Топлата вода замръзва по-бързо. Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?
Здравейте скъпи влюбени интересни факти. Днес ще говорим с вас за. Но мисля, че въпросът, поставен в заглавието, може да изглежда просто абсурден - но трябва ли винаги да се доверявате безразделно на прословутия „здрав разум“, а не на строго установен тестов експеримент. Нека се опитаме да разберем защо топла водазамръзва ли по-бързо от студено?
Историческа справка
Че по въпроса за замразяването на студена и гореща вода „не всичко е чисто“ се споменава в трудовете на Аристотел, след това подобни бележки са направени от Ф. Бейкън, Р. Декарт и Дж. Блек. IN съвременна историяТози ефект беше наречен „парадоксът на Мпемба“ - на името на ученика от Танганайка Ерасто Мпемба, който зададе същия въпрос на гостуващ професор по физика.
Въпросът на момчето не възникна от нищото, а от чисто лични наблюдения върху процеса на охлаждане на сладоледените смеси в кухнята. Разбира се, съучениците, които присъстваха там, заедно с училищния учител, накараха Мпемба да се смее - но след експериментален тест лично от професор Д. Осборн, желанието да се подиграват на Ерасто се „изпари“ от тях. Освен това Мпемба, заедно с професор, публикува във Physics Education през 1969 г Подробно описаниетози ефект - и оттогава гореспоменатото име е фиксирано в научната литература.
Каква е същността на явлението?
Настройката на експеримента е съвсем проста: при равни други условия се тестват еднакви тънкостенни съдове, в тях - строго равни количестваводи, които се различават само по температура. Съдовете се зареждат в хладилника, след което се записва времето до образуването на лед във всеки от тях. Парадоксът е, че в съд с първоначално по-гореща течност това става по-бързо.
Как съвременната физика обяснява това?
Парадоксът няма универсално обяснение, тъй като няколко паралелни процеса протичат заедно, чийто принос може да варира от конкретни начални условия- но със същия резултат:
- способността на течността да се преохлажда - първоначално студена водапо-податливи на хипотермия, т.е. остава течен, когато температурата му вече е под точката на замръзване
- ускорено охлаждане - парата от гореща вода се трансформира в ледени микрокристали, които при падане обратно ускоряват процеса, работейки като допълнителен „външен топлообменник“
- изолационен ефект - за разлика от горещата вода, студената вода замръзва отгоре, което води до намаляване на топлопредаването чрез конвекция и радиация
Има и редица други обяснения ( последен пътБританското Кралско дружество по химия проведе конкурс за най-добра хипотеза наскоро, през 2012 г.) - но все още няма недвусмислена теория за всички случаи на комбинации от входни условия...
21.11.2017 11.10.2018 Александър Фърцев
« Коя вода замръзва по-бързо, студена или гореща?„- опитайте да зададете въпрос на приятелите си, най-вероятно повечето от тях ще отговорят, че студената вода замръзва по-бързо - и ще направят грешка.
Всъщност, ако поставите едновременно два съда с еднаква форма и обем във фризера, единият от които съдържа студена вода, а другият гореща, тогава горещата вода ще замръзне по-бързо.
Подобно твърдение може да изглежда абсурдно и неразумно. Ако следвате логиката, тогава горещата вода трябва първо да се охлади до температурата на студената вода, а студената вода вече трябва да се превърне в лед по това време.
Така че защо топлата вода побеждава студената по пътя си към замръзване? Нека се опитаме да го разберем.
История на наблюденията и изследванията
Хората наблюдават този парадоксален ефект от древни времена, но никой не му придава особено значение. Така Арестотел, както и Рене Декарт и Франсис Бейкън, отбелязват в своите бележки несъответствията в скоростта на замръзване на студена и гореща вода. Необичайно явление често се появява в ежедневието.
Дълго време феноменът не беше изследван по никакъв начин и не предизвика особен интерес сред учените.
Изследването на този необичаен ефект започва през 1963 г., когато любознателен ученик от Танзания, Ерасто Мпемба, забелязва, че горещото мляко за сладолед замръзва по-бързо от студеното. Надявайки се да получи обяснение за причините за необичайния ефект, младежът попитал своя учител по физика в училище. Учителят обаче само му се изсмял.
