Miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi?

Mis temperatuuril vesi külmub? Näib - kõige lihtsam küsimus, millele isegi laps saab vastata: vee külmumispunkt normaalsel atmosfäärirõhul 760 mmHg on null kraadi Celsiuse järgi.

Vesi (hoolimata selle äärmiselt laialdasest levikust meie planeedil) on aga kõige salapärasem ja mitte täielikult mõistetav aine, mistõttu sellele küsimusele vastamine nõuab üksikasjalikku ja argumenteeritud vestlust.

• Venemaal ja Euroopas mõõdetakse temperatuuri Celsiuse skaalal, mille kõrgeim väärtus on 100 kraadi.
• Ameerika teadlane Fahrenheit töötas välja oma 180 jaotusega skaala.
• On veel üks temperatuuri mõõtühik – kelvin, mis sai nime lord Kelvini tiitli saanud inglise füüsiku Thomsoni järgi.

Vee olekud ja liigid

Vesi planeedil Maa võib olla kolmes peamises agregatsiooniseisundis: vedel, tahke ja gaasiline, mis võivad muutuda erinevateks vormideks, mis eksisteerivad samaaegselt üksteisega (jäämäed merevees, veeaur ja jääkristallid taevas pilvedes, liustikud ja vabad). -voolavad jõed).

Sõltuvalt päritolu, eesmärgi ja koostise omadustest võib vesi olla:

• värske;
• mineraal;
• merendus;
• joomine (siin hõlmab kraanivett);
• vihm;
• sulatatud;
• riimjas;
• struktureeritud;
• destilleeritud;
• deioniseeritud.

Vesiniku isotoopide olemasolu muudab vee:

1. valgus;
2. raske (deuteerium);
3. üliraske (triitium).

Me kõik teame, et vesi võib olla pehme ja kõva: selle näitaja määrab magneesiumi- ja kaltsiumkatioonide sisaldus.

Igal meie loetletud veetüübil ja agregaadiolekul on oma külmumis- ja sulamistemperatuur.

Vee külmumispunkt

Miks vesi külmub? Tavaline vesi sisaldab alati mingis koguses mineraalse või orgaanilise päritoluga hõljuvaid osakesi. See võib olla väikseimad savi, liiva või majatolmu osakesed.

Kui ümbritseva õhu temperatuur langeb teatud väärtusteni, omandavad need osakesed tsentrite rolli, mille ümber hakkavad moodustuma jääkristallid.

Õhumullid, samuti praod ja kahjustused anuma seintel, milles vesi asub, võivad samuti muutuda kristalliseerumistuumadeks. Vee kristalliseerumise kiiruse määrab suuresti nende tsentrite arv: mida rohkem neid on, seda kiiremini vedelik külmub.

Normaaltingimustes (normaalsel atmosfäärirõhul) on vee faasisiirde temperatuur vedelikust tahkeks 0 kraadi Celsiuse järgi. Sellel temperatuuril külmub vesi tänaval.

Miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi?

Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi – seda nähtust märkas Tanganjika koolipoiss Erasto Mpemba. Tema katsed jäätise valmistamise massiga näitasid, et kuumutatud massi külmumiskiirus on palju suurem kui külmal.

Selle huvitava nähtuse, mida nimetatakse "Mpemba paradoksiks", üheks põhjuseks on kuuma vedeliku suurem soojusülekanne, aga ka külma veega võrreldes suurema hulga kristallisatsioonituumade olemasolu selles.

Kas vee külmumispunkt ja kõrgus merepinnast on omavahel seotud?

Rõhu muutumisel, mis on sageli seotud erinevatel kõrgustel viibimisega, hakkab vee külmumispunkt tavatingimustele iseloomulikust standardist radikaalselt erinema.
Vee kristalliseerumine kõrgusel toimub järgmistel temperatuuriväärtustel:

• paradoksaalselt külmub vesi 1000 m kõrgusel 2 kraadi Celsiuse järgi;
• 2000 meetri kõrgusel juhtub see juba 4 kraadi juures.

