Hladna ili topla voda. Video: koja voda se brže smrzava - topla ili hladna

Hemija je bila jedan od mojih omiljenih predmeta u školi. Jednom nam je profesorica hemije dala vrlo čudan i težak zadatak. Dao nam je listu pitanja na koja smo morali odgovoriti u smislu hemije. Dobili smo nekoliko dana za ovaj zadatak i bilo nam je dozvoljeno da koristimo biblioteke i druge dostupne izvore informacija. Jedno od ovih pitanja odnosilo se na tačku smrzavanja vode. Ne sećam se tačno kako je zvučalo pitanje, ali radilo se o tome da ako uzmete dve drvene kante iste veličine, jednu sa toplom, drugu sa hladnom vodom (na tačno navedenoj temperaturi), i stavite ih u okruženju sa određenom temperaturom, koja će se brže smrznuti? Naravno, odmah se nametnuo odgovor - kanta hladne vode, ali nama se činilo previše jednostavno. Ali to nije bilo dovoljno da damo potpun odgovor, morali smo to dokazati sa hemijske tačke gledišta. I pored svih mojih razmišljanja i istraživanja, nisam mogao izvući logičan zaključak. Na današnji dan sam čak odlučio da preskočim ovu lekciju, tako da nikada nisam pronašao rješenje ove zagonetke.

Godine su prolazile, a ja sam naučio mnogo svakodnevnih mitova o tački ključanja i tački smrzavanja vode, a jedan mit je rekao: "topla voda se brže smrzava". Pogledao sam mnoge web stranice, ali informacije su bile previše oprečne. A to su bila samo mišljenja, neutemeljena sa stanovišta nauke. I odlučio sam da sprovedem svoje iskustvo. Pošto nisam mogao da nađem drvene kante, koristio sam zamrzivač, šporet, malo vode i digitalni termometar. O rezultatima svog iskustva govoriću malo kasnije. Prvo, podijelit ću s vama neke zanimljive argumente o vodi:

Topla voda se smrzava brže od hladne vode. Većina stručnjaka kaže da će se hladna voda smrznuti brže od tople vode. Ali jedan smiješan fenomen (tzv. Memba efekat), iz nepoznatih razloga, dokazuje suprotno: topla voda se smrzava brže od hladne vode. Jedno od nekoliko objašnjenja je proces isparavanja: ako se vrlo topla voda stavi u hladno okruženje, tada će voda početi da isparava (preostala količina vode će se brže smrznuti). A prema zakonima hemije, ovo uopće nije mit, a najvjerovatnije je to ono što je učiteljica htjela čuti od nas.

Prokuvana voda se smrzava brže od vode iz slavine. Uprkos prethodnom objašnjenju, neki stručnjaci tvrde da bi prokuvana voda koja se ohladila na sobnu temperaturu trebala brže da se smrzne jer se kao rezultat ključanja smanjuje količina kiseonika.

Hladna voda ključa brže od tople vode. Ako se topla voda brže smrzava, hladna voda može brže ključati! To je u suprotnosti sa zdravim razumom i naučnici tvrde da to jednostavno ne može biti. Vruća voda iz slavine bi zapravo trebala ključati brže od hladne vode. Ali korištenjem tople vode za kuhanje ne štedite energiju. Možete koristiti manje plina ili struje, ali bojler će koristiti istu količinu energije koja je potrebna za zagrijavanje hladne vode. (Solarna energija je malo drugačija.) Kao rezultat zagrijavanja vode bojlerom, može doći do stvaranja taloga, pa će vodi trebati duže da se zagrije.

Ako u vodu dodate sol, brže će prokuvati. Sol povećava tačku ključanja (a samim tim i snižava tačku smrzavanja - zbog čega neke domaćice dodaju malo kamene soli u sladoled). Ali u ovom slučaju nas zanima još jedno pitanje: koliko dugo će voda ključati i može li se tačka ključanja u ovom slučaju popeti iznad 100 ° C). Uprkos tome što kuharice kažu, naučnici kažu da količina soli koju dodamo u kipuću vodu nije dovoljna da utiče na vrijeme ili temperaturu ključanja.

