Ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο. Το φαινόμενο Mpemba ή γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο νερό

Καθαρισμένο με εξάτμιση, ψύξη και συμπύκνωση, το υγρό έχει ειδικές φυσικές ιδιότητες. Συνιστάται η χρήση του στο σύστημα θέρμανσης, καθώς δεν υπάρχουν άλατα, καθώς και οξυγόνο. Αυτό έχει θετική επίδραση στη διάρκεια της λειτουργίας του εξοπλισμού.

Αλλά πολλοί ενδιαφέρονται για το ερώτημα, παγώνει το απεσταγμένο νερό σε θερμοκρασίες κάτω από 0˚ C;

Είναι εύκολο να πραγματοποιήσετε ένα πείραμα στο σπίτι και να λάβετε μια απάντηση σε αυτήν την ερώτηση. Θα δούμε ότι στους 0˚ C θα παραμείνει υγρό. Ακόμα κι αν χαμηλώσουμε τη θερμοκρασία, η φυσική του κατάσταση δεν θα αλλάξει.

Σε ποια θερμοκρασία λοιπόν παγώνει το νερό;

Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα του απεσταγμένου νερού παρατηρείται σε αρνητική θερμοκρασία. Εάν χαμηλώσετε ένα κομμάτι πάγου, χιονιού, αέρα ή σκόνης μέσα σε αυτό, κρύσταλλοι θα εμφανιστούν αμέσως σε όλη την ένταση.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό της βρύσης έχει πολλά κέντρα κρυστάλλωσης: άλατα, αέρας στο εσωτερικό, την επιφάνεια του δοχείου κ.λπ. Τα καθαρισμένα υγρά δεν έχουν τέτοια κέντρα. Λόγω αυτού, μπορεί να υπερψυχθεί σημαντικά.

Οι νόμοι της φυσικής δηλώνουν ότι όσο περισσότερο καθαρίζεται ένα υγρό από ακαθαρσίες, τόσο χαμηλότερο είναι το όριο για τη μετάβαση σε στερεή κατάσταση.

Το απεσταγμένο νερό παγώνει στους -10˚C και κάτω. Αυτό εξηγεί το πλεονέκτημά του έναντι άλλων ψυκτικών κατά την περίοδο θέρμανσης. Λόγω αυτής της ιδιότητας, κατά τη θέρμανση ενός δωματίου, μπορεί να ανταγωνιστεί το αντιψυκτικό.

Ταυτόχρονα, υπάρχουν ορισμένα πρόσθετα πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλα ψυκτικά:

οικολογική καθαριότητα?
ασφάλεια για την ανθρώπινη ζωή και υγεία·
προσεκτική στάση στους σωλήνες.
ευκολία στη χρήση;
διαθεσιμότητα.

Τώρα ξέρετε ότι το απεσταγμένο νερό παγώνει σε θερμοκρασίες κάτω των 10 βαθμών, οπότε μπορείτε να είστε ήρεμοι για το σύστημα θέρμανσης σας.

Ελπίζουμε ότι το άρθρο ήταν χρήσιμο για εσάς. Θα είμαστε ευγνώμονες αν το μοιραστείτε στα κοινωνικά δίκτυα.

Να εχεις μια ωραια μερα!

Διαβάστε επίσης:

Φορέας θερμότητας για το σύστημα θέρμανσης - τι χρησιμοποιείται σήμερα;
Θέρμανση νερού σε ιδιωτική κατοικία - η τεχνολογία για την εφαρμογή της
Αντλία νερού για θέρμανση: αρχή λειτουργίας και εγκατάστασης

Γεια σας, αγαπητοί λάτρεις των ενδιαφερόντων γεγονότων. Σήμερα θα μιλήσουμε για. Αλλά νομίζω ότι το ερώτημα που τίθεται στον τίτλο μπορεί να φαίνεται απλώς παράλογο - αλλά είναι πάντα απαραίτητο να εμπιστευόμαστε πλήρως την περιβόητη "κοινή λογική" και όχι αυστηρά καθορισμένη εμπειρία δοκιμών. Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο;

Ιστορική αναφορά

Ότι στο θέμα του παγώματος κρύου και ζεστού νερού «δεν είναι όλα αγνά» αναφέρθηκε στα έργα του Αριστοτέλη, τότε ανάλογες σημειώσεις έκαναν οι F. Bacon, R. Descartes και J. Black. Στην πρόσφατη ιστορία, το όνομα "Mpemba paradox" έχει συνδεθεί με αυτό το αποτέλεσμα - μετά το όνομα ενός μαθητή από την Τανγκανίκα, του Erasto Mpemba, ο οποίος έκανε την ίδια ερώτηση σε έναν επισκέπτη καθηγητή φυσικής.

Η ερώτηση του αγοριού δεν προέκυψε από το μηδέν, αλλά από καθαρά προσωπικές παρατηρήσεις της διαδικασίας ψύξης μειγμάτων παγωτού στην κουζίνα. Φυσικά, οι συμμαθητές που ήταν παρόντες εκεί, μαζί με τη δασκάλα του σχολείου, γέλασαν με τον Mpemba - ωστόσο, μετά από πειραματικό έλεγχο προσωπικά του καθηγητή D. Osborne, τους «εξατμίστηκε» η επιθυμία να κοροϊδέψουν τον Erasto. Επιπλέον, ο Mpemba, μαζί με τον καθηγητή, δημοσίευσαν μια λεπτομερή περιγραφή αυτής της επίδρασης το 1969 στο Physics Education - και έκτοτε το παραπάνω όνομα έχει σταθεροποιηθεί στην επιστημονική βιβλιογραφία.

