لماذا الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد؟

في أي درجة حرارة يتجمد الماء؟ يبدو - أبسط سؤال يمكن للطفل أن يجيب عنه: نقطة تجمد الماء عند الضغط الجوي الطبيعي البالغ 760 ملم زئبق هي صفر درجة مئوية.

ومع ذلك ، فإن الماء (على الرغم من توزيعه الواسع للغاية على كوكبنا) هو المادة الأكثر غموضًا وغير المفهومة تمامًا ، لذا فإن الإجابة على هذا السؤال تتطلب محادثة مفصلة ومنطقية.

• في روسيا وأوروبا ، تُقاس درجة الحرارة بمقياس سيليزيوس ، وأعلى قيمة له هي 100 درجة.
• طور العالم الأمريكي فهرنهايت مقياسه الخاص المكون من 180 قسمًا.
• هناك وحدة أخرى لقياس درجة الحرارة - كلفن ، سميت على اسم الفيزيائي الإنجليزي طومسون ، الذي حصل على لقب اللورد كلفن.

الدول وأنواع المياه

يمكن أن يأخذ الماء على كوكب الأرض ثلاث حالات رئيسية للتجمع: سائل ، صلب ، غازي ، والذي يمكن أن يتحول إلى أشكال مختلفة تتعايش في نفس الوقت مع بعضها البعض (الجبال الجليدية في مياه البحر ، وبخار الماء ، وبلورات الجليد في السحب في السماء ، والأنهار الجليدية والحرة. - الانهار المتدفقة).

اعتمادًا على خصائص الأصل والغرض والتكوين ، يمكن أن يكون الماء:

• طازج؛
• المعدنية.
• بحري؛
• الشرب (هنا نقوم بتضمين ماء الصنبور) ؛
• مطر؛
• إذابة؛
• قليل الملوحة.
• منظم.
• مقطر؛
• منزوع الأيونات.

وجود نظائر الهيدروجين يجعل الماء:

1. خفيفة؛
2. ثقيل (الديوتيريوم) ؛
3. ثقيل (التريتيوم).

نعلم جميعًا أن الماء يمكن أن يكون طريًا وقاسًا: يتم تحديد هذا المؤشر من خلال محتوى كاتيونات المغنيسيوم والكالسيوم.

كل نوع من أنواع المياه وحالاتها الكلية التي قمنا بإدراجها لها نقطة تجمد وانصهار خاصة بها.

نقطة تجمد الماء

لماذا يتجمد الماء؟ تحتوي المياه العادية دائمًا على كمية من الجزيئات المعلقة ذات الأصل المعدني أو العضوي. يمكن أن تكون أصغر جزيئات الطين أو الرمل أو غبار المنزل.

عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة إلى قيم معينة ، تأخذ هذه الجسيمات دور المراكز التي تبدأ حولها بلورات الجليد.

يمكن أن تصبح فقاعات الهواء ، وكذلك الشقوق والأضرار التي تلحق بجدران الوعاء الذي يوجد فيه الماء ، نوى بلورة. يتم تحديد معدل تبلور الماء إلى حد كبير من خلال عدد هذه المراكز: فكلما زاد عدد هذه المراكز ، زادت سرعة تجميد السائل.

في ظل الظروف العادية (عند الضغط الجوي العادي) ، تكون درجة حرارة انتقال الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة 0 درجة مئوية. عند هذه الدرجة يتجمد الماء في الشارع.

لماذا الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد؟

يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد - لاحظ إيراستو مبيمبا ، تلميذ من تنجانيقا ، هذه الظاهرة. أظهرت تجاربه على الكتلة لصنع الآيس كريم أن معدل تجميد الكتلة الساخنة أعلى بكثير من الكتلة الباردة.

أحد أسباب هذه الظاهرة المثيرة للاهتمام ، المسماة "مفارقة مبيمبا" ، هو زيادة انتقال الحرارة لسائل ساخن ، فضلاً عن وجود عدد أكبر من نوى التبلور فيه مقارنة بالماء البارد.

هل نقطة تجمد الماء والارتفاع مرتبطة؟

مع تغير الضغط ، الذي غالبًا ما يرتبط بكونه على ارتفاعات مختلفة ، تبدأ نقطة تجمد الماء في الاختلاف جذريًا عن المعيار ، المميز للظروف العادية.
يحدث تبلور الماء على ارتفاع عند قيم درجة الحرارة التالية:

• من المفارقات أنه على ارتفاع 1000 متر ، يتجمد الماء عند درجتين مئويتين ؛
• على ارتفاع 2000 متر ، يحدث هذا بالفعل عند 4 درجات مئوية.