По-късно Мпемба повторил експеримента, но в опита си вече не използвал мляко, а вода и парадоксалният ефект се повторил отново.
6 години по-късно, през 1969 г., Мпемба задава този въпрос на професора по физика Денис Осбърн, който идва в неговото училище. Професорът се заинтересува от наблюдението на младия мъж и в резултат на това беше проведен експеримент, който потвърди наличието на ефекта, но причините за това явление не бяха установени.
Оттогава явлението се нарича Мпемба ефект.
През цялата история на научните наблюдения са изказани много хипотези за причините за това явление.
Така че през 2012 г. Британското кралско дружество по химия ще обяви конкурс на хипотези, обясняващи ефекта на Мпемба. В състезанието участваха учени от цял свят, регистрираните бяха общо 22 000 научни трудове. Въпреки толкова внушителния брой статии, нито една от тях не внесе яснота в парадокса на Мпемба.
Най-разпространената версия беше, че горещата вода замръзва по-бързо, тъй като просто се изпарява по-бързо, обемът й става по-малък и с намаляването на обема скоростта на охлаждане се увеличава. Най-често срещаната версия в крайна сметка беше опровергана, тъй като беше проведен експеримент, в който изпарението беше изключено, но въпреки това ефектът беше потвърден.
Други учени смятат, че причината за ефекта Мпемба е изпарението на газове, разтворени във вода. Според тях по време на процеса на нагряване газовете, разтворени във водата, се изпаряват, поради което тя придобива повече висока плътностотколкото студено. Както е известно, увеличаването на плътността води до промяна физични свойствавода (повишена топлопроводимост) и следователно увеличаване на скоростта на охлаждане.
Освен това са представени редица хипотези, описващи скоростта на циркулация на водата в зависимост от температурата. Много изследвания се опитват да установят връзката между материала на контейнерите, в които се намира течността. Много теории изглеждаха много правдоподобни, но не можеха да бъдат научно потвърдени поради липса на първоначални данни, противоречия в други експерименти или защото идентифицираните фактори просто не бяха сравними със скоростта на охлаждане на водата. Някои учени в своите трудове поставиха под въпрос съществуването на ефекта.
През 2013 г. изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур твърдят, че са разрешили мистерията на ефекта Мпемба. Според тяхното изследване причината за феномена се крие във факта, че количеството енергия, съхранявано във водородните връзки между молекулите на студена и гореща вода, е значително различно.
Методите за компютърно моделиране показаха следните резултати: Колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-голямо става разстоянието между молекулите поради факта, че силите на отблъскване се увеличават. И следователно водородните връзки на молекулите се разтягат, съхранявайки голямо количествоенергия. Когато се охладят, молекулите започват да се приближават една до друга, освобождавайки енергия от водородните връзки. В този случай освобождаването на енергия е придружено от намаляване на температурата.
През октомври 2017 г. испански физици в хода на друго изследване установиха, че основна роля при формирането на ефекта играе извеждането на веществото от равновесие (силно нагряване преди силно охлаждане). Те определиха условията, при които вероятността за възникване на ефекта е максимална. Освен това учени от Испания потвърдиха съществуването на обратния ефект на Мпемба. Те установиха, че при нагряване по-студена проба може да достигне висока температура по-бързо от по-топлата.
Въпреки изчерпателната информация и множеството експерименти учените възнамеряват да продължат да изучават ефекта.
Mpemba ефект в реалния живот
Чудили ли сте се защо пързалката се наводнява през зимата? топла вода, и не е студено? Както вече разбирате, те правят това, защото пързалка, пълна с гореща вода, ще замръзне по-бързо, отколкото ако е пълна със студена вода. По същата причина гореща вода се излива в пързалките в зимните ледени градове.
По този начин знанието за съществуването на феномена позволява на хората да спестят време, когато подготвят сайтове за зимни видовеспорт
В допълнение, ефектът Mpemba понякога се използва в индустрията за намаляване на времето за замразяване на продукти, вещества и материали, съдържащи вода.
