Külm vesi on jäätunud. Milline vesi külmub kiiremini: kuum või külm? Millest see oleneb

Vanas heas valemis H 2 O tundub, et saladusi pole. Kuid tegelikult on vesi - eluallikas ja maailma kuulsaim vedelik - täis palju mõistatusi, mida mõnikord isegi teadlased ei suuda lahendada.

Siin on 5 kõige huvitavamat fakti vee kohta:

1. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi

Võtke kaks anumat vett: valage ühte kuum vesi ja teise külm vesi ning asetage need sügavkülma. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, kuigi loogiliselt võttes oleks külm vesi pidanud esmalt jääks muutuma: kuum vesi peab ju esmalt jahtuma külma temperatuurini ja seejärel muutuma jääks, külm vesi aga ei pea jahtuma. Miks see juhtub?

1963. aastal märkas Tansaania keskkooli vanema astme õpilane Erasto B. Mpemba valmistatud jäätisesegu külmutades, et kuum segu tahkub sügavkülmas kiiremini kui külm. Kui noormees oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle vaid. Õnneks oli õpilane visa ja veenis õpetajat katset tegema, mis kinnitas tema avastust: teatud tingimustel külmub kuum vesi tõesti kiiremini kui külm vesi.

Nüüd nimetatakse seda nähtust, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, Mpemba efektiks. Tõsi, ammu enne teda märkisid seda vee ainulaadset omadust Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Teadlased ei mõista selle nähtuse olemust täielikult, selgitades seda kas hüpotermia, aurustumise, jää moodustumise, konvektsiooni või veeldatud gaaside mõjuga kuumale ja külmale veele.

Х.RU märkus teemale "Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi".

Kuna jahutusküsimused on meile, külmutusspetsialistidele, lähemal, siis lubame endal selle probleemi olemusse süveneda ja anname kaks arvamust sellise salapärase nähtuse olemuse kohta.

1. Washingtoni ülikooli teadlane on pakkunud seletuse Aristotelese ajast tuntud salapärasele nähtusele: miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi.

Nähtust, mida nimetatakse Mpemba efektiks, kasutatakse praktikas laialdaselt. Näiteks soovitavad eksperdid autojuhtidel valada talvel pesuri reservuaari pigem külma kui kuuma vett. Kuid mis selle nähtuse aluseks on, jäi pikka aega teadmata.

Dr Jonathan Katz Washingtoni ülikoolist uuris seda nähtust ja jõudis järeldusele, et selles mängivad olulist rolli vees lahustunud ained, mis kuumutamisel sadestuvad, edastab EurekAlert.

Lahustunud ainete all peab dr Katz silmas kõvas vees leiduvaid kaltsium- ja magneesiumvesinikkarbonaate. Vee kuumutamisel need ained sadestuvad, moodustades veekeetja seintele katlakivi. Vesi, mida pole kunagi kuumutatud, sisaldab neid lisandeid. Külmumisel ja jääkristallide moodustumisel suureneb lisandite kontsentratsioon vees 50 korda. See alandab vee külmumispunkti. "Ja nüüd peab vesi jahtuma, et külmuda," selgitab dr Katz.

On veel üks põhjus, mis takistab kuumutamata vee külmumist. Vee külmumistemperatuuri alandamine vähendab tahke ja vedela faasi temperatuuride erinevust. "Kuna sellest temperatuuride erinevusest sõltub vee soojuskao kiirus, jahtub soojendamata vesi väiksema tõenäosusega," ütleb dr Katz.

Teadlase sõnul saab tema teooriat katseliselt kontrollida, kuna. Mpemba efekt muutub tugevamaks kareda vee korral.