لوحظت أعلى درجة حرارة تجمد للمياه في الجبال على ارتفاع يزيد عن 5000 ألف متر (على سبيل المثال ، في جبال فن أو بامير).

كيف يؤثر الضغط على عملية تبلور الماء؟

دعنا نحاول ربط ديناميكيات التغييرات في نقطة تجمد الماء بالتغيرات في الضغط.

• عند ضغط 2 ضغط جوي ، سيتجمد الماء عند درجة حرارة -2 درجة.
• عند ضغط 3 ضغط جوي ، ستبدأ درجة حرارة -4 درجة مئوية في تجميد الماء.

مع زيادة الضغط ، تنخفض درجة حرارة بداية عملية تبلور الماء ، وتزداد نقطة الغليان. عند الضغط المنخفض ، يتم الحصول على صورة معاكسة تمامًا.

هذا هو السبب في أنه في ظروف الجبال العالية والجو المتخلخل ، من الصعب جدًا طهي البيض ، لأن الماء في الوعاء يغلي بالفعل عند 80 درجة. من الواضح أنه في هذه الدرجة من المستحيل طهي الطعام.

عند الضغط العالي ، تحدث عملية ذوبان الجليد تحت شفرات الزلاجات حتى في درجات حرارة منخفضة جدًا ، ولكن بفضله تنزلق الزلاجات على سطح الجليد.

تم شرح تجميد الزلاجات الثقيلة في قصص جاك لندن بطريقة مماثلة. الزلاجات الثقيلة التي تضغط على الثلج تتسبب في ذوبانه. الماء الناتج يسهل انزلاقهم. ولكن بمجرد أن تتوقف الزلاجات وتبقى لفترة طويلة في مكان واحد ، فإن المياه النازحة ، المتجمدة ، تجمد الانزلاق إلى الطريق.

درجة حرارة تبلور المحاليل المائية

كونه مذيبًا ممتازًا ، يتفاعل الماء بسهولة مع العديد من المواد العضوية وغير العضوية ، مكونًا كتلة من المركبات الكيميائية غير المتوقعة في بعض الأحيان. بالطبع ، سوف يتجمد كل منهم عند درجات حرارة مختلفة. دعونا نضع هذا في قائمة مرئية.

• تعتمد درجة تجمد خليط الكحول والماء على النسبة المئوية لكلا المكونين فيه. كلما زاد الماء المضاف إلى المحلول ، اقتربت نقطة التجمد من الصفر. إذا كان هناك المزيد من الكحول في المحلول ، فستبدأ عملية التبلور بقيم قريبة من -114 درجة.

  من المهم معرفة أن محاليل الماء والكحول لا تحتوي على نقطة تجمد ثابتة. يتحدثون عادة عن درجة حرارة بداية عملية التبلور ودرجة حرارة الانتقال النهائي إلى الحالة الصلبة.

  بين بداية تكوين البلورات الأولى والتصلب الكامل لمحلول الكحول تقع فاصل درجة حرارة 7 درجات. لذا ، فإن نقطة تجمد الماء مع تركيز الكحول بنسبة 40٪ في المرحلة الأولية هي -22.5 درجة ، وسيحدث الانتقال النهائي للمحلول إلى الطور الصلب عند -29.5 درجة.

ترتبط نقطة تجمد الماء بالملح ارتباطًا وثيقًا بدرجة ملوحة الماء: فكلما زاد الملح في المحلول ، انخفض موضع عمود الزئبق الذي سيتجمد.

لقياس ملوحة الماء ، يتم استخدام وحدة خاصة - "جزء في المليون". لذلك ، وجدنا أن درجة تجمد الماء تتناقص مع زيادة تركيز الملح. لنوضح هذا بمثال:

يبلغ مستوى ملوحة مياه المحيط 35 جزء في المليون ، بينما يبلغ متوسط ​​قيمة تجميدها 1.9 درجة. تبلغ درجة ملوحة مياه البحر الأسود 18-20 جزء في المليون ، لذا فهي تتجمد عند درجة حرارة أعلى تتراوح من -0.9 إلى -1.1 درجة مئوية.

• نقطة تجمد الماء مع السكر (لمحلول تكون موليته 0.8) هي -1.6 درجة.
• تعتمد نقطة تجمد الماء مع الشوائب إلى حد كبير على مقدارها وطبيعة الشوائب التي يتكون منها المحلول المائي.
• تعتمد نقطة تجمد الماء بالجلسرين على تركيز المحلول. سوف يتجمد المحلول الذي يحتوي على 80 مل من الجلسرين عند -20 درجة ، وعندما يتم تقليل محتوى الجلسرين إلى 60 مل ، ستبدأ عملية التبلور عند -34 درجة ، وستكون بداية تجميد محلول 20٪ أقل من خمس درجات. كما ترى ، لا توجد علاقة خطية في هذه الحالة. لتجميد محلول 10٪ من الجلسرين يكفي درجة حرارة -2 درجة.
• تقدم نقطة تجمد الماء مع الصودا (بمعنى القلويات الكاوية أو الصودا الكاوية) صورة أكثر غموضًا: يتجمد محلول كاو بنسبة 44٪ عند +7 درجات مئوية ، و 80٪ عند + 130.