Ποια είναι η ουσία του φαινομένου;

Η ρύθμιση του πειράματος είναι αρκετά απλή: όντας άλλα πράγματα ίσα, δοκιμάζονται πανομοιότυπα δοχεία με λεπτό τοίχωμα, στα οποία υπάρχουν αυστηρά ίσες ποσότητες νερού, που διαφέρουν μόνο στη θερμοκρασία. Τα δοχεία φορτώνονται στο ψυγείο και μετά καταγράφεται ο χρόνος πριν από το σχηματισμό πάγου σε καθένα από αυτά. Το παράδοξο είναι ότι σε ένα δοχείο με ένα αρχικά πιο ζεστό υγρό, αυτό συμβαίνει πιο γρήγορα.

Πώς το εξηγεί αυτό η σύγχρονη φυσική;

Το παράδοξο δεν έχει καθολική εξήγηση, αφού πολλές παράλληλες διαδικασίες προχωρούν μαζί, η συμβολή των οποίων μπορεί να διαφέρει από συγκεκριμένες αρχικές συνθήκες - αλλά με ένα ομοιόμορφο αποτέλεσμα:

η ικανότητα ενός υγρού να υπερψύχεται - αρχικά το κρύο νερό είναι πιο επιρρεπές σε υποθερμία, δηλ. παραμένει υγρό όταν η θερμοκρασία του είναι ήδη κάτω από το σημείο πήξης
επιταχυνόμενη ψύξη - ο ατμός από ζεστό νερό μετατρέπεται σε μικροκρυστάλλους πάγου, οι οποίοι, όταν πέφτουν πίσω, επιταχύνουν τη διαδικασία, λειτουργώντας ως πρόσθετος "εξωτερικός εναλλάκτης θερμότητας"
αποτέλεσμα απομόνωσης - σε αντίθεση με το ζεστό νερό, το κρύο νερό παγώνει από πάνω, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της μεταφοράς θερμότητας από τη μεταφορά και την ακτινοβολία

Υπάρχουν πολλές άλλες εξηγήσεις (την τελευταία φορά που ο διαγωνισμός για την καλύτερη υπόθεση πραγματοποιήθηκε από τη Βρετανική Βασιλική Εταιρεία Χημείας πρόσφατα, το 2012) - αλλά δεν υπάρχει ακόμα σαφής θεωρία για όλες τις περιπτώσεις συνδυασμών συνθηκών εισόδου ...

Το ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα, ζεστό ή κρύο, επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, αλλά η ίδια η ερώτηση φαίνεται λίγο περίεργη. Είναι κατανοητό, και είναι γνωστό από τη φυσική, ότι το ζεστό νερό χρειάζεται ακόμα χρόνο για να κρυώσει στη θερμοκρασία του συγκρίσιμου κρύου νερού για να μετατραπεί σε πάγο. αυτό το στάδιο μπορεί να παραλειφθεί και, κατά συνέπεια, κερδίζει εγκαίρως.

Αλλά την απάντηση στο ερώτημα ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό - στο δρόμο στον παγετό, γνωρίζει οποιοσδήποτε κάτοικος των βόρειων γεωγραφικών πλάτη. Στην πραγματικότητα, επιστημονικά, αποδεικνύεται ότι σε κάθε περίπτωση, το κρύο νερό πρέπει απλά να παγώσει πιο γρήγορα.

Το ίδιο έκανε και ο καθηγητής φυσικής, τον οποίο πλησίασε ο μαθητής Erasto Mpemba το 1963 με αίτημα να εξηγήσει γιατί το κρύο μείγμα μελλοντικού παγωτού παγώνει περισσότερο από ένα παρόμοιο, αλλά ζεστό.

"Αυτό δεν είναι παγκόσμια φυσική, αλλά κάποιο είδος φυσικής Mpemba"

Εκείνη την εποχή, ο δάσκαλος γέλασε μόνο με αυτό, αλλά ο Deniss Osborne, καθηγητής φυσικής, ο οποίος κάποτε πήγαινε στο ίδιο σχολείο όπου σπούδαζε ο Erasto, επιβεβαίωσε πειραματικά την ύπαρξη ενός τέτοιου φαινομένου, αν και δεν υπήρχε καμία εξήγηση για αυτό τότε . Το 1969 ένα δημοφιλές επιστημονικό περιοδικό δημοσίευσε ένα κοινό άρθρο των δύο ανδρών που περιέγραψαν αυτό το περίεργο αποτέλεσμα.

Από τότε, παρεμπιπτόντως, το ερώτημα ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο, έχει το δικό του όνομα - το αποτέλεσμα, ή παράδοξο, Mpemba.

Το ερώτημα υπάρχει εδώ και πολύ καιρό

Όπως είναι φυσικό, ένα τέτοιο φαινόμενο έχει συμβεί στο παρελθόν, και αναφέρθηκε σε εργασίες άλλων επιστημόνων. Όχι μόνο ο μαθητής ενδιαφέρθηκε για αυτή την ερώτηση, αλλά και ο Ρενέ Ντεκάρτ και ακόμη και ο Αριστοτέλης το σκέφτηκαν κάποτε.

Εδώ είναι μόνο προσεγγίσεις για την επίλυση αυτού του παραδόξου άρχισε να φαίνεται μόνο στο τέλος του εικοστού αιώνα.