2. Hapnik pluss vesinik pluss külm tekitab jääd. Esmapilgul tundub see läbipaistev aine väga lihtne. Tegelikult on jää täis palju saladusi. Aafriklase Erasto Mpemba loodud jää hiilgusele ei mõelnud. Päevad olid kuumad. Ta tahtis popsi. Ta võttis karbi mahla ja pani selle sügavkülma. Ta tegi seda rohkem kui korra ja seetõttu märkas, et mahl külmub eriti kiiresti, kui seda enne seda päikese käes hoida - lihtsalt soojenda! See on kummaline, arvas Tansaania koolipoiss, kes käitus maise tarkuse vastaselt. Kas on võimalik, et selleks, et vedelik muutuks kiiremini jääks, tuleb seda esmalt ... kuumutada? Noormees oli nii üllatunud, et jagas oma oletust õpetajaga. Ta teatas sellest uudishimust ajakirjanduses.

See lugu juhtus 1960. aastatel. Nüüd on "Mpemba efekt" teadlastele hästi teada. Kuid see pealtnäha lihtne nähtus jäi pikaks ajaks saladuseks. Miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi?

Alles 1996. aastal leidis füüsik David Auerbach lahenduse. Sellele küsimusele vastamiseks viis ta läbi terve aasta kestnud katse: soojendas klaasis vett ja jahutas uuesti. Mida ta siis teada sai? Kuumutamisel vees lahustunud õhumullid aurustuvad. Gaasideta vesi külmub anuma seintele kergemini. "Loomulikult külmub ka kõrge õhusisaldusega vesi," ütleb Auerbach, "aga mitte nullkraadi juures, vaid ainult miinus nelja-kuue kraadi juures." Muidugi peate kauem ootama. Niisiis, kuum vesi külmub enne külma vett, see on teaduslik fakt.

Vaevalt leidub ainet, mis ilmuks meie silme ette sama kergesti kui jää. See koosneb ainult veemolekulidest - see tähendab elementaarmolekulidest, mis sisaldavad kahte vesinikuaatomit ja ühte hapnikku. Jää on aga võib-olla kõige salapärasem aine universumis. Teadlased ei ole siiani suutnud selgitada mõningaid selle omadusi.

2. Ülijahutus ja "välkkülmutamine".

Kõik teavad, et vesi muutub alati jääks, kui see jahtub 0 °C-ni... välja arvatud mõnel juhul! Selline juhtum on näiteks "ülijahutus", mis on väga puhta vee omadus jääda vedelaks ka siis, kui see jahutatakse alla külmumistemperatuuri. See nähtus saab võimalikuks tänu sellele, et keskkond ei sisalda kristallisatsioonikeskusi ega tuumasid, mis võiksid provotseerida jääkristallide teket. Ja nii jääb vesi vedelaks isegi siis, kui see jahutatakse temperatuurini alla null kraadi Celsiuse järgi. Kristalliseerumisprotsessi võivad käivitada näiteks gaasimullid, lisandid (reostus), anuma ebaühtlane pind. Ilma nendeta jääb vesi vedelaks. Kui kristalliseerumisprotsess algab, saate jälgida, kuidas ülijahtunud vesi muutub hetkega jääks.

Vaadake Phil Medina (www.mrsciguy.com) videot (2 901 Kb, 60 c) ja veenduge ise >>

Kommenteeri.Ülekuumutatud vesi jääb vedelaks ka siis, kui seda kuumutatakse üle keemistemperatuuri.

3. "Klaasist" vesi

Nimetage kiiresti ja kõhklemata, mitu erinevat olekut veel on?

Kui vastasid kolm (tahke, vedel, gaas), siis eksid. Teadlased eristavad vedelal kujul vähemalt 5 erinevat vee olekut ja 14 jää olekut.

Kas mäletate vestlust ülijahutatud vee kohta? Nii et hoolimata sellest, mida teete, muutub -38 ° C juures isegi puhtaim ülijahutatud vesi ootamatult jääks. Mis juhtub edasise vähenemisega

temperatuur? -120 °C juures hakkab veega juhtuma midagi kummalist: see muutub üliviskoosseks või viskoosseks, nagu melass, ja temperatuuril alla -135 °C muutub see "klaasjaks" või "klaasjaks" veeks - tahkeks aineks, milles kristalliline struktuur puudub.