Изглежда, че добрата стара формула H 2 O не съдържа тайни. Но всъщност водата - източникът на живот и най-известната течност в света - е изпълнена с много мистерии, които дори учените понякога не могат да разрешат.
Ето 5-те най-интересни факта за водата:
1. Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода
Нека вземем два съда с вода: в единия налейте гореща вода, а в другия - студена вода и ги поставете във фризера. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената вода, въпреки че логично студената вода първо трябва да се е превърнала в лед: в крайна сметка горещата вода трябва първо да се охлади до студената температура и след това да се превърне в лед, докато студената вода не трябва да се охлажда. Защо се случва това?
През 1963 г. Ерасто Б. Мпемба, гимназист в Танзания, замразява смес за сладолед и забелязва, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учителя си по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът бил упорит и убедил учителя да проведе експеримент, който потвърдил откритието му: при определени условия топлата вода действително замръзва по-бързо от студената.
Сега този феномен на гореща вода, която замръзва по-бързо от студена вода, се нарича „ефект на Мпемба“. Вярно, много преди това уникален имотводата е отбелязана от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт.
Учените все още не разбират напълно природата на това явление, обяснявайки го или с разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията, или с ефекта на втечнените газове върху гореща и студена вода.
Бележка от X.RU по темата „Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода.“
Тъй като проблемите на охлаждането са по-близки до нас, хладилниците, ще си позволим да навлезем малко по-надълбоко в същността на този проблем и да дадем две мнения за същността на такъв мистериозен феномен.
1. Учен от Вашингтонския университет предложи обяснение на мистериозен феномен, известен още от времето на Аристотел: защо горещата вода замръзва по-бързо от студената.
Феноменът, наречен ефект на Мпемба, се използва широко в практиката. Например, експертите съветват шофьорите през зимата да наливат студена, а не гореща вода в резервоара на пералнята. Но какво се крие зад този феномен? за дълго времеостана неизвестен.
Д-р Джонатан Кац от Вашингтонския университет изследва този феномен и заключава, че важна роляиграе се от вещества, разтворени във вода, които се утаяват при нагряване, съобщава EurekAlert.
Под разтворени вещества д-р. Katz се отнася до калциевите и магнезиевите бикарбонати, които се намират в твърдата вода. Когато водата се нагрява, тези вещества се утаяват, образувайки котлен камък по стените на чайника. Водата, която никога не е била нагрявана, съдържа тези примеси. При замръзване и образуване на ледени кристали концентрацията на примеси във водата се увеличава 50 пъти. Поради това точката на замръзване на водата намалява. „И сега водата трябва да се охлади допълнително, за да замръзне“, обяснява д-р Кац.
Има и втора причина, която предотвратява замръзването на незагрята вода. Понижаването на точката на замръзване на водата намалява температурната разлика между твърдата и течната фаза. „Тъй като скоростта, с която водата губи топлина, зависи от тази температурна разлика, водата, която не е била нагрята, се охлажда по-лошо“, коментира д-р Кац.
Според учения неговата теория може да бъде проверена експериментално, т.к Ефектът Mpemba става по-забележим при по-твърда вода.
2. Кислород плюс водород плюс студ създават лед. На пръв поглед това прозрачно вещество изглежда много просто. В действителност ледът е изпълнен с много мистерии. Ледът, създаден от африканеца Ерасто Мпемба, не мисли за слава. Дните бяха горещи. Той искаше плодов лед. Взе кутията със сока и я сложи във фризера. Той направи това повече от веднъж и затова забеляза, че сокът замръзва особено бързо, ако първо го държите на слънце - наистина го загрява! Това е странно, помисли си ученикът от Танзания, който постъпи противно на светската мъдрост. Наистина ли е вярно, че за да се превърне течността по-бързо в лед, първо трябва да се... загрее? Младият мъж бил толкова изненадан, че споделил предположението си с учителя. Той съобщи за това любопитство в пресата.
Тази история се случи през шейсетте години на миналия век. Сега "ефектът на Мпемба" е добре известен на учените. Но дълго време това на пръв поглед просто явление остава загадка. Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?