تجميد المياه العذبة

تحدث عملية تكوين الجليد في خزانات المياه العذبة في نظام درجات حرارة مختلف قليلاً.

• نقطة تجمد الماء في البحيرة ، تمامًا مثل نقطة تجمد الماء في النهر ، هي صفر درجة مئوية. تجميد أنظف الأنهار والجداول لا يبدأ من السطح ، بل من الأسفل ، حيث توجد نوى تبلور على شكل جزيئات الطمي السفلية. في البداية ، يتم تغطية العقبات والنباتات المائية بقشرة من الجليد. بمجرد أن يرتفع الجليد السفلي إلى السطح ، يتجمد النهر على الفور.
• يمكن للمياه المجمدة في بحيرة بايكال أن تنخفض في بعض الأحيان إلى درجات حرارة سلبية. يحدث هذا فقط في المياه الضحلة ؛ يمكن أن تكون درجة حرارة الماء في هذه الحالة جزءًا من الألف ، وأحيانًا تكون المئات من درجة واحدة تحت الصفر.
• لا تتجاوز درجة حرارة مياه بايكال تحت قشرة الغطاء الجليدي ، كقاعدة عامة ، +0.2 درجة. في الطبقات السفلية ، يرتفع تدريجياً إلى +3.2 في قاع الحوض الأعمق.

نقطة تجمد الماء المقطر

هل الماء المقطر يتجمد؟ تذكر أنه لكي يتجمد الماء ، من الضروري وجود بعض مراكز التبلور فيه ، والتي يمكن أن تكون فقاعات هواء ، وجزيئات معلقة ، بالإضافة إلى تلف جدران الحاوية التي توجد بها.

الماء المقطر ، الخالي تمامًا من أي شوائب ، لا يحتوي على نوى تبلور ، وبالتالي يبدأ تجميده في درجات حرارة منخفضة جدًا. نقطة التجمد الأولية للماء المقطر هي -42 درجة. تمكن العلماء من تحقيق التبريد الفائق للمياه المقطرة إلى -70 درجة.

يُطلق على المياه التي تعرضت لدرجات حرارة منخفضة جدًا ولكنها لم تتبلور "التبريد الفائق". يمكنك وضع زجاجة من الماء المقطر في الفريزر ، وتحقيق انخفاض في درجة حرارة الجسم ، ثم إظهار خدعة فعالة للغاية - شاهد الفيديو:

من خلال النقر بلطف على زجاجة تم إزالتها من الثلاجة ، أو عن طريق رمي قطعة صغيرة من الثلج فيها ، يمكنك إظهار كيف يتحول على الفور إلى جليد ، والذي يبدو مثل بلورات ممدودة.

الماء المقطر: هل هذه المادة النقية تتجمد أم لا تحت الضغط؟ هذه العملية ممكنة فقط في ظروف معملية تم إنشاؤها خصيصًا.

نقطة تجمد الماء المالح

أي ماء يتجمد بشكل أسرع ، ساخنًا أم باردًا ، يتأثر بعدة عوامل ، لكن السؤال نفسه يبدو غريبًا بعض الشيء. من المفهوم ، ومن المعروف من الفيزياء ، أن الماء الساخن لا يزال بحاجة إلى وقت ليبرد إلى درجة حرارة الماء البارد المماثلة من أجل أن يتحول إلى جليد. يمكن تخطي هذه المرحلة ، وبالتالي تفوز في الوقت المناسب.

لكن الإجابة على السؤال حول أي الماء يتجمد بشكل أسرع - باردًا أم ساخنًا - في الشارع في الصقيع ، يعرفه أي ساكن في خطوط العرض الشمالية. في الواقع ، من الناحية العلمية ، اتضح أنه على أي حال ، يجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.

وكذلك فعل مدرس الفيزياء ، الذي اتصل به تلميذ المدرسة إيراستو مبيمبا في عام 1963 بطلب لشرح سبب تجميد المزيج البارد من الآيس كريم في المستقبل لفترة أطول من المزيج المشابه ولكنه ساخن.

