Το κρύο νερό πάγωσε. Ποιο νερό παγώνει πιο γρήγορα: ζεστό ή κρύο; Από τι εξαρτάται;

Φαίνεται ότι ο παλιός καλός τύπος H 2 O δεν περιέχει μυστικά. Αλλά στην πραγματικότητα, το νερό - η πηγή της ζωής και το πιο διάσημο υγρό στον κόσμο - είναι γεμάτο με πολλά μυστήρια που μερικές φορές ακόμη και οι επιστήμονες αδυνατούν να λύσουν.

Εδώ είναι τα 5 περισσότερα ενδιαφέροντα γεγονόταγια το νερό:

1. Το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο

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, αν και λογικά θα έπρεπε πρώτα να είχε γίνει πάγος κρύο νερό: εξάλλου, το ζεστό νερό πρέπει πρώτα να κρυώσει σε κρύα θερμοκρασία και μετά να μετατραπεί σε πάγο, ενώ το κρύο νερό δεν χρειάζεται να κρυώσει. Γιατί συμβαίνει αυτό?

Το 1963 η Εραστώ Μπ. Μπεμπά, μαθήτρια Λυκείου ΛύκειοΣτην Τανζανία, κατά την κατάψυξη του παρασκευασμένου μείγματος παγωτού, παρατήρησα ότι το ζεστό μείγμα σκληραίνει στην κατάψυξη πιο γρήγορα από το κρύο. Όταν ο νεαρός μοιράστηκε την ανακάλυψή του με τον καθηγητή φυσικής του, 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 στην πραγματικότητα παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο.

Τώρα αυτό το φαινόμενο του ζεστού νερού που παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο ονομάζεται «φαινόμενο Mpemba». Είναι αλήθεια, πολύ πριν από αυτό μοναδική ιδιοκτησίαΤο νερό σημειώθηκε από τον Αριστοτέλη, τον Φράνσις Μπέικον και τον Ρενέ Ντεκάρτ.

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

Σημείωση από το X.RU σχετικά με το θέμα "Το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο νερό."

Δεδομένου ότι τα θέματα ψύξης είναι πιο κοντά σε εμάς, ειδικούς ψύξης, θα επιτρέψουμε στον εαυτό μας να εμβαθύνει στην ουσία αυτού του προβλήματος και να δώσουμε δύο απόψεις σχετικά με τη φύση τέτοιων μυστηριώδες φαινόμενο.

1. Ένας επιστήμονας από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον πρότεινε μια εξήγηση για ένα μυστηριώδες φαινόμενο γνωστό από την εποχή του Αριστοτέλη: γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο.

Το φαινόμενο, που ονομάζεται φαινόμενο Mpemba, χρησιμοποιείται ευρέως στην πράξη. Για παράδειγμα, οι ειδικοί συμβουλεύουν τους αυτοκινητιστές να ρίχνουν κρύο, όχι ζεστό, νερό στη δεξαμενή του πλυντηρίου το χειμώνα. Τι κρύβεται όμως πίσω από αυτό το φαινόμενο; για πολύ καιρόπαρέμεινε άγνωστη.

Ο Δρ Jonathan Katz από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον μελέτησε αυτό το φαινόμενο και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι σημαντικός ρόλοςΠαίζεται από ουσίες διαλυμένες στο νερό, οι οποίες καθιζάνουν όταν θερμαίνονται, αναφέρει το EurekAlert.

Υπό διαλυμένο ουσίες δρ.Το Katz αναφέρεται σε διττανθρακικά άλατα ασβεστίου και μαγνησίου, τα οποία βρίσκονται στο σκληρό νερό. Όταν το νερό θερμαίνεται, αυτές οι ουσίες καθιζάνουν, σχηματίζοντας λέπια στα τοιχώματα του βραστήρα. Το νερό που δεν έχει ποτέ θερμανθεί περιέχει αυτές τις ακαθαρσίες. Καθώς παγώνει και σχηματίζονται κρύσταλλοι πάγου, η συγκέντρωση των ακαθαρσιών στο νερό αυξάνεται 50 φορές. Εξαιτίας αυτού, το σημείο πήξης του νερού μειώνεται. «Και τώρα το νερό πρέπει να κρυώσει περισσότερο για να παγώσει», εξηγεί ο Δρ Κατς.

Υπάρχει ένας δεύτερος λόγος που εμποδίζει το άθερμο νερό να παγώσει. Η μείωση του σημείου πήξης του νερού μειώνει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της στερεάς και της υγρής φάσης. «Επειδή ο ρυθμός με τον οποίο το νερό χάνει θερμότητα εξαρτάται από αυτή τη διαφορά θερμοκρασίας, το νερό που δεν έχει θερμανθεί κρυώνει λιγότερο καλά», σχολιάζει ο Δρ Κατς.

Σύμφωνα με τον επιστήμονα, η θεωρία του μπορεί να ελεγχθεί πειραματικά, γιατί Το φαινόμενο Mpemba γίνεται πιο αισθητό για πιο σκληρό νερό.

2. Το οξυγόνο συν υδρογόνο και το κρύο δημιουργούν πάγο. Με την πρώτη ματιά, αυτή η διαφανής ουσία φαίνεται πολύ απλή. Στην πραγματικότητα, ο πάγος είναι γεμάτος με πολλά μυστήρια. Ο Ice, που δημιούργησε ο Αφρικανός Erasto Mpemba, δεν σκέφτηκε τη φήμη. Οι μέρες ήταν ζεστές. Ήθελε παπάκια. Πήρε το κουτί του χυμού και το έβαλε στην κατάψυξη. Το έκανε αυτό περισσότερες από μία φορές και επομένως παρατήρησε ότι ο χυμός παγώνει ιδιαίτερα γρήγορα αν τον κρατήσετε πρώτα στον ήλιο - τον ζεσταίνει πραγματικά! Αυτό είναι περίεργο, σκέφτηκε ένας Τανζανός μαθητής που ενήργησε αντίθετα κοσμική σοφία. Αλήθεια, για να γίνει το υγρό πιο γρήγορα πάγος, πρέπει πρώτα να... ζεσταθεί; Ο νεαρός έμεινε τόσο έκπληκτος που μοιράστηκε την εικασία του με τον δάσκαλο. Ανέφερε αυτή την περιέργεια στον Τύπο.

Αυτή η ιστορία συνέβη στη δεκαετία του εξήντα του περασμένου αιώνα. Τώρα το «φαινόμενο Mpemba» είναι πολύ γνωστό στους επιστήμονες. Όμως για πολύ καιρό αυτό το φαινομενικά απλό φαινόμενο παρέμενε μυστήριο. Γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο;

Μόλις το 1996 ο φυσικός David Auerbach βρήκε μια λύση. Για να απαντήσει σε αυτή την ερώτηση, πραγματοποίησε ένα πείραμα για έναν ολόκληρο χρόνο: ζέστανε νερό σε ένα ποτήρι και το κρύωσε ξανά. Τι ανακάλυψε λοιπόν; Όταν θερμαίνεται, οι φυσαλίδες αέρα που είναι διαλυμένες στο νερό εξατμίζονται. Το νερό χωρίς αέρια παγώνει πιο εύκολα στα τοιχώματα του δοχείου. «Φυσικά, το νερό με υψηλή περιεκτικότητα σε αέρα θα παγώσει επίσης», λέει ο Auerbach, «αλλά όχι στους μηδέν βαθμούς Κελσίου, αλλά μόνο στους μείον τέσσερις έως έξι βαθμούς». Φυσικά, θα πρέπει να περιμένετε περισσότερο. Έτσι, το ζεστό νερό παγώνει πριν από το κρύο νερό, αυτό είναι ένα επιστημονικό γεγονός.