Ali evo šta sam dobio:

Hladna voda: Koristio sam tri staklene čaše od 100 ml pročišćene vode: jednu sobnu temperaturu (72°F/22°C), jednu toplu vodu (115°F/46°C) i jednu prokuvanu (212°F/100°C) C). Sve tri čaše sam stavila u zamrzivač na -18°C. A pošto sam znao da se voda neće odmah pretvoriti u led, odredio sam stepen smrzavanja „drvenim plovkom“. Kad štap, postavljen u sredinu čaše, više nije dodirivao podnožje, vjerovao sam da se voda smrzla. Provjeravao sam naočare svakih pet minuta. I kakvi su moji rezultati? Voda u prvoj čaši se smrzla nakon 50 minuta. Topla voda se smrzla nakon 80 minuta. Kuvano - nakon 95 minuta. Moji zaključci: S obzirom na uslove u zamrzivaču i vodu koju sam koristio, nisam uspeo da reproduciram Memba efekat.

Isprobao sam i ovaj eksperiment sa prethodno prokuvanom vodom ohlađenom na sobnu temperaturu. Smrznuo se za 60 minuta - i dalje mu je trebalo više vremena nego hladnoj vodi da se smrzne.

Prokuvana voda: Uzeo sam litar vode sobne temperature i zapalio. Prokuvala je za 6 minuta. Zatim sam ponovo ohladila na sobnu temperaturu i dodala u vruću. Na istoj vatri vrela je voda 4 sata i 30 minuta. Zaključak: očekivano, topla voda ključa mnogo brže.

Prokuvana voda (sa solju): na 1 litar vode dodala sam 2 velike kašike kuhinjske soli. Proključao je za 6 minuta i 33 sekunde, a kako je pokazao termometar dostigao je temperaturu od 102°C. Nesumnjivo, sol utiče na tačku ključanja, ali ne mnogo. Zaključak: sol u vodi ne utiče mnogo na temperaturu i vrijeme ključanja. Iskreno priznajem da je moju kuhinju teško nazvati laboratorijom, a možda su moji zaključci suprotni stvarnosti. Moj zamrzivač može neravnomjerno zamrznuti hranu. Moje staklene naočare mogu biti nepravilne itd. Ali šta god da se dogodi u laboratoriji, kada je u pitanju zamrzavanje ili ključanje vode u kuhinji, najvažniji je zdrav razum.

link sa zanimljivim činjenicama o vodi sve o vodi
kao što je predloženo na forumu forum.ixbt.com, ovaj efekat (efekat smrzavanja tople vode brže od hladne vode) se naziva "Aristotel-Mpemba efekat"

One. prokuvana voda (ohlađena) smrzava se brže od "sirova"

Koja se voda brže smrzava, topla ili hladna, utiče mnogo faktora, ali samo pitanje deluje malo čudno. Podrazumijeva se, a poznato je iz fizike, da toploj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu uporedive hladne vode da bi se pretvorila u led. Hladna voda može preskočiti ovu fazu i, shodno tome, pobjeđuje na vrijeme.

Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - na ulici u mrazu, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, naučno se ispostavilo da u svakom slučaju hladna voda jednostavno mora brže da se smrzne.

Tako je i nastavnik fizike, kojem se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba sa molbom da objasni zašto se hladna mješavina budućeg sladoleda smrzava duže od slične, ali vruće.

"Ovo nije svjetska fizika, već neka vrsta Mpemba fizike"

U to vrijeme se učitelj samo nasmijao na ovo, ali Deniss Osborne, profesor fizike, koji je svojevremeno išao u istu školu u kojoj je studirao Erasto, eksperimentalno je potvrdio postojanje takvog efekta, iako za to tada nije bilo objašnjenja. . Godine 1969. popularni naučni časopis objavio je zajednički članak dvojice muškaraca koji su opisali ovaj neobičan efekat.

Od tada, inače, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, ima svoje ime - efekat, ili paradoks, Mpemba.

Pitanje postoji već dugo vremena

Naravno, takva pojava se dešavala i ranije, a spominjala se iu radovima drugih naučnika. Ovo pitanje nije zanimalo samo školarca, već su o njemu svojevremeno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.

Evo samo pristupe rješavanju ovog paradoksa počeli su gledati tek krajem dvadesetog vijeka.

Uslovi za pojavu paradoksa

Kao i kod sladoleda, nije samo obična voda ta koja se smrzava tokom eksperimenta. Moraju postojati određeni uslovi da bi se počelo raspravljati koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća. Šta utiče na ovaj proces?