Προϋποθέσεις για να συμβεί ένα παράδοξο

Όπως και με το παγωτό, δεν είναι μόνο το συνηθισμένο νερό που παγώνει κατά τη διάρκεια του πειράματος. Πρέπει να υπάρχουν ορισμένες συνθήκες για να αρχίσετε να διαφωνείτε ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό. Τι επηρεάζει αυτή τη διαδικασία;

Τώρα, στον 21ο αιώνα, έχουν προταθεί αρκετές επιλογές που μπορούν να εξηγήσουν αυτό το παράδοξο. Ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα, ζεστό ή κρύο, μπορεί να εξαρτάται από το γεγονός ότι έχει υψηλότερο ρυθμό εξάτμισης από το κρύο νερό. Έτσι, ο όγκος του μειώνεται και με τη μείωση του όγκου, ο χρόνος κατάψυξης γίνεται μικρότερος από ό,τι αν πάρουμε έναν παρόμοιο αρχικό όγκο κρύου νερού.

Ο καταψύκτης έχει αποψυχθεί εδώ και καιρό

Ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα και γιατί το κάνει αυτό, μπορεί να επηρεαστεί από την επένδυση χιονιού που μπορεί να υπάρχει στον καταψύκτη του ψυγείου που χρησιμοποιήθηκε για το πείραμα. Εάν πάρετε δύο δοχεία που έχουν τον ίδιο όγκο, αλλά το ένα από αυτά θα έχει ζεστό νερό και το άλλο κρύο νερό, το δοχείο με ζεστό νερό θα λιώσει το χιόνι από κάτω, βελτιώνοντας έτσι την επαφή της θερμικής στάθμης με τον τοίχο του ψυγείου. Ένα δοχείο κρύου νερού δεν μπορεί να το κάνει αυτό. Εάν δεν υπάρχει τέτοια επένδυση με χιόνι στο ψυγείο, το κρύο νερό θα πρέπει να παγώσει πιο γρήγορα.

Πάνω – κάτω

Επίσης, το φαινόμενο του οποίου το νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο, εξηγείται ως εξής. Ακολουθώντας ορισμένους νόμους, το κρύο νερό αρχίζει να παγώνει από τα ανώτερα στρώματα, όταν το ζεστό νερό το κάνει αντίστροφα - αρχίζει να παγώνει από κάτω προς τα πάνω. Αποδεικνύεται ότι το κρύο νερό, έχοντας ένα κρύο στρώμα στην κορυφή με πάγο που έχει ήδη σχηματιστεί σε ορισμένα σημεία, επιδεινώνει έτσι τις διαδικασίες μεταφοράς και θερμικής ακτινοβολίας, εξηγώντας έτσι ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό. Επισυνάπτεται μια φωτογραφία από ερασιτεχνικά πειράματα και εδώ φαίνεται καθαρά.

Η ζέστη σβήνει, τείνει προς τα πάνω, και εκεί συναντά ένα πολύ δροσερό στρώμα. Δεν υπάρχει ελεύθερη διαδρομή για την ακτινοβολία θερμότητας, επομένως η διαδικασία ψύξης γίνεται δύσκολη. Το ζεστό νερό δεν έχει κανένα απολύτως τέτοιο εμπόδιο στο πέρασμά του. Ποιο παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό, από το οποίο εξαρτάται το πιθανό αποτέλεσμα, μπορείτε να επεκτείνετε την απάντηση λέγοντας ότι οποιοδήποτε νερό έχει ορισμένες ουσίες διαλυμένες σε αυτό.

Οι ακαθαρσίες στη σύνθεση του νερού ως παράγοντας που επηρεάζει το αποτέλεσμα

Εάν δεν εξαπατήσετε και χρησιμοποιήσετε νερό με την ίδια σύνθεση, όπου οι συγκεντρώσεις ορισμένων ουσιών είναι ίδιες, τότε το κρύο νερό θα πρέπει να παγώσει πιο γρήγορα. Αλλά εάν συμβεί μια κατάσταση όταν διαλυμένα χημικά στοιχεία υπάρχουν μόνο στο ζεστό νερό, ενώ το κρύο νερό δεν τα διαθέτει, τότε το ζεστό νερό έχει την ευκαιρία να παγώσει νωρίτερα. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι διαλυμένες ουσίες στο νερό δημιουργούν κέντρα κρυστάλλωσης και με έναν μικρό αριθμό από αυτά τα κέντρα, η μετατροπή του νερού σε στερεή κατάσταση είναι δύσκολη. Ακόμη και η υπερψύξη του νερού είναι δυνατή, με την έννοια ότι σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν θα είναι σε υγρή κατάσταση.

Αλλά όλες αυτές οι εκδόσεις, προφανώς, δεν ταίριαζαν στους επιστήμονες μέχρι το τέλος και συνέχισαν να εργάζονται για αυτό το θέμα. Το 2013, μια ομάδα ερευνητών στη Σιγκαπούρη είπε ότι είχε λύσει το πανάρχαιο μυστήριο.

Μια ομάδα Κινέζων επιστημόνων υποστηρίζει ότι το μυστικό αυτού του αποτελέσματος βρίσκεται στην ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται μεταξύ των μορίων του νερού στους δεσμούς του, που ονομάζονται δεσμοί υδρογόνου.

Η απάντηση από Κινέζους επιστήμονες

Θα ακολουθήσουν περαιτέρω πληροφορίες, για την κατανόηση των οποίων είναι απαραίτητο να έχουμε κάποιες γνώσεις στη χημεία για να καταλάβουμε ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο. Όπως γνωρίζετε, αποτελείται από δύο άτομα Η (υδρογόνου) και ένα άτομο Ο (οξυγόνο) που συγκρατούνται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς.

Αλλά τα άτομα υδρογόνου ενός μορίου έλκονται επίσης από γειτονικά μόρια, από το συστατικό οξυγόνου τους. Αυτοί οι δεσμοί ονομάζονται δεσμοί υδρογόνου.