"هذه ليست فيزياء العالم ، ولكنها نوع من فيزياء مبيمبا"

في ذلك الوقت ، ضحك المعلم فقط على هذا ، لكن دنيس أوزبورن ، أستاذ الفيزياء ، الذي ذهب في وقت ما إلى نفس المدرسة التي درس فيها إيراستو ، أكد بشكل تجريبي وجود مثل هذا التأثير ، على الرغم من عدم وجود تفسير لذلك في ذلك الوقت . في عام 1969 نشرت مجلة علمية مشهورة مقالاً مشتركاً للرجلين وصفا هذا التأثير الغريب.

منذ ذلك الحين ، بالمناسبة ، السؤال عن الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، له اسمه الخاص - التأثير ، أو المفارقة ، مبيمبا.

السؤال مطروح منذ فترة طويلة

وبطبيعة الحال ، حدثت هذه الظاهرة من قبل ، وقد ورد ذكرها في أعمال علماء آخرين. لم يكن التلميذ فقط مهتمًا بهذا السؤال ، لكن رينيه ديكارت وحتى أرسطو فكروا فيه في وقت واحد.

فيما يلي مجرد مقاربات لحل هذه المفارقة بدأت تظهر فقط في نهاية القرن العشرين.

شروط لحدوث مفارقة

كما هو الحال مع الآيس كريم ، لا يتجمد الماء العادي فقط أثناء التجربة. يجب أن تكون هناك ظروف معينة من أجل البدء في الجدل حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. ما الذي يؤثر على هذه العملية؟

الآن ، في القرن الحادي والعشرين ، تم طرح العديد من الخيارات التي يمكن أن تفسر هذا التناقض. قد يعتمد أي ماء يتجمد بشكل أسرع ، ساخنًا أم باردًا ، على حقيقة أنه يحتوي على معدل تبخر أعلى من الماء البارد. وبالتالي ، ينخفض ​​حجمه ، ومع انخفاض الحجم ، يصبح وقت التجميد أقصر مما لو أخذنا حجمًا أوليًا مماثلًا من الماء البارد.

تم فك تجميد الفريزر منذ فترة طويلة

أي ماء يتجمد بشكل أسرع ولماذا يحدث ذلك ، يمكن أن يتأثر بالبطانة الثلجية التي قد تكون موجودة في ثلاجة الثلاجة المستخدمة في التجربة. إذا كنت تأخذ إناءين متطابقين في الحجم ، لكن إحداهما تحتوي على ماء ساخن والأخرى ماء بارد ، فإن الحاوية التي تحتوي على ماء ساخن ستذيب الثلج تحتها ، وبالتالي تحسين ملامسة المستوى الحراري لجدار الثلاجة. لا يمكن لوعاء الماء البارد القيام بذلك. إذا لم يكن هناك مثل هذه البطانة بالثلج في الثلاجة ، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.

أسفل العلوي

كما أن الظاهرة التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، موضحة على النحو التالي. باتباع قوانين معينة ، يبدأ الماء البارد في التجمد من الطبقات العليا ، عندما يفعل الماء الساخن العكس - يبدأ في التجمد من الأسفل إلى الأعلى. اتضح أن الماء البارد ، الذي يحتوي على طبقة باردة في الأعلى مع وجود ثلج قد تشكل بالفعل في بعض الأماكن ، يؤدي إلى تفاقم عمليات الحمل الحراري والإشعاع الحراري ، مما يفسر الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. تم إرفاق صورة من تجارب الهواة ، وهنا تظهر بوضوح.

تنطفئ الحرارة ، وتميل إلى الأعلى ، وهناك تلتقي بطبقة شديدة البرودة. لا يوجد مسار حر للإشعاع الحراري ، وبالتالي تصبح عملية التبريد صعبة. الماء الساخن لا يحتوي على الإطلاق مثل هذه الحواجز في طريقه. الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن ، والذي تعتمد عليه النتيجة المحتملة ، يمكنك توسيع الإجابة بالقول أن أي ماء به مواد معينة مذابة فيه.

الشوائب في تكوين الماء كعامل مؤثر في النتيجة

إذا كنت لا تغش وتستخدم الماء بنفس التركيبة ، حيث تكون تركيزات بعض المواد متطابقة ، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع. ولكن إذا حدث موقف عندما تكون العناصر الكيميائية المذابة موجودة فقط في الماء الساخن ، بينما الماء البارد لا يمتلكها ، فإن الماء الساخن لديه فرصة للتجميد في وقت مبكر. يفسر ذلك حقيقة أن المواد المذابة في الماء تخلق مراكز تبلور ، ومع وجود عدد قليل من هذه المراكز ، يكون تحويل الماء إلى حالة صلبة أمرًا صعبًا. حتى التبريد الفائق للماء ممكن ، بمعنى أنه في درجات حرارة دون الصفر سيكون في حالة سائلة.

