تم تجميد الماء البارد. أي ماء يتجمد بشكل أسرع: ساخن أم بارد؟ على ماذا تعتمد

في الصيغة القديمة الجيدة H 2 O ، يبدو أنه لا توجد أسرار. لكن في الواقع ، الماء - مصدر الحياة وأشهر سائل في العالم - محفوف بالعديد من الألغاز التي لا يستطيع حتى العلماء حلها في بعض الأحيان.

فيما يلي أهم 5 حقائق مثيرة للاهتمام حول الماء:

1. الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد

خذ إناءين من الماء: صب الماء الساخن في إحداهما والماء البارد في الأخرى ، وضعيهما في الفريزر. سوف يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه منطقياً ، يجب أن يتحول الماء البارد إلى جليد أولاً: بعد كل شيء ، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة حرارة باردة ، ثم يتحول إلى ثلج ، بينما الماء البارد لا يحتاج إلى التبريد. لماذا يحدث هذا؟

في عام 1963 ، لاحظ Erasto B. Mpemba ، وهو طالب في المرحلة الثانوية في تنزانيا ، أثناء تجميد مزيج الآيس كريم المحضر ، أن المزيج الساخن يتجمد بشكل أسرع في المجمد من المزيج البارد. عندما شارك الشاب اكتشافه مع مدرس الفيزياء ، سخر منه فقط. لحسن الحظ ، كان الطالب مثابرًا وأقنع المعلم بإجراء تجربة ، والتي أكدت اكتشافه: في ظل ظروف معينة ، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.

تسمى ظاهرة تجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد بتأثير مبيمبا. صحيح ، قبله بفترة طويلة ، لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الخاصية الفريدة للمياه.

لا يفهم العلماء تمامًا طبيعة هذه الظاهرة ، ويشرحونها إما باختلاف انخفاض حرارة الجسم ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسيلة على الماء الساخن والبارد.

لاحظ من Х.RU إلى موضوع "الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد".

نظرًا لأن مشكلات التبريد أقرب إلينا ، متخصصون في التبريد ، فسنسمح لأنفسنا بالتعمق في جوهر هذه المشكلة وإبداء رأيين حول طبيعة هذه الظاهرة الغامضة.

1. قدم عالم من جامعة واشنطن تفسيرًا لظاهرة غامضة معروفة منذ زمن أرسطو: لماذا يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد.

هذه الظاهرة ، التي تسمى تأثير مبيمبا ، تستخدم على نطاق واسع في الممارسة العملية. على سبيل المثال ، ينصح الخبراء سائقي السيارات بصب الماء البارد بدلاً من الماء الساخن في خزان الغسالة في الشتاء. لكن ما يكمن وراء هذه الظاهرة ظل مجهولاً لفترة طويلة.

قام الدكتور جوناثان كاتز من جامعة واشنطن بالتحقيق في هذه الظاهرة وخلص إلى أن المواد الذائبة في الماء تلعب دورًا مهمًا فيها ، والتي تترسب عند تسخينها ، وفقًا لـ EurekAlert.

بالمواد المذابة ، يقصد الدكتور كاتز بيكربونات الكالسيوم والمغنيسيوم الموجودة في الماء العسر. عندما يتم تسخين الماء ، تترسب هذه المواد ، وتشكل قشورًا على جدران الغلاية. تحتوي المياه التي لم يتم تسخينها على هذه الشوائب. عندما تتجمد وتتكون بلورات الثلج ، يزيد تركيز الشوائب في الماء 50 مرة. هذا يقلل من درجة تجمد الماء. يشرح الدكتور كاتز: "والآن يجب أن يبرد الماء حتى يتجمد".

هناك سبب ثان يمنع تجميد الماء غير الساخن. يقلل خفض نقطة تجمد الماء من فرق درجة الحرارة بين المرحلتين الصلبة والسائلة. يقول الدكتور كاتز: "نظرًا لأن المعدل الذي يفقد به الماء الحرارة يعتمد على هذا الاختلاف في درجة الحرارة ، فإن الماء الذي لم يتم تسخينه يكون أقل عرضة للتبريد".

وفقا للعالم ، يمكن اختبار نظريته تجريبيا ، لأن. يصبح تأثير مبيمبا أكثر وضوحًا للمياه الصلبة.

