Hladna voda se smrzla. Koja voda se brže smrzava: topla ili hladna? O čemu ovisi

U staroj dobroj formuli H 2 O, čini se da nema tajni. Ali zapravo, voda - izvor života i najpoznatija tekućina na svijetu - prepuna je mnogih misterija koje ponekad čak ni znanstvenici ne mogu riješiti.

Evo 5 najzanimljivijih činjenica o vodi:

1. Topla voda se smrzava brže od hladne vode

Uzmite dvije posude s vodom: u jednu ulijte toplu vodu, a u drugu hladnu i stavite ih u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne vode, iako je logično da se hladna voda prvo trebala pretvoriti u led: uostalom, topla voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a zatim se pretvoriti u led, dok se hladna voda ne mora hladiti. Zašto se ovo događa?

Godine 1963. Erasto B. Mpemba, učenik srednje škole u Tanzaniji, dok je zamrzavao pripremljenu smjesu za sladoled, primijetio je da se vruća smjesa brže skruti u zamrzivaču od hladne. Kada je mladić svoje otkriće podijelio s profesorom fizike, samo mu se nasmijao. Nasreću, učenik je bio uporan i uvjerio učitelja da provede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima topla voda stvarno se smrzava brže od hladne vode.

Sada se ovaj fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne zove Mpemba efekt. Istina, davno prije njega, ovo jedinstveno svojstvo vode zabilježili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.

Znanstvenici ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u hipotermiji, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili učinkom ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.

Napomena od H.RU na temu "Topla voda se smrzava brže od hladne vode".

Budući da su problemi hlađenja bliži nama, stručnjacima za hlađenje, udubimo se malo dublje u bit ovog problema i damo dva mišljenja o prirodi tako tajanstvenog fenomena.

1. Znanstvenik sa Sveučilišta Washington ponudio je objašnjenje za tajanstveni fenomen poznat još iz vremena Aristotela: zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Fenomen, nazvan Mpemba efekt, široko se koristi u praksi. Na primjer, stručnjaci savjetuju vozačima da zimi uliju hladnu, a ne toplu vodu u spremnik za pranje. No, što je u osnovi ovog fenomena, dugo je ostalo nepoznato.

Doktor Jonathan Katz sa Sveučilišta Washington istražio je ovaj fenomen i zaključio da u njemu važnu ulogu imaju tvari otopljene u vodi, koje se pri zagrijavanju talože, prenosi EurekAlert.

Pod otopljenim tvarima dr. Katz misli na kalcijeve i magnezijeve bikarbonate koji se nalaze u tvrdoj vodi. Kada se voda zagrije, te se tvari talože, stvarajući kamenac na stijenkama kotla. Voda koja nikada nije zagrijana sadrži te nečistoće. Kako se smrzava i stvaraju kristali leda, koncentracija nečistoća u vodi raste 50 puta. To snižava točku smrzavanja vode. "A sada se voda mora ohladiti da bi se smrzla", objašnjava dr. Katz.

Postoji drugi razlog koji sprječava smrzavanje nezagrijane vode. Smanjenje točke ledišta vode smanjuje temperaturnu razliku između krute i tekuće faze. "Budući da brzina kojom voda gubi toplinu ovisi o ovoj temperaturnoj razlici, manja je vjerojatnost da će se voda koja nije zagrijana ohladiti", kaže dr. Katz.

Prema znanstveniku, njegova se teorija može eksperimentalno ispitati, jer. Mpemba efekt postaje izraženiji za tvrđu vodu.

2. Kisik plus vodik plus hladnoća stvara led. Na prvi pogled ova prozirna tvar djeluje vrlo jednostavno. Zapravo, led je prepun mnogih misterija. Led koji je stvorio Afrikanac Erasto Mpemba nije razmišljao o slavi. Dani su bili vrući. Htio je sladoled. Uzeo je kutiju soka i stavio je u zamrzivač. Učinio je to više puta i stoga je primijetio da se sok posebno brzo smrzava, ako ga prije toga držite na suncu - samo ga zagrijte! Ovo je čudno, pomislio je tanzanijski školarac, koji je postupio protivno svjetovnoj mudrosti. Je li moguće da da bi se tekućina brže pretvorila u led, treba je prvo ... zagrijati? Mladić je bio toliko iznenađen da je svoje nagađanje podijelio s učiteljicom. O toj je zanimljivosti izvijestio u tisku.