Sada, u 21. vijeku, izneseno je nekoliko opcija koje mogu objasniti ovaj paradoks. Koja voda se brže smrzava, topla ili hladna, može zavisiti od činjenice da ima veću stopu isparavanja od hladne vode. Tako se njegov volumen smanjuje, a smanjenjem volumena vrijeme smrzavanja postaje kraće nego ako uzmemo sličnu početnu zapreminu hladne vode.

Zamrzivač je odavno odmrznut

Koja se voda brže smrzava i zašto se to dešava, može uticati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču frižidera koji se koristi za eksperiment. Ako uzmete dvije posude identične zapremine, ali će jedna imati toplu vodu, a drugu hladnu vodu, posuda sa toplom vodom će otopiti snijeg ispod, čime će se poboljšati kontakt termičke razine sa zidom hladnjaka. Posuda za hladnu vodu to ne može. Ako u frižideru nema takve obloge sa snijegom, hladna voda bi se trebala brže smrzavati.

Vrh - dno

Takođe, pojava da se voda brže smrzava - topla ili hladna, objašnjava se na sljedeći način. Po određenim zakonima, hladna voda počinje da se smrzava iz gornjih slojeva, kada topla voda radi obrnuto - počinje da se smrzava odozdo prema gore. Ispostavilo se da hladna voda, sa hladnim slojem na vrhu sa već formiranim ledom na nekim mestima, pogoršava procese konvekcije i toplotnog zračenja, čime se objašnjava koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća. U prilogu je fotografija iz amaterskih eksperimenata, a ovdje je jasno vidljiva.

Toplota nestaje, težeći prema gore, i tamo se susreće sa vrlo hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplotno zračenje, pa proces hlađenja postaje težak. Topla voda apsolutno nema takve barijere na svom putu. Koja se brže smrzava - hladna ili vruća, od čega zavisi vjerojatni ishod, odgovor možete proširiti rekavši da svaka voda ima otopljene određene tvari.

Nečistoće u sastavu vode kao faktor koji utiče na ishod

Ako ne varate i koristite vodu istog sastava, gdje su koncentracije određenih tvari identične, onda bi hladna voda trebala brže smrzavati. Ali ako se dogodi situacija kada su rastvoreni hemijski elementi prisutni samo u toploj vodi, dok ih hladna voda ne poseduje, tada topla voda ima priliku da se zamrzne ranije. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju centre kristalizacije, a s malim brojem ovih centara otežana je transformacija vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i prehlađenje vode, u smislu da će na temperaturama ispod nule biti u tečnom stanju.

Ali sve ove verzije, očigledno, naučnicima nisu odgovarale do kraja, pa su nastavili da rade na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača iz Singapura rekao je da su riješili vjekovnu misteriju.

Grupa kineskih naučnika tvrdi da tajna ovog efekta leži u količini energije koja je uskladištena između molekula vode u njenim vezama, nazvanim vodonične veze.

Odgovor kineskih naučnika

Slijedit će daljnje informacije, za čije razumijevanje je potrebno poznavanje hemije kako bi se utvrdilo koja voda se brže smrzava - topla ili hladna. Kao što znate, sastoji se od dva atoma H (vodonika) i jednog O (kiseonika) atoma koji se drže zajedno kovalentnim vezama.

Ali atome vodika jedne molekule privlače i susjedni molekuli, njihova komponenta kisika. Ove veze se nazivaju vodoničnim vezama.

Istovremeno, vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekuli vode djeluju odbojno jedni na druge. Naučnici su primijetili da kada se voda zagrije, udaljenost između njenih molekula se povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispostavilo se da se, zauzimajući jednu udaljenost između molekula u hladnom stanju, može reći da se protežu i imaju veću zalihu energije. Upravo ta rezerva energije se oslobađa kada se molekuli vode počnu približavati jedni drugima, odnosno dolazi do hlađenja. Pokazalo se da se veća zaliha energije u toploj vodi, i njeno veće oslobađanje kada se ohladi na temperaturu ispod nule, dešava brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju zalihu te energije. Dakle, koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća? Na ulici i u laboratoriji bi se trebao dogoditi paradoks Mpemba, a topla voda bi se trebala brže pretvoriti u led.

Ali pitanje je i dalje otvoreno

Postoji samo teorijska potvrda ovog traga - sve je to napisano prekrasnim formulama i čini se uvjerljivim. Ali kada se eksperimentalni podaci, koja voda brže smrzava - topla ili hladna, budu stavljeni u praktičan smisao, i njihovi rezultati budu predstavljeni, onda će se pitanje o Mpemba paradoksa moći smatrati zatvorenim.

