Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Na kojoj temperaturi se voda smrzava? Čini se - najjednostavnije pitanje na koje čak i dijete može odgovoriti: ledište vode pri normalnom atmosferskom tlaku od 760 mmHg je nula stupnjeva Celzijusa.

Međutim, voda je (unatoč iznimno širokoj rasprostranjenosti na našem planetu) najtajanstvenija i nedovoljno shvaćena tvar, pa odgovor na ovo pitanje zahtijeva detaljnu i obrazloženu raspravu.

• U Rusiji i Europi temperatura se mjeri na Celzijevoj ljestvici, čija je najviša vrijednost 100 stupnjeva.
• Američki znanstvenik Fahrenheit razvio je vlastitu ljestvicu sa 180 podjela.
• Postoji još jedna jedinica za mjerenje temperature - kelvin, nazvana po engleskom fizičaru Thomsonu, koji je dobio titulu Lorda Kelvina.

Stanja i vrste vode

Voda na planeti Zemlji može imati tri glavna agregatna stanja: tekuće, kruto i plinovito, koji se mogu transformirati u različite oblike koji istovremeno koegzistiraju jedni s drugima (sante leda u morskoj vodi, vodena para i kristali leda u oblacima na nebu, ledenjaci i slobodni - tekuće rijeke).

Ovisno o karakteristikama podrijetla, namjeni i sastavu, voda može biti:

• svježe;
• mineral;
• pomorski;
• piće (ovdje uključujemo vodu iz slavine);
• kiša;
• odmrznuti;
• bočat;
• strukturiran;
• destiliran;
• deionizirani.

Prisutnost izotopa vodika čini vodu:

1. svjetlo;
2. teški (deuterij);
3. superteški (tricij).

Svi znamo da voda može biti meka i tvrda: ovaj pokazatelj određuje sadržaj kationa magnezija i kalcija.

Svaka od vrsta i agregatnih stanja vode koje smo naveli ima svoju točku smrzavanja i taljenja.

Točka smrzavanja vode

Zašto se voda smrzava? Obična voda uvijek sadrži određenu količinu suspendiranih čestica mineralnog ili organskog porijekla. To mogu biti najsitnije čestice gline, pijeska ili kućne prašine.

Kada temperatura okoline padne na određene vrijednosti, te čestice preuzimaju ulogu središta oko kojih se počinju formirati kristali leda.

Mjehurići zraka, kao i pukotine i oštećenja na stijenkama posude u kojoj se nalazi voda, također mogu postati jezgre kristalizacije. Brzina kristalizacije vode uvelike je određena brojem ovih centara: što ih je više, tekućina se brže smrzava.

U normalnim uvjetima (pri normalnom atmosferskom tlaku) temperatura faznog prijelaza vode iz tekućeg u čvrsto stanje je 0 stupnjeva Celzija. Na ovoj temperaturi voda se smrzava na ulici.

Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Topla voda se smrzava brže od hladne - ovu pojavu primijetio je Erasto Mpemba, školarac iz Tanganyike. Njegovi eksperimenti s masom za pravljenje sladoleda pokazali su da je brzina smrzavanja zagrijane mase mnogo veća od one hladne.

Jedan od razloga za ovu zanimljivu pojavu, nazvanu "Mpemba paradoks", je veći prijenos topline vruće tekućine, kao i prisutnost većeg broja kristalizacijskih jezgri u njoj u odnosu na hladnu vodu.

Jesu li ledište vode i nadmorska visina povezani?

S promjenom tlaka, često povezana s različitim visinama, točka smrzavanja vode počinje se radikalno razlikovati od standardne, karakteristične za normalne uvjete.
Kristalizacija vode na visini događa se pri sljedećim temperaturnim vrijednostima:

• paradoksalno, na visini od 1000 m voda se smrzava na 2 stupnja Celzijusa;
• na visini od 2000 metara, to se događa već na 4 stupnja Celzijusa.

Najviša temperatura smrzavanja vode u planinama opaža se na nadmorskoj visini od preko 5000 tisuća metara (na primjer, u planinama Fann ili Pamiru).