Δεν υπάρχει σχεδόν καμία ουσία που εμφανίζεται μπροστά στα μάτια μας με την ίδια ευκολία όπως ο πάγος. Αποτελείται μόνο από μόρια νερού - δηλαδή στοιχειώδη μόρια που περιέχουν δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου. Ωστόσο, ο πάγος είναι ίσως η πιο μυστηριώδης ουσία στο Σύμπαν. Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη καταφέρει να εξηγήσουν ορισμένες από τις ιδιότητές του.

2. Υπερψύξη και «στιγμιαία» κατάψυξη

Όλοι γνωρίζουν ότι το νερό μετατρέπεται πάντα σε πάγο όταν κρυώσει στους 0°C... εκτός από κάποιες περιπτώσεις! Μια τέτοια περίπτωση, για παράδειγμα, είναι η «υπερψύξη», η οποία είναι ιδιότητα του πολύ καθαρό νερόπαραμένουν υγρά ακόμα και όταν κρυώσουν κάτω από το μηδέν. Αυτό το φαινόμενο καθίσταται δυνατό λόγω του γεγονότος ότι το περιβάλλον δεν περιέχει κέντρα ή πυρήνες κρυστάλλωσης που θα μπορούσαν να πυροδοτήσουν το σχηματισμό κρυστάλλων πάγου. Και έτσι το νερό παραμένει σε υγρή μορφή ακόμη και όταν ψύχεται κάτω από τους μηδέν βαθμούς Κελσίου. Η διαδικασία κρυστάλλωσης μπορεί να ενεργοποιηθεί, για παράδειγμα, από φυσαλίδες αερίου, ακαθαρσίες (μολυσματικές ουσίες) ή μια ανώμαλη επιφάνεια του δοχείου. Χωρίς αυτούς, το νερό θα παραμείνει μέσα υγρή κατάσταση. Όταν ξεκινήσει η διαδικασία κρυστάλλωσης, μπορείτε να παρακολουθήσετε το υπερ-ψυγμένο νερό να μετατρέπεται αμέσως σε πάγο.

Δείτε το βίντεο (2.901 KB, 60 sec) από το Phil Medina (www.mrsciguy.com) και δείτε μόνοι σας >>

Σχόλιο.Το υπερθερμασμένο νερό παραμένει επίσης υγρό ακόμα και όταν θερμαίνεται πάνω από το σημείο βρασμού του.

3. «Ποτήρι» νερό

Γρήγορα και χωρίς σκέψη, πείτε πόσες διαφορετικές καταστάσεις έχει το νερό;

Αν απαντήσατε τρεις (στερεό, υγρό, αέριο), τότε κάνατε λάθος. Οι επιστήμονες εντοπίζουν τουλάχιστον 5 διαφορετικές καταστάσεις υγρού νερού και 14 καταστάσεις πάγου.

Θυμάστε τη συζήτηση για το πολύ παγωμένο νερό; Έτσι, ό,τι κι αν κάνετε, στους -38 °C ακόμη και το πιο καθαρό υπερψυχμένο νερό μετατρέπεται ξαφνικά σε πάγο. Τι συμβαίνει με την περαιτέρω πτώση;

θερμοκρασία? Στους -120 °C κάτι περίεργο αρχίζει να συμβαίνει στο νερό: γίνεται υπεριξώδες ή παχύρρευστο, όπως η μελάσα, και σε θερμοκρασίες κάτω από -135 °C μετατρέπεται σε «γυάλινο» ή «υαλώδες» νερό - στερεός, στο οποίο δεν υπάρχει κρυσταλλική δομή.

4. Κβαντικές ιδιότητες του νερού

Επί μοριακό επίπεδοΤο νερό είναι ακόμα πιο εκπληκτικό. Το 1995, ένα πείραμα σκέδασης νετρονίων που διεξήχθη από επιστήμονες έδωσε ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα: οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι τα νετρόνια που στοχεύουν στα μόρια του νερού «βλέπουν» 25% λιγότερα πρωτόνια υδρογόνου από το αναμενόμενο.

Αποδείχθηκε ότι με ταχύτητα ενός ατο δευτερολέπτου (10 -18 δευτερόλεπτα) λαμβάνει χώρα ένα ασυνήθιστο κβαντικό φαινόμενο, και χημική φόρμουλανερό αντί για το συνηθισμένο - H 2 O, γίνεται H 1,5 O!

5. Το νερό έχει μνήμη;

Η ομοιοπαθητική, μια εναλλακτική λύση στη συμβατική ιατρική, ισχυρίζεται ότι ένα αραιωμένο διάλυμα φαρμακευτικό προϊόνμπορεί να έχει θεραπευτική επίδραση στον οργανισμό, ακόμα κι αν ο συντελεστής αραίωσης είναι τόσο υψηλός που δεν έχει μείνει τίποτα στο διάλυμα εκτός από μόρια νερού. Οι υποστηρικτές της ομοιοπαθητικής εξηγούν αυτό το παράδοξο με μια έννοια που ονομάζεται «μνήμη νερού», σύμφωνα με την οποία το νερό σε μοριακό επίπεδο έχει μια «μνήμη» της ουσίας μόλις διαλυθεί σε αυτό και διατηρεί τις ιδιότητες του διαλύματος της αρχικής συγκέντρωσης μετά από μία μόριο του συστατικού παραμένει σε αυτό.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής την καθηγήτρια Madeleine Ennis από το Queen's University του Belfast, η οποία επέκρινε τις αρχές της ομοιοπαθητικής, διεξήγαγε ένα πείραμα το 2002 για να αντικρούσει αυτή την ιδέα μια για πάντα. Το αποτέλεσμα ήταν το αντίθετο. Μετά από αυτό, οι επιστήμονες είπαν ότι μπόρεσαν να αποδείξουν την πραγματικότητα του φαινομένου της «μνήμης του νερού» Ωστόσο, πειράματα που διεξήχθησαν υπό την επίβλεψη ανεξάρτητων ειδικών δεν έφεραν αποτελέσματα. Οι διαφωνίες σχετικά με την ύπαρξη του φαινομένου «μνήμη του νερού» συνεχίζονται.

Το νερό έχει πολλές άλλες ασυνήθιστες ιδιότητες για τις οποίες δεν μιλήσαμε σε αυτό το άρθρο.

Βιβλιογραφία.