Britansko kraljevsko hemijsko društvo nudi nagradu od 1.000 funti svakome ko može naučno objasniti zašto se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.

“Savremena nauka još uvijek ne može odgovoriti na ovo naizgled jednostavno pitanje. Proizvođači sladoleda i barmeni koriste ovaj efekat u svom svakodnevnom radu, ali niko zapravo ne zna zašto radi. Ovaj problem je poznat milenijumima, a filozofi poput Aristotela i Descartesa razmišljali su o tome”, rekao je profesor David Philips, predsjednik Britanskog kraljevskog društva za hemiju, citirano u saopštenju Društva.

Kako je afrički kuvar pobedio britanskog profesora fizike

Ovo nije prvoaprilska šala, već surova fizička realnost. Današnja nauka, koja lako operiše galaksijama i crnim rupama, praveći divovske akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako elementarna voda "funkcioniše". Školski udžbenik nedvosmisleno kaže da je potrebno više vremena za hlađenje vrućeg tijela nego za hlađenje hladnog tijela. Ali za vodu, ovaj zakon se ne poštuje uvijek. Aristotel je skrenuo pažnju na ovaj paradoks u 4. veku pre nove ere. e. Evo šta je stari Grk napisao u knjizi „Meteorologica I“: „Činjenica da je voda prethodno zagrejana doprinosi njenom smrzavanju. Stoga su mnogi ljudi, kada žele brzo rashladiti toplu vodu, prvo je stavljaju na sunce ... ”U srednjem vijeku, Francis Bacon i Rene Descartes pokušali su objasniti ovaj fenomen. Avaj, u tome nisu uspjeli ni veliki filozofi ni brojni naučnici koji su razvili klasičnu termičku fiziku, pa je tako nezgodna činjenica dugo bila "zaboravljena".

I tek 1968. godine „sjetili su se“ zahvaljujući školarcu Erastu Mpembi iz Tanzanije, daleko od svake nauke. Dok je studirao u školi kuvanja, 1963. godine, 13-godišnji Mpembe je dobio zadatak da napravi sladoled. Po tehnologiji je bilo potrebno mlijeko prokuhati, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a zatim staviti u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio marljiv učenik i oklijevao je. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po svim pravilima.

Kada je Mpemba svoje otkriće podijelio s profesorom fizike, ismijao ga je pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već student na Univerzitetu Dar es Salaam, bio je na predavanju poznatog fizičara Denisa G. Osborna. Nakon predavanja, postavio je naučniku pitanje: „Ako uzmete dvije identične posude sa istom količinom vode, jednu na 35 °C (95 °F), a drugu na 100 °C (212 °F), i stavite u zamrzivaču, tada će se voda u vrućoj posudi brže smrznuti. Zašto?" Možete zamisliti reakciju britanskog profesora na pitanje mladića iz zaboravljene Tanzanije. Ismijavao je studenta. Međutim, Mpemba je bio spreman na takav odgovor i izazvao je naučnika da se kladi. Njihova svađa kulminirala je eksperimentalnim testom koji je pokazao da je Mpemba u pravu i da je Osborne poražen. Tako je student kuvar upisao svoje ime u istoriju nauke, i od sada se ovaj fenomen naziva "Mpemba efekat". Odbaciti ga, proglasiti ga kao da je "nepostojeće" ne radi. Fenomen postoji, i, kako je pesnik napisao, „ne u zub nogom“.

Jesu li za to krive čestice prašine i otopljene tvari?

Tokom godina, mnogi su pokušavali da razotkriju misteriju smrzavanja vode. Predložena je čitava gomila objašnjenja za ovaj fenomen: isparavanje, konvekcija, uticaj rastvorenih materija - ali nijedan od ovih faktora se ne može smatrati definitivnim. Jedan broj naučnika je čitav svoj život posvetio Mpemba efektu. James Brownridge, član Odsjeka za radijacionu sigurnost na Državnom univerzitetu u New Yorku, proučava paradoks u svoje slobodno vrijeme više od jedne decenije. Nakon sto je izvršio stotine eksperimenata, naučnik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da se na 0°C voda samo superhladi i počinje da se smrzava kada temperatura padne ispod. Tačka smrzavanja regulirana je nečistoćama u vodi - one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, a to su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju svoju karakterističnu temperaturu nukleacije, kada se oko centara kristalizacije formiraju kristali leda. Kada je nekoliko elemenata istovremeno prisutno u vodi, tačku smrzavanja određuje onaj s najvišom temperaturom nukleacije.

