Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?

При каква температура замръзва водата? Изглежда - прост въпрос, на които дори едно дете може да отговори: температурата на замръзване на водата при нормално атмосферно наляганепри 760 mm Hg е нула градуса по Целзий.

Водата обаче (въпреки изключително широкото й разпространение на нашата планета) е най-мистериозното и непълно проучено вещество, така че отговорът на този въпрос изисква подробен и аргументиран разговор.

• В Русия и Европа температурата се измерва най-често по скалата на Целзий висока стойносткойто има знак от 100 градуса.
• Американският учен Фаренхайт разработи собствена скала със 180 деления.
• Има още една единица за измерване на температурата - келвин, кръстен на английски физикТомсън, който получава титлата лорд Келвин.

Условия и видове води

Водата на планетата Земя може да приеме три основни агрегатни състояния: течно, твърдо и газообразно, в които може да се трансформира различни форми, едновременно съжителстващи един с друг (айсберги в морска вода, водна пара и ледени кристали в облаците в небето, ледници и свободно течащи реки).

В зависимост от характеристиките на произход, предназначение и състав, водата може да бъде:

• свеж;
• минерал;
• морски;
• пиене (тук включваме чешмяна вода);
• дъжд;
• размразени;
• солено;
• структуриран;
• дестилиран;
• дейонизиран.

Наличието на водородни изотопи прави водата:

1. светлина;
2. тежък (деутерий);
3. свръхтежки (тритий).

Всички знаем, че водата може да бъде мека или твърда: този показател се определя от съдържанието на магнезиеви и калциеви катиони.

Всеки от видовете, които изброихме и агрегатни състоянияводата има собствени точки на замръзване и топене.

Точка на замръзване на водата

Защо водата замръзва? Обикновената вода винаги съдържа някои суспендирани частици от минерален или органичен произход. Не може да бъде миниатюрни частициглина, пясък или домашен прах.

Когато температурата на околната среда спадне до определени стойности, тези частици влизат в ролята на центрове, около които започват да се образуват ледени кристали.

Въздушните мехурчета, както и пукнатините и повредите по стените на съда с вода също могат да се превърнат в кристализационни ядра. Скоростта на процеса на кристализация на водата до голяма степен се определя от броя на тези центрове: колкото повече от тях, толкова по-бързо замръзва течността.

При нормални условия (при нормално атмосферно налягане) температурата фазов преходвода от течно състояниев твърдо състояние е знакът от 0 градуса по Целзий. Именно при тази температура водата замръзва навън.

Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?

Топлата вода замръзва по-бързо от студената - това явление е забелязано от Ерасто Мпемба, ученик от Танганайка. Неговите експерименти със смеси за сладолед показват, че скоростта на замръзване на нагрятите маси е значително по-висока от тази на студените.

Една от причините за това интересен феномен, наречен „парадокс на Мпемба“, е по-високият топлопренос на гореща течност, както и наличието в нея Повече ▼кристализационни ядра в сравнение с студена вода.

Свързани ли са точката на замръзване на водата и надморската височина?

При промени в налягането, често свързани с намирането на различна надморска височина, точката на замръзване на водата започва радикално да се различава от стандартната, характерна за нормални условия.
Кристализацията на водата на надморска височина се извършва при следните температурни стойности:

• Парадоксално, но на надморска височина от 1000 м водата замръзва при 2 градуса по Целзий;
• на надморска височина от 2000 метра това се случва вече при 4 градуса по Целзий.

Най-високата температура на замръзване на водата в планините се наблюдава на надморска височина над 5000 хиляди метра (например във Фенските планини или Памир).

Как налягането влияе върху процеса на кристализация на водата?

Нека се опитаме да свържем динамиката на промените в температурата на замръзване на водата с промените в налягането.

• При налягане от 2 atm водата ще замръзне при температура от -2 градуса.
• При налягане от 3 atm, температура от -4 градуса по Целзий ще започне да замръзва водата.

При повишено налягане температурата, при която започва процесът на кристализация на водата, намалява и точката на кипене се повишава. При ниско налягане се получава диаметрално противоположна картина.

Ето защо при условия на голяма надморска височина и разредена атмосфера е много трудно да се сварят дори яйца, тъй като водата в тенджерата кипи вече при 80 градуса. Ясно е, че е просто невъзможно да се готви храна при тази температура.

При високо кръвно наляганепроцесът на топене на лед под остриетата на кънките се случва дори при много ниски температуриа, но благодарение на него кънките се плъзгат по ледената повърхност.