1. 5 πραγματικά περίεργα πράγματα για το νερό / http://www.neatorama.com.
2. Το μυστήριο του νερού: δημιουργήθηκε η θεωρία του φαινομένου Αριστοτέλη-Μπέμπα / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Μυστικά άψυχης φύσης. Η πιο μυστηριώδης ουσία στο σύμπαν / http://www.bibliotekar.ru.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Ποιο νερό παγώνει πιο γρήγορα, κρύο ή ζεστό;«- δοκιμάστε να κάνετε μια ερώτηση στους φίλους σας, πιθανότατα οι περισσότεροι από αυτούς θα απαντήσουν ότι το κρύο νερό παγώνει πιο γρήγορα - και θα κάνουν λάθος.

Αν μάλιστα τοποθετήσετε ταυτόχρονα δύο δοχεία ίδιου σχήματος και όγκου στην κατάψυξη, εκ των οποίων το ένα περιέχει κρύο νερό και το άλλο ζεστό, τότε είναι το ζεστό νερό που θα παγώσει πιο γρήγορα.

Μια τέτοια δήλωση μπορεί να φαίνεται παράλογη και παράλογη. Εάν ακολουθείτε τη λογική, τότε το ζεστό νερό πρέπει πρώτα να κρυώσει στη θερμοκρασία του κρύου νερού και το κρύο νερό θα πρέπει ήδη να μετατραπεί σε πάγο αυτή τη στιγμή.

Γιατί λοιπόν το ζεστό νερό νικά το κρύο στο δρόμο του προς την κατάψυξη; Ας προσπαθήσουμε να το καταλάβουμε.

Ιστορία των παρατηρήσεων και της έρευνας

Οι άνθρωποι έχουν παρατηρήσει το παράδοξο αποτέλεσμα από την αρχαιότητα, αλλά κανείς δεν το έδωσε ιδιαίτερη σημασία. Έτσι, ο Αριστοτέλης, καθώς και ο Ρενέ Ντεκάρτ και ο Φράνσις Μπέικον, σημείωσαν στις σημειώσεις τους τις ασυνέπειες στον ρυθμό παγώματος του κρύου και του ζεστού νερού. Ασυνήθιστο φαινόμενοεκδηλώνεται συχνά στην καθημερινή ζωή.

Για πολύ καιρό, το φαινόμενο δεν μελετήθηκε με κανέναν τρόπο και δεν προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον στους επιστήμονες.

Η μελέτη αυτού του ασυνήθιστου αποτελέσματος ξεκίνησε το 1963, όταν ένας περίεργος μαθητής από την Τανζανία, ο Erasto Mpemba, παρατήρησε ότι το ζεστό γάλα για παγωτό πάγωσε πιο γρήγορα από το κρύο γάλα. Ελπίζοντας να πάρει μια εξήγηση για τους λόγους για το ασυνήθιστο αποτέλεσμα, ο νεαρός άνδρας ρώτησε τη δασκάλα φυσικής του στο σχολείο. Ωστόσο, ο δάσκαλος μόνο γέλασε μαζί του.

Αργότερα, ο Mpemba επανέλαβε το πείραμα, αλλά στο πείραμά του δεν χρησιμοποιούσε πια γάλα, αλλά νερό και το παράδοξο αποτέλεσμα επαναλήφθηκε ξανά.

6 χρόνια αργότερα, το 1969, ο Mpemba έκανε αυτή την ερώτηση στον καθηγητή φυσικής Dennis Osborn, ο οποίος ήρθε στο σχολείο του. Ο καθηγητής ενδιαφέρθηκε για την παρατήρηση του νεαρού άνδρα και ως αποτέλεσμα διεξήχθη ένα πείραμα που επιβεβαίωσε την παρουσία του αποτελέσματος, αλλά οι λόγοι για αυτό το φαινόμενο δεν αποδείχθηκαν.

Από τότε το φαινόμενο ονομάζεται Εφέ Mpemba.

Σε όλη την ιστορία των επιστημονικών παρατηρήσεων, έχουν διατυπωθεί πολλές υποθέσεις σχετικά με τα αίτια του φαινομένου.

Έτσι, το 2012, η ​​Βρετανική Βασιλική Εταιρεία Χημείας θα ανακοίνωνε έναν διαγωνισμό υποθέσεων που εξηγούν το φαινόμενο Mpemba. Στο διαγωνισμό συμμετείχαν επιστήμονες από όλο τον κόσμο, συνολικά εγγράφηκαν 22.000 επιστημονικές εργασίες. Παρά τον τόσο εντυπωσιακό αριθμό άρθρων, κανένα από αυτά δεν έφερε σαφήνεια στο παράδοξο Mpemba.

Η πιο συνηθισμένη έκδοση ήταν σύμφωνα με την οποία το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα, αφού απλά εξατμίζεται πιο γρήγορα, ο όγκος του γίνεται μικρότερος και όσο μειώνεται ο όγκος, αυξάνεται ο ρυθμός ψύξης του. Η πιο κοινή εκδοχή τελικά διαψεύστηκε επειδή διεξήχθη ένα πείραμα στο οποίο αποκλείστηκε η εξάτμιση, αλλά το αποτέλεσμα ωστόσο επιβεβαιώθηκε.

Άλλοι επιστήμονες πίστευαν ότι η αιτία του φαινομένου Mpemba ήταν η εξάτμιση των αερίων διαλυμένων στο νερό. Κατά τη γνώμη τους, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θέρμανσης εξατμίζονται αέρια που είναι διαλυμένα στο νερό, λόγω των οποίων αποκτά περισσότερα υψηλής πυκνότηταςπαρά κρύο. Όπως είναι γνωστό, η αύξηση της πυκνότητας οδηγεί σε αλλαγή φυσικές ιδιότητεςνερό (αυξημένη θερμική αγωγιμότητα), και επομένως αύξηση του ρυθμού ψύξης.

Επιπλέον, έχουν διατυπωθεί ορισμένες υποθέσεις που περιγράφουν τον ρυθμό κυκλοφορίας του νερού ανάλογα με τη θερμοκρασία. Πολλές μελέτες έχουν προσπαθήσει να καθορίσουν τη σχέση μεταξύ του υλικού των δοχείων στα οποία βρισκόταν το υγρό. Πολλές θεωρίες φαίνονταν πολύ εύλογες, αλλά δεν μπορούσαν να επιβεβαιωθούν επιστημονικά λόγω έλλειψης αρχικών δεδομένων, αντιφάσεων σε άλλα πειράματα ή επειδή οι προσδιορισμένοι παράγοντες απλώς δεν ήταν συγκρίσιμοι με τον ρυθμό ψύξης του νερού. Κάποιοι επιστήμονες στις εργασίες τους αμφισβήτησαν την ύπαρξη του αποτελέσματος.

Το 2013, ερευνητές από ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣΗ Nanyang Singapore είπε ότι είχαν λύσει το μυστήριο του φαινομένου Mpemba. Σύμφωνα με την έρευνά τους, ο λόγος για το φαινόμενο έγκειται στο γεγονός ότι η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των μορίων του κρύου και του ζεστού νερού είναι σημαντικά διαφορετική.