Vee kõrgeimat külmumistemperatuuri mägedes täheldatakse üle 5000 tuhande meetri kõrgusel (näiteks Fanni mägedes või Pamiiris).

Kuidas rõhk mõjutab vee kristalliseerumisprotsessi?

Proovime siduda vee külmumistemperatuuri muutuste dünaamikat rõhu muutustega.

• Rõhul 2 atm vesi külmub temperatuuril -2 kraadi.
• Rõhul 3 atm hakkab temperatuur -4 kraadi Celsiuse järgi vett külmuma.

Suurenenud rõhu korral väheneb vee kristalliseerumisprotsessi alguse temperatuur ja keemistemperatuur tõuseb. Madala rõhu korral saadakse diametraalselt vastupidine pilt.

Seetõttu on kõrgete mägede ja haruldase atmosfääri tingimustes isegi munade keetmine väga keeruline, kuna vesi keeb potis juba 80 kraadi juures. On selge, et sellel temperatuuril on lihtsalt võimatu toitu valmistada.

Kõrgel rõhul toimub jää sulamisprotsess uiskude labade all ka väga madalatel temperatuuridel, kuid just tänu sellele uisud jääpinnal libisevad.

Sarnaselt selgitatakse ka raskelt koormatud kelkude libisemiste külmumist Jack Londoni lugudes. Rasked kelgud, mis avaldavad lumele survet, panevad selle sulama. Saadud vesi hõlbustab nende libisemist. Kuid niipea, kui kelgud peatuvad ja pikka aega ühes kohas seisavad, külmutab väljatõrjutud vesi jäätudes libisemised teele.

Vesilahuste kristalliseerumistemperatuur

Olles suurepärane lahusti, reageerib vesi kergesti erinevate orgaaniliste ja anorgaaniliste ainetega, moodustades mõnikord ootamatute keemiliste ühendite massi. Muidugi külmub igaüks neist erinevatel temperatuuridel. Paneme selle visuaalsesse loendisse.

• Alkoholi ja vee segu külmumistemperatuur sõltub mõlema komponendi protsendist selles. Mida rohkem vett lahusele lisatakse, seda lähemal on selle külmumispunkt nullile. Kui lahuses on rohkem alkoholi, algab kristalliseerumisprotsess -114 kraadi lähedal.

  Oluline on teada, et vee-alkoholi lahustel ei ole fikseeritud külmumispunkti. Tavaliselt räägitakse kristallisatsiooniprotsessi alguse temperatuurist ja lõpliku tahkesse olekusse ülemineku temperatuurist.

  Esimeste kristallide moodustumise alguse ja alkoholilahuse täieliku tahkumise vahele jääb temperatuurivahemik 7 kraadi. Niisiis on 40% kontsentratsiooniga alkoholiga vee külmumistemperatuur algfaasis -22,5 kraadi ja lahuse lõplik üleminek tahkele faasile toimub -29,5 kraadi juures.

Vee külmumistemperatuur soolaga on tihedalt seotud selle soolsuse astmega: mida rohkem soola lahuses, seda madalamal on elavhõbedasamba asend see külmub.

Vee soolsuse mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalset mõõtühikut - "ppm". Niisiis oleme leidnud, et vee külmumispunkt väheneb soola kontsentratsiooni suurenedes. Selgitame seda näitega:

Ookeanivee soolsus on 35 ppm, külmumise keskmine väärtus on 1,9 kraadi. Musta mere vete soolsusaste on 18-20 ppm, mistõttu need külmuvad kõrgemal temperatuuril vahemikus -0,9 kuni -1,1 kraadi Celsiuse järgi.

