Nadieżda Konstantinowna Krupskaja. Nadieżda Krupskaja

Wielu badaczy przedstawiło i przedstawia własne wersje, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda. Wydawałoby się to paradoksem – w końcu, aby zamarznąć, gorąca woda musi najpierw ostygnąć. Jednak fakt pozostaje faktem, a naukowcy wyjaśniają to na różne sposoby.

Główne wersje

NA ten moment Istnieje kilka wersji wyjaśniających ten fakt:

1. Ponieważ parowanie w gorącej wodzie jest szybsze, zmniejsza się jej objętość. Mniejsza ilość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej.
2. Komora zamrażarki lodówki jest wyposażona w warstwę śniegu. Pojemnik z gorącą wodą topi znajdujący się pod nim śnieg. Poprawia to kontakt termiczny z zamrażarką.
3. Zamrażanie zimnej wody, w przeciwieństwie do gorącej, zaczyna się od góry. W tym przypadku pogarsza się konwekcja i promieniowanie cieplne, aw konsekwencji utrata ciepła.
4. W zimnej wodzie znajdują się centra krystalizacji - rozpuszczone w niej substancje. Przy niewielkiej ich zawartości w wodzie oblodzenie jest utrudnione, choć jednocześnie możliwa jest jego hipotermia - gdy ma stan płynny w temperaturach poniżej zera.

Chociaż uczciwie można powiedzieć, że efekt ten nie zawsze jest obserwowany. Zimna woda często zamarza szybciej niż gorąca.

W jakiej temperaturze zamarza woda

Dlaczego woda w ogóle zamarza? Zawiera pewną ilość cząstek mineralnych lub organicznych. Mogą to być na przykład bardzo drobne cząstki piasku, pyłu lub gliny. Gdy temperatura powietrza spada, cząsteczki te stają się centrami, wokół których tworzą się kryształki lodu.

Rolę zarodków krystalizacji mogą pełnić również pęcherzyki powietrza i pęknięcia w pojemniku z wodą. Na szybkość procesu przemiany wody w lód duży wpływ ma liczba takich ośrodków - jeśli jest ich dużo, ciecz zamarza szybciej. Na normalne warunki, przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym woda zamienia się w stan stały z cieczy w temperaturze 0 stopni.

Esencja efektu Mpemba

Efekt Mpemby rozumiany jest jako paradoks, którego istotą jest to, że w pewnych warunkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Zjawisko to zostało zauważone przez Arystotelesa i Kartezjusza. Jednak dopiero w 1963 roku Erasto Mpemba, uczeń z Tanzanii, ustalił, że gorące lody zamarzają w ponad Krótki czas niż zimno. Do takiego wniosku doszedł podczas wykonywania zadania gotowania.

Musiał rozpuścić cukier w gotowanym mleku i po schłodzeniu wstawić do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie wyróżniał się szczególną pracowitością i późno zaczął realizować pierwszą część zadania. Dlatego nie czekał, aż mleko ostygnie i włożył je do lodówki na gorąco. Był bardzo zaskoczony, gdy zamarzł jeszcze szybciej niż u jego kolegów z klasy, którzy wykonali pracę zgodnie z podaną technologią.

Ten fakt bardzo zainteresował młodego człowieka i zaczął eksperymentować ze zwykłą wodą. W 1969 roku czasopismo Physics Education opublikowało wyniki badań Mpemby i profesora Dennisa Osborna z Uniwersytetu w Dar es Salaam. Opisanemu przez nich efektowi nadano nazwę Mpemba. Jednak nawet dzisiaj nie ma jasnego wyjaśnienia tego zjawiska. Wszyscy naukowcy są zgodni co do tego, że główną rolę odgrywają w tym różnice we właściwościach schłodzonego i schłodzonego gorąca woda, ale jak dokładnie, nie wiadomo.

Wersja singapurska

Fizyków z jednego z singapurskich uniwersytetów zainteresowało też pytanie, która woda szybciej zamarza - gorąca czy zimna? Zespół naukowców kierowany przez Xi Zhanga wyjaśnił ten paradoks właśnie na podstawie właściwości wody. Wszyscy inni z ławka szkolna Znany jest skład wody - atom tlenu i dwa atomy wodoru. Tlen w pewnym stopniu przyciąga elektrony z wodoru, więc cząsteczka jest swego rodzaju „magnesem”.

