Hladna voda se smrzla. Koja voda se brže smrzava: topla ili hladna? Od čega zavisi

U staroj dobroj formuli H 2 O, čini se da nema tajni. Ali u stvari, voda - izvor života i najpoznatija tečnost na svijetu - prepuna je mnogih misterija koje ponekad čak ni naučnici ne mogu riješiti.

Evo 5 najzanimljivijih činjenica o vodi:

1. Topla voda se smrzava brže od hladne vode

Uzmite dvije posude s vodom: u jednu sipajte toplu vodu, a u drugu hladnu i stavite u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne, iako je logično da je hladna voda prvo trebala da se pretvori u led: na kraju krajeva, topla voda mora prvo da se ohladi na nisku temperaturu, a zatim da se pretvori u led, dok hladna voda ne mora da se hladi. Zašto se ovo dešava?

Godine 1963., Erasto B. Mpemba, učenik srednje škole u Tanzaniji, dok je zamrzavao pripremljenu mješavinu sladoleda, primijetio je da se vruća mješavina brže stvrdnula u zamrzivaču od hladne. Kada je mladić podijelio svoje otkriće sa profesorom fizike, samo mu se nasmijao. Na sreću, učenik je bio uporan i uvjerio nastavnika da sprovede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima topla voda se zaista smrzava brže od hladne vode.

Sada se ovaj fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne zove Mpemba efekat. Istina, mnogo prije njega ovo jedinstveno svojstvo vode zabilježili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.

Naučnici ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u hipotermiji, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili učinkom ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.

Napomena od H.RU na temu "Topla voda se smrzava brže od hladne vode".

Budući da su problemi hlađenja bliži nama, stručnjacima za hlađenje, udubimo se malo dublje u suštinu ovog problema i damo dva mišljenja o prirodi tako misteriozne pojave.

1. Naučnik sa Univerziteta Washington ponudio je objašnjenje za misteriozni fenomen poznat još iz vremena Aristotela: zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Fenomen, nazvan Mpemba efekat, široko se koristi u praksi. Na primjer, stručnjaci savjetuju vozačima da zimi sipaju hladnu, a ne toplu vodu u rezervoar za pranje. Ali šta je u osnovi ovog fenomena, dugo je ostalo nepoznato.

Dr Jonathan Katz sa Univerziteta Washington istražio je ovaj fenomen i zaključio da u njemu važnu ulogu imaju tvari otopljene u vodi, koje se talože kada se zagrije, prenosi EurekAlert.

Pod otopljenim tvarima Dr. Katz podrazumijeva kalcijum i magnezijum bikarbonate koji se nalaze u tvrdoj vodi. Kada se voda zagrije, ove tvari se talože, stvarajući kamenac na zidovima kotla. Voda koja nikada nije zagrijana sadrži ove nečistoće. Kako se smrzava i stvaraju kristali leda, koncentracija nečistoća u vodi se povećava 50 puta. Ovo snižava tačku smrzavanja vode. „A sada se voda mora ohladiti da bi se smrzla“, objašnjava dr. Katz.

Postoji drugi razlog koji sprečava smrzavanje nezagrijane vode. Smanjenje tačke smrzavanja vode smanjuje temperaturnu razliku između čvrste i tečne faze. „Budući da brzina kojom voda gubi toplotu zavisi od ove temperaturne razlike, manja je verovatnoća da će se voda koja nije zagrejana ohladiti“, kaže dr. Katz.

Prema naučniku, njegova teorija se može testirati eksperimentalno, jer. Mpemba efekat postaje izraženiji za tvrđu vodu.