4. Vee kvantomadused

Molekulaarsel tasandil on vesi veelgi üllatavam. 1995. aastal andis teadlaste läbiviidud neutronite hajumise katse ootamatu tulemuse: füüsikud leidsid, et veemolekulidele suunatud neutronid “näevad” oodatust 25% vähem vesiniku prootoneid.

Selgus, et ühe attosekundi (10 -18 sekundit) kiirusega toimub ebatavaline kvantefekt ja vee keemiline valem tavapärase valemi - H 2 O asemel muutub H 1,5 O!

5. Kas veel on mälu?

Homöopaatia, alternatiiv tavameditsiinile, väidab, et ravimi lahjendatud lahus võib kehale tervendavalt mõjuda ka siis, kui lahjendustegur on nii suur, et lahusesse ei jää muud üle kui veemolekulid. Homöopaatia pooldajad selgitavad seda paradoksi kontseptsiooniga, mida nimetatakse "veemäluks", mille kohaselt on vees molekulaarsel tasemel "mälu" ainest, mis on selles lahustunud ja säilitab pärast seda, kui see on lahustunud, algse kontsentratsiooniga lahuse omadused. sellesse jääb üks koostisosa molekul.

Belfasti Queeni ülikooli professori Madeleine Ennise juhitud rahvusvaheline teadlaste meeskond, kes kritiseeris homöopaatia põhimõtteid, viis 2002. aastal läbi eksperimendi, et see kontseptsioon lõplikult ümber lükata. Tulemus oli vastupidine. Pärast seda ütlesid teadlased, et nad suutsid tõestada "veemälu" efekti reaalsust. Sõltumatute ekspertide järelevalve all tehtud katsed aga tulemusi ei toonud. Vaidlused "veemälu" fenomeni olemasolu üle jätkuvad.

Veel on palju muid ebatavalisi omadusi, mida me selles artiklis ei käsitlenud.

Kirjandus.

1. 5 tõeliselt imelikku asja vee kohta / http://www.neatorama.com.
2. Vee mõistatus: loodi Aristotelese-Mpemba efekti teooria / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Elu looduse saladused. Universumi kõige salapärasem aine / http://www.bibliotekar.ru.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksander Firtsev

« Milline vesi külmub kiiremini külm või kuum?”- proovige esitada oma sõpradele küsimus, tõenäoliselt vastab enamik neist, et külm vesi külmub kiiremini - ja teeb vea.

Tegelikult, kui panna sügavkülma korraga kaks ühesuguse kuju ja mahuga anumat, millest üks sisaldab külma ja teine ​​kuuma vett, külmub kuum vesi kiiremini.

Selline väide võib tunduda absurdne ja ebamõistlik. Loogiliselt võttes peab kuum vesi esmalt jahtuma külma temperatuurini ja külm vesi peaks sel ajal juba jääks muutuma.

Miks ületab kuum vesi külmumise teel külma vee? Proovime selle välja mõelda.

Vaatluste ja uurimistöö ajalugu

Inimesed on paradoksaalset mõju täheldanud iidsetest aegadest peale, kuid keegi ei omistanud sellele erilist tähtsust. Nii märkisid Arestotel, aga ka Rene Descartes ja Francis Bacon oma märkmetes ebakõlasid külma ja kuuma vee külmumise kiiruses. Ebatavaline nähtus avaldus sageli igapäevaelus.

Pikka aega ei uuritud nähtust kuidagi ja see ei tekitanud teadlastes erilist huvi.

Ebatavalise efekti uurimine algas 1963. aastal, kui Tansaaniast pärit uudishimulik tudeng Erasto Mpemba märkas, et jäätise jaoks mõeldud kuum piim külmub kiiremini kui külm piim. Lootes saada selgitust ebatavalise efekti põhjuste kohta, küsis noormees koolis oma füüsikaõpetajalt. Õpetaja aga ainult naeris tema üle.

Hiljem kordas Mpemba katset, kuid oma katses ei kasutanud ta enam piima, vaid vett ning paradoksaalne efekt kordus uuesti.