Едва през 1996 г. физикът Дейвид Ауербах намира решение. За да отговори на този въпрос, той цяла годинапроведе експеримент: той нагрява вода в чаша и я охлажда отново. И така, какво разбра? При нагряване въздушните мехурчета, разтворени във вода, се изпаряват. Лишената от газове вода замръзва по-лесно по стените на съда. „Разбира се, вода с високо съдържаниевъздухът също ще замръзне", казва Ауербах, „но не при нула градуса по Целзий, а само при минус четири до шест градуса.“ Разбира се, ще трябва да изчакате по-дълго. Така че горещата вода замръзва преди студената вода, това е научен факт.
Едва ли има вещество, което да се появява пред очите ни със същата лекота като леда. Състои се само от водни молекули - тоест елементарни молекули, съдържащи два водородни атома и един кислороден атом. Ледът обаче е може би най-мистериозното вещество във Вселената. Учените все още не са успели да обяснят някои от неговите свойства.
2. Преохлаждане и "мигновено" замразяване
Всеки знае, че водата винаги се превръща в лед, когато се охлади до 0°C... освен в някои случаи! Такъв случай например е "преохлаждането", което е свойство на много чиста водаостават течни дори когато се охладят до температура под замръзване. Това явление е възможно благодарение на факта, че околната среда не съдържа центрове или ядра на кристализация, които биха могли да предизвикат образуването на ледени кристали. И така водата остава вътре течна форма, дори когато е охладен до температури под нула градуса по Целзий. Процесът на кристализация може да бъде предизвикан например от газови мехурчета, примеси (замърсители) или неравна повърхност на контейнера. Без тях водата ще остане в течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как свръхохладената вода моментално се превръща в лед.
Гледайте видеоклипа (2 901 KB, 60 секунди) от Фил Медина (www.mrsciguy.com) и се убедете сами >>
Коментирайте.Прегрятата вода също остава течна, дори когато се нагрее над точката на кипене.
3. "Стъклена" вода
Бързо и без колебание назовете колко различни условияима ли близо до водата?
Ако сте отговорили на три (твърдо, течно, газообразно), значи грешите. Учените идентифицират най-малко 5 различни състояния на течна вода и 14 състояния на лед.
Помните ли разговора за супер охладената вода? Така че, каквото и да правите, при -38 °C дори най-чистата супер охладена вода внезапно се превръща в лед. Какво се случва с по-нататъшен спад?
температура? При -120 °C нещо странно започва да се случва с водата: тя става супер вискозна или вискозна, като меласата, а при температури под -135 °C се превръща в „стъклена” или „стъкловидна” вода – твърдо вещество, което няма кристална структура .
4. Квантови свойства на водата
На молекулярно нивоВодата е още по-изненадваща. През 1995 г. експеримент за разсейване на неутрони, проведен от учени, даде неочакван резултат: физиците откриха, че неутроните, насочени към водните молекули, „виждат“ 25% по-малко водородни протони от очакваното.
Оказа се, че при скорост от една атосекунда (10 -18 секунди) необичайно квантов ефект, И химична формулавода вместо обичайната - H 2 O, става H 1,5 O!
5. Водата има ли памет?
Хомеопатия, алтернатива официална медицина, заявява, че разреден разтвор лекарствен продуктможе да предостави лечебен ефектвърху тялото, дори ако факторът на разреждане е толкова висок, че в разтвора не е останало нищо освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепцията, наречена „памет на водата“, според която водата на молекулярно ниво има „памет“ за веществото, веднъж разтворено в нея, и запазва свойствата на разтвора с първоначалната концентрация след нито един път. молекула от съставката остава в него.
Международна група учени, ръководена от професор Маделин Енис от университета на Куинс в Белфаст, която критикува принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае тази концепция веднъж завинаги. Резултатът беше обратният. След Какво учените казаха, че успяха да докажат реалността на ефекта на „паметта на водата", но експериментите, проведени под наблюдението на независими експерти, не доведоха до резултати. Споровете за съществуването на феномена „памет на водата" продължават.
Водата има много други необичайни свойства, за които не говорихме в тази статия.