2. Kiseonik plus vodonik plus hladnoća stvara led. Na prvi pogled ova prozirna supstanca izgleda vrlo jednostavna. U stvari, led je prepun mnogih misterija. Led koji je stvorio Afrikanac Erasto Mpemba nije razmišljao o slavi. Dani su bili vrući. Želio je sladoled. Uzeo je kutiju soka i stavio je u zamrzivač. Učinio je to više puta i stoga je primijetio da se sok posebno brzo smrzava, ako ga prije toga držite na suncu - samo ga zagrijte! Ovo je čudno, mislio je tanzanijski školarac, koji je postupio suprotno svjetskoj mudrosti. Da li je moguće da se tečnost, da bi se brže pretvorila u led, mora prvo ... zagrijati? Mladić je bio toliko iznenađen da je svoje nagađanje podijelio s učiteljicom. On je ovaj kuriozitet prenio u štampi.

Ova priča se dogodila 1960-ih godina. Sada je "Mpemba efekat" dobro poznat naučnicima. Ali dugo je ovaj naizgled jednostavan fenomen ostao misterija. Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Tek 1996. godine fizičar David Auerbach je pronašao rješenje. Da bi odgovorio na ovo pitanje, provodio je eksperiment cijelu godinu: zagrijao je vodu u čaši i ponovo je ohladio. Pa šta je otkrio? Kada se zagrije, mjehurići zraka otopljeni u vodi isparavaju. Voda bez gasova se lakše smrzava na zidovima posude. „Naravno, i voda sa visokim sadržajem vazduha će se smrznuti“, kaže Auerbach, „ali ne na nula stepeni Celzijusa, već samo na minus četiri do šest stepeni“. Naravno, morat ćete čekati duže. Dakle, topla voda se smrzava prije hladne, to je naučna činjenica.

Teško da postoji supstanca koja bi se pojavila pred našim očima sa istom lakoćom kao led. Sastoji se samo od molekula vode - odnosno elementarnih molekula koji sadrže dva atoma vodika i jedan kisik. Međutim, led je možda najmisterioznija supstanca u svemiru. Naučnici do sada nisu uspeli da objasne neka od njegovih svojstava.

2. Supercooling i "flash" zamrzavanje

Svi znaju da se voda uvijek pretvara u led kada se ohladi na 0 °C... osim u nekim slučajevima! Takav slučaj je, na primjer, "superhlađenje", što je svojstvo vrlo čiste vode da ostane tečna čak i kada se ohladi ispod nule. Ovaj fenomen postaje moguć zbog činjenice da okolina ne sadrži centre kristalizacije ili jezgre koje bi mogle izazvati stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tečnom obliku, čak i kada se ohladi na temperature ispod nula stepeni Celzijusa. Proces kristalizacije mogu pokrenuti, na primjer, mjehurići plina, nečistoće (zagađenje), neravna površina posude. Bez njih, voda će ostati u tečnom stanju. Kada proces kristalizacije započne, možete gledati kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.

Pogledajte video (2 901 Kb, 60 c) Phila Medine (www.mrsciguy.com) i uvjerite se sami >>

Komentar. Pregrijana voda također ostaje tečna čak i kada se zagrije iznad tačke ključanja.

3. "Stakljena" voda

Brzo i bez oklijevanja navedite koliko različitih stanja ima voda?

Ako ste odgovorili na tri (čvrsto, tečno, gasovito), onda niste u pravu. Naučnici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tečnom obliku i 14 stanja leda.

Sjećate li se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, šta god da radite, na -38 °C, čak i najčistija super ohlađena voda odjednom se pretvara u led. Šta se dešava sa daljim smanjenjem

temperatura? Na -120 °C vodi se nešto čudno dešava: postaje superviskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama ispod -135 °C pretvara se u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrstu supstancu u kojoj nema kristalne strukture.

4. Kvantna svojstva vode

Na molekularnom nivou, voda je još nevjerovatnija. 1995. godine naučnici su sproveli eksperiment raspršenja neutrona dali su neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje vodonikovih protona nego što se očekivalo.

Ispostavilo se da se brzinom od jedne atosekunde (10 -18 sekundi) dešava neobičan kvantni efekat, a hemijska formula vode umesto uobičajene - H 2 O, postaje H 1,5 O!