Ova se priča dogodila još 1960-ih. Sada je "Mpemba efekt" znanstvenicima dobro poznat. Ali dugo je ovaj naizgled jednostavan fenomen ostao misterij. Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Tek 1996. fizičar David Auerbach pronašao je rješenje. Da bi odgovorio na to pitanje, proveo je pokus cijelu godinu: zagrijao je vodu u čaši i ponovno je ohladio. Pa što je otkrio? Kada se zagrije, mjehurići zraka otopljeni u vodi isparavaju. Voda bez plinova lakše se smrzava na stijenkama posude. „Naravno, i voda s visokim udjelom zraka će se smrznuti“, kaže Auerbach, „ali ne na nula stupnjeva Celzija, već samo na minus četiri do šest stupnjeva“. Naravno, morat ćete čekati duže. Dakle, topla voda se smrzava prije hladne vode, to je znanstvena činjenica.

Teško da postoji tvar koja bi nam se s lakoćom pojavila pred očima kao led. Sastoji se samo od molekula vode – odnosno elementarnih molekula koje sadrže dva atoma vodika i jedan kisik. Međutim, led je možda najtajanstvenija tvar u svemiru. Znanstvenici do sada nisu uspjeli objasniti neka njegova svojstva.

2. Supercooling i "flash" zamrzavanje

Svi znaju da se voda uvijek pretvara u led kada se ohladi na 0 °C... osim u nekim slučajevima! Takav slučaj je npr. "superhlađenje", što je svojstvo vrlo čiste vode da ostane tekuća čak i kada se ohladi ispod nule. Ovaj fenomen postaje moguć zbog činjenice da okoliš ne sadrži kristalizacijske centre ili jezgre koje bi mogle izazvati stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tekućem obliku, čak i kada se ohladi na temperature ispod nula stupnjeva Celzijusa. Proces kristalizacije mogu potaknuti, na primjer, mjehurići plina, nečistoće (zagađenje), neravna površina posude. Bez njih će voda ostati u tekućem stanju. Kada započne proces kristalizacije, možete gledati kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.

Pogledajte video (2 901 Kb, 60 c) Phila Medine (www.mrsciguy.com) i uvjerite se sami >>

Komentar. Pregrijana voda također ostaje tekuća čak i kada se zagrije iznad svoje točke ključanja.

3. "Staklena" voda

Brzo i bez oklijevanja navedite koliko različitih stanja ima voda?

Ako ste odgovorili na tri (čvrsto, tekuće, plinovito), onda ste u krivu. Znanstvenici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tekućem obliku i 14 stanja leda.

Sjećate se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, bez obzira što radite, na -38 °C čak se i najčišća super ohlađena voda odjednom pretvara u led. Što se događa s daljnjim smanjenjem

temperatura? Na -120 °C s vodom se počinje događati nešto čudno: postaje superviskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama ispod -135 °C pretvara se u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrstu tvar u kojoj nema kristalne strukture.

4. Kvantna svojstva vode

Na molekularnoj razini, voda je još nevjerojatnija. Godine 1995., eksperiment raspršenja neutrona koji su proveli znanstvenici dao je neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje vodikovih protona od očekivanog.

Pokazalo se da se brzinom od jedne atosekunde (10 -18 sekundi) događa neobičan kvantni efekt, te kemijska formula vode umjesto uobičajene - H 2 O, postaje H 1,5 O!

5. Ima li voda memoriju?

Homeopatija, alternativa konvencionalnoj medicini, tvrdi da razrijeđena otopina lijeka može imati ljekoviti učinak na organizam, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko velik da u otopini ne ostaje ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom zvanim "pamćenje vode", prema kojem voda na molekularnoj razini ima "pamćenje" supstancije jednom otopljene u njoj i zadržava svojstva otopine izvorne koncentracije nakon što ne postoji u njemu ostaje jedna molekula sastojka.

Međunarodni tim znanstvenika na čelu s profesoricom Madeleine Ennis sa Sveučilišta Queen's u Belfastu, koja je kritizirala principe homeopatije, proveo je eksperiment 2002. godine kako bi opovrgao ovaj koncept jednom zauvijek. Rezultat je bio suprotan. Nakon čega su znanstvenici rekli da uspjeli su dokazati realnost učinka "pamćenja vode. Međutim, pokusi provedeni pod nadzorom neovisnih stručnjaka nisu donijeli rezultate. Sporovi o postojanju fenomena "pamćenja vode" se nastavljaju.

Voda ima mnoga druga neobična svojstva koja nismo pokrili u ovom članku.

Književnost.

