Ktorá voda sa zmení na ľad rýchlejšie. Prečo horúca voda zmrzne rýchlejšie ako studená voda? Mpemba efekt. Ako to vysvetľuje moderná fyzika

V roku 1963 položil študent z Tanzánie Erasto Mpemba svojmu učiteľovi hlúpu otázku - prečo teplá zmrzlina zmrazí v mrazničke rýchlejšie ako studená zmrzlina?

Ako študent Magambinskej stredná škola v Tanzánii urobil Erasto Mpemba praktická práca o varení. Potreboval vyrobiť domácu zmrzlinu - uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť ho na izbovú teplotu a potom ho dať do chladničky zmraziť. Mpemba zrejme nebol obzvlášť usilovným študentom a s dokončením prvej časti zadania meškal. Zo strachu, že do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho kamarátov, pripravené podľa danej technológie.

Obrátil sa na učiteľa fyziky o objasnenie, ale študentovi sa iba vysmial a povedal nasledovné: „Toto nie je svetová fyzika, ale fyzika Mpemby.“ Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou.

V každom prípade, už ako študent strednej školy Mkvavskaya, požiadal profesora Dennisa Osborna z University College v Dar es Salaamu (riaditeľ školy ho pozval na prednášku o fyzike), konkrétne o vode: „Ak vezmeme dvoch rovnakých nádoby s rovnakým objemom vody, aby v jednom z nich mala voda teplotu 35 ° C a v druhom - 100 ° C, a vložte ich do mrazničky, potom v druhom voda zmrazí rýchlejšie. Prečo? " Osborne sa o túto problematiku začal zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembou publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Od tej doby sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt.

Zaujíma vás, prečo sa to deje? Len pred niekoľkými rokmi sa vedcom podarilo vysvetliť tento jav ...

Mpemba efekt (Mpemba paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zmrzne rýchlejšie ako studená, aj keď počas procesu mrazenia musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore s bežnými konceptmi, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá zahriatiu telesa na ochladenie na určitú teplotu dlhší čas, než sa zahriatiu telesa menej zahriateho na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si v tom čase všimli Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes. Doteraz nikto presne nevie, ako si tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú ani jednu verziu, aj keď ich je veľa. Celé je to o rozdiele vo vlastnostiach horúcej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, aké vlastnosti v tomto prípade zohrávajú úlohu: rozdiel v podchladení, odparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rôzne teploty. Paradoxom účinku Mpemba je, že doba, počas ktorej sa telo ochladí na teplotu prostredie, by mala byť úmerná teplotnému rozdielu medzi týmto telom a prostredím. Tento zákon stanovil Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. V tomto prípade sa voda s teplotou 100 ° C ochladí na teplotu 0 ° C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 ° C.

Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna znela takto: časť horúcej vody sa najskôr jednoducho odparí a potom, keď je jej málo, voda rýchlejšie zamrzne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najobľúbenejšou, ale vedci ju úplne neuspokojili.

Teraz tím výskumníkov z Technologická univerzita Technologická univerzita Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga uviedla, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda mrzne rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski odborníci, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.

Ako viete, molekuly vody sa skladajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka Kovalentné väzby, ktorý na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalší známy fakt spočíva v tom, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl - v tomto prípade sa vytvoria vodíkové väzby.

Molekuly vody sú spravidla navzájom odpudzované. Vedci zo Singapuru si všimli, že čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku nárastu odpudivých síl. Výsledkom je, že vodíkové väzby sú natiahnuté, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľňuje, keď sa voda ochladí - molekuly sa pohybujú bližšie k sebe. A ako viete, uvoľnenie energie znamená ochladenie.

Tu sú predpoklady vedcov:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenší jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou zamrzne rýchlejšie. Voda zohriata na 100 ° C stráca 16% svojej hmotnosti po ochladení na 0 ° C. Odparovací efekt - dvojitý efekt. Najprv sa zníži množstvo vody potrebné na chladenie. A za druhé, v dôsledku odparovania sa jeho teplota znižuje.

Teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúca voda a viac studeného vzduchu - výmena tepla je preto v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.