Ταυτόχρονα, αξίζει να θυμόμαστε ότι την ίδια στιγμή, τα μόρια του νερού δρουν απωθητικά μεταξύ τους. Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι όταν το νερό θερμαίνεται, η απόσταση μεταξύ των μορίων του αυξάνεται και αυτό διευκολύνεται από απωθητικές δυνάμεις. Αποδεικνύεται ότι καταλαμβάνοντας μία απόσταση μεταξύ των μορίων σε ψυχρή κατάσταση, μπορούμε να πούμε ότι τεντώνονται και έχουν μεγαλύτερη παροχή ενέργειας. Είναι αυτό το ενεργειακό απόθεμα που απελευθερώνεται όταν τα μόρια του νερού αρχίζουν να πλησιάζουν το ένα το άλλο, δηλαδή συμβαίνει ψύξη. Αποδεικνύεται ότι μια μεγαλύτερη παροχή ενέργειας στο ζεστό νερό και η μεγαλύτερη απελευθέρωσή του όταν ψύχεται σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν, συμβαίνει πιο γρήγορα από ότι στο κρύο νερό, το οποίο έχει μικρότερη παροχή τέτοιας ενέργειας. Ποιο νερό λοιπόν παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό; Στο δρόμο και στο εργαστήριο, το παράδοξο Mpemba θα πρέπει να συμβεί και το ζεστό νερό θα πρέπει να μετατραπεί σε πάγο πιο γρήγορα.

Όμως το ερώτημα παραμένει ανοιχτό

Υπάρχει μόνο θεωρητική επιβεβαίωση αυτής της ένδειξης - όλα αυτά είναι γραμμένα με όμορφους τύπους και φαίνονται εύλογα. Αλλά όταν τα πειραματικά δεδομένα, τα οποία το νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο, θα τεθούν σε πρακτική έννοια και θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματά τους, τότε θα είναι δυνατό να θεωρηθεί το ζήτημα του παραδόξου Mpemba κλειστό.

"Έχουμε ήδη συναντήσει μερικές ενδιαφέρουσες ιδιότητες του νερού που μας επιτρέπουν να ζούμε συγκεκριμένα, και των έμβιων όντων γενικότερα. Ας συνεχίσουμε το θέμα και ας φέρουμε στην προσοχή σας μια ακόμη ενδιαφέρουσα ιδιότητα (αν και δεν είναι σαφές αν είναι αληθινή ή φανταστική).

Ενδιαφέρον για το νερό - το φαινόμενο Mpemba: ξέρατε ότι υπάρχουν φήμες στο Διαδίκτυο ότι το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο; Μπορεί να μην το γνωρίζετε, αλλά αυτές οι φήμες κυκλοφορούν. Και πολύ επίμονος. Για τι μιλάμε λοιπόν - ένα πειραματικό λάθος ή μια νέα, ενδιαφέρουσα ιδιότητα του νερού που δεν έχει ακόμη μελετηθεί;

Ας το καταλάβουμε. Ο μύθος, που επαναλαμβάνεται από τοποθεσία σε τοποθεσία, είναι ο εξής: ας πάρουμε δύο δοχεία με νερό: ρίξτε ζεστό νερό στο ένα και κρύο νερό στο άλλο και τοποθετήστε τα στην κατάψυξη. Το ζεστό νερό θα παγώσει πιο γρήγορα από το κρύο. Γιατί συμβαίνει αυτό?

Το 1963, ένας φοιτητής από την Τανζανία ονόματι Erasto B. Mpemba, ενώ καταψύχθηκε ένα έτοιμο μείγμα παγωτού, παρατήρησε ότι το ζεστό μείγμα στερεοποιήθηκε πιο γρήγορα στην κατάψυξη από ό,τι στην κρύα. Όταν ο νεαρός μοιράστηκε την ανακάλυψή του με έναν καθηγητή φυσικής, μόνο γέλασε μαζί του. Ευτυχώς, ο μαθητής ήταν επίμονος και έπεισε τον δάσκαλο να πραγματοποιήσει ένα πείραμα, το οποίο επιβεβαίωσε την ανακάλυψή του: υπό ορισμένες συνθήκες, το ζεστό νερό πραγματικά παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο.

Η δεύτερη εκδοχή του θρύλου - ο Mpemba στράφηκε στον μεγάλο επιστήμονα, ο οποίος, ευτυχώς, ήταν κοντά στο αφρικανικό σχολείο Mpemba. Και ο επιστήμονας πίστεψε το αγόρι και έλεγξε ξανά τι ήταν τι. Λοιπόν, πάμε... Τώρα αυτό το φαινόμενο του ζεστού νερού που παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο ονομάζεται «φαινόμενο Mpemba». Είναι αλήθεια ότι πολύ πριν από αυτόν, αυτή η μοναδική ιδιότητα του νερού σημειώθηκε από τον Αριστοτέλη, τον Φράνσις Μπέικον και τον Ρενέ Ντεκάρτ.

Οι επιστήμονες δεν κατανοούν πλήρως τη φύση αυτού του φαινομένου, εξηγώντας το είτε από τη διαφορά στην υποθερμία, την εξάτμιση, το σχηματισμό πάγου, τη μεταφορά ή την επίδραση των υγροποιημένων αερίων στο ζεστό και κρύο νερό.

Έτσι, έχουμε το φαινόμενο Mpemba (Mpemba Paradox) - ένα παράδοξο που λέει ότι το ζεστό νερό (υπό ορισμένες συνθήκες) μπορεί να παγώσει πιο γρήγορα από το κρύο νερό. Αν και ταυτόχρονα πρέπει να περάσει τη θερμοκρασία του κρύου νερού στη διαδικασία της κατάψυξης.

