Защо врящата вода замръзва по-бързо? Ефектът Мпемба или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената вода
В добрата стара формула H 2 O, изглежда, няма тайни. Но всъщност водата - източникът на живот и най-известната течност в света - е изпълнена с много мистерии, които понякога дори учените не могат да разрешат.
Ето 5 най-много интересни фактиотносно водата:
1. Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода
Вземете два съда с вода: налейте гореща вода в единия и студена в другия и ги поставете във фризера. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената, въпреки че логично първо трябва да се е превърнала в лед. студена вода: в крайна сметка горещата вода трябва първо да се охлади до студена 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, докато замразява приготвена смес за сладолед, забелязва, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учител по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът беше упорит и убеди учителя да проведе експеримент, който потвърди откритието му: при определени условия топла воданаистина замръзва по-бързо от студено.
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 не разбират напълно природата на това явление, обяснявайки го или с разликата в хипотермията, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху гореща и студена вода.
Забележка от Х.RU към темата "Топлата вода замръзва по-бързо от студената".
Тъй като въпросите за охлаждането са по-близки до нас, хладилниците, ще си позволим да навлезем по-дълбоко в същността на този проблем и да дадем две мнения за същността на такъв мистериозен феномен.
1. Учен от Вашингтонския университет предложи обяснение за 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 да наливат студена, а не топла вода в резервоара на пералнята през зимата. Но какво стои в основата на този феномен? за дълго времеостана неизвестен.
Д-р Джонатан Кац от Университета на Вашингтон изследва този феномен и заключава, че важна роляиграе се от вещества, разтворени във вода, които се утаяват при нагряване, според EurekAlert.
Под разтворени вещества д-р Katz се отнася до калциевите и магнезиевите бикарбонати, открити 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. Това понижава точката на замръзване на водата. „И сега водата трябва да се охлади, 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, е по-малко вероятно да се охлади“, казва д-р Кац.
Според учения неговата теория може да бъде проверена експериментално, т.к. ефектът Mpemba става по-изразен при по-твърда вода.
2. Кислород плюс водород плюс студ създават лед. На пръв поглед това прозрачно вещество изглежда много просто. Всъщност ледът е изпълнен с много мистерии. Ледът, създаден от африканеца Ерасто Мпемба, не мислеше за слава. Дните бяха горещи. Той искаше плодов лед. Той взе кашон със сок и го сложи във фризера. Той направи това повече от веднъж и затова забеляза, че сокът замръзва особено бързо, ако го държите на слънце преди това - просто го загрейте! Това е странно, помисли си ученикът от Танзания, който постъпи противно на светската мъдрост. Възможно ли е, за да може течността да се превърне 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 60-те 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 високо съдържаниевъздухът също ще замръзне, - казва Ауербах, - но не при нула градуса по Целзий, а само при минус четири или шест градуса. "Разбира се, ще трябва да изчакате по-дълго. Така че горещата вода замръзва преди студената, това е научно факт.
Едва ли има вещество, което да се появи пред очите ни със същата лекота като леда. Състои се само от водни молекули - тоест елементарни молекули, съдържащи два водородни атома и един кислород. Ледът обаче е може би най-мистериозното вещество във Вселената. Учените не са успели да обяснят някои от свойствата му досега.
2. Преохлаждане и замръзване "светкавично".
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 са охладени под точката на замръзване. Това явление става възможно поради факта, че околната среда не съдържа кристализационни центрове или ядра, които биха могли да провокират образуването на ледени кристали. И така водата остава вътре течна формадори когато са охладени до температури под нула градуса по Целзий. Процесът на кристализация може да бъде предизвикан например от газови мехурчета, примеси (замърсяване), неравна повърхност на контейнера. Без тях водата ще остане в течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как суперохладената вода моментално се превръща в лед.
Гледайте видеоклипа (2 901 Kb, 60 c) от Фил Медина (www.mrsciguy.com) и се уверете 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 състоянияима ли водата?
Ако сте отговорили три (твърдо, течно, газообразно), тогава грешите. Учените разграничават най-малко 5 различни състояния на водата в течна форма и 14 състояния на лед.