По подобен начин се обяснява замръзването на бегачите на тежко натоварени шейни в разказите на Джек Лондон. Тежките шейни, оказващи натиск върху снега, го карат да се топи. Получената вода ги прави по-лесни за плъзгане. Но щом шейните спрат и останат дълго време на едно място, изместената вода замръзва и замръзва бегачите към пътя.

Температура на кристализация на водни разтвори

Като отличен разтворител, водата лесно реагира с различни органични и неорганични вещества, образувайки маса от понякога неочаквани химични съединения. Разбира се, всеки от тях ще замръзне при различни температури. Нека покажем това във визуален списък.

• Точката на замръзване на смес от алкохол и вода зависи от процентсъдържа и двата компонента. Колкото повече вода се добавя към разтвора, толкова по-близо до нула е неговата точка на замръзване. Ако в разтвора има повече алкохол, процесът на кристализация ще започне при стойности, близки до -114 градуса.

  Важно е да знаете, че водно-спиртните разтвори нямат фиксирана точка на замръзване. Обикновено те говорят за температурата в началото на процеса на кристализация и температурата на крайния преход в твърдо състояние.

  Между началото на образуването на първите кристали и пълното втвърдяване на алкохолния разтвор има температурен интервал от 7 градуса. И така, точката на замръзване на вода с концентрация на алкохол 40% при начална фазае -22,5 градуса, а крайният преход на разтвора в твърда фаза ще настъпи при -29,5 градуса.

Точката на замръзване на водата със сол е тясна връзкасъс степента на неговата соленост: колкото повече сол има в разтвора, толкова по-ниска е позицията на живачната колона, която ще замръзне.

За измерване на солеността на водата се използва специална единица - "ppm". И така, установихме, че точката на замръзване на водата намалява с увеличаване на концентрацията на сол. Нека обясним това с пример:

Ниво на соленост океанска водаравно на 35 ppm, докато средна стойностточката му на замръзване е 1,9 градуса. Солеността на водите в Черно море е 18-20 ppm, така че те замръзват при по-висока температура с диапазон от -0,9 до -1,1 градуса по Целзий.

• Точката на замръзване на вода със захар (за разтвор, чиято молалност е 0,8) е -1,6 градуса.
• Точката на замръзване на водата с примеси до голяма степен зависи от тяхното количество и естеството на примесите, включени във водния разтвор.
• Точката на замръзване на водата с глицерин зависи от концентрацията на разтвора. Разтвор, съдържащ 80 ml глицерин, ще замръзне при -20 градуса; когато съдържанието на глицерин намалее до 60 ml, процесът на кристализация ще започне при -34 градуса, а началото на замръзване на 20% разтвор е минус пет градуса. Както виждаш, линейна зависимост V в такъв случайотсъстващ. За замразяване на 10% разтвор на глицерин ще бъде достатъчна температура от -2 градуса.
• Точка на замръзване на вода със сода (което означава каустик алкали или сода каустик) представя още по-мистериозна картина: 44% разтвор на каустик замръзва при +7 градуса по Целзий, а 80% при + 130.

Замръзване на сладководни тела

Процесът на образуване на лед в сладководни тела протича в малко по-различен температурен режим.

• Точката на замръзване на водата в езерото, точно както точката на замръзване на водата в реката, е нула градуса по Целзий. Замръзването на най-чистите реки и потоци започва не от повърхността, а от дъното, върху което присъстват кристализационни ядра под формата на частици дънна тиня. Първоначално дървесината и водните растения са покрити с ледена кора. Веднага щом долният лед се издигне на повърхността, реката моментално замръзва.
• Замръзналата вода на езерото Байкал понякога може да се охлади до минусови температури. Това се случва само в плитка вода; температурата на водата може да бъде хилядни, а понякога и стотни от един градус под нулата.
• Температурата на байкалската вода под самата кора на ледената покривка като правило не надвишава +0,2 градуса. В долните слоеве постепенно се увеличава до +3,2 на дъното на най-дълбокия басейн.

Точка на замръзване на дестилирана вода

Замръзва ли дестилираната вода? Нека си припомним, че за да замръзне водата, е необходимо в нея да има определени центрове на кристализация, които могат да бъдат въздушни мехурчета, суспендирани частици, както и увреждане на стените на съда, в който се намира.