Podchladenie
Keď je voda ochladená pod 0 ° C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže dôjsť k podchladeniu a pri teplotách pod bodom mrazu zostáva naďalej tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri –20 ° C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa mohli začať vytvárať prvé ľadové kryštály, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v tekutej vode, potom bude podchladenie pokračovať, až kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú vytvárať v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá po zmrazení vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože zahrievaním sa odstraňujú rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálov. Prečo podchladenie spôsobuje, že horúca voda zmrzne rýchlejšie? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, sa stane nasledovné: na jej povrchu sa vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá funguje ako izolátor medzi vodou a studeným vzduchom, a tým zabraňuje ďalšiemu odparovaniu. V tomto prípade bude rýchlosť tvorby ľadových kryštálov pomalšia. V prípade horúcej vody podliehajúcej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Cez otvorený vrch preto stráca teplo oveľa rýchlejšie. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu... Mnoho výskumníkov tohto účinku považuje za hlavný faktor v prípade efektu Mpemba podchladenie.
Konvekcia

Studená voda zhora zmrzne, čím sa zhoršia procesy tepelného žiarenia a prúdenia a tým aj strata tepla, zatiaľ čo horúca voda zospodu zamrzne. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou hustoty vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 ° C. Ak ochladíte vodu na 4 ° C a umiestnite ju do prostredia s nižšou teplotou, povrchová vrstva vody zamrzne rýchlejšie. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri 4 ° C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody nakrátko vytvorí tenká vrstva ľadu, ale táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolátor chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 ° C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku odparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú navyše hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zvýši vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zaisťuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie efektu Mpemba z hľadiska prúdenia je potrebné predpokladať, že sa oddelia studené a horúce vrstvy vody a samotný proces prúdenia pokračuje potom, čo priemerná teplota vody klesne pod 4 ° C. Neexistujú však žiadne experimentálne údaje, ktoré by podporovali túto hypotézu, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené konvekciou.

Plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje v nej rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Keď sa voda zahreje, tieto plyny sa z vody uvoľňujú, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokých teplotách je nižšia. Preto keď je horúca voda ochladená, je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v nevykurovanej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní účinku Mpemba, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, ak je voda umiestnená v chladiacom priestore v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo zistené, že nádoba s horúcou vodou topí ľad mrazničky pod sebou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Výsledkom je, že teplo je z nádoby s horúcou vodou odvádzané rýchlejšie ako zo studenej vody. Nádoba so studenou vodou zase pod ňou nerozmrazuje sneh. Všetky tieto (ako aj ďalšie) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, ale jednoznačnú odpoveď na otázku - ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu efektu Mpemba - sa nepodarilo získať. Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento účinok. Zistil, že horúca voda, ktorá dosahuje superchladený stav, mrzne pri vyššej teplote ako studená voda, čo znamená rýchlejšie ako tá druhá. Studená voda však dosiahne superchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Výsledky Auerbachu boli navyše v rozpore s predtým získanými údajmi, že horúca voda môže dosiahnuť viac podchladenia vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Keď sa voda zahreje, odstránia sa z nej plyny rozpustené v nej a keď sa varí, vyzrážajú sa v nej rozpustené niektoré soli. Zatiaľ je možné tvrdiť iba jednu vec - reprodukcia tohto účinku v zásade závisí od podmienok, v ktorých sa experiment vykonáva. Práve preto, že nie vždy je reprodukovaný.

Ale ako sa hovorí, najpravdepodobnejší dôvod.

Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý nájdete na stránke predtlače arXiv.org, vodíkové väzby sú v horúcej vode napnuté viac ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že viac energie je uložených vo vodíkových väzbách horúcej vody, čo znamená, že viac energie sa uvoľňuje pri ochladení na mínusové teploty. Z tohto dôvodu je tuhnutie rýchlejšie.

Vedci dodnes túto hádanku vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, otázku, prečo horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená, možno považovať za uzavretú.