Kuus aastat hiljem, 1969. aastal, esitas Mpemba selle küsimuse füüsikaprofessor Dennis Osborne’ile, kes tuli tema kooli. Professor tundis huvi noormehe vaatluse vastu, selle tulemusena viidi läbi eksperiment, mis kinnitas efekti olemasolu, kuid selle nähtuse põhjuseid ei tuvastatud.

Sellest ajast alates on nähtust nn Mpemba efekt.

Kogu teaduslike vaatluste ajaloo jooksul on nähtuse põhjuste kohta püstitatud palju hüpoteese.

Nii kuulutab Briti Kuninglik Keemia Selts 2012. aastal välja hüpoteeside konkursi Mpemba efekti selgitamiseks. Konkursil osalesid teadlased üle maailma, kokku registreeriti 22 000 teadustööd. Vaatamata muljetavaldavale artiklite arvule ei selgitanud ükski neist Mpemba paradoksi.

Levinum versioon oli, mille kohaselt kuum vesi külmub kiiremini, kuna see lihtsalt aurustub kiiremini, väheneb selle maht ja mahu vähenedes suureneb jahutuskiirus. Kõige levinum versioon lükati lõpuks ümber, kuna viidi läbi katse, milles aurustumine oli välistatud, kuid mõju leidis siiski kinnitust.

Teised teadlased arvasid, et Mpemba efekti põhjuseks on vees lahustunud gaaside aurustumine. Nende arvates aurustuvad kütteprotsessi käigus vees lahustunud gaasid, mille tõttu see omandab suurema tiheduse kui külm vesi. Nagu teada, põhjustab tiheduse suurenemine vee füüsikaliste omaduste muutumist (soojusjuhtivuse suurenemist) ja seega ka jahutuskiiruse suurenemist.

Lisaks on püstitatud mitmeid hüpoteese, mis kirjeldavad vee ringluse kiirust temperatuuri funktsioonina. Paljudes uuringutes on püütud tuvastada seost nende anumate materjali vahel, milles vedelik asus. Paljud teooriad tundusid vägagi usutavad, kuid neid ei saanud teaduslikult kinnitada esialgsete andmete puudumise, teiste katsete vastuolude tõttu või seetõttu, et tuvastatud tegurid ei olnud lihtsalt võrreldavad vesijahtumise kiirusega. Mõned teadlased seadsid oma töödes kahtluse alla efekti olemasolu.

2013. aastal väitsid Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadlased, et on lahendanud Mpemba efekti mõistatuse. Nende uurimuse järgi peitub nähtuse põhjus selles, et külma ja kuuma vee molekulide vahelistesse vesiniksidemetesse salvestatud energia hulk erineb oluliselt.

Arvutisimulatsioonimeetodid on näidanud järgmisi tulemusi: mida kõrgem on vee temperatuur, seda suurem on molekulide vaheline kaugus, kuna tõukejõud suurenevad. Järelikult venivad molekulide vesiniksidemed, salvestades rohkem energiat. Jahtumisel hakkavad molekulid üksteisele lähenema, vabastades vesiniksidemetest energiat. Sel juhul kaasneb energia vabanemisega temperatuuri langus.

2017. aasta oktoobris leidsid Hispaania füüsikud ühe teise uuringu käigus, et efekti tekkimisel mängib suurt rolli just aine eemaldamine tasakaalust (tugev kuumutamine enne tugevat jahutamist). Nad määrasid kindlaks tingimused, mille korral on efekti tõenäosus maksimaalne. Lisaks on Hispaania teadlased kinnitanud vastupidise Mpemba efekti olemasolu. Nad leidsid, et kuumutamisel võib külmem proov saavutada kõrge temperatuuri kiiremini kui soe.

Vaatamata ammendavale teabele ja arvukatele katsetele kavatsevad teadlased selle mõju uurimist jätkata.

Mpemba efekt päriselus

Kas olete kunagi mõelnud, miks talvel täitub uisuväljak kuuma veega, mitte külmaga? Nagu te juba aru saite, teevad nad seda seetõttu, et kuuma veega täidetud liuväli külmub kiiremini kui siis, kui see oleks täidetud külma veega. Samal põhjusel valatakse talviste jäälinnakute liumäed kuuma veega.