Kako pritisak utječe na proces kristalizacije vode?

Pokušajmo povezati dinamiku promjena u točki smrzavanja vode s promjenama tlaka.

• Pri tlaku od 2 atm voda će se smrznuti na temperaturi od -2 stupnja.
• Pri tlaku od 3 atm, temperatura od -4 Celzijeva stupnja počet će smrzavati vodu.

S povećanim tlakom, temperatura početka procesa kristalizacije vode opada, a vrelište raste. Pri niskom tlaku dobiva se dijametralno suprotna slika.

Zato je u uvjetima visokih planina i razrijeđene atmosfere vrlo teško kuhati čak i jaja, jer voda u loncu ključa već na 80 stupnjeva. Jasno je da je na ovoj temperaturi jednostavno nemoguće kuhati hranu.

Pri visokom tlaku, proces topljenja leda ispod lopatica klizaljki događa se čak i pri vrlo niskim temperaturama, ali zahvaljujući njemu klizaljke klize po površini leda.

Smrzavanje klizanja teško natovarenih saonica u pričama Jacka Londona objašnjava se na sličan način. Teške saonice koje vrše pritisak na snijeg uzrokuju njegovo otapanje. Dobivena voda olakšava njihovo klizanje. Ali čim se sanjke zaustave i dugo se zadrže na jednom mjestu, istisnuta voda, smrzavajući se, smrzava klizanje na cestu.

Temperatura kristalizacije vodenih otopina

Budući da je izvrsno otapalo, voda lako reagira s raznim organskim i anorganskim tvarima, tvoreći masu ponekad neočekivanih kemijskih spojeva. Naravno, svaki od njih će se smrznuti na različitim temperaturama. Stavimo ovo na vizualni popis.

• Točka smrzavanja mješavine alkohola i vode ovisi o postotku obje komponente u njoj. Što je više vode dodano otopini, to je njezina točka smrzavanja bliže nuli. Ako u otopini ima više alkohola, proces kristalizacije će započeti na vrijednostima blizu -114 stupnjeva.

  Važno je znati da vodeno-alkoholne otopine nemaju fiksnu točku smrzavanja. Obično govore o temperaturi početka procesa kristalizacije i temperaturi konačnog prijelaza u čvrsto stanje.

  Između početka stvaranja prvih kristala i potpunog skrućivanja alkoholne otopine nalazi se temperaturni interval od 7 stupnjeva. Dakle, točka smrzavanja vode s alkoholom koncentracije 40% u početnoj fazi je -22,5 stupnjeva, a konačni prijelaz otopine u krutu fazu dogodit će se na -29,5 stupnjeva.

Točka smrzavanja vode sa soli usko je povezana sa stupnjem njezine slanosti: što je više soli u otopini, to će se smrznuti niži položaj stupca žive.

Za mjerenje saliniteta vode koristi se posebna jedinica - "ppm". Dakle, otkrili smo da se temperatura ledišta vode smanjuje s povećanjem koncentracije soli. Objasnimo to na primjeru:

Razina saliniteta oceanske vode je 35 ppm, dok je prosječna vrijednost njenog smrzavanja 1,9 stupnjeva. Stupanj saliniteta crnomorskih voda je 18-20 ppm, pa se smrzavaju na višoj temperaturi u rasponu od -0,9 do -1,1 Celzijevih stupnjeva.

• Točka smrzavanja vode sa šećerom (za otopinu čija je molalnost 0,8) je -1,6 stupnjeva.
• Točka smrzavanja vode s nečistoćama uvelike ovisi o njihovoj količini i prirodi nečistoća koje čine vodenu otopinu.
• Točka smrzavanja vode s glicerinom ovisi o koncentraciji otopine. Otopina koja sadrži 80 ml glicerina smrznut će se na -20 stupnjeva, kada se sadržaj glicerola smanji na 60 ml, proces kristalizacije će započeti na -34 stupnja, a početak smrzavanja 20% otopine bit će minus pet stupnjeva. Kao što vidite, u ovom slučaju nema linearnog odnosa. Za zamrzavanje 10% otopine glicerina bit će dovoljna temperatura od -2 stupnja.
• Točka smrzavanja vode sa sodom (što znači kaustična lužina ili kaustična soda) predstavlja još tajanstveniju sliku: 44% kaustična otopina smrzava se na +7 stupnjeva Celzija, a 80% na +130.