• Vee külmumistemperatuur suhkruga (lahusel, mille molaalsus on 0,8) on -1,6 kraadi.
• Lisanditega vee külmumistemperatuur sõltub suuresti nende kogusest ja vesilahuses olevate lisandite olemusest.
• Vee külmumistemperatuur glütseriiniga sõltub lahuse kontsentratsioonist. 80 ml glütseriini sisaldav lahus külmub -20 kraadi juures, glütseroolisisalduse vähendamisel 60 ml-ni algab -34 kraadi juures kristalliseerumisprotsess ja 20% lahuse külmumise alguseks on miinus viis kraadi. Nagu näete, ei ole antud juhul lineaarset seost. 10% glütseriini lahuse külmutamiseks piisab temperatuurist -2 kraadi.
• Vee külmumistemperatuur soodaga (see tähendab söövitavat leelist või seebikivi) annab veelgi salapärasema pildi: 44% söövitav lahus külmub +7 kraadi juures ja 80% + 130 kraadi juures.

Värske vee külmutamine

Jää moodustumise protsess mageveereservuaarides toimub veidi erinevas temperatuurirežiimis.

• Järve vee külmumispunkt, nagu ka jõe vee külmumispunkt, on null kraadi Celsiuse järgi. Kõige puhtamate jõgede ja ojade jäätumine ei alga mitte pinnalt, vaid põhjast, millel on põhjamudaosakeste kujul kristallisatsioonituumad. Algul kaetakse nälkjad ja veetaimed jääkoorikuga. Niipea, kui põhjajää pinnale tõuseb, jäätub jõgi hetkega läbi.
• Baikali järve külmunud vesi võib mõnikord jahtuda negatiivse temperatuurini. See juhtub ainult madalas vees; veetemperatuur võib sel juhul olla tuhandikud ja mõnikord ka sajandik kraadi alla nulli.
• Baikali vee temperatuur jääkatte maakoore all ei ületa reeglina +0,2 kraadi. Alumistes kihtides tõuseb see sügavaima basseini põhjas järk-järgult +3,2-ni.

Destilleeritud vee külmumistemperatuur

Kas destilleeritud vesi külmub? Tuletage meelde, et vee külmumiseks peavad selles olema mõned kristallisatsioonikeskused, milleks võivad olla õhumullid, hõljuvad osakesed, aga ka selle mahuti seinte kahjustused, milles see asub.

Destilleeritud vesi, millel puuduvad täielikult lisandid, ei sisalda kristallisatsioonituumasid ja seetõttu algab selle külmumine väga madalatel temperatuuridel. Destilleeritud vee esialgne külmumistemperatuur on -42 kraadi. Teadlastel õnnestus saavutada destilleeritud vee ülejahutus -70 kraadini.

Vett, mis on kokku puutunud väga madalatel temperatuuridel, kuid mis ei ole kristalliseerunud, nimetatakse "ülejahutatud". Võite panna pudeli destilleeritud vett sügavkülma, jahutada seda üle ja seejärel demonstreerida väga tõhusat nippi – vaadake videot:

Külmkapist võetud pudelile õrnalt koputades või sinna väikest jäätükki visates saad näidata, kuidas see hetkega jääks muutub, mis näeb välja nagu piklikud kristallid.

Destilleeritud vesi: kas see puhastatud aine külmub või mitte rõhu all? Selline protsess on võimalik ainult spetsiaalselt loodud laboritingimustes.

Soolase vee külmumispunkt

Kumb vesi külmub kiiremini, kas kuum või külm, seda mõjutavad paljud tegurid, kuid küsimus ise tundub veidi kummaline. Eeldatakse ja füüsikast on teada, et kuum vesi vajab jääks muutumiseks veel aega, et jahtuda võrreldava külma vee temperatuurini. selle etapi saab vahele jätta ja vastavalt sellele aja jooksul see võidab.

Kuid vastust küsimusele, milline vesi külmub pakasega tänaval kiiremini - külm või kuum, teab iga põhjapoolsete laiuskraadide elanik. Tegelikult tuleb teaduslikult välja, et igal juhul peab külm vesi lihtsalt kiiremini külmuma.

Nii tegi ka füüsikaõpetaja, kelle poole pöördus 1963. aastal koolipoiss Erasto Mpemba palvega selgitada, miks tulevase jäätise külm segu külmub kauem kui sarnane, kuid kuum.