Дестилираната вода, напълно лишена от всякакви примеси, няма кристализационни ядра и следователно замръзването й започва при много ниски температури. Началната точка на замръзване на дестилираната вода е -42 градуса. Учените успяха да постигнат преохлаждане на дестилирана вода до -70 градуса.

Водата, която е била изложена на много ниски температури, без да кристализира, се нарича „преохладена“. Можете да поставите бутилка с дестилирана вода във фризера, за да постигнете хипотермия, а след това да демонстрирате много впечатляващ трик - вижте видеото:

Като леко почукате бутилка, извадена от хладилника, или хвърлите малко парче лед в нея, можете да покажете как моментално се превръща в лед, който прилича на продълговати кристали.

Дестилирана вода: това пречистено вещество замръзва ли под налягане или не? Такъв процес е възможен само в специално създадени лабораторни условия.

Точка на замръзване на солената вода

Има много фактори, които влияят коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, но самият въпрос изглежда малко странен. Изводът, и това е известно от физиката, е, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на студената вода, която се сравнява, за да се превърне в лед. Този етап може да бъде пропуснат и съответно тя печели във времето.

Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - навън в студа, знае всеки жител на северните ширини. Всъщност, от научна гледна точка се оказва, че във всеки случай студената вода просто е длъжна да замръзне по-бързо.

Учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г., помисли същото с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва повече от подобна, но гореща.

„Това не е универсална физика, а някакъв вид физика на Мпемба“

По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осборн, професор по физика, който по едно време посети същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди наличието на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това. През 1969 г. в популярн научно списаниебеше публикувана съвместна статия от тези двама души, които описаха този особен ефект.

Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - има подходящо име- ефектът или парадоксът на Мпемба.

Въпросът стои отдавна

Естествено, подобно явление се е случвало и преди и е споменато в трудовете на други учени. Не само ученикът се интересуваше от този въпрос, но Рене Декарт и дори Аристотел също мислеха за това по едно време.

Но те започнаха да търсят подходи за разрешаване на този парадокс едва в края на ХХ век.

Условия за възникване на парадокс

Както при сладоледа, по време на експеримента не замръзва просто обикновена вода. Трябва да са налице определени условия, за да започнем да спорим коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща. Какво влияе върху хода на този процес?

Сега, в 21-ви век, бяха представени няколко варианта, които могат да обяснят този парадокс. Коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, може да зависи от факта, че има по-висока скорост на изпарение от студената вода. Така нейният обем намалява и с намаляването на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем същия първоначален обем студена вода.

Мина известно време, откакто размразихте фризера.

Коя вода замръзва по-бързо и защо това се случва може да се повлияе от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземете два контейнера, които са еднакви по обем, но единият от тях съдържа топла вода, а в другата - студена, съд с гореща вода ще разтопи снега отдолу, като по този начин ще подобри контакта на термичното ниво със стената на хладилника. Съд със студена вода не може да направи това. Ако в хладилното отделение няма такава облицовка със сняг, студената вода трябва да замръзне по-бързо.

Горе долу

Също така, феноменът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, се обяснява по следния начин. Следвайки определени закони, студената вода започва да замръзва от горните слоеве, когато горещата вода прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. Оказва се, че студената вода, имайки отгоре студен слой с вече образуван на места лед, по този начин влошава процесите на конвекция и топлинно излъчване, като по този начин обяснява коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща. Приложени са снимки от любителски експерименти, като това се вижда ясно тук.

Топлината излиза, бърза нагоре и там среща много хладен слой. Няма свободен път за топлинно излъчване, така че процесът на охлаждане става труден. Топлата вода няма абсолютно никакви такива препятствия по пътя си. Коя от тях замръзва по-бързо - студена или гореща, какво определя вероятния резултат?Можете да разширите отговора, като кажете, че всяка вода има определени вещества, разтворени в нея.

Примесите във водата като фактор, влияещ върху резултата

Ако не изневерите и използвате вода със същия състав, къде са концентрациите? определени веществаса идентични, тогава студената вода трябва да замръзне по-бързо. Но ако възникне ситуация, когато се разтвори химически елементисе предлагат само в топла вода, а при студена ги няма, тогава има възможност топлата вода да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените вещества във водата създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори водата да е преохладена, в смисъл при минусови температури да е в течно състояние.

Но всички тези версии очевидно не отговарят напълно на учените и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековна мистерия.

Група китайски учени твърдят, че тайната на този ефект се крие в количеството енергия, което се съхранява между водните молекули в нейните връзки, наречени водородни връзки.