Jeden z mojich obľúbených predmetov v škole bola chémia. Raz nám učiteľ chémie dal veľmi zvláštnu a ťažkú ​​úlohu. Dal nám zoznam otázok, na ktoré sme museli odpovedať z hľadiska chémie. Na túto úlohu sme dostali niekoľko dní a mohli sme používať knižnice a ďalšie dostupné zdroje informácií. Jedna z týchto otázok sa týkala bodu mrazu vody. Už si presne nepamätám, ako znela otázka, ale išlo o to, že ak vezmete dve drevené vedrá rovnakej veľkosti, jedno s horúcou vodou, druhé so studenou vodou (s presne uvedenou teplotou) a umiestnite ich v prostredí s určitou teplotou, ktorá z nich ich zmrazí rýchlejšie? Odpoveď sa samozrejme okamžite navrhla - vedro studenej vody, ale zdalo sa nám to príliš jednoduché. Na úplnú odpoveď to však nestačilo, potrebovali sme to dokázať z chemického hľadiska. Napriek všetkému svojmu mysleniu a výskumu som nedokázal vyvodiť logický záver. V tento deň som sa dokonca rozhodol tento návod preskočiť, takže som nikdy nenašiel riešenie tejto hádanky.

Roky plynuli a ja som sa dozvedel veľa každodenných mýtov o bode varu a bode tuhnutia vody a jeden mýtus povedal: „Horúca voda mrzne rýchlejšie“. Pozrel som sa na veľa webových stránok, ale informácie boli príliš protichodné. A boli to len názory, neopodstatnené z pohľadu vedy. A rozhodol som sa viesť svoju vlastnú skúsenosť. Keďže som nenašiel drevené vedrá, použil som mrazničku, varnú dosku, trochu vody a digitálny teplomer. O výsledkoch svojich skúseností budem hovoriť trochu neskôr. Najprv sa s vami podelím o niekoľko zaujímavých argumentov o vode:

Horúca voda zmrzne rýchlejšie ako studená. Väčšina odborníkov tvrdí, že studená voda zamrzne rýchlejšie ako horúca. Jeden vtipný jav (takzvaný Memblov efekt) z neznámych dôvodov však dokazuje opak: horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Jedným z niekoľkých vysvetlení je proces odparovania: ak je veľmi horúca voda umiestnená do chladného prostredia, voda sa začne odparovať (zvyšné množstvo vody zamrzne rýchlejšie). A podľa chemických zákonov to vôbec nie je mýtus a s najväčšou pravdepodobnosťou to učiteľ chcel od nás počuť.

Varená voda zmrzne rýchlejšie ako voda z vodovodu. Napriek predchádzajúcemu vysvetleniu niektorí odborníci tvrdia, že prevarená voda, ktorá sa ochladila na izbovú teplotu, by mala zmraziť rýchlejšie, pretože varom sa znižuje množstvo kyslíka.

Studená voda vrie rýchlejšie ako horúca. Ak horúca voda mrzne rýchlejšie, potom môže studená voda vrieť rýchlejšie! To je v rozpore so zdravým rozumom a vedci tvrdia, že to jednoducho nemôže byť. Horúca voda z vodovodu by mala v skutočnosti variť rýchlejšie ako studená voda. Použitím horúcej vody na varenie však nešetríte energiou. Môžete použiť menej plynu alebo svetla, ale ohrievač vody spotrebuje rovnaké množstvo energie, aké je potrebné na ohrev studenej vody. (Pri slnečnej energii je to trochu iné.) V dôsledku zahrievania vody ohrievačom vody sa môže objaviť usadenina, takže zahriatie vody bude trvať dlhšie.

Ak do vody pridáte soľ, bude sa variť rýchlejšie. Soľ zvyšuje bod varu (a podľa toho znižuje bod tuhnutia - preto niektoré ženy v domácnosti pridávajú do zmrzliny trochu kamennej soli). Ale v tomto prípade nás zaujíma ďalšia otázka: ako dlho bude voda vrieť a či teplota varu v tomto prípade môže stúpnuť nad 100 ° C). Napriek tomu, čo píšu v kuchárskych knihách, vedci tvrdia, že množstvo soli, ktoré pridáme do vriacej vody, nestačí na to, aby to ovplyvnilo čas alebo teplotu varu.

Ale tu je to, čo som dostal:

Studená voda: Použil som tri 100 ml sklenené kadičky čistenej vody: jednu pri izbovej teplote (22 ° C), jednu horúcu vodu (46 ° C) a jednu prevarenú vodu (212 ° C). 100 ° C). Všetky tri poháre som vložil do mrazničky pri –18 ° C. A keďže som vedel, že voda sa hneď nezmení na ľad, stupeň zamrznutia som určil „dreveným plavákom“. Keď sa palica umiestnená v strede pohára už nedotkla základne, predpokladal som, že voda zamrzla. Okuliare som kontroloval každých päť minút. A aké sú moje výsledky? Voda v prvom pohári zmrzla po 50 minútach. Horúca voda zmrzla po 80 minútach. Varené - po 95 minútach. Moje zistenia: Vzhľadom na podmienky v mrazničke a vodu, ktorú som použil, som nebol schopný reprodukovať Membov efekt.