Za eksperiment, Brownridge je uzeo dva uzorka vode iste temperature i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek zamrzne prije drugog - vjerovatno zbog različite kombinacije nečistoća.

Brownridge tvrdi da se topla voda brže hladi zbog veće temperaturne razlike između vode i zamrzivača - to joj pomaže da dostigne svoju tačku smrzavanja prije nego što hladna voda dostigne svoju prirodnu tačku smrzavanja, koja je najmanje 5°C niža.

Međutim, Brownridgeovo rezonovanje otvara mnoga pitanja. Stoga oni koji na svoj način mogu objasniti efekat Mpemba imaju priliku da se takmiče za hiljadu funti sterlinga od Britanskog kraljevskog hemijskog društva.

Voda je jedna od najneverovatnijih tečnosti na svetu, koja ima neobična svojstva. Na primjer, led - čvrsto stanje tečnosti, ima specifičnu težinu nižu od same vode, što je na mnogo načina omogućilo nastanak i razvoj života na Zemlji. Osim toga, u skoro znanstvenom, pa i naučnom svijetu, vode se rasprave o tome koja voda brže smrzava - topla ili hladna. Ko dokaže brže zamrzavanje vruće tečnosti pod određenim uslovima i naučno potkrepi svoju odluku dobiće nagradu od 1.000 funti od Britanskog kraljevskog društva hemičara.

Pozadina

Činjenica da je po brojnim uslovima topla voda ispred hladne vode po stopi smrzavanja uočena je još u srednjem veku. Francis Bacon i René Descartes uložili su mnogo truda da objasne ovaj fenomen. Međutim, sa stanovišta klasične toplotne tehnike, ovaj paradoks se ne može objasniti i oni su pokušali da ga stidljivo zataškaju. Poticaj za nastavak spora bila je pomalo radoznala priča koja se dogodila tanzanijskom školarcu Erastu Mpembi (Erasto Mpemba) 1963. godine. Jednom, na času pravljenja poslastica u školi kuvanja, dječak, ometen drugim stvarima, nije stigao da na vrijeme ohladi smjesu sladoleda i stavi otopinu šećera u vruće mlijeko u zamrzivač. Na njegovo iznenađenje, proizvod se ohladio nešto brže od njegovih kolega koji su pratili temperaturni režim za pravljenje sladoleda.

Pokušavajući shvatiti suštinu fenomena, dječak se obratio profesoru fizike, koji je, ne ulazeći u detalje, ismijavao njegove kulinarske eksperimente. Međutim, Erasto se odlikovao zavidnom upornošću i nastavio svoje eksperimente više ne na mlijeku, već na vodi. Pobrinuo se da se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.

Ušavši na Univerzitet Dar es Salaam, Erasto Mpembe je prisustvovao predavanju profesora Dennisa G. Osbornea. Nakon diplomiranja, student je naučnika zbunio problemom brzine smrzavanja vode u zavisnosti od njene temperature. D.G. Ozborn je ismijao samo postavljanje pitanja, rekavši sa aplomom da svaki gubitnik zna da će se hladna voda brže smrznuti. Međutim, prirodna upornost mladića dala je do znanja. Opkladio se sa profesorom, nudeći mu da sprovede eksperimentalni test ovde, u laboratoriji. Erasto je stavio dvije posude s vodom u zamrzivač, jednu na 95°F (35°C), a drugu na 212°F (100°C). Kakvo je bilo iznenađenje profesora i okolnih "navijača" kada se voda u drugom kontejneru brže smrzla. Od tada se ovaj fenomen naziva "Paradoks Mpemba".

Međutim, do danas ne postoji koherentna teorijska hipoteza koja objašnjava "Paradoks Mpemba". Nije jasno koji spoljni faktori, hemijski sastav vode, prisustvo rastvorenih gasova i minerala u njoj, utiču na brzinu smrzavanja tečnosti na različitim temperaturama. Paradoks "Mpemba efekta" je u tome što je u suprotnosti sa jednim od zakona koje je otkrio I. Newton, a koji kaže da je vrijeme hlađenja vode direktno proporcionalno temperaturnoj razlici između tečnosti i okoline. A ako sve druge tekućine u potpunosti podliježu ovom zakonu, onda je voda u nekim slučajevima izuzetak.