5. Da li voda ima memoriju?

Homeopatija, alternativa konvencionalnoj medicini, tvrdi da razrijeđena otopina lijeka može djelovati ljekovito na organizam, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko velik da u otopini ne ostaje ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom koji se naziva "pamćenje vode", prema kojem voda na molekularnom nivou ima "pamćenje" supstancije jednom otopljene u njoj i zadržava svojstva otopine izvorne koncentracije nakon ne u njemu ostaje samo jedan molekul sastojka.

Međunarodni tim naučnika na čelu sa profesoricom Madeleine Ennis sa Queen's univerziteta u Belfastu, koja je kritikovala principe homeopatije, izveo je eksperiment 2002. godine da opovrgne ovaj koncept jednom za svagda. Rezultat je bio suprotan. Nakon čega su naučnici rekli da uspjeli su dokazati realnost efekta "pamćenja vode. Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom nezavisnih stručnjaka, nisu donijeli rezultate. Sporovi o postojanju fenomena "pamćenja vode" se nastavljaju.

Voda ima mnoga druga neobična svojstva koja nismo pokrili u ovom članku.

Književnost.

1. 5 zaista čudnih stvari o vodi / http://www.neatorama.com.
2. Misterija vode: stvorena je teorija Aristotel-Mpemba efekta / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Tajne nežive prirode. Najtajanstvenija supstanca u svemiru / http://www.bibliotekar.ru.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Koja voda se brže smrzava hladna ili topla?”- pokušajte da postavite pitanje svojim prijateljima, najvjerovatnije će većina njih odgovoriti da se hladna voda brže smrzava - i pogriješiti.

Zapravo, ako u zamrzivač istovremeno stavite dvije posude istog oblika i zapremine, od kojih će jedna sadržavati hladnu vodu, a druga vruća, tada će se topla voda brže smrzavati.

Takva izjava može izgledati apsurdna i nerazumna. Logično, topla voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a hladna bi se već tada trebala pretvoriti u led.

Pa zašto topla voda prestiže hladnu na svom putu do smrzavanja? Pokušajmo to shvatiti.

Istorija posmatranja i istraživanja

Ljudi su od davnina posmatrali paradoksalni efekat, ali niko mu nije pridavao veliki značaj. Tako su nedosljednosti u brzini smrzavanja hladne i tople vode u svojim bilješkama zabilježili Arestotel, kao i Rene Descartes i Francis Bacon. U svakodnevnom životu često se manifestirala neobična pojava.

Dugo vremena ovaj fenomen nije ni na koji način proučavan i nije izazivao veliko interesovanje naučnika.

Proučavanje neobičnog efekta počelo je 1963. godine, kada je radoznali student iz Tanzanije, Erasto Mpemba, primijetio da se vruće mlijeko za sladoled smrzava brže od hladnog mlijeka. U nadi da će dobiti objašnjenje o razlozima neobičnog efekta, mladić je pitao svog profesora fizike u školi. Međutim, učiteljica mu se samo nasmijala.

Kasnije je Mpemba ponovio eksperiment, ali u svom eksperimentu više nije koristio mlijeko, već vodu, a paradoksalan efekat se ponovo ponovio.

Šest godina kasnije, 1969., Mpemba je ovo pitanje postavio profesoru fizike Dennisu Osborneu, koji je došao u njegovu školu. Profesor je bio zainteresiran za promatranje mladića, kao rezultat toga, proveden je eksperiment koji je potvrdio prisustvo efekta, ali razlozi za ovu pojavu nisu utvrđeni.

Od tada se taj fenomen naziva Mpemba efekat.

Kroz historiju naučnih opservacija, postavljane su mnoge hipoteze o uzrocima ovog fenomena.

Tako bi 2012. godine Britansko kraljevsko hemijsko društvo objavilo takmičenje hipoteza za objašnjenje Mpemba efekta. Na konkursu su učestvovali naučnici iz cijelog svijeta, ukupno je prijavljeno 22.000 naučnih radova. Uprkos tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio paradoks Mpemba.