Литература.
1. 5 наистина странни неща за водата / http://www.neatorama.com.
2. Мистерията на водата: създадена е теорията за ефекта на Аристотел-Мпемба / http://www.o8ode.ru.
3. Непомнящ Н.Н. Тайни нежива природа. Най-мистериозното вещество във Вселената / http://www.bibliotekar.ru.
През 1963 г. танзанийски ученик на име Ерасто Мпемба задал глупав въпрос на своя учител - защо топлият сладолед във фризера му замръзва по-бързо от студения?
Като ученик в средното училище Magambi в Танзания Ерасто Мпемба го направи практическа работав кулинарията. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология.
Той се обърна към учителя по физика за разяснение, но той само се изсмя на ученика, като каза следното: „Това не е универсална физика, а физика на Мпемба.“ След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода.
Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба.
Интересувате ли се да разберете защо се случва това? Само преди няколко години учените успяха да обяснят този феномен...
Ефектът на Мпемба (парадокс на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода по време на процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура.
Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата, когато различни температури. Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C.
Оттогава се изказват различни версии, една от които е следната: част от горещата вода първо просто се изпарява, а след това, когато остане по-малко, водата замръзва по-бързо. Тази версия, поради своята простота, стана най-популярната, но не задоволи напълно учените.
Сега екип от изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур, ръководен от химика Си Джан, казва, че е разрешил вековната мистерия защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Както установиха китайски експерти, тайната се крие в количеството енергия, съхранявана във водородните връзки между водните молекули.
Както знаете, водните молекули се състоят от един кислороден атом и два водородни атома, държани заедно чрез ковалентни връзки, което на ниво частица изглежда като обмен на електрони. Друг известен фактсе крие във факта, че водородните атоми се привличат към кислородни атоми от съседни молекули - и се образуват водородни връзки.
В същото време водните молекули обикновено се отблъскват една друга. Учени от Сингапур забелязаха: колкото по-топла е водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите на течността поради увеличаване на отблъскващите сили. В резултат на това водородните връзки се разтягат и следователно съхраняват повече енергия. Тази енергия се освобождава, когато водата се охлади - молекулите се приближават една до друга. А освобождаването на енергия, както е известно, означава охлаждане.
Ето предположенията на учените:
Изпарение
Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100°C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0°C. Ефект на изпаряване – двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, намалява. И второ, поради изпарението температурата му намалява.
Температурна разлика
Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо.
Хипотермия
Когато водата се охлади под 0°C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от -20°C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да се образуват спонтанно кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне, за да образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? В случай на студена вода, който не е преохладен, се случва следното: на повърхността му се образува тънък слой лед, който действа като изолатор между водата и студения въздух и по този начин предотвратява по-нататъшното изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.
Конвекция
Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4°C. Ако охладите водата до 4°C и я поставите в среда с по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия тънък слой лед ще се образува на повърхността на водата за кратко време, но този слой лед ще действа като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4°C . Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, извеждайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 ° C. Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция.
Газове, разтворени във вода
Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден двуокис. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е висока температураПо-долу. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.
Топлопроводимост
Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу. Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но недвусмислен отговор на въпроса - кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Mpemba - така и не е получен. Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се каже само едно: възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.
Но както се казва, най-вероятната причина.
Както пишат химиците в статията си, която може да бъде намерена на уебсайта за предпечат arXiv.org, водородните връзки са по-силни в гореща вода, отколкото в студена вода. Така се оказва, че повече енергия се съхранява във водородните връзки на горещата вода, което означава, че повече от нея се отделя при охлаждане до минусови температури. Поради тази причина втвърдяването става по-бързо.
Към днешна дата учените са разрешили тази мистерия само теоретично. Когато представят убедителни доказателства за своята версия, въпросът защо топлата вода замръзва по-бързо от студената може да се счита за приключен.
Водата е една от най-невероятните течности в света, която има необичайни свойства. Например ледът, твърдо течно състояние, има специфично тегло по-ниско от самата вода, което го е направило до голяма степен възможна появаи развитието на живота на Земята. Освен това в псевдонаучния и научен свят се водят дискусии коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Всеки, който успее да докаже, че горещата течност замръзва по-бързо при определени условия и научно обоснове своето решение, ще получи награда от £1000 от Британското кралско дружество на химиците.