"See pole maailma füüsika, vaid mingi Mpemba füüsika"

Toona õpetaja ainult naeris selle peale, aga füüsikaprofessor Deniss Osborne, kes omal ajal käis samas koolis, kus Erasto õppis, kinnitas katseliselt sellise efekti olemasolu, kuigi seletusi sellele siis polnud. . 1969. aastal avaldas populaarteaduslik ajakiri kahe mehe ühise artikli, kes kirjeldasid seda omapärast efekti.

Sellest ajast peale, muide, on küsimusel, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm, oma nimetus - efekt või paradoks, Mpemba.

Küsimus on olnud juba pikka aega

Loomulikult on sellist nähtust varemgi esinenud ja seda on mainitud ka teiste teadlaste töödes. See küsimus ei huvitanud mitte ainult koolipoissi, vaid omal ajal mõtlesid sellele Rene Descartes ja isegi Aristoteles.

Selliseid lähenemisviise selle paradoksi lahendamiseks hakati vaatlema alles kahekümnenda sajandi lõpus.

Tingimused paradoksi tekkimiseks

Nagu jäätise puhul, ei külmu katse käigus lihtsalt tavaline vesi. Selleks, et hakata vaidlema, kumb vesi külmub kiiremini - külm või kuum, peavad olema teatud tingimused. Mis seda protsessi mõjutab?

Nüüd, 21. sajandil, on välja pakutud mitu võimalust, mis võivad seda paradoksi selgitada. Milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, võib sõltuda sellest, et selle aurustumiskiirus on kõrgem kui külmal. Seega selle maht väheneb ja mahu vähenemisel muutub külmumisaeg lühemaks kui siis, kui võtaksime sarnase algmahu külma vett.

Sügavkülmik on juba ammu sulanud

Milline vesi külmub kiiremini ja miks, seda võib mõjutada eksperimendis kasutatud külmiku sügavkülmikus esineda võiv lumevooder. Kui võtta kaks mahult identset anumat, kuid ühes neist on kuum vesi ja teises külm vesi, sulatab kuuma veega anum enda all oleva lume, parandades seeläbi termilise taseme kontakti külmiku seinaga. Külma vee anum ei suuda seda teha. Kui külmkapis sellist lumega vooderdust pole, peaks külm vesi kiiremini külmuma.

Ülemine - alumine

Samuti selgitatakse nähtust, mille kohaselt vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt, järgmiselt. Teatud seaduspärasusi järgides hakkab külm vesi jäätuma ülemistest kihtidest, kui kuum vesi teeb seda vastupidi - hakkab külmuma alt üles. Selgub, et külm vesi, mille peal on külm kiht, mille peal on kohati juba tekkinud jää, halvendab seega konvektsiooni ja soojuskiirguse protsesse, selgitades sellega, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum. Lisatud on foto amatöörkatsetest ja siin on see selgelt nähtav.

Kuumus kustub, kaldudes ülespoole, ja seal kohtub see väga jaheda kihiga. Soojuskiirgusele pole vaba teed, mistõttu jahutusprotsess muutub keeruliseks. Kuuma vee teel pole selliseid tõkkeid. Kumb külmub kiiremini - külm või kuum, millest sõltub tõenäoline tulemus, saate vastust laiendada, öeldes, et igas vees on teatud aineid lahustunud.

Lisandid vee koostises kui tulemust mõjutav tegur

Kui mitte petta ja kasutada sama koostisega vett, kus teatud ainete kontsentratsioonid on identsed, siis külm vesi peaks külmuma kiiremini. Kuid kui tekib olukord, kus lahustunud keemilisi elemente leidub ainult kuumas vees, samas kui külmas vees neid ei ole, on kuumal veel võimalus külmuda varem. Seda seletatakse asjaoluga, et vees lahustunud ained loovad kristallisatsioonikeskused ja nende tsentrite vähese arvu korral on vee muutmine tahkeks olekuks keeruline. Isegi vee ülejahutamine on võimalik selles mõttes, et miinustemperatuuril on see vedelas olekus.

Kuid kõik need versioonid ilmselt teadlastele lõpuni ei sobinud ja nad jätkasid selle probleemi kallal tööd. 2013. aastal ütles Singapuri teadlaste meeskond, et nad on lahendanud igivana mõistatuse.