2. ينتج الأكسجين بالإضافة إلى الهيدروجين بالإضافة إلى البرودة الجليد. للوهلة الأولى ، تبدو هذه المادة الشفافة بسيطة للغاية. في الواقع ، الجليد محفوف بالعديد من الألغاز. الجليد الذي صنعه الأفريقي إيراستو مبيمبا لم يفكر في المجد. كانت الأيام حارة. أراد المصاصات. أخذ علبة عصير ووضعها في الفريزر. لقد فعل ذلك أكثر من مرة ولذلك لاحظ أن العصير يتجمد بسرعة خاصة ، إذا حملته في الشمس قبل ذلك - فقط قم بتسخينه! يعتقد التلميذ التنزاني الذي يتصرف بعكس الحكمة الدنيوية أن هذا أمر غريب. هل من الممكن أنه لكي يتحول السائل إلى جليد بشكل أسرع ، يجب أولاً تسخينه؟ كان الشاب مندهشًا جدًا لدرجة أنه شارك التخمين مع المعلم. أبلغ عن هذا الفضول في الصحافة.

حدثت هذه القصة في الستينيات. الآن أصبح "تأثير مبيمبا" معروفًا جيدًا للعلماء. لكن هذه الظاهرة التي بدت بسيطة ظلت لغزا لفترة طويلة. لماذا الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد؟

لم يجد الفيزيائي ديفيد أورباخ حلاً حتى عام 1996. للإجابة على هذا السؤال ، أجرى تجربة لمدة عام كامل: قام بتسخين الماء في كوب وبرده مرة أخرى. إذن ماذا اكتشف؟ عند تسخينها ، تذوب فقاعات الهواء في الماء تتبخر. يتجمد الماء الخالي من الغازات بسهولة أكبر على جدران الوعاء. يقول أورباخ: "بالطبع ، الماء الذي يحتوي على نسبة عالية من الهواء سوف يتجمد أيضًا ، ولكن ليس عند درجة الصفر المئوي ، ولكن فقط عند سالب أربع إلى ست درجات". بالطبع ، سوف تضطر إلى الانتظار لفترة أطول. لذلك ، الماء الساخن يتجمد قبل الماء البارد ، هذه حقيقة علمية.

لا تكاد توجد مادة تظهر أمام أعيننا بنفس سهولة ظهور الجليد. يتكون فقط من جزيئات الماء - أي جزيئات أولية تحتوي على ذرتين هيدروجين وأكسجين. ومع ذلك ، ربما يكون الجليد هو المادة الأكثر غموضًا في الكون. لم يتمكن العلماء من شرح بعض خصائصه حتى الآن.

2. التبريد الفائق والتجميد "السريع"

يعلم الجميع أن الماء يتحول دائمًا إلى جليد عندما يبرد إلى 0 درجة مئوية ... إلا في بعض الحالات! مثل هذه الحالة ، على سبيل المثال ، "التبريد الفائق" ، وهي خاصية الماء النقي جدًا ليظل سائلاً حتى عند تبريده دون درجة التجمد. تصبح هذه الظاهرة ممكنة بسبب حقيقة أن البيئة لا تحتوي على مراكز تبلور أو نوى يمكن أن تثير تكوين بلورات الجليد. وهكذا يبقى الماء في صورة سائلة ، حتى عند تبريده إلى درجات حرارة أقل من صفر درجة مئوية. يمكن بدء عملية التبلور ، على سبيل المثال ، عن طريق فقاعات الغاز ، والشوائب (التلوث) ، وسطح الحاوية غير المستوي. بدونها ، سيبقى الماء في حالة سائلة. عندما تبدأ عملية التبلور ، يمكنك مشاهدة كيف يتحول الماء شديد التبريد على الفور إلى ثلج.

شاهد مقطع الفيديو (2901 كيلوبايت ، 60 ج) بواسطة Phil Medina (www.mrsciguy.com) وانظر بنفسك >>

تعليق.يظل الماء شديد السخونة سائلاً أيضًا حتى عند تسخينه فوق نقطة الغليان.

3. ماء "زجاج"

بسرعة ودون تردد ، حدد عدد الدول المختلفة للمياه؟

إذا أجبت ثلاثة (صلب ، سائل ، غاز) ، فأنت مخطئ. يميز العلماء ما لا يقل عن 5 حالات مختلفة من الماء في شكل سائل و 14 حالة من الجليد.

هل تتذكر المحادثة حول المياه فائقة البرودة؟ لذلك ، بغض النظر عن ما تفعله ، عند درجة حرارة -38 درجة مئوية ، حتى أنقى المياه فائقة البرودة تتحول فجأة إلى ثلج. ماذا يحدث مع مزيد من الانخفاض

درجة الحرارة؟ عند درجة حرارة -120 درجة مئوية ، يبدأ شيء غريب في حدوث الماء: يصبح شديد اللزوجة أو لزجًا ، مثل دبس السكر ، وعند درجات حرارة أقل من -135 درجة مئوية ، يتحول إلى ماء "زجاجي" أو "زجاجي" - مادة صلبة يكون فيها لا يوجد هيكل بلوري.