Zamrzavanje slatke vode

Proces stvaranja leda u slatkovodnim rezervoarima odvija se u nešto drugačijem temperaturnom režimu.

• Točka ledišta vode u jezeru, baš kao i točka smrzavanja vode u rijeci, iznosi nula stupnjeva Celzijusa. Zamrzavanje najčišćih rijeka i potoka ne počinje s površine, već s dna na kojem se nalaze kristalizacijske jezgre u obliku čestica donjeg mulja. Isprva su grčevi i vodene biljke prekrivene korom leda. Čim se donji led izdigne na površinu, rijeka se odmah smrzne.
• Smrznuta voda na Bajkalskom jezeru ponekad se može ohladiti na negativne temperature. To se događa samo u plitkoj vodi; temperatura vode u ovom slučaju može biti tisućinke, a ponekad i stotinke jednog stupnja ispod nule.
• Temperatura vode Baikal ispod same kore ledenog pokrivača, u pravilu, ne prelazi +0,2 stupnja. U nižim slojevima postupno raste do +3,2 na dnu najdublje kotline.

Točka smrzavanja destilirane vode

Smrzava li se destilirana voda? Podsjetimo, da bi se voda smrznula, potrebno je u njoj imati neke kristalizacijske centre, a to mogu biti mjehurići zraka, suspendirane čestice, kao i oštećenja stijenki posude u kojoj se nalazi.

Destilirana voda, potpuno lišena ikakvih nečistoća, nema jezgre kristalizacije, pa stoga njeno smrzavanje počinje na vrlo niskim temperaturama. Početna točka smrzavanja destilirane vode je -42 stupnja. Znanstvenici su uspjeli postići superhlađenje destilirane vode na -70 stupnjeva.

Voda koja je bila izložena vrlo niskim temperaturama, ali nije kristalizirala naziva se "prehlađena". Možete staviti bocu destilirane vode u zamrzivač, postići hipotermiju, a zatim demonstrirati vrlo učinkovit trik - pogledajte video:

Laganim tapkanjem po boci izvađenoj iz hladnjaka ili bacivanjem malog komadića leda u nju možete pokazati kako se odmah pretvara u led koji izgleda poput izduženih kristala.

Destilirana voda: smrzava li se ova pročišćena tvar pod pritiskom ili ne? Takav je proces moguć samo u posebno stvorenim laboratorijskim uvjetima.

Točka smrzavanja slane vode

Koja se voda brže smrzava, topla ili hladna, utječu brojni čimbenici, no samo se pitanje čini pomalo čudnim. Podrazumijeva se, a poznato je iz fizike, da toploj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu usporedive hladne vode kako bi se pretvorila u led. ova se faza može preskočiti i, sukladno tome, ona pobjeđuje na vrijeme.

Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - na ulici u mrazu, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, znanstveno se ispostavilo da se u svakom slučaju hladna voda jednostavno mora brže smrzavati.

Tako je i učitelj fizike kojemu se 1963. obratio školarac Erasto Mpemba sa zahtjevom da objasni zašto se hladna mješavina budućeg sladoleda smrzava dulje od sličnog, ali vrućeg.

"Ovo nije svjetska fizika, već neka vrsta Mpemba fizike"

U to vrijeme učiteljica se tome samo nasmijala, ali Deniss Osborne, profesor fizike, koji je svojedobno pohađao istu školu u kojoj je studirao Erasto, eksperimentalno je potvrdio postojanje takvog učinka, iako za to tada nije bilo objašnjenja . Godine 1969. popularni znanstveni časopis objavio je zajednički članak dvojice muškaraca koji su opisali ovaj neobičan učinak.

Od tada, inače, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, ima svoje ime - učinak, ili paradoks, Mpemba.