1. 5 stvarno čudnih stvari o vodi / http://www.neatorama.com.
2. Misterij vode: stvorena je teorija Aristotel-Mpemba efekta / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Tajne nežive prirode. Najtajanstvenija tvar u svemiru / http://www.bibliotekar.ru.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandar Fircev

« Koja voda se brže smrzava hladna ili topla?”- pokušajte postaviti pitanje svojim prijateljima, najvjerojatnije će većina njih odgovoriti da se hladna voda brže smrzava - i pogriješiti.

Zapravo, ako u zamrzivač istovremeno stavite dvije posude istog oblika i volumena, od kojih će jedna sadržavati hladnu vodu, a druga vruća, tada će se topla voda brže smrzavati.

Takva izjava može se činiti apsurdnom i nerazumnom. Logično, topla voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a hladna bi se već tada trebala pretvoriti u led.

Pa zašto topla voda prestiže hladnu na svom putu do smrzavanja? Pokušajmo to shvatiti.

Povijest promatranja i istraživanja

Ljudi su od davnina promatrali paradoksalan učinak, ali nitko mu nije pridavao veliku važnost. Tako su nedosljednosti u brzini smrzavanja hladne i tople vode u svojim bilješkama zabilježili Arestotel, kao i Rene Descartes i Francis Bacon. U svakodnevnom životu često se očitovala neobična pojava.

Dugo vremena taj fenomen nije ni na koji način proučavan i nije izazvao veliko zanimanje znanstvenika.

Proučavanje neobičnog učinka počelo je 1963. godine, kada je znatiželjni student iz Tanzanije, Erasto Mpemba, primijetio da se vruće mlijeko za sladoled smrzava brže od hladnog mlijeka. U nadi da će dobiti objašnjenje o razlozima neobičnog učinka, mladić je pitao svog profesora fizike u školi. Međutim, učiteljica mu se samo nasmijala.

Kasnije je Mpemba ponovio pokus, ali u svom eksperimentu više nije koristio mlijeko, već vodu, te se paradoksalan učinak opet ponovio.

Šest godina kasnije, 1969., Mpemba je to pitanje postavio profesoru fizike Dennisu Osborneu, koji je došao u njegovu školu. Profesor je bio zainteresiran za promatranje mladića, kao rezultat toga, proveden je eksperiment koji je potvrdio prisutnost učinka, ali razlozi za ovaj fenomen nisu utvrđeni.

Od tada se taj fenomen naziva Mpemba efekt.

Kroz povijest znanstvenih promatranja iznesene su mnoge hipoteze o uzrocima fenomena.

Tako bi 2012. Britansko kraljevsko kemijsko društvo raspisalo natjecanje hipoteza za objašnjenje učinka Mpemba. Na natjecanju su sudjelovali znanstvenici iz cijelog svijeta, ukupno je prijavljeno 22.000 znanstvenih radova. Unatoč tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio paradoks Mpemba.

Najčešća je bila verzija prema kojoj se topla voda brže smrzava, jer jednostavno brže isparava, njezin volumen postaje manji, a kako se volumen smanjuje, brzina hlađenja se povećava. Najčešća verzija je na kraju opovrgnuta, budući da je proveden eksperiment u kojem je isključeno isparavanje, ali je učinak ipak potvrđen.

Drugi znanstvenici su vjerovali da je razlog za učinak Mpemba isparavanje plinova otopljenih u vodi. Po njihovom mišljenju, tijekom procesa zagrijavanja, plinovi otopljeni u vodi isparavaju, zbog čega ona dobiva veću gustoću od hladne vode. Kao što je poznato, povećanje gustoće dovodi do promjene fizikalnih svojstava vode (povećanje toplinske vodljivosti), a time i do povećanja brzine hlađenja.

Osim toga, iznesene su brojne hipoteze koje opisuju brzinu cirkulacije vode kao funkciju temperature. U mnogim istraživanjima pokušalo se utvrditi odnos između materijala posuda u kojima se nalazila tekućina. Mnoge su se teorije činile vrlo vjerojatnim, ali se nisu mogle znanstveno potvrditi zbog nedostatka početnih podataka, kontradikcija u drugim eksperimentima ili zbog činjenice da identificirani čimbenici jednostavno nisu bili usporedivi sa brzinom hlađenja vodom. Neki su znanstvenici u svojim radovima doveli u pitanje postojanje učinka.

Godine 2013. istraživači s tehnološkog sveučilišta Nanyang u Singapuru tvrdili su da su riješili misterij učinka Mpemba. Prema njihovoj studiji, razlog za ovaj fenomen leži u činjenici da se količina energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula hladne i tople vode značajno razlikuje.