Αντίστοιχα, για να αντιμετωπίσουμε το παράδοξο, υπάρχουν δύο τρόποι. Το πρώτο είναι να αρχίσουμε να εξηγούμε αυτό το φαινόμενο, να βγάζουμε θεωρίες και να χαιρόμαστε ότι το νερό είναι ένα μυστηριώδες υγρό. Ή μπορείτε να πάτε από την άλλη πλευρά - κάντε ανεξάρτητα αυτό το πείραμα. Και βγάλτε τα κατάλληλα συμπεράσματα.

Ας στραφούμε σε άτομα που είχαν πραγματικά αυτήν την εμπειρία προσπαθώντας να αναπαράγουν το φαινόμενο Mpemba. Και ταυτόχρονα, ας δούμε μια μικρή μελέτη που καθορίζει «από πού μεγαλώνουν τα πόδια».

Στα ρωσικά, ένα μήνυμα για το φαινόμενο Mpemba εμφανίστηκε για πρώτη φορά πριν από 42 χρόνια, όπως αναφέρεται στο περιοδικό "Chemistry and Life" (1970, No. 1, σελ. 89). Όντας ευσυνείδητοι, οι εργαζόμενοι της «Χημείας και Ζωής» αποφάσισαν να κάνουν πειράματα μόνοι τους και φρόντισαν: «το ζεστό γάλα πεισματικά δεν ήθελε να παγώσει πρώτα». Σε αυτό το αποτέλεσμα δόθηκε μια φυσική εξήγηση: «Ένα ζεστό υγρό δεν πρέπει να παγώσει νωρίτερα. Άλλωστε, η θερμοκρασία του πρέπει πρώτα να είναι ίση με τη θερμοκρασία του κρύου υγρού.

Ένας από τους αναγνώστες του «Chemistry and Life» ανέφερε τα εξής για τα πειράματά του (1970, Νο. 9, σελ. 81). Έφερε το γάλα να πάρει μια βράση, το κρύωσε σε θερμοκρασία δωματίου και το έβαζε στο ψυγείο ταυτόχρονα με το άβραστο γάλα, το οποίο ήταν επίσης σε θερμοκρασία δωματίου. Το βρασμένο γάλα πάγωσε πιο γρήγορα. Το ίδιο αποτέλεσμα, αλλά πιο αδύναμο, επιτεύχθηκε με θέρμανση του γάλακτος στους 60°C αντί για βρασμό. Το βράσιμο θα μπορούσε να είναι θεμελιώδους σημασίας: θα εξατμιστεί μέρος του νερού και θα εξατμιστεί το ελαφρύτερο μέρος του λίπους. Ως αποτέλεσμα, το σημείο πήξης μπορεί να αλλάξει. Επιπλέον, όταν θερμαίνεται, και ακόμη περισσότερο όταν βράζεται, είναι δυνατοί ορισμένοι χημικοί μετασχηματισμοί του οργανικού μέρους του γάλακτος.

Όμως το «σπασμένο τηλέφωνο» δούλευε ήδη και μετά από περισσότερα από 25 χρόνια, αυτή η ιστορία περιγράφεται ως εξής: «Μια μερίδα παγωτού κρυώνει πιο γρήγορα αν μπει στο ψυγείο, αφού ζεσταθεί καλά, παρά αν αφήνεται πρώτα σε ψυχρή θερμοκρασία» («Η γνώση είναι δύναμη», 1997, Αρ. 10, σελ. 100). Άρχισαν σταδιακά να ξεχνούν το γάλα, και αφορούσε κυρίως το νερό.

Μετά από 13 χρόνια, στο ίδιο "Χημεία και Ζωή" εμφανίστηκε ο ακόλουθος διάλογος: "Αν βγάλεις δύο φλιτζάνια στο κρύο - με κρύο και ζεστό νερό, τότε ποιο νερό θα παγώσει πιο γρήγορα; .. Περιμένετε τον χειμώνα και ελέγξτε: ζεστό το νερό θα παγώσει πιο γρήγορα» (1993, Νο. 9, σελ. 79). Ένα χρόνο αργότερα, ακολούθησε μια επιστολή από έναν ευσυνείδητο αναγνώστη, ο οποίος πήρε επιμελώς φλιτζάνια κρύο και ζεστό νερό στο κρύο το χειμώνα και πείστηκε ότι το κρύο νερό παγώνει πιο γρήγορα (1994, Αρ. 11, σ. 62).

Ένα παρόμοιο πείραμα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα ψυγείο, στο οποίο ο καταψύκτης καλύπτεται με ένα παχύ στρώμα πάγου. Όταν έβαλα φλιτζάνια ζεστό και κρύο νερό σε αυτόν τον καταψύκτη, ο παγετός κάτω από τα φλιτζάνια με ζεστό νερό ξεπαγώθηκε, βυθίστηκαν και το νερό σε αυτά πάγωσε πιο γρήγορα. Όταν έβαλα ποτήρια στον παγετό, το αποτέλεσμα δεν παρατηρήθηκε, αφού ο παγετός κάτω από τα ποτήρια δεν έλιωνε. Το αποτέλεσμα δεν παρατηρήθηκε ακόμη και όταν, μετά την απόψυξη του ψυγείου, έβαλα τα φλιτζάνια σε μια κατάψυξη χωρίς παγετό. Αυτό αποδεικνύει ότι η αιτία του αποτελέσματος είναι η απόψυξη του παγετού κάτω από φλιτζάνια ζεστού νερού (Chemistry and Life, 2000, αρ. 2, σελ. 55).