Skúsil som aj tento experiment s predtým prevarenou vodou ochladenou na izbovú teplotu. Po 60 minútach zamrzla - stále to trvalo dlhšie ako zmrazenie studenej vody.

Varená voda: Vzal som liter vody izbovej teploty a zapálil som ju. Varilo sa to za 6 minút. Potom som ho opäť schladil na izbovú teplotu a pridal do horúceho. Pri tom istom teple varila horúca voda 4 hodiny a 30 minút. Záver: podľa očakávania horúca voda vrie oveľa rýchlejšie.

Varená voda (so soľou): Do 1 litra vody som pridal 2 veľké lyžice kuchynskej soli. Varilo sa to po 6 minútach 33 sekundách a ako ukazuje teplomer, dosiahlo teplotu 102 ° C. Soľ nepochybne ovplyvňuje bod varu, ale nie veľmi. Záver: soľ vo vode výrazne neovplyvňuje teplotu a čas varu. Úprimne priznávam, že moju kuchyňu možno len ťažko nazvať laboratóriom a možno moje závery sú v rozpore s realitou. Môj mraziaci priestor môže zmrazovať potraviny nerovnomerne. Moje okuliare mohli byť nepravidelné atď. Nech sa však v laboratóriu stane čokoľvek, pokiaľ ide o mrazenie alebo vriacu vodu v kuchyni, najdôležitejší je zdravý rozum.

odkaz s zábavné fakty o vaude o vode
ako sa navrhuje na fóre forum.ixbt.com, tento efekt (účinok zmrazenia horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody) sa nazýva „efekt Aristoteles-Mpemba“

Títo. prevarená voda (chladená) zmrazí rýchlejšie ako „surová“

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo voda ohriata na 82 stupňov C zamrzne rýchlejšie ako studená? S najväčšou pravdepodobnosťou nie, som si ešte viac než istý, že vám nikdy nezišla na um otázka - ktorá voda mrzne rýchlejšie, horúca alebo studená?

Tento prekvapivý objav však urobil obyčajný africký školák Erasto Mpemba už v roku 1963. Bola to obvyklá skúsenosť zvedavého chlapca, samozrejme, nedokázal správne interpretovať svoj vlastný význam a navyše vedci z celého sveta až do roku 1966 nedokázali poskytnúť jasné a rozumné informácie. odpoveď na otázku - prečo teplá voda mrzne rýchlejšie ako chlad.

Prečo horúca voda mrzne pri 4 stupňoch Celzia a studená pri 0?

V studenej vode je veľa rozpusteného kyslíka Je to on, kto udržuje bod mrazu vody na 0 stupňoch. Ak sa z vody odstráni kyslík, a to sa stane, keď sa voda zahreje, vzduchové bubliny sa rozpustia vo vode, ako je teraz v móde, kolabujú, voda sa zmení na ľad nie pri nulových stupňoch, ako obvykle, a už pri 4 ° C... Je to kyslík rozpustený vo vode, ktorý prerušuje väzby medzi molekulami vody, čím zabraňuje prechodu vody z kvapaliny do tuhého stavu, jednoducho sa zmení na

Britská kráľovská chemická spoločnosť ponúka odmenu 1 000 libier každému, kto dokáže vedecky vysvetliť, prečo horúca voda v niektorých prípadoch mrzne rýchlejšie ako studená.

"Moderná veda stále nemôže odpovedať na túto zdanlivo jednoduchú otázku." Výrobcovia zmrzliny a barmani používajú tento efekt vo svojej každodennej práci, ale nikto nevie, prečo to funguje. Tento problém je známy už tisícročia, filozofi ako Aristoteles a Descartes o ňom uvažovali, “uviedol prezident Britskej kráľovskej chemickej spoločnosti profesor David Philips, ktorého cituje tlačová správa spoločnosti.