Отговорът на китайски учени

Следва информация, за да разберете, че трябва да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както е известно, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), свързани заедно чрез ковалентни връзки.

Но също така водородните атоми на една молекула се привличат към съседните молекули, към техния кислороден компонент. Тези връзки се наричат ​​водородни връзки.

Струва си да се помни, че в същото време водните молекули имат отблъскващ ефект една върху друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че като заемат еднакво разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, че се разтягат и имат по-голям запас от енергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започват да се приближават една към друга, тоест настъпва охлаждане. Оказва се, че има по-голям запас от енергия в горещата вода и по-голямото й освобождаване при охлаждане до минусови температури, се случва по-бързо, отколкото в студена вода, която има по-малък запас от такава енергия. И така, коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща? На улицата и в лабораторията трябва да се случи парадоксът на Мпемба и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.

Но въпросът все още е отворен

Има само теоретично потвърждение на това решение - всичко е написано красиви формулии изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни за това коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - се използват на практика и резултатите от тях се представят, тогава въпросът за парадокса на Мпемба може да се счита за приключен.

Мпемба ефект(Парадоксът 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 идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. ученикът от Танзания Ерасто Мпемба открива, че горещата сладоледена смес замръзва по-бързо от студената.

Като ученик на Магамбинская гимназияв Танзания Ерасто Мпемба го направи практическа работав кулинарията. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология.

След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича 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 на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C.

Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба също може да бъде обяснен в рамката известен физик. 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 при 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, намалява. 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 - оттам и топлообменът в това случаят вървипо-интензивно и горещата вода се охлажда по-бързо.

Хипотермия

Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от –20 C.

Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да се образуват спонтанно кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне, за да образува лед.

Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали.

Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се случва 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-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх.

Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед.

Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.

Конвекция

Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу.

Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е с по-малка плътност от водата при температура 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, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен.

При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, издигайки слоя топла вода към повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата.

Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава след средна температураводата ще падне под 4 С.

Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция.

Газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден двуокис. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е по-ниска при високи температури. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.

Топлопроводимост

Този механизъм може да играе значителна ролякогато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу.

Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но ясен отговор на въпроса кои от тях осигуряват стопроцентово възпроизвеждане на ефекта Мпемба, така и не е получен.

Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне.

В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват.

Засега може да се каже само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

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 на Mpemba effect", David Auerbach, в American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

„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.

Водата е една от най-удивителните течности в света, която има необичайни свойства. Например лед в твърдо състояниетечност, има специфично теглопо-ниска от самата вода, което направи много възможна появаи развитието на живота на Земята. В допълнение, в псевдо-научно, и научен святИма дискусии коя вода замръзва по-бързо - топла или студена. Всеки, който докаже по-бързо замръзване на гореща течност при определени условия и научно обоснове решението си, ще получи от британците кралско обществохимици, наградени с £1000.

Заден план

Фактът, че при редица условия топлата вода замръзва по-бързо от студената е забелязан още през Средновековието. Франсис Бейкън и Рене Декарт положиха много усилия, за да обяснят този феномен. Въпреки това, от гледна точка на класическата топлотехника, този парадокс не може да бъде обяснен и те се опитаха срамежливо да го премълчат. Импулсът за продължаване на дебата беше една малко любопитна история, която се случи с танзанийския ученик Ерасто Мпемба през 1963 г. Един ден, по време на урок по приготвяне на десерти в училище за готвачи, момчето, разсеяно от други неща, нямаше време да охлади сместа за сладолед навреме и постави горещ разтвор на захар в мляко във фризера. За негова изненада продуктът се охлади малко по-бързо от този на неговите състуденти, които спазваха температурния режим за приготвяне на сладолед.

Опитвайки се да разбере същността на явлението, момчето се обърна към учител по физика, който, без да навлиза в подробности, осмива кулинарните му експерименти. Ерасто обаче се отличаваше със завидна упоритост и продължи експериментите си не върху мляко, а върху вода. Той се убеди, че в някои случаи топлата вода замръзва по-бързо от студената.