Najčešća je bila verzija po kojoj se topla voda brže smrzava, jer jednostavno brže isparava, njen volumen postaje manji, a kako se volumen smanjuje, brzina hlađenja se povećava. Najčešća verzija je na kraju opovrgnuta, budući da je proveden eksperiment u kojem je isključeno isparavanje, ali je učinak ipak potvrđen.

Drugi naučnici su vjerovali da je razlog za efekat Mpemba isparavanje plinova otopljenih u vodi. Po njihovom mišljenju, tokom procesa zagrevanja, gasovi rastvoreni u vodi isparavaju, zbog čega ona dobija veću gustinu od hladne vode. Kao što je poznato, povećanje gustine dovodi do promjene fizičkih svojstava vode (povećanje toplinske provodljivosti), a time i do povećanja brzine hlađenja.

Osim toga, iznesene su brojne hipoteze koje opisuju brzinu cirkulacije vode kao funkciju temperature. U mnogim studijama pokušano je da se utvrdi odnos između materijala posuda u kojima se nalazila tečnost. Mnoge teorije izgledale su vrlo uvjerljivo, ali nisu mogle biti znanstveno potvrđene zbog nedostatka početnih podataka, kontradikcija u drugim eksperimentima ili zbog činjenice da identificirani faktori jednostavno nisu bili uporedivi sa brzinom hlađenja vodom. Neki naučnici su u svojim radovima doveli u pitanje postojanje efekta.

2013. istraživači sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru tvrdili su da su riješili misteriju Mpemba efekta. Prema njihovoj studiji, razlog za ovaj fenomen leži u činjenici da se količina energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula hladne i tople vode značajno razlikuje.

Metode kompjuterske simulacije pokazale su sljedeće rezultate: što je temperatura vode viša, to je rastojanje između molekula veće zbog činjenice da se sile odbijanja povećavaju. Posljedično, vodonične veze molekula se rastežu, čuvajući više energije. Kada se ohlade, molekuli počinju da se približavaju jedni drugima, oslobađajući energiju iz vodoničnih veza. U ovom slučaju, oslobađanje energije je praćeno smanjenjem temperature.

U oktobru 2017. španski fizičari su, u toku jedne druge studije, otkrili da je uklanjanje materije iz ravnoteže (snažno zagrijavanje prije jakog hlađenja) ono što igra veliku ulogu u formiranju efekta. Odredili su uslove pod kojima je verovatnoća efekta maksimalna. Osim toga, naučnici iz Španije su potvrdili postojanje obrnutog Mpemba efekta. Otkrili su da kada se zagrije, hladniji uzorak može postići visoku temperaturu brže od toplog.

Uprkos iscrpnim informacijama i brojnim eksperimentima, naučnici nameravaju da nastave sa proučavanjem efekta.

Mpemba efekat u stvarnom životu

Da li ste se ikada zapitali zašto se zimi klizalište puni toplom, a ne hladnom vodom? Kao što ste već shvatili, to rade jer će se klizalište napunjeno toplom vodom smrznuti brže nego da je napunjeno hladnom vodom. Iz istog razloga se tobogani u zimskim ledenim gradovima prelijevaju toplom vodom.

Dakle, saznanje o postojanju fenomena omogućava ljudima da uštede vrijeme prilikom pripreme terena za zimske sportove.

Osim toga, Mpemba efekat se ponekad koristi u industriji - za smanjenje vremena smrzavanja proizvoda, tvari i materijala koji sadrže vodu.

U ovom članku ćemo pogledati zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Zagrijana voda smrzava se mnogo brže od hladne vode! Ovo neverovatno svojstvo vode, tačno objašnjenje za koje naučnici još uvek ne mogu da pronađu, poznato je od davnina. Na primjer, čak i kod Aristotela postoji opis zimskog ribolova: ribari su u rupe u ledu ubacivali štapove za pecanje, a kako bi se brže smrznuli, na led su izlivali toplu vodu. Naziv ovog fenomena dobio je po Erastu Mpembi 60-ih godina XX veka. Mnemba je primijetio čudan efekat dok je pravio sladoled i obratio se svom nastavniku fizike, dr. Denisu Osborneu, za objašnjenje. Mpemba i dr. Osborne eksperimentirali su s vodom na različitim temperaturama i zaključili da gotovo kipuća voda počinje da se smrzava mnogo brže od vode na sobnoj temperaturi. Drugi naučnici su izvodili sopstvene eksperimente i svaki put su dobijali slične rezultate.

