभावित परिणाम निर्भर करता है, आप इस उत्तर का विस्तार इस तथ्य से कर सकते हैं कि किसी भी पानी में कुछ पदार्थ घुले होते हैं।

परिणाम को प्रभावित करने वाले कारक के रूप में पानी में अशुद्धियाँ

यदि आप धोखा नहीं देते हैं और उसी संरचना वाले पानी का उपयोग करते हैं, जहां कुछ पदार्थों की सांद्रता समान होती है, तो ठंडे पानी को तेजी से जमना चाहिए। लेकिन अगर भंग होने पर कोई स्थिति उत्पन्न होती है रासायनिक तत्वकेवल गर्म पानी में उपलब्ध है, और ठंडे पानी में नहीं है, तो गर्म पानी को पहले जमने का अवसर मिलता है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि पानी में विलेय क्रिस्टलीकरण केंद्र बनाते हैं, और इन केंद्रों की एक छोटी संख्या के साथ, पानी में परिवर्तन होता है। ठोस अवस्थाकठिन। पानी का अत्यधिक ठंडा होना इस अर्थ में भी संभव है कि शून्य से नीचे के तापमान पर यह तरल अवस्था में होगा।

लेकिन ये सभी संस्करण, जाहिरा तौर पर, पूरी तरह से वैज्ञानिकों के अनुरूप नहीं थे और उन्होंने इस मुद्दे पर काम करना जारी रखा। 2013 में, सिंगापुर में शोधकर्ताओं की एक टीम ने कहा कि उन्होंने एक सदियों पुराने रहस्य को सुलझा लिया है।

चीनी वैज्ञानिकों के एक समूह का तर्क है कि इस प्रभाव का रहस्य पानी के अणुओं के बीच उसके बंधनों में जमा ऊर्जा की मात्रा में निहित है, जिसे हाइड्रोजन बांड कहा जाता है।

चीनी वैज्ञानिकों से सुराग

इसके बाद जानकारी आती है, जिसे समझने के लिए रसायन शास्त्र में कुछ ज्ञान होना जरूरी है ताकि यह पता लगाया जा सके कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा। जैसा कि आप जानते हैं, इसमें दो H परमाणु (हाइड्रोजन) और एक O (ऑक्सीजन) परमाणु होते हैं, जो सहसंयोजक बंधों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं।

लेकिन एक अणु के हाइड्रोजन परमाणु भी पड़ोसी अणुओं, उनके ऑक्सीजन घटक की ओर आकर्षित होते हैं। इन्हीं बंधों को हाइड्रोजन आबंध कहते हैं।

यह याद रखने योग्य है कि साथ ही, पानी के अणु एक दूसरे के प्रति प्रतिकारक होते हैं। वैज्ञानिकों ने नोट किया कि जब पानी को गर्म किया जाता है, तो उसके अणुओं के बीच की दूरी बढ़ जाती है, और यह केवल प्रतिकारक बलों द्वारा सुगम होता है। यह पता चला है कि ठंडी अवस्था में अणुओं के बीच एक दूरी पर कब्जा करने से, कोई कह सकता है कि वे खिंचाव करते हैं, और उनके पास ऊर्जा की अधिक आपूर्ति होती है। यह ऊर्जा का यह भंडार है जो तब निकलता है जब पानी के अणु एक दूसरे के पास आने लगते हैं, यानी शीतलन होता है। यह पता चला है कि गर्म पानी में ऊर्जा की अधिक आपूर्ति, और शून्य से कम तापमान पर ठंडा होने पर इसकी अधिक रिहाई, ठंडे पानी की तुलना में तेजी से होती है, जिसमें ऐसी ऊर्जा की आपूर्ति कम होती है। तो कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म? सड़क पर और प्रयोगशाला में, Mpemba विरोधाभास होना चाहिए, और गर्म पानी तेजी से बर्फ में बदल जाना चाहिए।

लेकिन सवाल अभी भी खुला है

इस सुराग की केवल एक सैद्धांतिक पुष्टि है - यह सब सुंदर सूत्रों में लिखा गया है और प्रशंसनीय लगता है। लेकिन जब प्रायोगिक डेटा, जो पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा, व्यावहारिक अर्थों में रखा जाता है, और उनके परिणाम प्रस्तुत किए जाते हैं, तो Mpemba विरोधाभास के प्रश्न को बंद माना जा सकता है।