Η ιστορία για το παράδοξο που παρατήρησε το αγόρι της Τανζανίας συνοδεύτηκε επανειλημμένα από μια σημαντική παρατήρηση - λένε, δεν πρέπει να παραμελήσει κανείς καμία, ακόμη και πολύ περίεργη, πληροφορία. Η ευχή είναι καλή, αλλά απραγματοποίητη. Αν δεν προεπιλέξουμε αναξιόπιστες πληροφορίες, τότε θα πνιγούμε σε αυτές. Και οι λάθος πληροφορίες είναι συχνά λανθασμένες. Επιπλέον, συμβαίνει συχνά (όπως στην περίπτωση του φαινομένου Mpemba) η απίθανη να είναι συνέπεια της παραμόρφωσης των πληροφοριών στη διαδικασία μετάδοσης.

Έτσι, είναι ενδιαφέρον για το νερό γενικά, και το φαινόμενο Mpemba ειδικότερα, δεν είναι πάντα αληθινό 🙂

Περισσότερες λεπτομέρειες - στη σελίδα http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

Σε ποια θερμοκρασία παγώνει το νερό; Φαίνεται - η απλούστερη ερώτηση που μπορεί να απαντήσει ακόμη και ένα παιδί: το σημείο πήξης του νερού σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση 760 mm Hg είναι μηδέν βαθμοί Κελσίου.

Ωστόσο, το νερό (παρά την εξαιρετικά ευρεία κατανομή του στον πλανήτη μας) είναι η πιο μυστηριώδης και μη πλήρως κατανοητή ουσία, επομένως η απάντηση σε αυτό το ερώτημα απαιτεί μια λεπτομερή και αιτιολογημένη συζήτηση.

Στη Ρωσία και την Ευρώπη, η θερμοκρασία μετριέται στην κλίμακα Κελσίου, η υψηλότερη τιμή της οποίας είναι 100 βαθμοί.
Ο Αμερικανός επιστήμονας Φαρενάιτ ανέπτυξε τη δική του κλίμακα με 180 τμήματα.
Υπάρχει μια άλλη μονάδα μέτρησης θερμοκρασίας - Κέλβιν, που πήρε το όνομά του από τον Άγγλο φυσικό Τόμσον, ο οποίος έλαβε τον τίτλο του Λόρδου Κέλβιν.

Πολιτεία και είδη νερού

Το νερό στον πλανήτη Γη μπορεί να λάβει τρεις κύριες καταστάσεις συσσώρευσης: υγρό, στερεό και αέριο, που μπορεί να μετατραπεί σε διαφορετικές μορφές που συνυπάρχουν ταυτόχρονα μεταξύ τους (παγόβουνα στο θαλασσινό νερό, υδρατμοί και κρύσταλλοι πάγου στα σύννεφα στον ουρανό, παγετώνες και δωρεάν - ρέοντα ποτάμια).

Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της προέλευσης, του σκοπού και της σύνθεσης, το νερό μπορεί να είναι:

φρέσκο;
ορυκτό;
ναυτικός;
πόσιμο (εδώ συμπεριλαμβάνουμε το νερό της βρύσης).
βροχή;
ξεπαγωμένο?
υφάλμυρος;
δομημένος;
αποσταγμένο?
απιονισμένος.

Η παρουσία ισοτόπων υδρογόνου κάνει το νερό:

φως;
βαρύ (δευτέριο);
υπερβαρύ (τρίτιο).

Όλοι γνωρίζουμε ότι το νερό μπορεί να είναι μαλακό και σκληρό: αυτός ο δείκτης καθορίζεται από την περιεκτικότητα σε κατιόντα μαγνησίου και ασβεστίου.

Καθένας από τους τύπους και τις αθροιστικές καταστάσεις νερού που παραθέσαμε έχει το δικό του σημείο πήξης και τήξης.

Σημείο πήξης του νερού

Γιατί παγώνει το νερό; Το συνηθισμένο νερό περιέχει πάντα κάποια ποσότητα αιωρούμενων σωματιδίων ορυκτής ή οργανικής προέλευσης. Μπορεί να είναι τα μικρότερα σωματίδια αργίλου, άμμου ή οικιακής σκόνης.

Όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος πέσει σε ορισμένες τιμές, αυτά τα σωματίδια παίρνουν το ρόλο των κέντρων γύρω από τα οποία αρχίζουν να σχηματίζονται κρύσταλλοι πάγου.

Οι φυσαλίδες αέρα, καθώς και οι ρωγμές και οι ζημιές στα τοιχώματα του αγγείου στο οποίο βρίσκεται το νερό, μπορούν επίσης να γίνουν πυρήνες κρυστάλλωσης. Ο ρυθμός κρυστάλλωσης του νερού καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τον αριθμό αυτών των κέντρων: όσο περισσότερα από αυτά, τόσο πιο γρήγορα παγώνει το υγρό.

Υπό κανονικές συνθήκες (σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση), η θερμοκρασία της μετάβασης φάσης του νερού από υγρή σε στερεή κατάσταση είναι 0 βαθμοί Κελσίου. Σε αυτή τη θερμοκρασία το νερό παγώνει στο δρόμο.

Γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο;

Το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο νερό - αυτό το φαινόμενο παρατήρησε ο Erasto Mpemba, ένας μαθητής από την Τανγκανίκα. Τα πειράματά του με τη μάζα για την παρασκευή παγωτού έδειξαν ότι ο ρυθμός κατάψυξης της θερμαινόμενης μάζας είναι πολύ μεγαλύτερος από τον κρύο.

Ένας από τους λόγους για αυτό το ενδιαφέρον φαινόμενο, που ονομάζεται «παράδοξο Mpemba», είναι η υψηλότερη μεταφορά θερμότητας ενός ζεστού υγρού, καθώς και η παρουσία σε αυτό μεγαλύτερου αριθμού πυρήνων κρυστάλλωσης σε σύγκριση με το κρύο νερό.