لكن كل هذه النسخ ، على ما يبدو ، لم تناسب العلماء حتى النهاية ، واستمروا في العمل على هذه القضية. في عام 2013 ، قال فريق من الباحثين في سنغافورة إنهم تمكنوا من حل اللغز القديم.

تدعي مجموعة من العلماء الصينيين أن سر هذا التأثير يكمن في كمية الطاقة المخزنة بين جزيئات الماء في روابطها ، والتي تسمى روابط الهيدروجين.

الجواب من العلماء الصينيين

سيتبع ذلك مزيد من المعلومات ، لفهم أنه من الضروري الحصول على بعض المعرفة في الكيمياء من أجل معرفة الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد. كما تعلم ، يتكون من ذرتين H (هيدروجين) وذرة O (أكسجين) مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية.

لكن ذرات الهيدروجين في جزيء واحد تنجذب أيضًا إلى الجزيئات المجاورة ، إلى مكون الأكسجين الخاص بها. تسمى هذه الروابط روابط هيدروجينية.

في الوقت نفسه ، يجدر بنا أن نتذكر أنه في نفس الوقت ، تعمل جزيئات الماء بشكل مثير للاشمئزاز على بعضها البعض. لاحظ العلماء أنه عند تسخين الماء ، تزداد المسافة بين جزيئاته ، وتسهل قوى التنافر ذلك. اتضح أن احتلال مسافة واحدة بين الجزيئات في حالة باردة ، يمكن للمرء أن يقول إنها تتمدد ، ولديها قدر أكبر من الطاقة. يتم إطلاق احتياطي الطاقة هذا عندما تبدأ جزيئات الماء في الاقتراب من بعضها البعض ، أي يحدث التبريد. اتضح أن إمدادًا أكبر من الطاقة في الماء الساخن ، وإطلاقه الأكبر عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر ، يحدث بشكل أسرع من الماء البارد ، الذي يحتوي على كمية أقل من هذه الطاقة. إذن أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟ في الشارع وفي المختبر ، يجب أن تحدث مفارقة مبيمبا ، ويجب أن يتحول الماء الساخن إلى جليد بشكل أسرع.

لكن السؤال لا يزال مفتوحًا

لا يوجد سوى تأكيد نظري لهذا الدليل - كل هذا مكتوب بصيغ جميلة ويبدو معقولاً. ولكن عندما يتم وضع البيانات التجريبية ، التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا ، بالمعنى العملي ، وسيتم تقديم نتائجها ، عندئذٍ سيكون من الممكن اعتبار مسألة مفارقة مبيمبا مغلقة.

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمرر درجة حرارة الماء البارد في عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتعارض مع الأفكار المعتادة ، والتي بموجبها ، في ظل نفس الظروف ، يحتاج الجسم الأكثر حرارة إلى مزيد من الوقت ليبرد إلى درجة حرارة معينة أكثر من الجسم الأكثر برودة ليبرد بنفس درجة الحرارة.

لوحظ هذه الظاهرة في ذلك الوقت من قبل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت ، ولكن فقط في عام 1963 ، وجد تلميذ المدرسة التنزاني إيراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من المزيج البارد.

كان Erasto Mpemba طالبًا في مدرسة Magambin الثانوية في تنزانيا يقوم بأعمال الطبخ العملية. كان عليه أن يصنع الآيس كريم منزلي الصنع - يغلي الحليب ، ويذوب السكر فيه ، ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومماطلًا في الجزء الأول من المهمة. خوفًا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الذي لا يزال ساخنًا في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة.

بعد ذلك ، جربت Mpemba ليس فقط مع الحليب ، ولكن أيضًا بالماء العادي. على أي حال ، لكونه طالبًا في مدرسة مكفافا الثانوية ، فقد سأل الأستاذ دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعا إليه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) عن الماء: "إذا تأخذ وعاءين متطابقين مع كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في أحدهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، وتضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء أسرع لماذا؟ أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما في عام 1969 ، مع مبيمبا ، نشروا نتائج تجاربهم في مجلة "Physics Education". منذ ذلك الحين ، تم استدعاء التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.

حتى الآن ، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. العلماء ليس لديهم نسخة واحدة ، على الرغم من وجود العديد منها. يتعلق الأمر كله بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد ، ولكن لم يتضح بعد الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الاختلاف في التبريد الفائق ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسالة على الماء في درجات حرارة مختلفة.

تكمن المفارقة في تأثير مبيمبا في أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع اختلاف درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. تم وضع هذا القانون من قبل نيوتن ومنذ ذلك الحين تم تأكيده عدة مرات في الممارسة العملية. وبنفس التأثير ، يبرد الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية أسرع من نفس كمية الماء عند 35 درجة مئوية.

ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني بعد وجود مفارقة ، حيث يمكن أيضًا تفسير تأثير مبيمبا ضمن الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء بنفس درجة الحرارة بشكل أسرع. يفقد الماء المسخن إلى 100 درجة مئوية 16٪ من كتلته عند تبريده إلى 0 درجة مئوية.

تأثير التبخر له تأثير مزدوج. أولاً ، يتم تقليل كتلة الماء المطلوبة للتبريد. وثانياً ، تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة تبخر الانتقال من طور الماء إلى طور البخار.

الفرق في درجة الحرارة

نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم

عندما يتم تبريد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية ، فإنه لا يتجمد دائمًا. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يخضع للتبريد الفائق مع الاستمرار في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. في بعض الحالات ، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.

والسبب في هذا التأثير هو أنه من أجل أن تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، هناك حاجة إلى مراكز لتكوين البلورات. إذا لم تكن في الماء السائل ، فسيستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات بالتشكل تلقائيًا. عندما تبدأ في التكوّن في سائل فائق التبريد ، فإنها ستبدأ في النمو بشكل أسرع ، وتشكل طينًا جليديًا يتجمد ليشكل جليدًا.

الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض درجة الحرارة لأن تسخينه يزيل الغازات الذائبة والفقاعات ، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.

لماذا يتسبب انخفاض حرارة الجسم في تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد ، الذي لا يتم تبريده بشكل فائق ، يحدث ما يلي. في هذه الحالة ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل طبقة الجليد هذه كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن الذي يخضع للتبريد الفرعي ، لا يحتوي الماء المبرد تحت التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. لذلك ، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع من خلال الجزء العلوي المفتوح.

عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء ، يتم فقد قدر أكبر من الحرارة وبالتالي يتشكل المزيد من الجليد.

يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.

الحمل

يبدأ الماء البارد في التجمد من الأعلى ، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري ، وبالتالي فقدان الحرارة ، بينما يبدأ الماء الساخن في التجمد من الأسفل.

يفسر هذا التأثير من خلال شذوذ في كثافة الماء. كثافة الماء قصوى عند 4 درجة مئوية إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعه في درجة حرارة منخفضة ، فإن الطبقة السطحية من الماء ستتجمد بشكل أسرع. لأن هذه المياه أقل كثافة من الماء عند 4 درجات مئوية ، فإنها ستبقى على السطح مكونة طبقة باردة رقيقة. في ظل هذه الظروف ، ستتكون طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستعمل كعامل عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجة مئوية. ، ستكون عملية التبريد الإضافية أبطأ.

في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. ستبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر والاختلاف الكبير في درجات الحرارة. أيضًا ، تكون طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن ، لذلك ستغرق طبقة الماء البارد ، مما يرفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن دوران الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.

لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير Mpemba من وجهة النظر هذه للحمل الحراري ، يجب على المرء أن يفترض أنه تم فصل طبقات الماء الباردة والساخنة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط ​​درجة حرارة الماء عن 4 درجة مئوية.

ومع ذلك ، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة بالحمل الحراري.

الغازات المذابة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. هذه الغازات لديها القدرة على خفض درجة تجمد الماء. عندما يتم تسخين الماء ، يتم إطلاق هذه الغازات من الماء لأن قابليتها للذوبان في الماء عند درجة حرارة عالية أقل. لذلك ، عندما يتم تبريد الماء الساخن ، هناك دائمًا عدد أقل من الغازات المذابة فيه مقارنة بالماء البارد غير الساخن. لذلك ، تكون نقطة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في شرح تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

توصيل حراري

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عندما يتم وضع الماء في الثلاجة المجمدة في حاويات صغيرة. في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن الحاوية التي تحتوي على الماء الساخن تذوب ثلج المجمد تحتها ، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري بجدار الفريزر والتوصيل الحراري. نتيجة لذلك ، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن أسرع من الحاوية الباردة. في المقابل ، الحاوية بالماء البارد لا تذوب الثلج تحتها.

تمت دراسة كل هذه الظروف (بالإضافة إلى غيرها) في العديد من التجارب ، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة 100٪ لتأثير مبيمبا.

لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1995 ، درس الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ تأثير التبريد الفائق للماء على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن ، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد ، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق أسرع من الماء الساخن ، وبالتالي يعوض التأخر السابق.

بالإضافة إلى ذلك ، تناقضت نتائج Auerbach مع البيانات السابقة بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي تترسب بعض الأملاح فيه.

حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل أساسي على الظروف التي يتم إجراء التجربة في ظلها. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

O. V. Mosin

أدبيمصادر:

"الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد. لماذا يفعل ذلك؟" ، Jearl Walker in The Amateur Scientist، Scientific American، Vol. 237 ، لا. 3 ، ص 246-257 ؛ سبتمبر 1977.

"تجميد الماء الساخن والبارد" ، ز.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 37 ، لا. 5 ، ص 564-565 ؛ مايو 1969.

"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا" ، ديفيد أويرباخ ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 63 ، لا. 10 ، ص 882-885 ؛ أكتوبر 1995.

"تأثير مبيمبا: أوقات التجمد في الماء الساخن والبارد" ، تشارلز إيه نايت ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 64 ، لا. 5 ، ص 524 ؛ مايو 1996.

الماء هو أحد أكثر السوائل روعة في العالم ، وله خصائص غير عادية. على سبيل المثال ، الجليد - حالة صلبة من السائل ، له جاذبية محددة أقل من الماء نفسه ، مما جعل ظهور الحياة على الأرض وتطورها ممكنًا بعدة طرق. بالإضافة إلى ذلك ، في العالم شبه العلمي ، وفي الواقع العلمي ، هناك مناقشات حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخنًا أم باردًا. كل من يثبت سرعة تجميد سائل ساخن في ظل ظروف معينة ويثبت قراره علميًا سيحصل على جائزة قدرها 1000 جنيه إسترليني من الجمعية الملكية البريطانية للكيميائيين.

خلفية

حقيقة أن الماء الساخن ، في ظل عدد من الظروف ، يتقدم على الماء البارد من حيث معدل التجمد ، قد لوحظ مرة أخرى في العصور الوسطى. بذل كل من فرانسيس بيكون ورينيه ديكارت الكثير من الجهد لشرح هذه الظاهرة. ومع ذلك ، من وجهة نظر الهندسة الحرارية الكلاسيكية ، لا يمكن تفسير هذا التناقض ، وحاولوا إسكاته بخجل. كان الدافع لاستمرار النزاع قصة غريبة إلى حد ما حدثت لطالب المدرسة التنزاني إيراستو مبيمبا (إيراستو مبيمبا) في عام 1963. ذات مرة ، خلال درس صنع الحلوى في مدرسة للطهي ، لم يكن لدى صبي ، مشتت انتباهه بأمور أخرى ، الوقت لتبريد خليط الآيس كريم في الوقت المناسب ووضع محلول السكر في الحليب الساخن في الفريزر. ولدهشته ، تم تبريد المنتج بشكل أسرع إلى حد ما من زملائه الممارسين الذين لاحظوا نظام درجة الحرارة لصنع الآيس كريم.

في محاولة لفهم جوهر الظاهرة ، تحول الصبي إلى مدرس فيزياء ، سخر من تجاربه في الطهي دون الخوض في التفاصيل. ومع ذلك ، تميز إيراستو بالمثابرة التي يحسد عليها واستمر في تجاربه لم يعد على الحليب ، ولكن على الماء. لقد تأكد من أن الماء الساخن يتجمد في بعض الحالات أسرع من الماء البارد.

عند دخوله جامعة دار السلام ، حضر إراستو مبيمبي محاضرة ألقاها البروفيسور دينيس جي أوزبورن. بعد التخرج حيرت الطالب العالم بمشكلة معدل تجمد الماء حسب درجة حرارته. ج. سخر أوزبورن من طرح السؤال ، قائلاً بثقة أن أي خاسر يعرف أن الماء البارد سيتجمد بشكل أسرع. ومع ذلك ، فإن المثابرة الطبيعية للشاب جعلت نفسها محسوسة. لقد راهن مع الأستاذ ، وعرض إجراء اختبار تجريبي هنا ، في المختبر. وضع إراستو حاويتين من الماء في الفريزر ، إحداهما عند 95 درجة فهرنهايت (35 درجة مئوية) والأخرى عند 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية). ما كانت مفاجأة الأستاذ و "المراوح" المحيطين به عندما تجمد الماء في الحاوية الثانية بشكل أسرع. ومنذ ذلك الحين ، أُطلق على هذه الظاهرة اسم "مفارقة مبيمبا".

ومع ذلك ، لا توجد حتى الآن فرضية نظرية متماسكة تشرح "مفارقة مبيمبا". ليس من الواضح ما هي العوامل الخارجية ، والتركيب الكيميائي للماء ، ووجود الغازات والمعادن فيه ، التي تؤثر على معدل تجمد السوائل عند درجات حرارة مختلفة. تكمن المفارقة في "تأثير مبيمبا" في أنه يتعارض مع أحد القوانين التي اكتشفها إ. نيوتن ، والذي ينص على أن وقت تبريد الماء يتناسب طرديًا مع اختلاف درجة الحرارة بين السائل والبيئة. وإذا كانت جميع السوائل الأخرى تخضع تمامًا لهذا القانون ، فإن الماء في بعض الحالات يكون استثناءً.