Pitanje postoji već duže vrijeme

Naravno, takav se fenomen dogodio i prije, a spominjao se iu radovima drugih znanstvenika. Ovo pitanje nije zanimalo samo školarca, već su o tome svojedobno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.

Ovdje su samo pristupi rješavanju ovog paradoksa počeli gledati tek krajem dvadesetog stoljeća.

Uvjeti za pojavu paradoksa

Kao i kod sladoleda, tijekom eksperimenta nije samo obična voda ta koja se smrzava. Moraju postojati određeni uvjeti da bi se počeli prepirati koja se voda brže smrzava – hladna ili vruća. Što utječe na ovaj proces?

Sada, u 21. stoljeću, izneseno je nekoliko opcija koje mogu objasniti ovaj paradoks. Koja se voda brže smrzava, topla ili hladna, može ovisiti o činjenici da ima veću brzinu isparavanja od hladne vode. Tako se njegov volumen smanjuje, a smanjenjem volumena vrijeme smrzavanja postaje kraće nego da uzmemo sličan početni volumen hladne vode.

Zamrzivač je odavno odmrznut

Koja se voda brže smrzava i zašto se to događa, može utjecati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču hladnjaka koji se koristi za pokus. Ako uzmete dvije posude identične zapremine, ali će u jednom biti topla voda, a u drugom hladna voda, posuda s toplom vodom će otopiti snijeg ispod sebe, čime će se poboljšati kontakt toplinske razine sa stijenkom hladnjaka. Posuda za hladnu vodu to ne može. Ako u hladnjaku nema takve obloge sa snijegom, hladna voda bi se trebala brže smrzavati.

Vrh - dno

Također, fenomen da se voda brže smrzava – topla ili hladna, objašnjava se na sljedeći način. Slijedeći određene zakone, hladna voda se počinje smrzavati iz gornjih slojeva, kada topla voda čini obrnuto – počinje se smrzavati odozdo prema gore. Ispostavilo se da hladna voda, s hladnim slojem na vrhu s već nastalim ledom na nekim mjestima, otežava procese konvekcije i toplinskog zračenja, čime se objašnjava koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. U prilogu je fotografija iz amaterskih eksperimenata, a ovdje je jasno vidljiva.

Toplina nestaje, težeći prema gore, i tamo se susreće s vrlo hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplinsko zračenje, pa proces hlađenja postaje otežan. Topla voda nema apsolutno nikakvih prepreka na svom putu. Što se brže smrzava - hladno ili vruće, o čemu ovisi vjerojatni ishod, odgovor možete proširiti rekavši da svaka voda ima otopljene određene tvari.

Nečistoće u sastavu vode kao čimbenik koji utječe na ishod

Ako ne varate i koristite vodu istog sastava, gdje su koncentracije pojedinih tvari identične, tada bi se hladna voda trebala brže smrzavati. Ali ako se dogodi situacija kada su otopljeni kemijski elementi prisutni samo u vrućoj vodi, dok ih hladna voda ne posjeduje, tada topla voda ima priliku zamrznuti ranije. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju kristalizacijske centre, a s malim brojem tih centara otežana je transformacija vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i prehlađenje vode, u smislu da će na temperaturama ispod nule biti u tekućem stanju.

No, sve te verzije, očito, nisu odgovarale znanstvenicima do kraja, te su nastavili raditi na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača u Singapuru rekao je da su riješili prastaru misteriju.

Skupina kineskih znanstvenika tvrdi da tajna ovog učinka leži u količini energije koja je pohranjena između molekula vode u njezinim vezama, nazvanim vodikove veze.

Odgovor kineskih znanstvenika

Slijedit će daljnje informacije za čije je razumijevanje potrebno imati određeno znanje iz kemije kako bi se shvatilo koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Kao što znate, sastoji se od dva atoma H (vodika) i jednog O (kisika) atoma koji se drže zajedno kovalentnim vezama.

Ali atome vodika jedne molekule privlače i susjedne molekule, njihova kisikova komponenta. Te se veze nazivaju vodikovim vezama.