Помните ли разговора за супер охладената вода? Така че, каквото и да правите, при -38 ° C дори най-чистата свръхохладена вода внезапно се превръща в лед. Какво се случва при по-нататъшно намаляване
температура? При -120 °C с водата започва да се случва нещо странно: тя става свръхвискозна или вискозна, като меласата, а при температури под -135 °C се превръща в "стъклена" или "стъклена" вода - твърдо вещество, в което няма кристална структура.
4. Квантови свойства на водата
На молекулярно нивоводата е още по-невероятна. През 1995 г. учените проведоха експеримент върху разсейването на неутрони, който даде неочакван резултат: физиците установиха, 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 организма, дори ако факторът на разреждане е толкова голям, че в разтвора не остава нищо друго освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепцията, наречена „паметта 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 като не се една единствена молекула от съставката остава в него.
Международен екип от учени, ръководен от професор Маделин Енис от Университета на Куинс в Белфаст, който критикува принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае тази концепция веднъж завинаги.Резултатът беше обратният.След което учените казаха, че те успяха да докажат реалността на ефекта на "паметта на водата". Въпреки това 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 свойствакоито не сме разгледали 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. Nepomniachtchi N.N. Тайни нежива природа. Най-мистериозното вещество във Вселената / http://www.bibliotekar.ru.
вода- доста просто вещество от химическа гледна точка, но има редица необичайни свойства, които никога не престават да учудват учените. По-долу са някои факти, за които малко хора знаят.
1. Коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща?
Вземете два съда с вода: налейте гореща вода в единия и студена в другия и ги поставете във фризера. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената вода, въпреки че логично студената вода трябва първо да се превърне в лед: в крайна сметка горещата вода трябва първо да се охлади до студена температура и след това да се превърне в лед, докато студената вода не трябва да се охлажда. Защо се случва това?
През 1963 г. танзанийски студент на име Ерасто Б. Мпемба, докато замразява приготвена смес за сладолед, забелязва, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учител по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът бил упорит и убедил учителя да направи експеримент, който потвърдил откритието му: при определени условия топлата вода наистина замръзва по-бързо от студената.
Сега този феномен на гореща вода, която замръзва по-бързо от студена вода, се нарича " Мпемба ефект". Вярно е, че много преди него това уникално свойство на водата е отбелязано от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт.
Учените не разбират напълно природата на това явление, обяснявайки го или с разликата в хипотермията, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху гореща и студена вода.
2. Тя е в състояние да замръзне моментално
Всеки знае това водавинаги се превръща в лед, когато се охлади до 0 °C ... освен в някои случаи! Такъв случай е например преохлаждането, което е свойството на много чистата вода да остава течна дори когато се охлади до температура под нулата. Това явление става възможно поради факта, че околната среда не съдържа кристализационни центрове или ядра, които биха могли да провокират образуването на ледени кристали. И така водата остава в течна форма, дори когато се охлади до температури под нула градуса по Целзий.
процес на кристализациямогат да бъдат провокирани например от газови мехурчета, примеси (замърсяване), неравна повърхност на контейнера. Без тях водата ще остане в течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как суперохладената вода моментално се превръща в лед.
Имайте предвид, че "прегрятата" вода също остава течна, дори когато се нагрее над точката на кипене.
3. 19 състояния на водата
Без колебание назовете колко различни състояния има водата? Ако сте отговорили на три: твърдо, течно, газообразно, тогава грешите. Учените разграничават най-малко 5 различни състояния на водата в течна форма и 14 състояния в замразена форма.
Помните ли разговора за супер охладената вода? Така че, каквото и да правите, при -38 ° C дори най-чистата супер охладена вода внезапно ще се превърне в лед. Какво се случва, когато температурата спадне допълнително? При -120°C нещо странно започва да се случва с водата: тя става свръхвискозна или вискозна, като меласата, а при температури под -135°C се превръща в „стъклена“ или „стъклена“ вода – твърдо вещество, което липсва кристална структура.