След като влезе в университета в Дар ес Салаам, Ерасто Мпембе посети лекция на професор Денис Г. Осбърн. След завършването му студентът озадачи учения със задача за скоростта на замръзване на водата в зависимост от нейната температура. Д.Г. Озбърн се подиграва на самото поставяне на въпроса, заявявайки с апломб, че всеки беден ученик знае, че студената вода ще замръзне по-бързо. Но естествената упоритост на младия мъж се усети. Той се обзаложи с професора, като предложи да проведе експериментален тест точно тук, в лабораторията. Erasto постави два контейнера с вода във фризера, единият при 95°F (35°C), а другият при 212°F (100°C). Представете си изненадата на професора и околните „фенове“, когато водата във втория контейнер замръзна по-бързо. Оттогава това явление е наречено „Парадоксът на Мпемба“.

Към днешна дата обаче няма последователна теоретична хипотеза, обясняваща „парадокса на Мпемба“. Не е ясно кое външни фактори, химичен съставвода, наличието на разтворени газове и минерали в нея влияят върху скоростта на замръзване на течности при различни температури. Парадоксът на „Ефекта на Мпемба“ е, че той противоречи на един от законите, открити от И. Нютон, който гласи, че времето за охлаждане на водата е право пропорционално на температурната разлика между течността и околната среда. И ако всички други течности напълно се подчиняват на този закон, тогава водата в някои случаи е изключение.

Защо горещата вода замръзва по-бързо?T

Има няколко версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Основните са:

• горещата вода се изпарява по-бързо, докато нейният обем намалява, а по-малък обем течност се охлажда по-бързо - при охлаждане на вода от + 100 ° C до 0 ° C обемните загуби при атмосферно налягане достигат 15%;
• интензивност на топлообмен между течност и заобикаляща средатолкова по-високо е повече разликатемператури, следователно топлинни загубиврящата вода преминава по-бързо;
• когато горещата вода се охлади, на повърхността й се образува ледена кора, която предотвратява пълното замръзване и изпаряване на течността;
• при високи температури на водата се получава конвекционно смесване, което намалява времето за замръзване;
• Газовете, разтворени във вода, понижават точката на замръзване, отнемайки енергия за образуване на кристали - в горещата вода няма разтворени газове.

Всички тези условия са многократно тествани експериментално. По-специално, немският учен Дейвид Ауербах откри, че температурата на кристализация на горещата вода е малко по-висока от тази на студената вода, което позволява на първата да замръзне по-бързо. По-късно обаче опитите му са критикувани и много учени са убедени, че „Ефектът на Мпемба“, който определя коя вода замръзва по-бързо – гореща или студена, може да се възпроизведе само при определени условия, които никой досега не е търсил и уточнявал.

Пречистена чрез изпаряване, охлаждане и кондензация, течността има специални физични свойства. Препоръчва се за използване в отоплителна система, тъй като не съдържа соли и кислород. Това има положителен ефект върху дълготрайността на оборудването.

Но много хора се интересуват от въпроса: замръзва ли дестилираната вода при температури под 0˚ C?

Лесно е да проведете експеримент у дома и да получите отговор на този въпрос. Ще видим, че при 0˚ C то ще остане течно. Дори да сваляме температурата физическо състояниетя няма да се промени.

И така, при какви градуси замръзва водата?

Наблюдава се интересно свойство на дестилираната вода при отрицателни температури. Ако пуснете парче лед, сняг, въздух или прах в него, кристалите моментално ще се появят в целия обем.

Това се обяснява с факта, че чешмяната вода има много центрове на кристализация: соли, въздух вътре, повърхността на контейнера и т.н. Пречистените течности нямат такива центрове. Поради това може да стане значително хипотермичен.

Законите на физиката гласят, че колкото повече една течност е изчистена от примеси, толкова по-нисък е прагът за преминаване в твърдо състояние.

Дестилираната вода замръзва при -10˚ C и по-ниски. Това обяснява предимството му пред другите охлаждащи течности през отоплителния период. Благодарение на този имот, при отопление на стая може да се мери с антифриза.

В същото време има редица допълнителни придобивкипреди други охлаждащи течности:

1. екологична чистота;
2. безопасност за живота и здравето на хората;
3. внимателно боравене с тръби;
4. лекота на използване;
5. наличност.

Вече знаете, че дестилираната вода замръзва при температури под 10 градуса, така че можете да сте спокойни за вашата отоплителна система.

Надяваме се, че статията е била полезна за вас. Ще ви бъдем благодарни, ако го споделите в социалните мрежи.

Приятен ден!

Прочетете също:

Охлаждаща течност за отоплителната система - какво се използва днес?
Отопление на вода в частна къща - технология за нейното внедряване
Водна помпа за отопление: принцип на работа и монтаж