Μέθοδοι μοντελοποίηση υπολογιστήέδειξε τα ακόλουθα αποτελέσματα: όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του νερού, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των μορίων λόγω του γεγονότος ότι οι απωστικές δυνάμεις αυξάνονται. Και επομένως οι δεσμοί υδρογόνου των μορίων τεντώνονται, αποθηκεύοντας μεγάλη ποσότηταενέργεια. Όταν κρυώσουν, τα μόρια αρχίζουν να κινούνται πιο κοντά το ένα στο άλλο, απελευθερώνοντας ενέργεια από δεσμούς υδρογόνου. Σε αυτή την περίπτωση, η απελευθέρωση ενέργειας συνοδεύεται από μείωση της θερμοκρασίας.

Τον Οκτώβριο του 2017, Ισπανοί φυσικοί, κατά τη διάρκεια μιας άλλης μελέτης, διαπίστωσαν ότι σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό του αποτελέσματος παίζει η απομάκρυνση μιας ουσίας από την ισορροπία (ισχυρή θέρμανση πριν από ισχυρή ψύξη). Προσδιόρισαν τις συνθήκες υπό τις οποίες η πιθανότητα εμφάνισης του αποτελέσματος είναι μέγιστη. Επιπλέον, επιστήμονες από την Ισπανία επιβεβαίωσαν την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου Mpemba. Διαπίστωσαν ότι όταν θερμανθεί, ένα πιο κρύο δείγμα μπορεί να φτάσει σε υψηλή θερμοκρασία πιο γρήγορα από ένα πιο ζεστό.

Παρά τις εκτενείς πληροφορίες και τα πολυάριθμα πειράματα, οι επιστήμονες σκοπεύουν να συνεχίσουν να μελετούν το αποτέλεσμα.

Εφέ Mpemba στην πραγματική ζωή

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί χειμερινή ώρατο παγοδρόμιο πλημμυρίζει ζεστό νερό, και όχι κρύο; Όπως ήδη καταλαβαίνετε, το κάνουν επειδή ένα παγοδρόμιο γεμάτο με ζεστό νερό θα παγώσει πιο γρήγορα από ότι αν ήταν γεμάτο με κρύο νερό. Για τον ίδιο λόγο, ζεστό νερό χύνεται στις τσουλήθρες στις χειμερινές παγωμένες πόλεις.

Έτσι, η γνώση της ύπαρξης του φαινομένου επιτρέπει στους ανθρώπους να εξοικονομούν χρόνο όταν προετοιμάζουν τοποθεσίες για χειμερινά είδηΑθλητισμός

Επιπλέον, το φαινόμενο Mpemba χρησιμοποιείται μερικές φορές στη βιομηχανία για τη μείωση του χρόνου κατάψυξης προϊόντων, ουσιών και υλικών που περιέχουν νερό.

Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε το ερώτημα γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο νερό.

Το θερμαινόμενο νερό παγώνει πολύ πιο γρήγορα από το κρύο νερό! Αυτή η εκπληκτική ιδιότητα του νερού, για την οποία οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να βρουν ακριβή εξήγηση, είναι γνωστή από την αρχαιότητα. Για παράδειγμα, ακόμη και στον Αριστοτέλη υπάρχει μια περιγραφή του χειμερινού ψαρέματος: οι ψαράδες έβαζαν καλάμια ψαρέματος σε τρύπες στον πάγο και για να παγώσουν πιο γρήγορα, έριχναν ζεστό νερό στον πάγο. Αυτό το φαινόμενο πήρε το όνομά του από τον Erasto Mpemba στη δεκαετία του '60 του 20ου αιώνα. Ο Mnemba παρατήρησε ένα περίεργο αποτέλεσμα ενώ έφτιαχνε παγωτό και στράφηκε στον καθηγητή φυσικής του, τον Δρ Ντένις Όσμπορν, για μια εξήγηση. Ο Mpemba και ο Dr. Osborne πειραματίστηκαν με το νερό διαφορετικές θερμοκρασίεςκαι κατέληξε: το σχεδόν βραστό νερό αρχίζει να παγώνει πολύ πιο γρήγορα από το νερό σε θερμοκρασία δωματίου. Άλλοι επιστήμονες έκαναν τα δικά τους πειράματα και κάθε φορά έπαιρναν παρόμοια αποτελέσματα.

Εξήγηση ενός φυσικού φαινομένου

Δεν υπάρχει γενικά αποδεκτή εξήγηση για το γιατί συμβαίνει αυτό. Πολλοί ερευνητές προτείνουν ότι το όλο θέμα βρίσκεται στην υπερψύξη του υγρού, που συμβαίνει όταν η θερμοκρασία του πέσει κάτω από το σημείο πήξης. Με άλλα λόγια, εάν το νερό παγώσει σε θερμοκρασία κάτω των 0°C, τότε το υπερψυγμένο νερό μπορεί να έχει θερμοκρασία, για παράδειγμα, -2°C και να παραμείνει υγρό χωρίς να μετατραπεί σε πάγο. Όταν προσπαθούμε να παγώσουμε κρύο νερό, υπάρχει πιθανότητα να γίνει πρώτα υπερψυκτικό και να σκληρύνει μόνο μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. Άλλες διεργασίες συμβαίνουν σε θερμαινόμενο νερό. Η ταχύτερη μετατροπή του σε πάγο συνδέεται με τη μεταφορά.

Μεταγωγή- Αυτό φυσικό φαινόμενο, στο οποίο ανεβαίνουν τα θερμά κατώτερα στρώματα υγρού και τα ανώτερα, ψυχρά, πέφτουν.