Istodobno, vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekule vode djeluju odbojno jedna na drugu. Znanstvenici su primijetili da kada se voda zagrije, udaljenost između njezinih molekula se povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispada da se, zauzimajući jednu udaljenost između molekula u hladnom stanju, može reći da se rastežu i imaju veću zalihu energije. Upravo se ta rezerva energije oslobađa kada se molekule vode počnu približavati jedna drugoj, odnosno dolazi do hlađenja. Pokazalo se da se veća zaliha energije u toploj vodi, i njezino veće oslobađanje pri hlađenju na temperaturu ispod nule, događa brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju zalihu te energije. Dakle, koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća? Na ulici i u laboratoriju bi se trebao dogoditi paradoks Mpemba, a topla voda bi se trebala brže pretvoriti u led.

Ali pitanje je još uvijek otvoreno

Postoji samo teorijska potvrda ovog traga - sve je to napisano prekrasnim formulama i čini se vjerojatnim. Ali kada se eksperimentalni podaci, koja voda brže smrzava - topla ili hladna, budu stavljeni u praktičan smisao, i njihovi rezultati budu predstavljeni, tada će se pitanje paradoksa Mpemba moći smatrati zatvorenim.

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

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

Erasto Mpemba bio je učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i radio je na praktičnom kuhanju. Morao je napraviti domaći sladoled – prokuhati mlijeko, otopiti šećer u njemu, ohladiti na sobnu temperaturu, a zatim staviti u hladnjak da se smrzne. Očigledno, Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. Bojeći se da do kraja sata neće stići na vrijeme, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i prije nego mlijeko njegovih suboraca, pripremljeno po zadanoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa University Collegea u Dar es Salaamu (pozvanog od strane ravnatelja škole da učenicima održi predavanje o fizici) o vodi: "Ako uzmete dvije identične posude s jednakim volumenom vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 °C, a u drugoj - 100 °C, i stavite ih u zamrzivač, a zatim će se u drugoj voda smrznuti brže.Zašto? Osborne se zainteresirao za ovo pitanje te su ubrzo 1969. zajedno s Mpembom objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba efekt.

Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju niti jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecaju ukapljenih plinova na vodu na različite temperature.

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

Međutim, to još ne znači paradoks, budući da se Mpemba efekt može objasniti i unutar poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za učinak Mpemba:

Isparavanje

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

Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo se smanjuje masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.

temperaturna razlika

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

hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uvjetima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja ostati tekući na temperaturama ispod točke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća i na -20 C.

Razlog za ovaj učinak je taj što su za početak stvaranja prvih kristala leda potrebna središta nastanka kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, prehlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada se počnu stvarati u prehlađenoj tekućini, počet će brže rasti, stvarajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti u led.

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

Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će djelovati kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja ledenih kristala u ovom slučaju bit će manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.

Kada proces prehlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga nastaje više leda.

Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim čimbenikom u slučaju Mpemba učinka.

Konvekcija

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

Ovaj učinak objašnjava se anomalijom gustoće vode. Voda ima najveću gustoću na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ta voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, tvoreći tanak hladan sloj. U tim uvjetima će se na površini vode za kratko vrijeme stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , daljnje hlađenje će biti sporije.

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

Ali zašto ovaj proces ne dosegne točku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.

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

plinovi otopljeni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj – kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost snižavanja ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ovi se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi manja. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj je uvijek manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode veće i ona se brže smrzava. Ovaj čimbenik se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba učinka, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili tu činjenicu.

Toplinska vodljivost

Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u hladnjak sa zamrzivačem u malim posudama. U tim uvjetima uočeno je da posuda s toplom vodom topi led zamrzivača ispod sebe, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Zbog toga se toplina iz spremnika tople vode uklanja brže nego iz hladne. Zauzvrat, spremnik s hladnom vodom ne topi snijeg ispod njega.

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

Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj učinak. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dolazi u prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati bili su u suprotnosti s ranijim podacima da topla voda može postići više prehlađenja zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se odstranjuju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.