4. الخصائص الكمية للمياه

على المستوى الجزيئي ، الماء أكثر روعة. في عام 1995 ، أعطت تجربة تشتت النيوترونات التي أجراها العلماء نتيجة غير متوقعة: وجد الفيزيائيون أن النيوترونات الموجهة إلى جزيئات الماء "ترى" 25٪ من بروتونات الهيدروجين أقل مما كان متوقعًا.

اتضح أنه عند سرعة أتوثانية واحدة (10-18 ثانية) يحدث تأثير كمي غير عادي ، والصيغة الكيميائية للماء بدلاً من الصيغة المعتادة - H 2 O ، تصبح H 1.5 O!

5. هل للماء ذاكرة؟

يدعي الطب المثلي ، وهو بديل للطب التقليدي ، أن المحلول المخفف لمنتج طبي يمكن أن يكون له تأثير علاجي على الجسم ، حتى لو كان عامل التخفيف كبيرًا لدرجة أنه لا يوجد شيء في المحلول سوى جزيئات الماء. يشرح أنصار المعالجة المثلية هذا التناقض بمفهوم يسمى "ذاكرة الماء" ، حيث يكون للماء على المستوى الجزيئي "ذاكرة" للمادة بمجرد أن يذوب فيها ويحتفظ بخصائص محلول التركيز الأصلي بعد عدم يبقى جزيء واحد من المكون فيه.

أجرى فريق دولي من العلماء بقيادة البروفيسور مادلين إينيس من جامعة كوينز في بلفاست ، الذي انتقد مبادئ المعالجة المثلية ، تجربة في عام 2002 لدحض هذا المفهوم بشكل نهائي. وكانت النتيجة عكس ذلك. وبعد ذلك ، قال العلماء إنهم تمكّنوا من إثبات حقيقة تأثير "ذاكرة الماء" ، لكن التجارب التي أُجريت تحت إشراف خبراء مستقلين لم تؤد إلى نتائج ، ولا تزال الخلافات حول وجود ظاهرة "ذاكرة الماء" مستمرة.

يحتوي الماء على العديد من الخصائص غير العادية الأخرى التي لم نقم بتغطيتها في هذه المقالة.

المؤلفات.

1. 5 أشياء غريبة حقًا عن المياه / http://www.neatorama.com.
2. سر الماء: تم إنشاء نظرية تأثير أرسطو-مبيمبا / http://www.o8ode.ru.
3 - نيبومنياختشي ن. أسرار الطبيعة غير الحية. المادة الأكثر غموضًا في الكون / http://www.bibliotekar.ru.

21.11.2017 11.10.2018 الكسندر فيرتسيف

« أي ماء يتجمد أسرع باردًا أم ساخنًا؟”- حاول طرح سؤال على أصدقائك ، فعلى الأرجح سيجيب معظمهم بأن الماء البارد يتجمد بشكل أسرع - ويرتكبون خطأ.

في الواقع ، إذا وضعت في نفس الوقت وعاءين من نفس الشكل والحجم في الفريزر ، أحدهما يحتوي على ماء بارد والآخر ساخن ، فإن الماء الساخن سيتجمد بشكل أسرع.

قد يبدو مثل هذا البيان سخيفا وغير معقول. منطقياً ، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة حرارة باردة ، ويجب أن يتحول الماء البارد بالفعل إلى جليد في هذا الوقت.

فلماذا يتفوق الماء الساخن على الماء البارد في طريقه إلى التجمد؟ دعنا نحاول معرفة ذلك.

تاريخ الملاحظات والبحث

لقد لاحظ الناس التأثير المتناقض منذ العصور القديمة ، لكن لم يعلق عليه أحد أهمية كبيرة. لذلك لوحظ تناقضات في معدل تجميد الماء البارد والساخن في ملاحظاتهم بواسطة Arestotel ، وكذلك من قبل Rene Descartes و Francis Bacon. غالبًا ما تتجلى ظاهرة غير عادية في الحياة اليومية.

لفترة طويلة ، لم يتم دراسة هذه الظاهرة بأي شكل من الأشكال ولم تثير اهتمامًا كبيرًا بين العلماء.