Το φαινόμενο Mpemba ή γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο; Το φαινόμενο Mpemba (Mpemba Paradox) είναι ένα παράδοξο που δηλώνει ότι το ζεστό νερό κάτω από ορισμένες συνθήκες παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο νερό, αν και πρέπει να περάσει τη θερμοκρασία του κρύου νερού κατά τη διαδικασία κατάψυξης. Αυτό το παράδοξο είναι ένα πειραματικό γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις συνήθεις ιδέες, σύμφωνα με τις οποίες, υπό τις ίδιες συνθήκες, ένα πιο θερμαινόμενο σώμα χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να κρυώσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία από ένα λιγότερο θερμαινόμενο σώμα για να κρυώσει στην ίδια θερμοκρασία. Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε κάποτε από τον Αριστοτέλη, τον Φράνσις Μπέικον και τον Ρενέ Ντεκάρτ, αλλά μόλις το 1963 ο Τανζανός μαθητής Erasto Mpemba ανακάλυψε ότι ένα ζεστό μείγμα παγωτού παγώνει πιο γρήγορα από ένα κρύο. Ως μαθητής στο δευτεροβάθμιο σχολείο Magambi στην Τανζανία, ο Erasto Mpemba το έκανε πρακτική δουλειάστη μαγειρική. Χρειάστηκε να φτιάξει σπιτικό παγωτό - βράσει γάλα, διαλύσει τη ζάχαρη σε αυτό, το κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου και μετά το έβαλε στο ψυγείο να παγώσει. Προφανώς, ο Mpemba δεν ήταν ιδιαίτερα επιμελής μαθητής και καθυστέρησε να ολοκληρώσει το πρώτο μέρος της εργασίας. Φοβούμενος ότι δεν θα τα κατάφερνε μέχρι το τέλος του μαθήματος, έβαλε ακόμα ζεστό γάλα στο ψυγείο. Προς έκπληξή του, πάγωσε ακόμη νωρίτερα από το γάλα των συντρόφων του, παρασκευασμένο σύμφωνα με τη δεδομένη τεχνολογία. Μετά από αυτό, ο Mpemba πειραματίστηκε όχι μόνο με γάλα, αλλά και με συνηθισμένο νερό. Σε κάθε περίπτωση, ήδη ως μαθητής στο δευτεροβάθμιο σχολείο Mkwava, ρώτησε τον καθηγητή Dennis Osborne από το Πανεπιστημιακό Κολλέγιο στο Dar Es Salaam (προσκεκλημένος από τον διευθυντή του σχολείου να δώσει μια διάλεξη για τη φυσική στους μαθητές) συγκεκριμένα για το νερό: «Αν πάρετε δύο πανομοιότυπα δοχεία με ίσους όγκους νερού, έτσι ώστε στο ένα από αυτά το νερό να έχει θερμοκρασία 35°C και στο άλλο - 100°C, και βάλτε τα στην κατάψυξη και στη συνέχεια στο δεύτερο το νερό θα παγώσει πιο γρήγορα. Γιατί?" Ο Osborne άρχισε να ενδιαφέρεται για αυτό το θέμα και σύντομα, το 1969, αυτός και ο Mpemba δημοσίευσαν τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους στο περιοδικό Physics Education. Από τότε, το φαινόμενο που ανακάλυψαν ονομάζεται φαινόμενο Mpemba. Μέχρι τώρα, κανείς δεν ξέρει ακριβώς πώς να εξηγήσει αυτό το περίεργο αποτέλεσμα. Οι επιστήμονες δεν έχουν μια ενιαία εκδοχή, αν και υπάρχουν πολλές. Είναι όλα σχετικά με τη διαφορά στις ιδιότητες του ζεστού και κρύου νερού, αλλά δεν είναι ακόμη σαφές ποιες ιδιότητες παίζουν ρόλο σε αυτήν την περίπτωση: η διαφορά στην υπερψύξη, στην εξάτμιση, στο σχηματισμό πάγου, στη μεταφορά ή στην επίδραση των υγροποιημένων αερίων στο νερό διαφορετικές θερμοκρασίες. Το παράδοξο του φαινομένου Mpemba είναι ότι ο χρόνος κατά τον οποίο το σώμα κρυώνει σε θερμοκρασία περιβάλλον, πρέπει να είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ αυτού του σώματος και του περιβάλλοντος. Αυτός ο νόμος θεσπίστηκε από τον Νεύτωνα και έκτοτε έχει επιβεβαιωθεί πολλές φορές στην πράξη. Σε αυτό το φαινόμενο, το νερό με θερμοκρασία 100°C ψύχεται σε θερμοκρασία 0°C ταχύτερα από την ίδια ποσότητα νερού με θερμοκρασία 35°C. Ωστόσο, αυτό δεν συνεπάγεται ακόμη ένα παράδοξο, καθώς το φαινόμενο Mpemba μπορεί επίσης να εξηγηθεί εντός του πλαισίου διάσημος φυσικός. Ακολουθούν μερικές εξηγήσεις για το φαινόμενο Mpemba: Εξάτμιση Το ζεστό νερό εξατμίζεται πιο γρήγορα από ένα δοχείο, μειώνοντας έτσι τον όγκο του και ένας μικρότερος όγκος νερού στην ίδια θερμοκρασία παγώνει πιο γρήγορα. Το νερό που θερμαίνεται στους 100 C χάνει το 16% της μάζας του όταν ψύχεται στους 0 C. Το αποτέλεσμα της εξάτμισης είναι διπλό αποτέλεσμα. Πρώτον, η μάζα του νερού που απαιτείται για την ψύξη μειώνεται. Και δεύτερον, η θερμοκρασία μειώνεται λόγω του γεγονότος ότι μειώνεται η θερμότητα της εξάτμισης της μετάβασης από τη φάση του νερού στη φάση του ατμού. Διαφορά θερμοκρασίας Λόγω του γεγονότος ότι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ζεστού νερού και κρύου αέρα είναι μεγαλύτερη - εξ ου και η ανταλλαγή θερμότητας σε αυτό η υπόθεση πάει πιο έντονο και το ζεστό νερό κρυώνει πιο γρήγορα. Υποθερμία Όταν το νερό κρυώνει κάτω από τους 0 C, δεν παγώνει πάντα. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί να υποστεί υπερψύξη, συνεχίζοντας να παραμένει υγρό σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το νερό μπορεί να παραμείνει υγρό ακόμα και σε θερμοκρασία -20 C. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι ότι για να αρχίσουν να σχηματίζονται οι πρώτοι παγοκρύσταλλοι χρειάζονται κέντρα σχηματισμού κρυστάλλων. Εάν δεν υπάρχουν σε υγρό νερό, τότε η υπερψύξη θα συνεχιστεί έως ότου η θερμοκρασία πέσει αρκετά ώστε οι κρύσταλλοι να σχηματιστούν αυθόρμητα. Όταν αρχίσουν να σχηματίζονται στο υπερψυγμένο υγρό, θα αρχίσουν να αναπτύσσονται πιο γρήγορα, σχηματίζοντας λάσπη πάγο, ο οποίος θα παγώσει για να σχηματίσει πάγο. Το ζεστό νερό είναι πιο ευαίσθητο στην υποθερμία επειδή η θέρμανση απομακρύνει τα διαλυμένα αέρια και τις φυσαλίδες, οι οποίες με τη σειρά τους μπορούν να χρησιμεύσουν ως κέντρα για το σχηματισμό κρυστάλλων πάγου. Γιατί η υποθερμία κάνει το ζεστό νερό να παγώνει πιο γρήγορα; Στην περίπτωση του κρύου νερού που δεν υπερψύχεται, συμβαίνει το εξής. Σε αυτή την περίπτωση, ένα λεπτό στρώμα πάγου θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του σκάφους. Αυτό το στρώμα πάγου θα λειτουργήσει ως μονωτής μεταξύ του νερού και του κρύου αέρα και θα αποτρέψει την περαιτέρω εξάτμιση. Ο ρυθμός σχηματισμού κρυστάλλων πάγου σε αυτή την περίπτωση θα είναι χαμηλότερος. Στην περίπτωση του ζεστού νερού που υποβάλλεται σε υπερψύξη, το υπερψυκτικό νερό δεν έχει προστατευτικό επιφανειακό στρώμα πάγου. Επομένως, χάνει θερμότητα πολύ πιο γρήγορα μέσω της ανοιχτής κορυφής. Όταν η διαδικασία υπερψύξης τελειώσει και το νερό παγώσει, χάνεται πολύ περισσότερη θερμότητα και επομένως σχηματίζεται περισσότερος πάγος. Πολλοί ερευνητές αυτού του φαινομένου θεωρούν ότι η υποθερμία είναι ο κύριος παράγοντας στην περίπτωση του φαινομένου Mpemba. Συναγωγή Το κρύο νερό αρχίζει να παγώνει από πάνω, επιδεινώνοντας έτσι τις διαδικασίες ακτινοβολίας και μεταφοράς θερμότητας, και ως εκ τούτου την απώλεια θερμότητας, ενώ το ζεστό νερό αρχίζει να παγώνει από κάτω. Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από μια ανωμαλία στην πυκνότητα του νερού. Το νερό έχει μέγιστη πυκνότητα στους 4 C. Αν κρυώσετε το νερό στους 4 C και το βάλετε σε χαμηλότερη θερμοκρασία, το επιφανειακό στρώμα του νερού θα παγώσει πιο γρήγορα. Επειδή αυτό το νερό είναι λιγότερο πυκνό από το νερό σε θερμοκρασία 4 C, θα παραμείνει στην επιφάνεια, σχηματίζοντας ένα λεπτό ψυχρό στρώμα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ένα λεπτό στρώμα πάγου θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του νερού για μικρό χρονικό διάστημα, αλλά αυτό το στρώμα πάγου θα λειτουργήσει ως μονωτικό, προστατεύοντας τα κατώτερα στρώματα του νερού, τα οποία θα παραμείνουν σε θερμοκρασία 4 C. Επομένως, η περαιτέρω διαδικασία ψύξης θα είναι πιο αργή. Στην περίπτωση του ζεστού νερού, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Το επιφανειακό στρώμα του νερού θα κρυώσει πιο γρήγορα λόγω της εξάτμισης και μεγαλύτερη διαφοράθερμοκρασίες Επιπλέον, τα στρώματα κρύου νερού είναι πιο πυκνά από τα στρώματα ζεστού νερού, επομένως το στρώμα κρύου νερού θα βυθιστεί, ανεβάζοντας το στρώμα ζεστού νερού στην επιφάνεια. Αυτή η κυκλοφορία του νερού εξασφαλίζει ταχεία πτώση της θερμοκρασίας. Γιατί όμως αυτή η διαδικασία δεν φτάνει σε σημείο ισορροπίας; Για να εξηγήσουμε το φαινόμενο Mpemba από αυτήν την άποψη της μεταφοράς, θα ήταν απαραίτητο να υποθέσουμε ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα του νερού διαχωρίζονται και η ίδια η διαδικασία μεταφοράς συνεχίζεται μετά μέση θερμοκρασίατο νερό θα πέσει κάτω από τους 4 C. Ωστόσο, δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα που να επιβεβαιώνουν αυτή την υπόθεση ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα νερού διαχωρίζονται κατά τη διαδικασία της μεταφοράς. Αέρια διαλυμένα στο νερό Το νερό περιέχει πάντα αέρια διαλυμένα σε αυτό - οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτά τα αέρια έχουν την ικανότητα να μειώνουν το σημείο πήξης του νερού. Όταν το νερό θερμαίνεται, αυτά τα αέρια απελευθερώνονται από το νερό επειδή είναι η διαλυτότητά τους στο νερό υψηλή θερμοκρασίαπαρακάτω. Επομένως, όταν το ζεστό νερό ψύχεται, περιέχει πάντα λιγότερα διαλυμένα αέρια από ό,τι στο μη θερμαινόμενο κρύο νερό. Επομένως, το σημείο πήξης του θερμαινόμενου νερού είναι υψηλότερο και παγώνει πιο γρήγορα. Αυτός ο παράγοντας μερικές φορές θεωρείται ως ο κύριος στην εξήγηση του φαινομένου Mpemba, αν και δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα που να επιβεβαιώνουν αυτό το γεγονός. Θερμική αγωγιμότητα Αυτός ο μηχανισμός μπορεί να παίξει Σημαντικός ρόλοςόταν το νερό τοποθετείται στην κατάψυξη του θαλάμου ψυγείου σε μικρά δοχεία. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, έχει παρατηρηθεί ότι ένα δοχείο με ζεστό νερό λιώνει τον πάγο στον καταψύκτη από κάτω, βελτιώνοντας έτσι τη θερμική επαφή με το τοίχωμα του καταψύκτη και τη θερμική αγωγιμότητα. Ως αποτέλεσμα, η θερμότητα απομακρύνεται από ένα δοχείο ζεστού νερού γρηγορότερα παρά από ένα κρύο. Με τη σειρά του, ένα δοχείο με κρύο νερό δεν λιώνει το χιόνι από κάτω. Όλες αυτές (καθώς και άλλες) συνθήκες μελετήθηκαν σε πολλά πειράματα, αλλά μια σαφής απάντηση στο ερώτημα - ποιες από αυτές παρέχουν εκατό τοις εκατό αναπαραγωγή του φαινομένου Mpemba - δεν ελήφθη ποτέ. Για παράδειγμα, το 1995, ο Γερμανός φυσικός David Auerbach μελέτησε την επίδραση του υπερψυκτικού νερού σε αυτό το φαινόμενο. Ανακάλυψε ότι το ζεστό νερό, φτάνοντας σε μια υπερψυγμένη κατάσταση, παγώνει σε υψηλότερη θερμοκρασία από το κρύο νερό, και επομένως πιο γρήγορα από το τελευταίο. Αλλά το κρύο νερό φθάνει σε κατάσταση υπερψύξης γρηγορότερα από το ζεστό νερό, αντισταθμίζοντας έτσι την προηγούμενη καθυστέρηση. Επιπλέον, τα αποτελέσματα του Auerbach έρχονται σε αντίθεση με προηγούμενα δεδομένα ότι το ζεστό νερό ήταν σε θέση να επιτύχει μεγαλύτερη υπερψύξη λόγω λιγότερων κέντρων κρυστάλλωσης. Όταν το νερό θερμαίνεται, τα αέρια που είναι διαλυμένα σε αυτό απομακρύνονται από αυτό και όταν βράσει, καθιζάνουν κάποια άλατα που είναι διαλυμένα σε αυτό. Προς το παρόν, μόνο ένα πράγμα μπορεί να ειπωθεί - η αναπαραγωγή αυτού του αποτελέσματος εξαρτάται σημαντικά από τις συνθήκες υπό τις οποίες διεξάγεται το πείραμα. Ακριβώς γιατί δεν αναπαράγεται πάντα. O. V. Mosin