Σχετίζονται το σημείο πήξης του νερού και το υψόμετρο;

Με μια αλλαγή στην πίεση, που συχνά σχετίζεται με το να βρίσκεται σε διαφορετικά ύψη, το σημείο πήξης του νερού αρχίζει να διαφέρει ριζικά από το τυπικό, χαρακτηριστικό των κανονικών συνθηκών.
Η κρυστάλλωση του νερού σε ύψος συμβαίνει στις ακόλουθες τιμές θερμοκρασίας:

Παραδόξως, σε υψόμετρο 1000 m, το νερό παγώνει στους 2 βαθμούς Κελσίου.
σε υψόμετρο 2000 μέτρων, αυτό συμβαίνει ήδη στους 4 βαθμούς Κελσίου.

Η υψηλότερη θερμοκρασία παγώματος του νερού στα βουνά παρατηρείται σε υψόμετρο άνω των 5.000 χιλιάδων μέτρων (για παράδειγμα, στα βουνά Fann ή στο Pamirs).

Πώς επηρεάζει η πίεση τη διαδικασία κρυστάλλωσης του νερού;

Ας προσπαθήσουμε να συνδέσουμε τη δυναμική των αλλαγών στο σημείο πήξης του νερού με τις αλλαγές στην πίεση.

Σε πίεση 2 atm, το νερό θα παγώσει σε θερμοκρασία -2 μοίρες.
Σε πίεση 3 atm, η θερμοκρασία των -4 βαθμών Κελσίου θα αρχίσει να παγώνει το νερό.

Με αυξημένη πίεση, η θερμοκρασία της έναρξης της διαδικασίας κρυστάλλωσης του νερού μειώνεται και το σημείο βρασμού αυξάνεται. Σε χαμηλή πίεση, προκύπτει μια διαμετρικά αντίθετη εικόνα.

Γι' αυτό σε συνθήκες ψηλών βουνών και σπάνιας ατμόσφαιρας είναι πολύ δύσκολο να μαγειρέψετε ακόμη και αυγά, αφού το νερό στην κατσαρόλα βράζει ήδη στους 80 βαθμούς. Είναι σαφές ότι σε αυτή τη θερμοκρασία είναι απλά αδύνατο να μαγειρέψετε φαγητό.

Σε υψηλή πίεση, η διαδικασία τήξης του πάγου κάτω από τις λεπίδες των πατινιών συμβαίνει ακόμη και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά χάρη σε αυτόν τα πατίνια γλιστρούν στην επιφάνεια του πάγου.

Το πάγωμα των ολισθήσεων των βαριά φορτωμένων ελκήθρων στις ιστορίες του Jack London εξηγείται με παρόμοιο τρόπο. Τα βαριά έλκηθρα που ασκούν πίεση στο χιόνι προκαλούν το λιώσιμο του. Το νερό που προκύπτει διευκολύνει την ολίσθησή τους. Αλλά μόλις τα έλκηθρα σταματήσουν και μένουν για πολλή ώρα σε ένα μέρος, το εκτοπισμένο νερό, παγωμένο, παγώνει τις ολισθήσεις στο δρόμο.

Θερμοκρασία κρυστάλλωσης υδατικών διαλυμάτων

Ως εξαιρετικός διαλύτης, το νερό αντιδρά εύκολα με διάφορες οργανικές και ανόργανες ουσίες, σχηματίζοντας μια μάζα μερικές φορές απροσδόκητες χημικές ενώσεις. Φυσικά, καθένα από αυτά θα παγώσει σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Ας το βάλουμε σε μια οπτική λίστα.

Το σημείο πήξης ενός μείγματος αλκοόλης και νερού εξαρτάται από το ποσοστό και των δύο συστατικών σε αυτό. Όσο περισσότερο νερό προστίθεται στο διάλυμα, τόσο πιο κοντά στο μηδέν το σημείο πήξης του. Εάν υπάρχει περισσότερη αλκοόλη στο διάλυμα, η διαδικασία κρυστάλλωσης θα ξεκινήσει σε τιμές κοντά στους -114 βαθμούς.
Είναι σημαντικό να γνωρίζετε ότι τα διαλύματα νερού-αλκοόλ δεν έχουν σταθερό σημείο πήξης. Συνήθως μιλούν για τη θερμοκρασία της έναρξης της διαδικασίας κρυστάλλωσης και τη θερμοκρασία της τελικής μετάβασης στη στερεή κατάσταση.
Μεταξύ της έναρξης του σχηματισμού των πρώτων κρυστάλλων και της πλήρους στερεοποίησης του διαλύματος αλκοόλης βρίσκεται ένα διάστημα θερμοκρασίας 7 βαθμών. Έτσι, το σημείο πήξης του νερού με αλκοόλη συγκέντρωσης 40% στο αρχικό στάδιο είναι -22,5 μοίρες και η τελική μετάβαση του διαλύματος στη στερεή φάση θα συμβεί στους -29,5 βαθμούς.

Το σημείο πήξης του νερού με το αλάτι σχετίζεται στενά με τον βαθμό αλατότητάς του: όσο περισσότερο αλάτι στο διάλυμα, τόσο χαμηλότερη είναι η θέση της στήλης υδραργύρου που θα παγώσει.