Ako kuchár z Afriky porazil britského profesora fyziky

Nejde o aprílový žart, ale o tvrdú fyzickú realitu. Súčasná veda, ktorá ľahko funguje s galaxiami a čiernymi dierami, stavia obrovské urýchľovače na hľadanie kvarkov a bozónov, nevie vysvetliť, ako elementárna voda „funguje“. V školskej učebnici sa jednoznačne uvádza, že teplejšiemu telu trvá chladnutie dlhšie ako chladnému telu. Ale pre vodu nie je tento zákon vždy dodržaný. Na tento paradox upozornil Aristoteles v 4. storočí pred n. NS. Toto napísal staroveký Grék v knihe Meteorologica I: „Skutočnosť, že voda je predhriata, zamrzne. Preto veľa ľudí, keď chcú rýchlo ochladiť horúcu vodu, najskôr ju dajú na slnko ... “V stredoveku sa tento jav pokúsili vysvetliť Francis Bacon a René Descartes. To sa bohužiaľ nepodarilo ani veľkým filozofom, ani početným vedcom, ktorí rozvíjali klasickú tepelnú fyziku, a preto sa na tento nepríjemný fakt dlho „zabúdalo“.

A až v roku 1968 sa „spamätali“ vďaka školákovi Erastovi Mpembovi z Tanzánie, ďaleko od akejkoľvek vedy. Počas štúdia na kuchárskej škole mal v roku 1963 13-ročný Mpembe za úlohu vyrobiť zmrzlinu. Podľa technológie bolo potrebné mlieko prevariť, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom ho vložiť do chladničky zmraziť. Mpemba zrejme nebol usilovným študentom a váhal. V obave, že do konca hodiny nestihne prísť, vložil horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho kamarátov, pripravené podľa všetkých pravidiel.

Keď sa Mpemba podelil o svoj objav s učiteľom fyziky, vysmial sa mu pred celou triedou. Mpemba si spomenul na zranenie. O päť rokov neskôr, už ako študent univerzity v Dar es Salaame, bol na prednáške slávneho fyzika Denisa G. Osborna. Po prednáške položil vedcovi otázku: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým množstvom vody, jednu pri 35 ° C (95 ° F) a druhú pri 100 ° C (212 ° F), a umiestnite ich. v mrazničke, potom voda v horúcej nádobe zamrzne rýchlejšie. Prečo? " Viete si predstaviť reakciu britského profesora na otázku mladého muža z bohom zabudnutej Tanzánie. Robil si zo študenta srandu. Mpemba bol však na takúto odpoveď pripravený a vyzval vedca na stávku. Ich spor sa skončil experimentálnym testom, ktorý potvrdil správnosť Mpemby a porážku Osborna. Kuchár teda zapísal svoje meno do dejín vedy a odteraz sa tento jav nazýva „efekt Mpemba“. Zahodiť to, vyhlásiť to, ako by to „neexistujúce“ nefungovalo. Tento jav existuje a, ako básnik napísal, „nie po zuby“.

Môžu za to prach a rozpustené látky?

Mnohí sa za tie roky pokúsili odhaliť záhadu mrazivej vody. Bola navrhnutá celá škála vysvetlení tohto javu: odparovanie, konvekcia, vplyv rozpustených látok - žiadny z týchto faktorov však nemožno považovať za konečný. Mnoho vedcov zasvätilo celý svoj život efektu Mpemba. Pracovník odboru radiačnej bezpečnosti Štátna univerzita New York City - James Brownridge strávil desaťročie štúdiom paradoxu vo svojom voľnom čase. Po vykonaní stoviek experimentov vedec tvrdí, že má dôkazy o „vine“ hypotermie. Brownridge vysvetľuje, že pri 0 ° C je voda iba podchladená a začína mrznúť, keď teplota klesne pod. Teplota tuhnutia je riadená nečistotami vo vode - menia rýchlosť tvorby ľadových kryštálov. Nečistoty, a to sú prachové zrná, baktérie a rozpustené soli, majú pre ne charakteristickú teplotu nukleácie, keď sa okolo centier kryštalizácie tvoria kryštály ľadu. Keď je vo vode niekoľko prvkov naraz, bod tuhnutia určuje ten, ktorý ho má najviac vysoká horúčka nukleácia.