Εφέ MpembaΤο (Mpemba's Paradox) είναι ένα παράδοξο που δηλώνει ότι το ζεστό νερό κάτω από ορισμένες συνθήκες παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο, αν και πρέπει να περάσει τη θερμοκρασία του κρύου νερού κατά τη διαδικασία κατάψυξης. Αυτό το παράδοξο είναι ένα πειραματικό γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις συνήθεις ιδέες, σύμφωνα με τις οποίες, υπό τις ίδιες συνθήκες, ένα πιο θερμαινόμενο σώμα χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να κρυώσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία από ένα λιγότερο θερμαινόμενο σώμα για να κρυώσει στην ίδια θερμοκρασία.

Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε κάποτε από τον Αριστοτέλη, τον Φράνσις Μπέικον και τον Ρενέ Ντεκάρτ, αλλά μόλις το 1963 ο Τανζανός μαθητής Erasto Mpemba ανακάλυψε ότι ένα ζεστό μείγμα παγωτού παγώνει πιο γρήγορα από ένα κρύο.

Ως μαθητής στο γυμνάσιο Magambi στην Τανζανία, ο Erasto Mpemba έκανε πρακτική δουλειά ως μάγειρας. Χρειάστηκε να φτιάξει σπιτικό παγωτό - βράσει γάλα, διαλύσει τη ζάχαρη σε αυτό, το κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου και μετά το έβαλε στο ψυγείο να παγώσει. Προφανώς, ο Mpemba δεν ήταν ιδιαίτερα επιμελής μαθητής και καθυστέρησε να ολοκληρώσει το πρώτο μέρος της εργασίας. Φοβούμενος ότι δεν θα τα κατάφερνε μέχρι το τέλος του μαθήματος, έβαλε ακόμα ζεστό γάλα στο ψυγείο. Προς έκπληξή του, πάγωσε ακόμη νωρίτερα από το γάλα των συντρόφων του, παρασκευασμένο σύμφωνα με τη δεδομένη τεχνολογία.

Μετά από αυτό, ο Mpemba πειραματίστηκε όχι μόνο με γάλα, αλλά και με συνηθισμένο νερό. Σε κάθε περίπτωση, ήδη ως μαθητής στο δευτεροβάθμιο σχολείο Mkwava, ρώτησε τον καθηγητή Dennis Osborne από το Πανεπιστημιακό Κολλέγιο στο Dar Es Salaam (προσκεκλημένος από τον διευθυντή του σχολείου να δώσει μια διάλεξη για τη φυσική στους μαθητές) συγκεκριμένα για το νερό: «Αν πάρετε δύο πανομοιότυπα δοχεία με ίσους όγκους νερού, έτσι ώστε στο ένα από αυτά το νερό να έχει θερμοκρασία 35°C και στο άλλο - 100°C, και βάλτε τα στην κατάψυξη και στη συνέχεια στο δεύτερο το νερό θα παγώσει πιο γρήγορα. Γιατί?" Ο Osborne άρχισε να ενδιαφέρεται για αυτό το θέμα και σύντομα, το 1969, αυτός και ο Mpemba δημοσίευσαν τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους στο περιοδικό Physics Education. Από τότε, το αποτέλεσμα που ανακάλυψαν ονομάζεται Εφέ Mpemba.

Μέχρι τώρα, κανείς δεν ξέρει ακριβώς πώς να εξηγήσει αυτό το περίεργο αποτέλεσμα. Οι επιστήμονες δεν έχουν μια ενιαία εκδοχή, αν και υπάρχουν πολλές. Είναι όλα σχετικά με τη διαφορά στις ιδιότητες του ζεστού και κρύου νερού, αλλά δεν είναι ακόμη σαφές ποιες ιδιότητες παίζουν ρόλο σε αυτήν την περίπτωση: η διαφορά στην υπερψύξη, στην εξάτμιση, στο σχηματισμό πάγου, στη μεταφορά ή στην επίδραση των υγροποιημένων αερίων στο νερό διαφορετικές θερμοκρασίες.

Το παράδοξο του φαινομένου Mpemba είναι ότι ο χρόνος κατά τον οποίο ένα σώμα κρυώνει στη θερμοκρασία περιβάλλοντος πρέπει να είναι ανάλογος της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ αυτού του σώματος και του περιβάλλοντος. Αυτός ο νόμος θεσπίστηκε από τον Νεύτωνα και έκτοτε έχει επιβεβαιωθεί πολλές φορές στην πράξη. Σε αυτό το φαινόμενο, το νερό με θερμοκρασία 100°C ψύχεται σε θερμοκρασία 0°C ταχύτερα από την ίδια ποσότητα νερού με θερμοκρασία 35°C.

Ωστόσο, αυτό δεν συνεπάγεται ακόμη ένα παράδοξο, αφού το φαινόμενο Mpemba μπορεί να εξηγηθεί στο πλαίσιο της γνωστής φυσικής. Ακολουθούν μερικές εξηγήσεις για το φαινόμενο Mpemba:

Εξάτμιση

Το ζεστό νερό εξατμίζεται πιο γρήγορα από το δοχείο, μειώνοντας έτσι τον όγκο του και ένας μικρότερος όγκος νερού στην ίδια θερμοκρασία παγώνει πιο γρήγορα. Το νερό που θερμαίνεται στους 100 C χάνει το 16% της μάζας του όταν ψύχεται στους 0 C.

Το φαινόμενο εξάτμισης είναι διπλό αποτέλεσμα. Πρώτον, η μάζα του νερού που απαιτείται για την ψύξη μειώνεται. Και δεύτερον, η θερμοκρασία μειώνεται λόγω του γεγονότος ότι μειώνεται η θερμότητα της εξάτμισης της μετάβασης από τη φάση του νερού στη φάση του ατμού.

Διαφορά θερμοκρασίας

Λόγω του ότι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ζεστού και κρύου αέρα είναι μεγαλύτερη, επομένως η ανταλλαγή θερμότητας σε αυτή την περίπτωση είναι πιο έντονη και το ζεστό νερό ψύχεται πιο γρήγορα.

Υποθερμία

Όταν το νερό κρυώσει κάτω από τους 0 C, δεν παγώνει πάντα. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί να υποστεί υπερψύξη, συνεχίζοντας να παραμένει υγρό σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το νερό μπορεί να παραμείνει υγρό ακόμη και σε θερμοκρασία -20 C.

Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι ότι για να αρχίσουν να σχηματίζονται οι πρώτοι κρύσταλλοι πάγου χρειάζονται κέντρα σχηματισμού κρυστάλλων. Εάν δεν υπάρχουν σε υγρό νερό, τότε η υπερψύξη θα συνεχιστεί έως ότου η θερμοκρασία πέσει αρκετά ώστε οι κρύσταλλοι να σχηματιστούν αυθόρμητα. Όταν αρχίσουν να σχηματίζονται στο υπερψυγμένο υγρό, θα αρχίσουν να αναπτύσσονται πιο γρήγορα, σχηματίζοντας λάσπη πάγο, ο οποίος θα παγώσει για να σχηματίσει πάγο.

Το ζεστό νερό είναι πιο ευαίσθητο στην υποθερμία επειδή η θέρμανση απομακρύνει τα διαλυμένα αέρια και τις φυσαλίδες, οι οποίες με τη σειρά τους μπορούν να χρησιμεύσουν ως κέντρα για το σχηματισμό κρυστάλλων πάγου.