Για τη μέτρηση της αλατότητας του νερού, χρησιμοποιείται μια ειδική μονάδα - "ppm". Έτσι, βρήκαμε ότι το σημείο πήξης του νερού μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης αλατιού. Ας το εξηγήσουμε αυτό με ένα παράδειγμα:

Το επίπεδο αλατότητας του νερού των ωκεανών είναι 35 ppm, ενώ η μέση τιμή παγώματος του είναι 1,9 βαθμούς. Ο βαθμός αλατότητας των νερών της Μαύρης Θάλασσας είναι 18-20 ppm, επομένως παγώνουν σε υψηλότερη θερμοκρασία στην περιοχή από -0,9 έως -1,1 βαθμούς Κελσίου.

Το σημείο πήξης του νερού με τη ζάχαρη (για ένα διάλυμα του οποίου η μοριακότητα είναι 0,8) είναι -1,6 μοίρες.
Το σημείο πήξης του νερού με ακαθαρσίες εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα τους και τη φύση των ακαθαρσιών που συνθέτουν το υδατικό διάλυμα.
Το σημείο πήξης του νερού με τη γλυκερίνη εξαρτάται από τη συγκέντρωση του διαλύματος. Ένα διάλυμα που περιέχει 80 ml γλυκερίνης θα παγώσει στους -20 βαθμούς, όταν η περιεκτικότητα σε γλυκερίνη μειωθεί στα 60 ml, η διαδικασία κρυστάλλωσης θα ξεκινήσει στους -34 βαθμούς και η αρχή της κατάψυξης ενός διαλύματος 20% θα είναι μείον πέντε μοίρες. Όπως μπορείτε να δείτε, δεν υπάρχει γραμμική σχέση σε αυτή την περίπτωση. Για να παγώσει ένα διάλυμα 10% γλυκερίνης, αρκεί μια θερμοκρασία -2 μοίρες.
Το σημείο πήξης του νερού με σόδα (που σημαίνει καυστικό αλκάλιο ή καυστική σόδα) παρουσιάζει μια ακόμη πιο μυστηριώδη εικόνα: ένα καυστικό διάλυμα 44% παγώνει στους +7 βαθμούς Κελσίου και το 80% στους +130.

Κατάψυξη γλυκού νερού

Η διαδικασία σχηματισμού πάγου στις δεξαμενές γλυκού νερού συμβαίνει σε ένα ελαφρώς διαφορετικό καθεστώς θερμοκρασίας.

Το σημείο πήξης του νερού σε μια λίμνη, όπως ακριβώς το σημείο πήξης του νερού σε ένα ποτάμι, είναι μηδέν βαθμοί Κελσίου. Η κατάψυξη των καθαρότερων ποταμών και ρεμάτων δεν ξεκινά από την επιφάνεια, αλλά από τον πυθμένα, στον οποίο υπάρχουν πυρήνες κρυστάλλωσης με τη μορφή σωματιδίων λάσπης βυθού. Στην αρχή, οι εμπλοκές και τα υδρόβια φυτά καλύπτονται με μια κρούστα πάγου. Μόλις ο πάγος του βυθού ανέβει στην επιφάνεια, το ποτάμι παγώνει αμέσως.
Το παγωμένο νερό στη λίμνη Βαϊκάλη μπορεί μερικές φορές να κρυώσει σε αρνητικές θερμοκρασίες. Αυτό συμβαίνει μόνο σε ρηχά νερά. η θερμοκρασία του νερού σε αυτή την περίπτωση μπορεί να είναι χιλιοστά, και μερικές φορές εκατοστά του ενός βαθμού κάτω από το μηδέν.
Η θερμοκρασία του νερού Baikal κάτω από την ίδια την κρούστα του καλύμματος πάγου, κατά κανόνα, δεν υπερβαίνει τους +0,2 βαθμούς. Στα κατώτερα στρώματα ανεβαίνει σταδιακά στο +3,2 στον πυθμένα της βαθύτερης λεκάνης.

Σημείο πήξης απεσταγμένου νερού

Παγώνει το απεσταγμένο νερό; Θυμηθείτε ότι για να παγώσει το νερό, είναι απαραίτητο να υπάρχουν κάποια κέντρα κρυστάλλωσης σε αυτό, τα οποία μπορεί να είναι φυσαλίδες αέρα, αιωρούμενα σωματίδια, καθώς και ζημιά στα τοιχώματα του δοχείου στο οποίο βρίσκεται.

Το απεσταγμένο νερό, εντελώς απαλλαγμένο από ακαθαρσίες, δεν έχει πυρήνες κρυστάλλωσης και επομένως η κατάψυξή του ξεκινά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Το αρχικό σημείο πήξης του απεσταγμένου νερού είναι -42 βαθμοί. Οι επιστήμονες κατάφεραν να επιτύχουν υπερψύξη του απεσταγμένου νερού στους -70 βαθμούς.

Το νερό που έχει εκτεθεί σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες αλλά δεν έχει κρυσταλλωθεί ονομάζεται «υπερψυγμένο». Μπορείτε να τοποθετήσετε ένα μπουκάλι απεσταγμένο νερό στην κατάψυξη, να επιτύχετε υποθερμία και στη συνέχεια να επιδείξετε ένα πολύ αποτελεσματικό κόλπο - δείτε το βίντεο:

Ακουμπώντας απαλά ένα μπουκάλι που έχει αφαιρεθεί από το ψυγείο ή ρίχνοντας ένα μικρό κομμάτι πάγου μέσα σε αυτό, μπορείτε να δείξετε πόσο αμέσως μετατρέπεται σε πάγο, που μοιάζει με επιμήκεις κρυστάλλους.

Απεσταγμένο νερό: αυτή η καθαρισμένη ουσία παγώνει ή όχι υπό πίεση; Μια τέτοια διαδικασία είναι δυνατή μόνο σε ειδικά δημιουργημένες εργαστηριακές συνθήκες.