Na experiment Brownridge odobral dve vzorky vody s rovnakou teplotou a umiestnil ich do mrazničky. Zistil, že jeden zo vzoriek vždy zamrzne pred druhým - pravdepodobne kvôli odlišnej kombinácii nečistôt.

Brownridge tvrdí, že horúca voda chladne rýchlejšie kvôli väčšiemu teplotnému rozdielu medzi vodou a mrazničkou - to jej pomáha dosiahnuť bod mrazu skôr, ako studená voda dosiahne svoj prirodzený bod mrazu, ktorý je najmenej o 5 ° C nižší.

Brownridgeove úvahy však vyvolávajú mnohé otázky. Tí, ktorí si teda môžu svoj efekt Mpemba vysvetliť po svojom, majú šancu súťažiť o tisíc libier od British Royal Chemical Society.

Existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú to, či voda mrzne rýchlejšie, horúco alebo studene, ale samotná otázka sa zdá trochu zvláštna. Z toho vyplýva, a z fyziky je známe, že horúca voda stále potrebuje čas na vychladnutie na teplotu porovnateľnej studenej vody, aby sa zmenila na ľad. túto fázu je možné preskočiť, a preto včas vyhrá.

Ale odpoveď na otázku, ktorá voda mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca - vonku v mraze, pozná každý obyvateľ severných šírok. V skutočnosti sa vedecky ukazuje, že studená voda v každom prípade musí zmraziť rýchlejšie.

Rovnako uvažoval aj učiteľ fyziky, na ktorého sa v roku 1963 obrátil školák Erasto Mpemba so žiadosťou o vysvetlenie, prečo studená zmes budúcej zmrzliny mrzne dlhšie ako podobná, ale horúca.

„Toto nie je svetová fyzika, ale nejaký druh fyziky Mpemba“

V tom čase sa tomu učiteľ iba smial, ale Deniss Osborne, profesor fyziky, ktorý sa svojho času zastavil na tej istej škole, kde študoval Erasto, experimentálne potvrdil existenciu takého účinku, aj keď vtedy na to neexistovalo žiadne vysvetlenie. V roku 1969 publikoval populárny vedecký časopis spoločný článok týchto dvoch ľudí, ktorí popisovali tento zvláštny efekt.

Od tej doby, mimochodom, otázka, ktorá voda zmrzne rýchlejšie - horúca alebo studená -, má svoje vlastné meno - účinok alebo paradox Mpemba.

Otázka vznikala dlho

Prirodzene, k tomuto javu došlo už predtým a bol spomenutý v prácach iných vedcov. O túto problematiku sa zaujímal nielen školák, ale svojho času o nej premýšľali aj Rene Descartes a dokonca aj Aristoteles.

Tu sú len prístupy k riešeniu tohto paradoxu, ktoré začali hľadať až na konci dvadsiateho storočia.

Podmienky vzniku paradoxu

Rovnako ako pri zmrzline, aj pri experimente nezamrzne len obyčajná voda. Musí byť prítomný určité podmienky aby ste sa začali hádať, ktorá voda mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca. Čo ovplyvňuje priebeh tohto procesu?

Teraz, v 21. storočí, bolo predložených niekoľko možností, ktoré môžu vysvetliť tento paradox. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, horúca alebo studená, môže závisieť od skutočnosti, že sa odparuje rýchlejšie ako studená voda. Jeho objem sa teda zmenšuje a s poklesom objemu sa doba mrazenia skracuje, ako keby sme vzali podobný počiatočný objem studenej vody.

Mrazničku rozmrazujte na dlhší čas

Akú vodu zamrzne rýchlejšie a prečo sa to stane, môže ovplyvniť snehová výstelka, ktorá sa nachádza v mrazničke chladničky použitej na experiment. Ak vezmete dve nádoby s rovnakým objemom, ale jedna z nich obsahuje horúcu vodu a druhá studenú vodu, nádoba s horúcou vodou pod ňou rozpustí sneh, čím sa zlepší kontakt tepelnej hladiny so stenou chladničku. Nádoba na studenú vodu to nedokáže. Ak v chladničke nie je taká podšívka so snehom, studená voda by mala zmraziť rýchlejšie.