Γιατί η υποθερμία κάνει το ζεστό νερό να παγώνει πιο γρήγορα; Στην περίπτωση του κρύου νερού που δεν υπερψύχεται, συμβαίνει το εξής. Σε αυτή την περίπτωση, ένα λεπτό στρώμα πάγου θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του σκάφους. Αυτό το στρώμα πάγου θα λειτουργήσει ως μονωτής μεταξύ του νερού και του κρύου αέρα και θα αποτρέψει την περαιτέρω εξάτμιση. Ο ρυθμός σχηματισμού κρυστάλλων πάγου σε αυτή την περίπτωση θα είναι χαμηλότερος. Στην περίπτωση του ζεστού νερού που υποβάλλεται σε υπερψύξη, το υπερψυκτικό νερό δεν έχει προστατευτικό επιφανειακό στρώμα πάγου. Επομένως, χάνει θερμότητα πολύ πιο γρήγορα μέσω της ανοιχτής κορυφής.

Όταν η διαδικασία υπερψύξης τελειώσει και το νερό παγώσει, χάνεται πολύ περισσότερη θερμότητα και επομένως σχηματίζεται περισσότερος πάγος.

Πολλοί ερευνητές αυτού του φαινομένου θεωρούν ότι η υποθερμία είναι ο κύριος παράγοντας στην περίπτωση του φαινομένου Mpemba.

Μεταγωγή

Το κρύο νερό αρχίζει να παγώνει από πάνω, επιδεινώνοντας έτσι τις διαδικασίες ακτινοβολίας θερμότητας και μεταφοράς, και ως εκ τούτου την απώλεια θερμότητας, ενώ το ζεστό νερό αρχίζει να παγώνει από κάτω.

Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από μια ανωμαλία στην πυκνότητα του νερού. Το νερό έχει μέγιστη πυκνότητα στους 4 C. Αν κρυώσετε το νερό στους 4 C και το βάλετε σε χαμηλότερη θερμοκρασία, το επιφανειακό στρώμα του νερού θα παγώσει πιο γρήγορα. Επειδή αυτό το νερό είναι λιγότερο πυκνό από το νερό σε θερμοκρασία 4 C, θα παραμείνει στην επιφάνεια, σχηματίζοντας ένα λεπτό ψυχρό στρώμα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ένα λεπτό στρώμα πάγου θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του νερού σε σύντομο χρονικό διάστημα, αλλά αυτό το στρώμα πάγου θα χρησιμεύσει ως μονωτικό, προστατεύοντας τα κατώτερα στρώματα του νερού, τα οποία θα παραμείνουν σε θερμοκρασία 4 C. Επομένως, η περαιτέρω διαδικασία ψύξης θα είναι πιο αργή.

Στην περίπτωση του ζεστού νερού, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Το επιφανειακό στρώμα του νερού θα κρυώσει πιο γρήγορα λόγω της εξάτμισης και της μεγαλύτερης διαφοράς θερμοκρασίας. Επιπλέον, τα στρώματα κρύου νερού είναι πιο πυκνά από τα στρώματα ζεστού νερού, επομένως το στρώμα κρύου νερού θα βυθιστεί, ανεβάζοντας το στρώμα ζεστού νερού στην επιφάνεια. Αυτή η κυκλοφορία του νερού εξασφαλίζει ταχεία πτώση της θερμοκρασίας.

Γιατί όμως αυτή η διαδικασία δεν φτάνει σε σημείο ισορροπίας; Για να εξηγήσουμε το φαινόμενο Mpemba από αυτή την άποψη της μεταφοράς, θα ήταν απαραίτητο να υποθέσουμε ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα του νερού διαχωρίζονται και η ίδια η διαδικασία μεταφοράς συνεχίζεται αφού η μέση θερμοκρασία του νερού πέσει κάτω από τους 4 C.

Ωστόσο, δεν υπάρχουν πειραματικά στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτή την υπόθεση ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα νερού διαχωρίζονται με τη διαδικασία της μεταφοράς.

Αέρια διαλυμένα στο νερό

Το νερό περιέχει πάντα αέρια διαλυμένα σε αυτό - οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτά τα αέρια έχουν την ικανότητα να μειώνουν το σημείο πήξης του νερού. Όταν το νερό θερμαίνεται, αυτά τα αέρια απελευθερώνονται από το νερό επειδή η διαλυτότητά τους στο νερό είναι χαμηλότερη σε υψηλές θερμοκρασίες. Επομένως, όταν το ζεστό νερό ψύχεται, περιέχει πάντα λιγότερα διαλυμένα αέρια από ό,τι στο μη θερμαινόμενο κρύο νερό. Επομένως, το σημείο πήξης του θερμαινόμενου νερού είναι υψηλότερο και παγώνει πιο γρήγορα. Αυτός ο παράγοντας μερικές φορές θεωρείται ως ο κύριος στην εξήγηση του φαινομένου Mpemba, αν και δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα που να επιβεβαιώνουν αυτό το γεγονός.

Θερμική αγωγιμότητα

Αυτός ο μηχανισμός μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο όταν το νερό τοποθετείται στην κατάψυξη του θαλάμου ψυγείου σε μικρά δοχεία. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, έχει παρατηρηθεί ότι ένα δοχείο με ζεστό νερό λιώνει τον πάγο στον καταψύκτη από κάτω, βελτιώνοντας έτσι τη θερμική επαφή με το τοίχωμα του καταψύκτη και τη θερμική αγωγιμότητα. Ως αποτέλεσμα, η θερμότητα απομακρύνεται από ένα δοχείο ζεστού νερού γρηγορότερα παρά από ένα κρύο. Με τη σειρά του, ένα δοχείο με κρύο νερό δεν λιώνει το χιόνι από κάτω.

Όλες αυτές (καθώς και άλλες) συνθήκες μελετήθηκαν σε πολλά πειράματα, αλλά μια σαφής απάντηση στο ερώτημα - ποιες από αυτές παρέχουν εκατό τοις εκατό αναπαραγωγή του φαινομένου Mpemba - δεν ελήφθη ποτέ.

Για παράδειγμα, το 1995, ο Γερμανός φυσικός David Auerbach μελέτησε την επίδραση του υπερψυκτικού νερού σε αυτό το φαινόμενο. Ανακάλυψε ότι το ζεστό νερό, φτάνοντας σε μια υπερψυγμένη κατάσταση, παγώνει σε υψηλότερη θερμοκρασία από το κρύο νερό, και επομένως πιο γρήγορα από το τελευταίο. Αλλά το κρύο νερό φθάνει σε κατάσταση υπερψύξης γρηγορότερα από το ζεστό νερό, αντισταθμίζοντας έτσι την προηγούμενη καθυστέρηση.

Επιπλέον, τα αποτελέσματα του Auerbach έρχονται σε αντίθεση με προηγούμενα δεδομένα ότι το ζεστό νερό ήταν σε θέση να επιτύχει μεγαλύτερη υπερψύξη λόγω λιγότερων κέντρων κρυστάλλωσης. Όταν το νερό θερμαίνεται, τα αέρια που είναι διαλυμένα σε αυτό απομακρύνονται από αυτό και όταν βράσει, καθιζάνουν κάποια άλατα που είναι διαλυμένα σε αυτό.

Προς το παρόν, μόνο ένα πράγμα μπορεί να ειπωθεί - η αναπαραγωγή αυτού του αποτελέσματος εξαρτάται σημαντικά από τις συνθήκες υπό τις οποίες διεξάγεται το πείραμα. Ακριβώς γιατί δεν αναπαράγεται πάντα.