Zasad se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog učinka bitno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment provodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.

O. V. Mosin

Literarniizvori:

"Vruća voda se smrzava brže od hladne vode. Zašto to radi?", Jearl Walker u The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, br. 3, str. 246-257; rujna 1977.

"Smrzavanje tople i hladne vode", G.S. Kell u American Journal of Physics, Vol. 37, br. 5, str. 564-565; svibnja 1969. godine.

"Supercooling and the Mpemba efekt", David Auerbach, u American Journal of Physics, Vol. 63, br. 10, str. 882-885; listopada 1995.

"Efekt Mpemba: vremena smrzavanja tople i hladne vode", Charles A. Knight, u American Journal of Physics, Vol. 64, br. 5, str. 524; svibnja 1996. godine.

Voda je jedna od najnevjerojatnijih tekućina na svijetu, koja ima neobična svojstva. Primjerice, led – čvrsto stanje tekućine, ima specifičnu težinu nižu od same vode, što je na mnogo načina omogućilo nastanak i razvoj života na Zemlji. Osim toga, u gotovo znanstvenom, a zapravo i znanstvenom svijetu, vode se rasprave o tome koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Tko dokaže brže smrzavanje vruće tekućine pod određenim uvjetima i znanstveno potkrijepi svoju odluku, dobit će nagradu od 1000 funti od Britanskog kraljevskog društva kemičara.

Pozadina

Da je topla voda u nizu uvjeta po stopi smrzavanja ispred hladne, uočeno je još u srednjem vijeku. Francis Bacon i René Descartes uložili su mnogo truda da objasne ovaj fenomen. Međutim, sa stajališta klasične toplinske tehnike, ovaj paradoks se ne može objasniti, a oni su ga pokušali stidljivo prešutjeti. Poticaj za nastavak spora bila je pomalo znatiželjna priča koja se dogodila tanzanijskom školarcu Erastu Mpembi (Erasto Mpemba) 1963. godine. Jednom, na satu spravljanja slastica u školi kuhanja, dječak, ometen drugim stvarima, nije stigao na vrijeme ohladiti smjesu za sladoled i staviti otopinu šećera u vruće mlijeko u zamrzivač. Na njegovo iznenađenje, proizvod se ohladio nešto brže od njegovih kolega praktičara koji su promatrali temperaturni režim za izradu sladoleda.

Pokušavajući razumjeti bit fenomena, dječak se obratio učitelju fizike, koji je, ne ulazeći u detalje, ismijao njegove kulinarske eksperimente. Međutim, Erasto se odlikovao zavidnom ustrajnošću i nastavio svoje eksperimente više ne na mlijeku, već na vodi. Pobrinuo se da se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.

Ušavši na Sveučilište Dar es Salaam, Erasto Mpembe je prisustvovao predavanju profesora Dennisa G. Osbornea. Nakon diplome, student je znanstvenika zbunio problemom brzine smrzavanja vode ovisno o njezinoj temperaturi. D.G. Osborne je ismijao samo postavljanje pitanja, s aplomom izjavivši da svaki gubitnik zna da će se hladna voda brže smrznuti. Međutim, prirodna upornost mladića se osjetila. Okladio se s profesorom, ponudivši mu da provede eksperimentalni test ovdje, u laboratoriju. Erasto je stavio dvije posude s vodom u zamrzivač, jednu na 95°F (35°C), a drugu na 212°F (100°C). Kakvo je bilo iznenađenje profesora i okolnih “navijača” kada se voda u drugom spremniku brže smrznula. Od tada se ovaj fenomen naziva "Paradoks Mpemba".

Međutim, do danas ne postoji koherentna teorijska hipoteza koja objašnjava "Paradoks Mpemba". Nije jasno koji vanjski čimbenici, kemijski sastav vode, prisutnost otopljenih plinova i minerala u njoj, utječu na brzinu smrzavanja tekućina na različitim temperaturama. Paradoks "Mpemba efekta" je u tome što je u suprotnosti s jednim od zakona koje je otkrio I. Newton, a koji kaže da je vrijeme hlađenja vode izravno proporcionalno temperaturnoj razlici između tekućine i okoline. A ako su sve ostale tekućine potpuno podložne ovom zakonu, tada je voda u nekim slučajevima iznimka.