W rezultacie niektóre cząsteczki w wodzie są lekko przyciągane do siebie i są połączone wiązaniem wodorowym. Jego siła jest wielokrotnie mniejsza niż wiązania kowalencyjnego. Singapurscy naukowcy uważają, że wyjaśnienie paradoksu Mpemby tkwi właśnie w wiązaniach wodorowych. Jeśli cząsteczki wody są umieszczone bardzo blisko siebie, to tak silne oddziaływanie między cząsteczkami może zdeformować wiązanie kowalencyjne w środku samej cząsteczki.

Ale kiedy woda jest podgrzewana, związane cząsteczki oddalają się nieco od siebie. W rezultacie dochodzi do relaksacji wiązań kowalencyjnych w środku cząsteczek z powrotem nadmiaru energii i przejściem do najniższego poziomu energetycznego. Prowadzi to do tego, że gorąca woda zaczyna szybko stygnąć. Przez co najmniej, więc pokaż obliczenia teoretyczne przeprowadzone przez singapurskich naukowców.

Natychmiastowe zamrażanie wody - 5 niesamowitych sztuczek: wideo

Wydaje się to oczywiste zimna woda zamarza szybciej niż gorąca woda, ponieważ w takich samych 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 woda, jest znane jako efekt Mpemby, nazwany na cześć Erasto Mpemby, ucznia z Tanzanii, który w 1963 roku zrobił lody w ramach szkolnego projektu. 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 woda. 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 innych podobnych prac wykazało, że we wszystkich przypadkach, w których obserwowano ten efekt, dochodziło do przesunięcia termopary w granicach centymetra.

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 chodziło o to, że jeśli weźmie się dwa drewniane wiadra tej samej wielkości, jedno z gorąca woda, inny z zimnem (dokładnie o określonej temperaturze) i umieść je w środowisku o określonej temperaturze, które zamarznie szybciej? Oczywiście odpowiedź od razu sama się nasunęła – wiadro zimna woda ale myśleliśmy, że to za łatwe. 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 domowych 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 zamrażarki, płyty kuchennej, trochę wody i termometru cyfrowego. 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 zamarza szybciej niż woda z kranu. Pomimo wcześniejszych wyjaśnień, niektórzy eksperci twierdzą, że gotowana woda, ochłodzić do temperatura pokojowa, powinien zamarznąć szybciej, ponieważ gotowanie zmniejsza 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 tym samym obniża temperaturę zamarzania - dlatego niektóre gospodynie domowe dodają trochę soli do lodów). sól kamienna). 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). Pomimo tego, co jest w nim napisane 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 o temperaturze pokojowej (22°C), jedna gorąca woda (46°C) i jedna przegotowana (100°C). 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 warunki laboratoryjne, Gdy rozmawiamy 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”

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

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, 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? Zaledwie kilka lat temu naukowcy byli w stanie to wyjaśnić ten fenomen …

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 podczas 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 następująco: najpierw część gorącej wody po prostu odparowuje, a potem, gdy zostaje jej mniej, 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 atomów wodoru połączonych wiązaniami kowalencyjnymi, 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, a woda zamarza, dużo więcej ciepła i dlatego powstały 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. ciepła woda 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, należy przyjąć, że warstwy zimnej i gorącej wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji trwa po Średnia temperatura krople 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 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 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 ustaleniom, że gorąca woda jest w stanie osiągnąć większe przechłodzenie dzięki mniej centra 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 jest jednym z najbardziej niesamowitych płynów na świecie, który ma niezwykłe właściwości. Na przykład lód jest cieczą w stanie stałym środek ciężkości niższy niż sama woda, która powstała na wiele sposobów możliwe wystąpienie i rozwoju życia na ziemi. Ponadto w prawie naukowym i świat naukowy toczą się dyskusje o tym, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna. Kto udowodni szybsze zamrażanie gorącej cieczy w określonych warunkach i naukowo uzasadni swoją decyzję, otrzyma nagrodę w wysokości 1000 funtów od Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemicznego.