4. Водата изненадва физиците
На молекулярно ниво водата е още по-изненадваща. През 1995 г. експеримент за разсейване на неутрони, проведен от учени, даде неочакван резултат: физиците установиха, че неутроните, насочени към водните молекули, „виждат“ 25% по-малко водородни протони от очакваното.
Оказа се, че със скорост от една атосекунда (10 -18 секунди) се получава необичаен квантов ефект и химичната формула на водата вместо H2O, става H1.5O!
5. Водна памет
Алтернатива на официалната медицина хомеопатиятвърди, че разреден разтвор на лекарство може да има терапевтичен ефект върху тялото, дори ако факторът на разреждане е толкова голям, че в разтвора не е останало нищо освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепция, наречена " водна памет”, според който водата на молекулярно ниво има „памет” за веднъж разтворено в нея вещество и запазва свойствата на разтвор с първоначална концентрация, след като в него не остане нито една молекула съставка.
Международен екип от учени, ръководен от професор Маделин Енис от Кралския университет в Белфаст, който критикува принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае концепцията веднъж завинаги. Резултатът беше обратният. След това учените казаха, че са успели да докажат реалността на ефекта " водна памет". Експериментите, проведени под наблюдението на независими експерти, обаче не доведоха до резултати. Спорове за съществуването на феномена " водна памет" продължи.
Водата има много други необичайни свойства, които не сме разгледали в тази статия. Например, плътността на водата варира в зависимост от температурата (плътността на леда е по-малка от тази на водата); водата има доста голямо повърхностно напрежение; в течно състояние водата е сложна и динамично променяща се мрежа от водни клъстери и поведението на клъстерите влияе върху структурата на водата и т.н.
За тези и много други неочаквани функции водаможе да се прочете в статията Аномални свойства на водата”, чийто автор е Мартин Чаплин, професор в Лондонския университет.
Мпемба ефект или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената? 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 в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура. Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. танзанийският ученик Ерасто Мпемба установява, че горещата смес за сладолед замръзва по-бързо от студената. Като ученик в гимназията Magamba в Танзания, Ерасто Мпемба го направи практическа работав кулинарното изкуство. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, 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 е протакал първата част от задачата. Страхувайки се, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещото мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, вече като ученик в гимназия Мквава, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салаам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на ученици) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо? Озбърн се заинтересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от своите експерименти в списанието "Physics Education". Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба. 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 при различни температури. Парадоксът на ефекта Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температура заобикаляща среда, трябва да бъде пропорционална на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C. Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да бъде обяснен и в рамките на известната физика. Ето няколко обяснения за ефекта Мпемба: Изпаряване Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява неговия обем, 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 изпарение - двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява. Температурна разлика Поради факта, че температурната разлика между топла водаи повече студен въздух - следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо. Преохлаждане Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. 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 не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира 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 получава следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, 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 на 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 на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно , по-нататъшното охлаждане ще бъде по-бавно. 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, повдигайки слоя. топла водана повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещи слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C. Въпреки това, няма експериментални данни това би потвърдило тази хипотеза, че слоевете студена и гореща вода са разделени чрез конвекция. Газове, разтворени във вода Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден двуокис. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температура е по-ниска. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има 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 фризерен хладилник в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него. 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 - не е получен. Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието 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 преохладеното състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние 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 твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект по същество зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда. О. В. Мосин
Мпемба ефект(Парадокс на Мпемба) - парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура.
Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. танзанийският ученик Ерасто Мпемба установява, че горещата смес за сладолед замръзва по-бързо от студената.
Ерасто Мпемба е бил ученик в гимназията Магамбин в Танзания и се е занимавал с готварска практика. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, 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 е протакал първата част от задачата. Страхувайки се, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещото мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология.
След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, вече като ученик в гимназия Мквава, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салаам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на ученици) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо? Озбърн се заинтересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от своите експерименти в списанието "Physics Education". Оттогава ефектът, който откриха, се нарича Мпемба ефект.
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 при различни температури.
Парадоксът на ефекта 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 същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C.
Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да бъде обяснен и в рамките на известната физика. Ето някои обяснения за ефекта Мпемба:
Изпарение
Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода със същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C.
Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза 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 определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при -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 не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед.
Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира 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? При студена вода, която не е преохладена, се получава следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, 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 на 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 на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно , по-нататъшното охлаждане ще бъде по-бавно.
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, повдигайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата.
Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещи 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 чрез конвекция.
газове, разтворени във вода
Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температура е по-ниска. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има 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 в хладилник с фризер в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него.
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 - не е получен.
Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието 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 преохладеното състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне.
В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние 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 твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект по същество зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.
О. В. Мосин
Литературенизточници:
„Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода. Защо го прави?“, Джърл Уокър в The Amateur Scientist, Scientific American, том. 237, бр. 3, стр. 246-257; септември 1977 г.
„Замръзването на топла и студена вода“, Г.С. Кел в American Journal of Physics, Vol. 37, бр. 5, стр. 564-565; май 1969 г.
„Преохлаждане и ефектът на Мпемба“, Дейвид Ауербах, в American Journal of Physics, том. 63, бр. 10, стр. 882-885; октомври 1995 г.
„Ефектът Mpemba: Времената на замръзване на гореща и студена вода“, Charles A. Knight, в American Journal of Physics, том. 64, бр. 5, стр. 524; май 1996 г.
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 едновременно поставите два съда с еднаква форма и обем във фризера, единият от които ще съдържа студена вода, а другият гореща, тогава горещата вода ще замръзне по-бързо.
Подобно твърдение може да изглежда абсурдно и неразумно. Логично горещата вода трябва първо да се охлади до студена температура, а студената вода вече трябва да се превърне в лед по това време.
Така че защо горещата вода изпреварва студената по пътя си към замръзване? Нека се опитаме да го разберем.
История на наблюденията и изследванията
Хората са наблюдавали парадоксалния ефект от древни времена, но никой не му е придавал особено значение. Така че несъответствията в скоростта на замръзване на студена и гореща вода са отбелязани в техните бележки от Арестотел, както и от Рене Декарт и Франсис Бейкън. Необичайно явление често се проявява в ежедневието.
Дълго време феноменът не беше изследван по никакъв начин и не предизвика особен интерес сред учените.
Изследването на необичайния ефект започва през 1963 г., когато любознателен студент 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 учителя си 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.
Шест години по-късно, през 1969 г., Мпемба задава този въпрос на професора по физика Денис Осборн, който идва в неговото училище. Професорът се интересуваше от наблюдението на младия мъж, в резултат на което 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 за обяснение на ефекта 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 изясни 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, при 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 (увеличаване на топлопроводимостта), а оттам и увеличаване на скоростта на охлаждане.
Освен това са представени редица хипотези, които описват скоростта на циркулация на водата като функция на температурата. В много изследвания е направен опит да се установи 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 поради факта, че 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, съхранявана във водородните връзки между молекулите на студена и гореща вода, се различава значително.
Методите за компютърна симулация показаха следните резултати: колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-голямо е 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 към 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 именно извеждането на материята от равновесие (силно нагряване преди силно охлаждане) играе голяма роля при формирането на ефекта. Те определиха условията, при които вероятността за ефекта е максимална. Освен това учени от Испания потвърдиха съществуването на обратния ефект на Мпемба. Те откриха, че при нагряване може да достигне по-студена проба висока температурапо-бързо от топло.
Въпреки изчерпателната информация и множеството експерименти, учените възнамеряват да продължат да изучават ефекта.
Mpemba ефект в реалния живот
Чудили ли сте се защо през зимата ледената пързалка се пълни с топла вода, а не със студена? Както вече разбрахте, те правят това, защото пързалка, пълна с гореща вода, ще замръзне по-бързо, отколкото ако е пълна със студена вода. По същата причина пързалките в зимните ледени градове се обливат с гореща вода.
По този начин знанието за съществуването на феномена позволява на хората да спестят време при подготовката на сайтове за зимни гледкиспорт.
В допълнение, ефектът Mpemba понякога се използва в индустрията - за намаляване на времето за замразяване на продукти, вещества и материали, съдържащи вода.