Seega võimaldavad teadmised nähtuse olemasolust inimestel talispordialade ettevalmistamisel aega kokku hoida.

Lisaks kasutatakse Mpemba efekti mõnikord ka tööstuses – vett sisaldavate toodete, ainete ja materjalide külmumisaja vähendamiseks.

Selles artiklis vaatleme, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi.

Kuumutatud vesi külmub palju kiiremini kui külm vesi! See vee hämmastav omadus, mille täpset seletust teadlased siiani ei leia, on tuntud juba iidsetest aegadest. Näiteks isegi Aristoteleses on talvise kalapüügi kirjeldus: kalurid pistsid õnge jää aukudesse ja et need kiiremini ära külmuks, kallasid jääle sooja vett. Selle nähtuse nimi sai nime Erasto Mpemba järgi XX sajandi 60ndatel. Mnemba märkas jäätise valmistamisel kummalist efekti ja pöördus selgituse saamiseks oma füüsikaõpetaja dr Denis Osborni poole. Mpemba ja dr Osborne katsetasid erinevatel temperatuuridel vett ja jõudsid järeldusele, et peaaegu keev vesi hakkab külmuma palju kiiremini kui vesi toatemperatuuril. Teised teadlased on teinud oma katseid ja iga kord on nad saanud sarnaseid tulemusi.

Füüsikalise nähtuse seletus

Puudub üldtunnustatud seletus, miks see juhtub. Paljud teadlased väidavad, et kõik on seotud vedeliku ülejahutusega, mis tekib siis, kui selle temperatuur langeb alla külmumispunkti. Ehk kui vesi külmub temperatuuril alla 0°C, siis ülejahutatud vee temperatuur võib olla näiteks -2°C ja jääda siiski vedelaks, ilma jääks muutumata. Kui proovime külma vett külmutada, on tõenäoline, et see jahtub alguses üle ja kõveneb alles mõne aja pärast. Kuumutatud vees toimuvad muud protsessid. Selle kiirem jääks muutumine on seotud konvektsiooniga.

Konvektsioon- See on füüsiline nähtus, mille korral vedeliku soojad alumised kihid tõusevad ja ülemised, jahutatud, langevad.

Mpemba efekt ehk miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Mpemba efekt (Mpemba paradoks) on 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. Igal juhul, olles juba Mkvava keskkooli üliõpilane, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professor Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsika loengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega nii, et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetate need sügavkülma, siis teises vesi külmub. 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 nimetatakse nende avastatud efekti Mpemba efektiks. 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 ja väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist. Aurustumise mõju on kahekordne. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee massi. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb. Temperatuuride erinevus Tänu sellele, et sooja vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem – seega on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini. Alajahutus Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõningatel juhtudel võib vesi jääda vedelaks ka temperatuuril -20 C. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide tekkekeskusi. 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. Alajahutusega kuuma vee korral ei ole alajahtunud vees kaitsvat jääpinda. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini. Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat. Konvektsioon Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samal ajal 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. , on edasine jahutusprotsess 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. Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast lähtudes võiks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C. Samas puuduvad katseandmed. mis kinnitaks seda hüpoteesi, et külma ja kuuma vee kihte 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 seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad. Soojusjuhtivus See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse sügavkülmikusse väikestes anumates. 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 muid) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – milline neist tagab 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 eelmise viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse selles 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

Mpemba efekt(Mpemba Paradoks) on paradoks, mis väidab, et teatud tingimustel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi, kuigi külmumise käigus peab see 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. Igal juhul, olles juba Mkvava keskkooli üliõpilane, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professor Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsika loengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega nii, et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetate need sügavkülma, siis teises vesi külmub. 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 asjaolust, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride erinevus on suurem - seega on 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. Alajahutusega kuuma vee korral ei ole alajahtunud vees kaitsvat jääpinda. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.

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

Paljud selle efekti 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. , on edasine jahutusprotsess 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.

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

Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid selle hüpoteesi toetuseks, et külm ja kuum veekiht eraldatakse konvektsiooniga.

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 seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse.

Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse selles 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.