Tło

Już w średniowieczu zauważono, że pod wieloma warunkami woda gorąca wyprzedza wodę zimną pod względem szybkości zamarzania. Francis Bacon i René Descartes włożyli wiele wysiłku w wyjaśnienie tego zjawiska. Jednak z punktu widzenia klasycznej ciepłownictwa tego paradoksu nie da się wyjaśnić i próbowano go nieśmiało uciszyć. Impulsem do kontynuacji sporu była dość ciekawa historia, która przydarzyła się tanzańskiemu uczniowi Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) w 1963 roku. Pewnego razu, podczas lekcji robienia deserów w szkole gotowania, zajęty innymi sprawami chłopiec nie zdążył na czas schłodzić mieszanki lodów i włożył do zamrażarki roztwór cukru w ​​gorącym mleku. Ku jego zaskoczeniu produkt schładzał się nieco szybciej niż jego koledzy praktykujący, którzy obserwowali reżim temperaturowy przygotowanie lodów.

Próbując zrozumieć istotę zjawiska, chłopiec zwrócił się do nauczyciela fizyki, który nie wdając się w szczegóły, wyśmiewał jego kulinarne eksperymenty. Jednak Erasto wyróżniał się godną pozazdroszczenia wytrwałością i kontynuował swoje eksperymenty już nie na mleku, ale na wodzie. Upewnił się, że w niektórych przypadkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna.

Wchodząc na uniwersytet w Dar es Salaam, Erasto Mpembe uczestniczył w wykładzie profesora Dennisa G. Osborne'a. Po ukończeniu studiów student zaintrygował naukowca problemem szybkości zamarzania wody w zależności od jej temperatury. DG Osborne wyśmiał samo postawienie pytania, stwierdzając z przekonaniem, że każdy przegrany wie, że zimna woda zamarza szybciej. Jednak naturalna wytrwałość młodego człowieka dała o sobie znać. Założył się z profesorem, proponując przeprowadzenie eksperymentu tutaj, w laboratorium. Erasto umieścił w zamrażarce dwa pojemniki z wodą, jeden o temperaturze 95°F (35°C), a drugi o temperaturze 212°F (100°C). Jakie było zdziwienie profesora i otaczających go „kibiców”, gdy woda w drugim pojemniku szybciej zamarzła. Od tego czasu zjawisko to nazywane jest „Paradoksem Mpemby”.

Jednak do tej pory nie ma spójnej hipotezy teoretycznej wyjaśniającej „Paradoks Mpemby”. Nie jest jasne, które czynniki zewnętrzne, skład chemiczny woda, obecność w niej rozpuszczonych gazów i minerały wpływają na szybkość zamarzania cieczy w różnych temperaturach. Paradoks "Efektu Mpemby" polega na tym, że zaprzecza on jednemu z praw odkrytych przez I. Newtona, które stwierdza, że ​​czas stygnięcia wody jest wprost proporcjonalny do różnicy temperatur pomiędzy cieczą a otoczeniem. A jeśli wszystkie inne płyny całkowicie podlegają temu prawu, to woda w niektórych przypadkach jest wyjątkiem.

Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej?T

Istnieje kilka wersji, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda. Główne z nich to:

• gorąca woda odparowuje szybciej, podczas gdy jej objętość maleje, a mniejsza objętość cieczy stygnie szybciej - gdy woda jest schładzana od + 100 ° С do 0 ° С, straty objętości podczas ciśnienie atmosferyczne osiągnąć 15%;
• szybkość wymiany ciepła między cieczą a środowisko im wyższa tym większa różnica temperatur, tzw strata ciepła wrząca woda przepływa szybciej;
• gdy gorąca woda ochładza się, na jej powierzchni tworzy się skorupa lodowa, która zapobiega całkowitemu zamarznięciu i odparowaniu cieczy;
• przy wysokiej temperaturze wody następuje jej konwekcyjne mieszanie, skracające czas zamrażania;
• gazy rozpuszczone w wodzie obniżają temperaturę zamarzania, pobierając energię do tworzenia kryształów - w gorącej wodzie nie ma rozpuszczonych gazów.

Wszystkie te warunki zostały poddane wielokrotnej weryfikacji eksperymentalnej. W szczególności niemiecki naukowiec David Auerbach odkrył, że temperatura krystalizacji gorącej wody jest nieco wyższa niż zimnej wody, co umożliwia szybsze zamrożenie tej pierwszej. Jednak później jego eksperymenty spotkały się z krytyką i wielu naukowców jest przekonanych, że „Efekt Mpemby”, polegający na tym, że woda zamarza szybciej - gorąca lub zimna, może zostać odtworzony tylko w określonych warunkach, których do tej pory nikt nie szukał i nie skonkretyzował.