Objašnjenje fizičkog fenomena

Ne postoji opšteprihvaćeno objašnjenje zašto se to dešava. Mnogi istraživači sugeriraju da se radi o prehlađenju tekućine, koje se događa kada njena temperatura padne ispod nule. Drugim riječima, ako se voda smrzne na temperaturi ispod 0°C, onda prehlađena voda može imati temperaturu, na primjer, -2°C i dalje ostati tečna, a da se ne pretvori u led. Kada pokušamo da zamrznemo hladnu vodu, postoji šansa da će se u početku prehlađena, a tek nakon nekog vremena stvrdnuti. U zagrijanoj vodi se odvijaju drugi procesi. Njegova brža transformacija u led povezana je s konvekcijom.

Konvekcija- Ovo je fizička pojava u kojoj se topli donji slojevi tečnosti dižu, a gornji, ohlađeni, spuštaju.

Mpemba efekat ili zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode? Efekat Mpemba (Mpemba Paradox) je paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu. Ovu pojavu su u to vrijeme primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne. Erasto Mpemba je bio učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuhanjem. Morao je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. 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 zadatoj tehnologiji. Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C, i stavite ih u zamrzivač, onda će se u drugoj voda smrznuti brže, zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo 1969. godine, zajedno sa Mpembom, objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu „Physics Education“. Od tada, efekat koji su otkrili naziva se Mpemba efekat. Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je više puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C. Međutim, to još ne znači paradoks, budući da se efekat Mpemba može objasniti i u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba: isparavanje Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manja količina vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C. Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare. Temperaturna razlika Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog vazduha veća – pa je izmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi. Pothlađivanje Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od -20 C. Razlog za ovaj efekat je taj što su za stvaranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led. Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh. Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda. Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta. Konvekcija Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplotnog zračenja i konvekcije, a samim tim i gubitak toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo. Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , dalje hlađenje će biti sporije. U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, pretpostavilo bi se da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosečna temperatura vode padne ispod 4 C. Međutim, nema eksperimentalnih podataka. što bi potvrdilo ovu hipotezu, da su slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom. Gasovi rastvoreni u vodi Voda uvek sadrži gasove rastvorene u vodi - kiseonik i ugljen-dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi niža. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu. Toplotna provodljivost Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u frižider sa zamrzivačem u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava termički kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se brže uklanja iz posude za toplu vodu nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod sebe. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih pružaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven. Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje. Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići veće superhlađenje zbog manjeg broja centara kristalizacije. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj. Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta u suštini zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek. O. V. Mosin

Mpemba efekat(Mpembin paradoks) je paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.

Ovu pojavu su u to vrijeme primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.

Erasto Mpemba je bio učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuhanjem. Morao je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. 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 zadatoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C, i stavite ih u zamrzivač, onda će se u drugoj voda smrznuti brže, zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo 1969. godine, zajedno sa Mpembom, objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu „Physics Education“. Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.

Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.

Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je više puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.

Međutim, to još ne znači paradoks, budući da se efekat Mpemba može objasniti i u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:

Isparavanje

Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode iste temperature brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.

Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.

temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.

hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na -20 C.

Razlog za ovaj efekat je taj što su za početak formiranja prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led.

Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.

Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.

Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.

Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.

Konvekcija

Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.

Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , dalje hlađenje će biti sporije.

U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.

Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.

Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom.

gasovi rastvoreni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi niža. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.

Toplotna provodljivost

Ovaj mehanizam može odigrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u frižider sa zamrzivačem u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava termički kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se brže uklanja iz posude za toplu vodu nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod sebe.

Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih pružaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.

Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići veće superhlađenje zbog manjeg broja centara kristalizacije. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.

Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta u suštini zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.