Rühm Hiina teadlasi väidab, et selle efekti saladus peitub energia hulgas, mis salvestub veemolekulide vahele selle sidemetes, mida nimetatakse vesiniksidemeteks.

Hiina teadlaste vastus

Järgneb lisateave, mille mõistmiseks on vaja mõningaid teadmisi keemiast, et aru saada, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Nagu teate, koosneb see kahest H (vesiniku) aatomist ja ühest O (hapniku) aatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed.

Kuid ühe molekuli vesinikuaatomeid tõmbavad ka naabermolekulid, nende hapnikukomponent. Neid sidemeid nimetatakse vesiniksidemeteks.

Samas tasub meeles pidada, et samal ajal mõjuvad veemolekulid üksteisele tõrjuvalt. Teadlased märkisid, et kui vett kuumutatakse, suureneb selle molekulide vaheline kaugus ja seda soodustavad tõrjuvad jõud. Selgub, et külmas olekus molekulide vahel ühe vahemaa hõivamisel võib öelda, et need venivad ja neil on suurem energiavarustus. Just see energiavaru vabaneb siis, kui veemolekulid hakkavad üksteisele lähenema, st toimub jahtumine. Selgub, et suurem energiavaru kuumas vees ja selle suurem vabanemine miinustemperatuurini jahutamisel toimub kiiremini kui külmas vees, mille energiavaru on väiksem. Niisiis, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum? Tänaval ja laboris peaks tekkima Mpemba paradoks ja kuum vesi peaks muutuma kiiremini jääks.

Kuid küsimus on endiselt lahtine

Sellel vihjel on vaid teoreetiline kinnitus – kõik see on ilusate valemitega kirja pandud ja tundub usutav. Kuid kui katseandmed, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm, asetatakse praktilisse tähendusse ja esitatakse nende tulemused, siis on võimalik Mpemba paradoksi küsimust lõpetatuks lugeda.

Mpemba efekt(Mpemba paradoks) - paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi see peab külmumise käigus läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt vajab kuumem keha samades tingimustes teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui jahedam keha sama temperatuurini jahtumiseks.

Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm.

Erasto Mpemba õppis Tansaanias Magambini keskkoolis praktilist kokatööd. Ta pidi valmistama isetehtud jäätist - keetma piima, lahustama selles suhkur, jahutama toatemperatuurini ja panema siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja venitas ülesande esimese osaga. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi.

Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igatahes, olles juba Mkwawa keskkooli tudeng, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professorilt Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsikaloengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega, nii et ühes neist oleks vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks? Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldasid nad koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nn Mpemba efekt.

Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid.

Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peab olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sama efektiga jahtub vesi temperatuuril 100 °C kiiremini 0 °C-ni kui sama kogus vett 35 °C juures.

See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada ka tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:

Aurustumine

Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist.

Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee massi. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.

temperatuuri erinevus

Tulenevalt sellest, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem – seega soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.

hüpotermia

Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi -20 C juures.

Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui need ei ole vedelas vees, jätkub ülejahutamine, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmub jääks.

Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine kõrvaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.

Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Alajahutust läbiva kuuma vee korral ei ole alajahtunud veel kaitsev pinnakiht jääst. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu palju kiiremini soojust.

Kui ülejahutusprotsess lõppeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd.

Paljud selle mõju uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.

Konvektsioon

Külm vesi hakkab ülevalt külmuma, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt.

Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , edasine jahutamine on aeglasem.

Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Samuti on külmaveekihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külmaveekiht vajub allapoole, tõstes sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.

Aga miks see protsess tasakaalupunkti ei jõua? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast oleks vaja eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.

Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külma ja kuuma veekihti eraldab konvektsioon.

vees lahustunud gaasid

Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumispunkti. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees kõrgel temperatuuril on madalam. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi selle fakti kinnitamiseks puuduvad eksperimentaalsed andmed.

Soojusjuhtivus

See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikusse sügavkülma. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust soojus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata enda all lund.

Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – millised neist tagavad Mpemba efekti 100% taasesituse – pole saadud.

Nii näiteks uuris saksa füüsik David Auerbach 1995. aastal vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seetõttu kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelneva viivituse.

Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.

Seni saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.

O. V. Mosin

Kirjanduslikallikatest:

"Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see nii teeb?", Jearl Walker ajakirjas The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, lk 246–257; september 1977.

"Kuuma ja külma vee külmutamine", G.S. Kell ajakirjas American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, lk 564–565; mai 1969.

"Supercooling and the Mpemba efekt", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, lk 882–885; oktoober 1995.

"Mpemba efekt: kuuma ja külma vee külmumisajad", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, lk 524; mai, 1996.

Vesi on üks hämmastavamaid vedelikke maailmas, millel on ebatavalised omadused. Näiteks jääl – vedelal tahkel olekus – erikaal on väiksem kui vee enda oma, mis tegi elu tekke ja arengu Maal paljuski võimalikuks. Lisaks arutletakse teaduslähedases ja tegelikult ka teadusmaailmas selle üle, kumb vesi külmub kiiremini – kuum või külm. Kes tõestab kuuma vedeliku kiiremat külmumist teatud tingimustel ja põhjendab oma otsust teaduslikult, saab Briti Kuningliku Keemikute Ühingu auhinna 1000 naela.

Taust

Asjaolu, et paljudes tingimustes on kuum vesi külmumiskiiruselt külmast ees, märgati juba keskajal. Francis Bacon ja René Descartes on selle nähtuse selgitamiseks palju vaeva näinud. Klassikalise soojustehnika seisukohalt ei saa seda paradoksi aga seletada ja seda üritati häbelikult maha vaikida. Vaidluse jätkamise tõukejõuks sai üks veidi kurioosne lugu, mis juhtus Tansaania koolipoiss Erasto Mpembaga (Erasto Mpemba) 1963. aastal. Kord ühes kokakoolis magustoidu valmistamise tunnis ei jõudnud muust segatud poisil jäätisesegu õigel ajal maha jahutada ja kuuma piimaga suhkrulahust sügavkülma panna. Tema üllatuseks jahtus toode mõnevõrra kiiremini kui tema kaaspraktikud, kes jälgisid jäätise valmistamise temperatuurirežiimi.

Püüdes mõista nähtuse olemust, pöördus poiss füüsikaõpetaja poole, kes detailidesse laskumata naeruvääristas tema kulinaarseid katsetusi. Erasto aga paistis silma kadestamisväärse visadusega ja jätkas katseid mitte enam piima, vaid vee peal. Ta jälgis, et mõnel juhul külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi.

Dar es Salaami ülikooli astudes osales Erasto Mpembe professor Dennis G. Osborne’i loengus. Pärast kooli lõpetamist hämmastas tudeng teadlast vee külmumiskiiruse probleemiga sõltuvalt selle temperatuurist. DG Osborne naeruvääristas küsimuse püstitamist, kinnitades, et iga kaotaja teab, et külm vesi külmub kiiremini. Küll aga andis tunda noormehe loomulik visadus. Ta vedas professoriga kihla, pakkudes siin, laboris, eksperimentaalset katset läbi viia. Erasto pani sügavkülma kaks anumat veega, ühe 35 °C (95 °F) ja teise 100 °C (212 °F) juurde. Mis oli professori ja ümberkaudsete "fännide" üllatus, kui teises anumas vesi kiiremini külmus. Sellest ajast alates on seda nähtust kutsutud "Mpemba paradoksiks".

Kuid siiani pole ühtset teoreetilist hüpoteesi, mis selgitaks "Mpemba paradoksi". Pole selge, millised välistegurid, vee keemiline koostis, lahustunud gaaside ja mineraalide olemasolu selles, mõjutavad vedelike külmumise kiirust erinevatel temperatuuridel. "Mpemba efekti" paradoks seisneb selles, et see läheb vastuollu ühe I. Newtoni avastatud seadusega, mis väidab, et vee jahtumisaeg on otseselt võrdeline vedeliku ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Ja kui kõik muud vedelikud alluvad täielikult sellele seadusele, on vesi mõnel juhul erand.