Hore - dole

Fenomén, v ktorom voda mrzne rýchlejšie - horúca alebo studená, je vysvetlený nasledovne. Pri dodržaní určitých zákonov začne studená voda z horných vrstiev mrznúť, keď horúca to robí naopak - začína mrznúť zdola nahor. Súčasne sa ukazuje, že studená voda, ktorá má na vrchu studenú vrstvu s ľadom už miestami vytvoreným, zhoršuje procesy prúdenia a tepelného žiarenia, čím vysvetľuje, ktorá voda zmrzne rýchlejšie - studená alebo horúca. Prikladáme fotografiu z amatérskych experimentov a je to tu dobre viditeľné.

Teplo zhasína, má tendenciu stúpať nahor, a tam sa stretáva s veľmi chladenou vrstvou. Neexistuje žiadna voľná cesta pre tepelné žiarenie, takže proces chladenia je náročný. Horúca voda na svojej ceste nemá žiadne prekážky. Ktorý z nich zamrzne rýchlejšie - studený alebo horúci, od ktorého závisí pravdepodobný výsledok, môžete odpoveď rozšíriť tým, že v akejkoľvek vode sú rozpustené určité látky.

Nečistoty vo vode ako faktor ovplyvňujúci výsledok

Ak nepodvádzate a používate vodu rovnakého zloženia, kde sú koncentrácie určitých látok identické, potom by mala studená voda zmraziť rýchlejšie. Ale ak dôjde k situácii pri rozpustení chemické prvky k dispozícii iba v horúcej vode a studená voda ich nemá, potom existuje možnosť, že horúca voda zamrzne skôr. Vysvetľuje to skutočnosť, že rozpustené látky vo vode vytvárajú kryštalizačné centrá a pri malom počte týchto centier transformácia vody na pevné skupenstvoťažké. Je dokonca možné podchladenie vody v tom zmysle, že pri mínusových teplotách bude v kvapalnom stave.

Ale všetky tieto verzie zrejme vedcom úplne nevyhovovali a naďalej pracovali na tomto probléme. V roku 2013 tím vedcov zo Singapuru uviedol, že vyriešili odvekú záhadu.

Skupina čínskych vedcov tvrdí, že tajomstvo tohto efektu spočíva v množstve energie, ktorá je uložená medzi molekulami vody v jej väzbách, nazývaných vodíkové väzby.

Indícia od čínskych vedcov

Nasledujú informácie, na pochopenie ktorých je potrebné mať určité znalosti z chémie, aby ste zistili, ktorá voda mrzne rýchlejšie - horúca alebo studená. Ako viete, pozostáva z dvoch atómov H (vodíka) a jedného atómu O (kyslíka), ktoré sú navzájom spojené kovalentnými väzbami.

Atómy vodíka jednej molekuly sú však priťahované k susedným molekulám, k ich kyslíkovej zložke. Práve týmto väzbám sa hovorí vodíkové.

Stojí za to pripomenúť, že molekuly vody sú navzájom odpudzujúce. Vedci poznamenali, že keď sa voda ohrieva, vzdialenosť medzi jej molekulami sa zvyšuje, čo je uľahčené iba odpudivými silami. Ukazuje sa, že zaberajúc jednu vzdialenosť medzi molekulami v chladnom stave, dalo by sa povedať, natiahnu sa a majú väčšiu zásobu energie. Je to tento zásobník energie, ktorý sa uvoľňuje, keď sa molekuly vody začnú k sebe približovať, to znamená, že dochádza k ochladzovaniu. Ukazuje sa, že väčší prísun energie v horúcej vode a jej väčšie uvoľnenie pri ochladení na teploty pod nulou nastáva rýchlejšie ako v studenej vode, ktorá má nižšie zásoby takejto energie. Ktorá voda teda zamrzne rýchlejšie - studená alebo horúca? Na ulici a v laboratóriu by mal nastať Mpemba paradox a horúca voda by sa mala rýchlejšie zmeniť na ľad.

Ale otázka je stále otvorená

Existuje iba teoretické potvrdenie tejto stopy - to všetko je napísané krásnymi vzorcami a zdá sa to vierohodné. Ale keď sú experimentálne údaje, ktoré voda zmrazuje rýchlejšie - horúca alebo studená, uvedené do praktického významu a sú uvedené ich výsledky, potom otázku paradoxu Mpemba možno považovať za uzavretú.