لماذا الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع؟ر

هناك عدة إصدارات حول سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. أهمها:

• يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع ، بينما ينخفض ​​حجمه ، ويبرد حجم أصغر من السائل بشكل أسرع - عندما يتم تبريد الماء من + 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية ، تصل خسائر الحجم عند الضغط الجوي إلى 15٪ ؛
• كلما زادت شدة التبادل الحراري بين السائل والبيئة ، زاد الفرق في درجة الحرارة ، وبالتالي فإن فقدان حرارة الماء المغلي يمر بشكل أسرع ؛
• عندما يبرد الماء الساخن ، تتشكل قشرة جليدية على سطحه ، مما يمنع السائل من التجمد والتبخر تمامًا ؛
• عند درجة حرارة عالية من الماء ، يحدث خلطه بالحمل الحراري ، مما يقلل من وقت التجميد ؛
• الغازات المذابة في الماء تخفض نقطة التجمد ، وتستهلك الطاقة لتكوين الكريستال - لا توجد غازات مذابة في الماء الساخن.

كل هذه الظروف خضعت للتحقق التجريبي المتكرر. على وجه الخصوص ، اكتشف العالم الألماني ديفيد أورباخ أن درجة حرارة تبلور الماء الساخن أعلى قليلاً من درجة حرارة الماء البارد ، مما يجعل من الممكن تجميد الأول بسرعة أكبر. ومع ذلك ، تعرضت تجاربه لاحقًا لانتقادات ، واقتنع العديد من العلماء بأن "تأثير مبيمبا" الذي يتجمد فيه الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا ، لا يمكن إعادة إنتاجه إلا في ظل ظروف معينة ، لم يبحث عنها أحد حتى الآن.

يتم تنقيته عن طريق التبخر والتبريد والتكثيف ، ويتمتع السائل بخصائص فيزيائية خاصة. يوصى باستخدامه في نظام التدفئة ، حيث لا توجد أملاح ، وكذلك الأكسجين. هذا له تأثير إيجابي على مدة تشغيل الجهاز.

لكن الكثيرين مهتمون بالسؤال ، هل يتجمد الماء المقطر عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية؟

من السهل إجراء التجربة في المنزل والحصول على إجابة على هذا السؤال. سنرى أنه عند 0 درجة مئوية ستبقى سائلة. حتى لو خفضنا درجة الحرارة ، فإن حالتها الفيزيائية لن تتغير.

إذن في أي درجة حرارة يتجمد الماء؟

لوحظ خاصية مثيرة للاهتمام من الماء المقطر عند درجة حرارة سالبة. إذا قمت بخفض قطعة من الجليد أو الثلج أو الهواء أو الغبار بداخلها ، فستظهر البلورات على الفور في جميع أنحاء الحجم.

هذا يرجع إلى حقيقة أن ماء الصنبور يحتوي على العديد من مراكز التبلور: الأملاح والهواء بالداخل وسطح الحاوية وما إلى ذلك. السوائل المنقاة لا تحتوي على مثل هذه المراكز. نتيجة لهذا ، يمكن أن تكون فائقة البرودة بشكل ملحوظ.

تنص قوانين الفيزياء على أنه كلما زاد تنقية السائل من الشوائب ، انخفضت عتبة الانتقال إلى الحالة الصلبة.

يتجمد الماء المقطر عند درجة حرارة -10 درجة مئوية وأقل. هذا ما يفسر ميزته على المبردات الأخرى خلال فترة التسخين. بسبب هذه الخاصية ، عند تسخين الغرفة ، يمكن أن تتنافس مع التجمد.

في الوقت نفسه ، هناك عدد من المزايا الإضافية على المبردات الأخرى:

1. النظافة البيئية
2. سلامة حياة الإنسان وصحته ؛
3. موقف دقيق من الأنابيب.
4. سهولة الاستعمال؛
5. التوفر.

أنت تعلم الآن أن الماء المقطر يتجمد عند درجات حرارة أقل من 10 درجات ، لذلك يمكنك أن تكون هادئًا بشأن نظام التدفئة الخاص بك.

نأمل أن تكون المقالة مفيدة لك. سنكون ممتنين إذا قمت بمشاركتها على الشبكات الاجتماعية.

طاب يومك!

اقرأ أيضا:

حامل الحرارة لنظام التدفئة - ما هو المستخدم اليوم؟
تسخين المياه في منزل خاص - تقنية لتنفيذه
مضخة مياه للتدفئة: مبدأ التشغيل والتركيب