Zašto se topla voda brže smrzava?t

Postoji nekoliko verzija zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Glavni su:

• topla voda brže isparava, dok se njen volumen smanjuje, a manji volumen tekućine se brže hladi - kada se voda ohladi od + 100 ° C do 0 ° C, gubici volumena pri atmosferskom pritisku dostižu 15%;
• intenzitet razmjene topline između tekućine i okoline je veći, što je veća temperaturna razlika, pa gubitak topline kipuće vode prolazi brže;
• kada se vruća voda ohladi, na njenoj površini se formira ledena kora, koja sprječava potpuno smrzavanje i isparavanje tekućine;
• pri visokoj temperaturi vode dolazi do njenog konvekcionog miješanja, smanjujući vrijeme smrzavanja;
• gasovi rastvoreni u vodi snižavaju tačku smrzavanja, uzimajući energiju za formiranje kristala - u vrućoj vodi nema rastvorenih gasova.

Svi ovi uslovi su podvrgnuti ponovljenoj eksperimentalnoj provjeri. Konkretno, njemački naučnik David Auerbach otkrio je da je temperatura kristalizacije tople vode nešto viša od one hladne vode, što omogućava brže zamrzavanje prve. Međutim, kasnije su njegovi eksperimenti bili kritikovani i mnogi naučnici su uvereni da se „efekat Mpembe“ o kojem se voda brže smrzava - topla ili hladna, može reproducirati samo pod određenim uslovima, koje do sada niko nije tražio i konkretizovao.

Pozdrav dragi ljubitelji zanimljivosti. Danas ćemo razgovarati o. Ali mislim da pitanje postavljeno u naslovu može izgledati jednostavno apsurdno – ali da li je uvijek potrebno potpuno vjerovati ozloglašenom „zdravom razumu“, a ne strogo postavljenom iskustvu testiranja. Hajde da pokušamo da shvatimo zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Istorijat

Da u pitanju smrzavanja hladne i tople vode “nije sve čisto” pominju Aristotelova djela, zatim su slične napomene napravili F. Bacon, R. Descartes i J. Black. U novijoj istoriji se za to vezuje naziv „Mpemba paradoks“ – po imenu školarca iz Tanganjike, Erasta Mpembe, koji je isto pitanje postavio gostujućem profesoru fizike.

Dječakovo pitanje nije proizašlo iz nule, već iz čisto ličnih zapažanja procesa hlađenja mješavine sladoleda u kuhinji. Naravno, prisutni drugovi iz razreda, zajedno sa učiteljicom, su se smijali Mpembi - međutim, nakon eksperimentalne provjere lično profesora D. Osbornea, iz njih je "isparila" želja da se rugaju Erastu. Štaviše, Mpemba je, zajedno sa profesorom, 1969. godine objavio detaljan opis ovog efekta u Obrazovanju fizike - i od tada je gornji naziv fiksiran u naučnoj literaturi.

Šta je suština fenomena?

Postavka eksperimenta je prilično jednostavna: pod istim uvjetima, testiraju se identične posude tankih stijenki, u kojima se nalaze striktno jednake količine vode, koje se razlikuju samo po temperaturi. Posude se stavljaju u frižider, nakon čega se u svakoj od njih bilježi vrijeme prije stvaranja leda. Paradoks je da se u posudi sa inicijalno toplijom tečnošću to dešava brže.

Kako savremena fizika ovo objašnjava?

Paradoks nema univerzalno objašnjenje, budući da se nekoliko paralelnih procesa odvija zajedno, čiji se doprinos može razlikovati od specifičnih početnih uslova - ali sa ujednačenim rezultatom:

• sposobnost tečnosti da se prehlađenje - u početku hladna voda je sklonija hipotermiji, tj. ostaje tečno kada je njegova temperatura već ispod tačke smrzavanja
• ubrzano hlađenje - para iz tople vode pretvara se u mikrokristale leda, koji, kada se vraćaju, ubrzavaju proces, radeći kao dodatni "vanjski izmjenjivač topline"
• izolacijski efekat - za razliku od tople vode, hladna voda se smrzava odozgo, što dovodi do smanjenja prijenosa topline konvekcijom i zračenjem

Postoji niz drugih objašnjenja (posljednji put je takmičenje za najbolju hipotezu nedavno, 2012. godine održalo Britansko kraljevsko društvo za hemiju) – ali još uvijek ne postoji jednoznačna teorija za sve slučajeve kombinacije ulaznih uslova...