Miks kuum vesi külmub kiiremini?t

Selle kohta, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, on mitu versiooni. Peamised neist on:

• kuum vesi aurustub kiiremini, samal ajal kui selle maht väheneb ja väiksem kogus vedelikku jahtub kiiremini - kui vesi jahutatakse temperatuurilt + 100 ° C kuni 0 ° C, ulatuvad mahukadud atmosfäärirõhul 15% -ni;
• vedeliku ja keskkonna vahelise soojusvahetuse intensiivsus on seda suurem, seda suurem on temperatuuride erinevus, mistõttu keeva vee soojuskadu möödub kiiremini;
• kuuma vee jahtumisel moodustub selle pinnale jääkoorik, mis ei lase vedelikul täielikult külmuda ja aurustuda;
• vee kõrgel temperatuuril toimub selle konvektsiooniga segunemine, mis vähendab külmumisaega;
• vees lahustunud gaasid alandavad külmumistemperatuuri, võttes energiat kristallide tekkeks - kuumas vees lahustunud gaase pole.

Kõiki neid tingimusi on korduvalt katseliselt kontrollitud. Eelkõige avastas Saksa teadlane David Auerbach, et kuuma vee kristalliseerumistemperatuur on veidi kõrgem kui külma vee oma, mis võimaldab esimest kiiremini külmutada. Hiljem aga kritiseeriti tema katseid ja paljud teadlased on veendunud, et "Mpemba efekti", mille kohta vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt, saab reprodutseerida ainult teatud tingimustel, mida keegi pole seni otsinud ja konkretiseerinud.

Aurutamise, jahutamise ja kondenseerumise teel puhastatud vedelikul on erilised füüsikalised omadused. Soovitatav on seda kasutada küttesüsteemis, kuna seal ei ole soolasid ega hapnikku. Sellel on positiivne mõju seadmete töö kestusele.

Kuid paljusid huvitab küsimus, kas destilleeritud vesi külmub temperatuuril alla 0 ˚ C?

Kodus on lihtne katse läbi viia ja sellele küsimusele vastus saada. Näeme, et 0˚ C juures jääb see vedelaks. Isegi kui alandame temperatuuri, ei muutu selle füüsikaline olek.

Niisiis, mis temperatuuril vesi külmub?

Destilleeritud vee huvitavat omadust täheldatakse negatiivsel temperatuuril. Kui langetate sellesse jäätüki, lund, õhku või tolmu, ilmuvad kogu mahus koheselt kristallid.

See on tingitud asjaolust, et kraaniveel on palju kristallisatsioonikeskusi: soolad, sees olev õhk, anuma pind jne. Puhastatud vedelikel selliseid keskusi pole. Tänu sellele võib see oluliselt ülejahtuda.

Füüsikaseadused ütlevad, et mida rohkem vedelikku lisanditest puhastatakse, seda madalam on tahkesse olekusse ülemineku lävi.

Destilleeritud vesi külmub temperatuuril -10˚C ja alla selle. See seletab selle eelist teiste jahutusvedelike ees kütteperioodil. Selle omaduse tõttu võib see ruumi soojendamisel konkureerida antifriisiga.

Samal ajal on teiste jahutusvedelike ees mitmeid täiendavaid eeliseid:

1. ökoloogiline puhtus;
2. ohutus inimeste elule ja tervisele;
3. ettevaatlik suhtumine torudesse;
4. kasutusmugavus;
5. kättesaadavus.

Nüüd teate, et destilleeritud vesi külmub temperatuuril alla 10 kraadi, nii et võite olla oma küttesüsteemi suhtes rahulik.

Loodame, et artikkel oli teile kasulik. Oleme tänulikud, kui jagate seda sotsiaalvõrgustikes.

Head päeva!

Loe ka:

Küttesüsteemi soojuskandja – mida tänapäeval kasutatakse?
Veeküte eramajas - selle rakendamise tehnoloogia
Veepump kütteks: tööpõhimõte ja paigaldus