Заден план
Фактът, че при редица условия топлата вода замръзва по-бързо от студената е забелязан още през Средновековието. Франсис Бейкън и Рене Декарт положиха много усилия, за да обяснят този феномен. Въпреки това, от гледна точка на класическата топлотехника, този парадокс не може да бъде обяснен и те се опитаха срамежливо да го премълчат. Импулсът за продължаване на дебата беше една малко любопитна история, която се случи с танзанийския ученик Ерасто Мпемба през 1963 г. Един ден, по време на урок по приготвяне на десерти в училище за готвачи, момчето, разсеяно от други неща, нямаше време да охлади сместа за сладолед навреме и постави горещ разтвор на захар в мляко във фризера. За негова изненада продуктът се охлади малко по-бързо от този на неговите колеги практикуващи, които наблюдаваха температурен режимправене на сладолед.
Опитвайки се да разбере същността на явлението, момчето се обърна към учител по физика, който, без да навлиза в подробности, осмива кулинарните му експерименти. Ерасто обаче се отличаваше със завидна упоритост и продължи експериментите си не върху мляко, а върху вода. Той се убеди, че в някои случаи топлата вода замръзва по-бързо от студената.
След като влезе в университета в Дар ес Салаам, Ерасто Мпембе посети лекция на професор Денис Г. Осбърн. След завършването му студентът озадачи учения със задача за скоростта на замръзване на водата в зависимост от нейната температура. Д.Г. Озбърн се подиграва на самото поставяне на въпроса, заявявайки с апломб, че всеки беден ученик знае, че студената вода ще замръзне по-бързо. Но естествената упоритост на младия мъж се усети. Той се обзаложи с професора, като предложи да проведе експериментален тест точно тук, в лабораторията. Erasto постави два контейнера с вода във фризера, единият при 95°F (35°C), а другият при 212°F (100°C). Представете си изненадата на професора и околните „фенове“, когато водата във втория контейнер замръзна по-бързо. Оттогава това явление е наречено „Парадоксът на Мпемба“.
Към днешна дата обаче няма последователна теоретична хипотеза, обясняваща „парадокса на Мпемба“. Не е ясно кое външни фактори, химичен съставвода, наличието на разтворени газове в нея и минераливлияят върху скоростта на замръзване на течности при различни температури. Парадоксът на „Ефекта на Мпемба“ е, че той противоречи на един от законите, открити от И. Нютон, който гласи, че времето за охлаждане на водата е право пропорционално на температурната разлика между течността и околната среда. И ако всички други течности напълно се подчиняват на този закон, тогава водата в някои случаи е изключение.
Защо горещата вода замръзва по-бързо?T
Има няколко версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Основните са:
- горещата вода се изпарява по-бързо, докато нейният обем намалява, а по-малък обем течност се охлажда по-бързо - при охлаждане на вода от + 100°C до 0°C, обемни загуби атмосферно наляганедостигат 15%;
- интензивност на топлообмен между течност и заобикаляща средаколкото по-висока, толкова по-голяма е температурната разлика, така че загубата на топлина от вряща вода преминава по-бързо;
- когато горещата вода се охлади, на повърхността й се образува ледена кора, която предотвратява пълното замръзване и изпаряване на течността;
- при високи температури на водата се получава конвекционно смесване, което намалява времето за замръзване;
- Газовете, разтворени във вода, понижават точката на замръзване, отнемайки енергия за образуване на кристали - в горещата вода няма разтворени газове.
Всички тези условия са многократно тествани експериментално. По-специално, немският учен Дейвид Ауербах откри, че температурата на кристализация на горещата вода е малко по-висока от тази на студената вода, което позволява на първата да замръзне по-бързо. По-късно обаче опитите му са критикувани и много учени са убедени, че „Ефектът на Мпемба“, който определя коя вода замръзва по-бързо – гореща или студена, може да се възпроизведе само при определени условия, които никой досега не е търсил и уточнявал.