بدأت دراسة التأثير غير العادي في عام 1963 ، عندما لاحظ الطالب الفضولي من تنزانيا ، إيراستو مبيمبا ، أن الحليب الساخن المخصص للآيس كريم يتجمد بشكل أسرع من الحليب البارد. على أمل الحصول على شرح لأسباب التأثير غير العادي ، سأل الشاب مدرس الفيزياء في المدرسة. ومع ذلك ، ضحك المعلم فقط عليه.

في وقت لاحق ، كرر Mpemba التجربة ، ولكن في تجربته لم يعد يستخدم الحليب ، ولكن الماء ، وتكرر التأثير المتناقض مرة أخرى.

بعد ست سنوات ، في عام 1969 ، طرح مبيمبا هذا السؤال على أستاذ الفيزياء دينيس أوزبورن ، الذي جاء إلى مدرسته. اهتم الأستاذ بملاحظة الشاب ونتيجة لذلك أجريت تجربة أكدت وجود التأثير ولكن لم يتم إثبات أسباب هذه الظاهرة.

منذ ذلك الحين ، تم استدعاء هذه الظاهرة تأثير مبيمبا.

على مدار تاريخ الملاحظات العلمية ، تم طرح العديد من الفرضيات حول أسباب هذه الظاهرة.

لذلك في عام 2012 ، أعلنت الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء عن مسابقة في الفرضيات لشرح تأثير مبيمبا. شارك في المسابقة علماء من جميع أنحاء العالم ، حيث تم تسجيل 22 ألف ورقة علمية. على الرغم من هذا العدد الهائل من المقالات ، لم يوضح أي منها مفارقة مبيمبا.

كان الإصدار الأكثر شيوعًا هو أن الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع ، لأنه ببساطة يتبخر بشكل أسرع ، ويصبح حجمه أصغر ، ومع انخفاض الحجم ، يزداد معدل تبريده. تم دحض النسخة الأكثر شيوعًا في النهاية ، حيث أجريت تجربة تم فيها استبعاد التبخر ، ولكن تم تأكيد التأثير مع ذلك.

يعتقد علماء آخرون أن سبب تأثير مبيمبا هو تبخر الغازات الذائبة في الماء. في رأيهم ، أثناء عملية التسخين ، تتبخر الغازات المذابة في الماء ، مما يجعلها تكتسب كثافة أعلى من الماء البارد. كما هو معروف ، تؤدي الزيادة في الكثافة إلى تغيير في الخصائص الفيزيائية للماء (زيادة في التوصيل الحراري) ، وبالتالي زيادة في معدل التبريد.

بالإضافة إلى ذلك ، تم طرح عدد من الفرضيات التي تصف معدل دوران الماء كدالة لدرجة الحرارة. في العديد من الدراسات ، جرت محاولة لتحديد العلاقة بين مادة الحاويات التي يوجد بها السائل. بدت العديد من النظريات معقولة للغاية ، لكن لم يتم تأكيدها علميًا بسبب نقص البيانات الأولية ، أو التناقضات في التجارب الأخرى ، أو بسبب حقيقة أن العوامل المحددة لم تكن قابلة للمقارنة مع معدل تبريد المياه. شكك بعض العلماء في أعمالهم في وجود التأثير.

في عام 2013 ، ادعى باحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة أنهم تمكنوا من حل لغز تأثير مبيمبا. وفقًا لدراستهم ، يكمن سبب الظاهرة في حقيقة أن كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء البارد والساخن تختلف اختلافًا كبيرًا.

أظهرت طرق المحاكاة الحاسوبية النتائج التالية: كلما ارتفعت درجة حرارة الماء ، زادت المسافة بين الجزيئات بسبب زيادة قوى التنافر. نتيجة لذلك ، يتم شد روابط الجزيئات الهيدروجينية ، مما يؤدي إلى تخزين المزيد من الطاقة. عند تبريدها ، تبدأ الجزيئات في الاقتراب من بعضها البعض ، وتطلق الطاقة من الروابط الهيدروجينية. في هذه الحالة ، يكون إطلاق الطاقة مصحوبًا بانخفاض في درجة الحرارة.

في أكتوبر 2017 ، اكتشف الفيزيائيون الإسبان ، في سياق دراسة أخرى ، أن إزالة المادة من التوازن (التسخين القوي قبل التبريد القوي) هو الذي يلعب دورًا كبيرًا في تكوين التأثير. لقد حددوا الظروف التي يكون فيها احتمال التأثير هو الحد الأقصى. بالإضافة إلى ذلك ، أكد علماء من إسبانيا وجود تأثير مبيمبا العكسي. ووجدوا أنه عند تسخين العينة الأكثر برودة يمكن أن تصل إلى درجة حرارة عالية أسرع من العينة الدافئة.