Zašto se topla voda brže smrzava?t

Postoji nekoliko verzija zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Glavni su:

• vruća voda brže isparava, dok se njezin volumen smanjuje, a manji volumen tekućine se brže hladi - kada se voda ohladi od + 100 ° C do 0 ° C, gubici volumena pri atmosferskom tlaku dosežu 15%;
• intenzitet izmjene topline između tekućine i okoline je veći, što je veća temperaturna razlika, pa gubitak topline kipuće vode prolazi brže;
• kada se vruća voda ohladi, na njegovoj površini se formira ledena kora, koja sprječava potpuno smrzavanje i isparavanje tekućine;
• pri visokoj temperaturi vode dolazi do njenog konvekcijskog miješanja, smanjujući vrijeme smrzavanja;
• plinovi otopljeni u vodi snižavaju točku smrzavanja, uzimajući energiju za stvaranje kristala - u vrućoj vodi nema otopljenih plinova.

Svi ovi uvjeti podvrgnuti su opetovanoj eksperimentalnoj provjeri. Konkretno, njemački znanstvenik David Auerbach otkrio je da je temperatura kristalizacije tople vode nešto viša od one hladne vode, što omogućuje brže zamrzavanje prve. No, kasnije su njegovi eksperimenti bili kritizirani i mnogi su znanstvenici uvjereni da se “Mpemba efekt” o kojem se voda brže smrzava - topla ili hladna, može reproducirati samo pod određenim uvjetima, koje do sada nitko nije tražio i konkretizirao.

Pročišćena isparavanjem, hlađenjem i kondenzacijom, tekućina ima posebna fizikalna svojstva. Preporuča se koristiti u sustavu grijanja, jer nema soli, kao ni kisika. To ima pozitivan učinak na trajanje rada opreme.

No mnoge zanima pitanje smrzava li se destilirana voda na temperaturama ispod 0˚C?

Lako je provesti eksperiment kod kuće i dobiti odgovor na ovo pitanje. Vidjet ćemo da će na 0˚C ostati tekući. Čak i ako snizimo temperaturu, njegovo fizičko stanje se neće promijeniti.

Dakle, na kojoj temperaturi se voda smrzava?

Zanimljivo svojstvo destilirane vode opaža se pri negativnoj temperaturi. Ako u njega spustite komadić leda, snijega, zraka ili prašine, kristali će se odmah pojaviti u cijelom volumenu.

To je zbog činjenice da voda iz slavine ima mnogo središta kristalizacije: soli, zrak iznutra, površina posude i tako dalje. Pročišćene tekućine nemaju takve centre. Zbog toga se može značajno ohladiti.

Zakoni fizike kažu da što se tekućina više pročišćava od nečistoća, to je niži prag za prijelaz u čvrsto stanje.

Destilirana voda smrzava se na -10˚C i niže. To objašnjava njegovu prednost u odnosu na druge rashladne tekućine tijekom razdoblja grijanja. Zbog ovog svojstva, prilikom zagrijavanja prostorije, može se natjecati s antifrizom.

Istodobno, postoji niz dodatnih prednosti u odnosu na druge rashladne tekućine:

1. ekološka čistoća;
2. sigurnost za život i zdravlje ljudi;
3. pažljiv odnos prema cijevima;
4. Jednostavnost korištenja;
5. dostupnost.

Sada znate da se destilirana voda smrzava na temperaturama ispod 10 stupnjeva, tako da možete biti mirni za svoj sustav grijanja.

Nadamo se da vam je članak bio koristan. Bit ćemo vam zahvalni ako to podijelite na društvenim mrežama.

ugodan dan!

Pročitajte također:

Nosač topline za sustav grijanja - što se danas koristi?
Grijanje vode u privatnoj kući - tehnologija za njegovu provedbu
Vodena pumpa za grijanje: princip rada i ugradnja