Metode računalne simulacije pokazale su sljedeće rezultate: što je temperatura vode viša, to je udaljenost između molekula veća zbog činjenice da se sile odbijanja povećavaju. Posljedično, vodikove veze molekula se rastežu, pohranjujući više energije. Kada se ohlade, molekule se počinju približavati jedna drugoj, oslobađajući energiju iz vodikovih veza. U ovom slučaju, oslobađanje energije je popraćeno smanjenjem temperature.

U listopadu 2017. španjolski fizičari su tijekom drugog istraživanja otkrili da veliku ulogu u nastanku efekta ima uklanjanje tvari iz ravnoteže (snažno zagrijavanje prije jakog hlađenja). Odredili su uvjete pod kojima je vjerojatnost učinka maksimalna. Osim toga, znanstvenici iz Španjolske potvrdili su postojanje obrnutog Mpemba efekta. Otkrili su da kada se zagrije, hladniji uzorak može postići visoku temperaturu brže od toplog.

Unatoč iscrpnim informacijama i brojnim eksperimentima, znanstvenici namjeravaju nastaviti proučavati učinak.

Mpemba efekt u stvarnom životu

Jeste li se ikada zapitali zašto se zimi klizalište puni toplom, a ne hladnom vodom? Kao što ste već shvatili, to rade jer će se klizalište napunjeno toplom vodom smrznuti brže nego da je napunjeno hladnom vodom. Iz istog razloga se tobogani u zimskim ledenim gradovima prelijevaju vrućom vodom.

Dakle, spoznaja o postojanju fenomena omogućuje ljudima da uštede vrijeme prilikom pripreme mjesta za zimske sportove.

Osim toga, Mpemba efekt se ponekad koristi u industriji - za smanjenje vremena smrzavanja proizvoda, tvari i materijala koji sadrže vodu.

U ovom članku ćemo pogledati zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Zagrijana voda smrzava se mnogo brže od hladne vode! Ovo nevjerojatno svojstvo vode, točno objašnjenje za koje znanstvenici još uvijek ne mogu pronaći, poznato je od davnina. Na primjer, čak i kod Aristotela postoji opis zimskog ribolova: ribari su u rupe u ledu ubacivali štapove za pecanje, a kako bi se brže smrznuli, izlijevali su toplu vodu na led. Naziv ovog fenomena dobio je po Erastu Mpembi 60-ih godina XX. stoljeća. Mnemba je primijetio čudan učinak dok je pravio sladoled i obratio se svom učitelju fizike, dr. Denisu Osborneu, za objašnjenje. Mpemba i dr. Osborne eksperimentirali su s vodom na različitim temperaturama i zaključili da se gotovo kipuća voda počinje smrzavati puno brže od vode na sobnoj temperaturi. Drugi znanstvenici su provodili vlastite eksperimente i svaki put su dobivali slične rezultate.

Objašnjenje fizičkog fenomena

Ne postoji općeprihvaćeno objašnjenje zašto se to događa. Mnogi istraživači sugeriraju da se radi o prehlađenju tekućine, koje se događa kada njezina temperatura padne ispod nule. Drugim riječima, ako se voda smrzne na temperaturi ispod 0°C, tada prehlađena voda može imati temperaturu od, na primjer, -2°C i dalje ostati tekuća, a da se ne pretvori u led. Kada pokušamo zamrznuti hladnu vodu, postoji šansa da će se isprva prehlađena, a tek nakon nekog vremena stvrdnuti. U zagrijanoj vodi odvijaju se drugi procesi. Njegova brža transformacija u led povezana je s konvekcijom.

Konvekcija- To je fizikalna pojava u kojoj se topli donji slojevi tekućine dižu, a gornji, ohlađeni, padaju.

Mpemba efekt ili zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode? Mpemba efekt (Mpemba Paradox) je 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 Mkwawa, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa University Collegea u Dar es Salaamu (pozvao ga je direktor škole da studentima 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, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugom voda brže smrznuti. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovo pitanje i ubrzo su 1969. zajedno s Mpembom objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada, učinak koji su otkrili naziva se 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 na istoj temperaturi 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. Pothlađivanje 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 temperaturi od -20 C. Razlog ovom učinku 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 formirati 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 se počinje 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 bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, pretpostavilo bi se 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, nema eksperimentalnih podataka. što bi potvrdilo ovu hipotezu, da su slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom. Plinovi otopljeni u vodi Voda uvijek sadrži plinove otopljene u vodi – 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 uklanjaju 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

Mpemba efekt(Mpemba Paradox) je 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 Mkwawa, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa University Collegea u Dar es Salaamu (pozvao ga je direktor škole da studentima 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, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugom voda brže smrznuti. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovo pitanje i ubrzo su 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 formirati 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 uklanjaju 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.