على الرغم من المعلومات الشاملة والتجارب العديدة ، يعتزم العلماء مواصلة دراسة التأثير.

تأثير Mpemba في الحياة الحقيقية

هل تساءلت يومًا لماذا تمتلئ حلبة التزلج على الجليد في الشتاء بالماء الساخن وليس البارد؟ كما فهمت بالفعل ، فإنهم يفعلون ذلك لأن حلبة التزلج المليئة بالماء الساخن ستتجمد بشكل أسرع مما لو كانت مملوءة بالماء البارد. للسبب نفسه ، تُسكب الشرائح في مدن الجليد الشتوي بالماء الساخن.

وبالتالي ، فإن المعرفة بوجود هذه الظاهرة تتيح للناس توفير الوقت عند إعداد مواقع الرياضات الشتوية.

بالإضافة إلى ذلك ، يُستخدم تأثير Mpemba أحيانًا في الصناعة - لتقليل وقت تجميد المنتجات والمواد والمواد التي تحتوي على الماء.

في هذه المقالة ، سوف نلقي نظرة على سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.

يتجمد الماء الساخن أسرع بكثير من الماء البارد! هذه الخاصية المدهشة للمياه ، التفسير الدقيق الذي لا يزال العلماء غير قادرين على العثور عليه ، معروفة منذ العصور القديمة. على سبيل المثال ، حتى في أرسطو ، هناك وصف للصيد الشتوي: أدخل الصيادون قضبان الصيد في ثقوب في الجليد ، وحتى يتجمدوا بشكل أسرع ، سكبوا الماء الدافئ على الجليد. سمي اسم هذه الظاهرة باسم Erasto Mpemba في الستينيات من القرن العشرين. لاحظ منيمبا التأثير الغريب أثناء صنع الآيس كريم والتفت إلى مدرس الفيزياء الخاص به ، د. دينيس أوزبورن ، للحصول على شرح. أجرى مبيمبا والدكتور أوزبورن تجارب على الماء في درجات حرارة مختلفة وخلصا إلى أن الماء المغلي تقريبًا يبدأ في التجمد أسرع بكثير من الماء في درجة حرارة الغرفة. أجرى علماء آخرون تجاربهم الخاصة وفي كل مرة حصلوا على نتائج مماثلة.

شرح ظاهرة فيزيائية

لا يوجد تفسير مقبول بشكل عام لسبب حدوث ذلك. يقترح العديد من الباحثين أن الأمر كله يتعلق بالتبريد الفائق للسائل ، والذي يحدث عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون درجة التجمد. بمعنى آخر ، إذا تجمد الماء عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية ، فيمكن أن تصل درجة حرارة الماء الفائق البرودة ، على سبيل المثال ، إلى -2 درجة مئوية ويظل سائلاً دون أن يتحول إلى ثلج. عندما نحاول تجميد الماء البارد ، هناك احتمال أن يصبح شديد البرودة في البداية ، وسيتصلب فقط بعد مرور بعض الوقت. في الماء الساخن ، تحدث عمليات أخرى. يرتبط تحوله الأسرع إلى جليد بالحمل الحراري.

الحمل- هذه ظاهرة فيزيائية ترتفع فيها الطبقات السفلية الدافئة من السائل ، وتنخفض الطبقات العلوية المبردة.

تأثير مبيمبا أو لماذا يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد؟ يعتبر تأثير Mpemba (مفارقة Mpemba) مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمر بدرجة حرارة الماء البارد أثناء 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". ومنذ ذلك الحين ، أطلق على التأثير الذي اكتشفوه اسم 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 Mpemba: التبخر يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس 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. اختلاف درجة الحرارة نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - ومن ثم يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع. التبريد الفرعي 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 لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، يلزم وجود 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 الحراري 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 ، يُفترض أنه يتم فصل طبقات الماء الباردة والساخنة وتستمر عملية الحمل الحراري نفسها بعد انخفاض متوسط ​​درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجة مئوية. ومع ذلك ، لا توجد بيانات تجريبية التي من شأنها أن تؤكد هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء البارد والساخن مفصولة بالحمل الحراري. الغازات الذائبة 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. الموصلية الحرارية 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

تأثير مبيمبا(Mpemba Paradox) هي مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمر بدرجة حرارة الماء البارد أثناء 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.