Kaldt vann har frosset. Hvilket vann fryser raskere: varmt eller kaldt? Hva kommer det an på

I den gode gamle formelen H 2 O ser det ut til at det ikke er noen hemmeligheter. Men faktisk er vann - kilden til liv og den mest kjente væsken i verden - full av mange mysterier som noen ganger til og med forskere ikke kan løse.

Her er de 5 mest interessante fakta om vann:

1. Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann

Ta to beholdere med vann: hell varmt vann i den ene og kaldt vann i den andre, og sett dem i fryseren. Varmt vann vil fryse raskere enn kaldt vann, selv om kaldt vann logisk sett burde ha blitt til is først: varmt vann må tross alt først kjøles ned til kald temperatur, og deretter bli til is, mens kaldt vann ikke trenger å kjøle seg ned. Hvorfor skjer dette?

I 1963 la Erasto B. Mpemba, en videregående skoleelev i Tanzania, mens han fryser en tilberedt iskremblanding, merke til at den varme blandingen størknet raskere i fryseren enn den kalde. Da den unge mannen delte oppdagelsen sin med en fysiklærer, lo han bare av ham. Heldigvis var studenten utholdende og overbeviste læreren om å gjennomføre et eksperiment, som bekreftet oppdagelsen hans: under visse forhold fryser varmt vann virkelig raskere enn kaldt vann.

Nå kalles dette fenomenet med varmt vann som fryser raskere enn kaldt vann Mpemba-effekten. Riktignok, lenge før ham, ble denne unike egenskapen til vann bemerket av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes.

Forskere forstår ikke helt naturen til dette fenomenet, og forklarer det enten med forskjellen i hypotermi, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på varmt og kaldt vann.

Merknad fra Х.RU til emnet "Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann".

Siden kjøleproblemer er nærmere oss, kjølespesialister, vil vi tillate oss å gå dypere inn i essensen av dette problemet og gi to meninger om naturen til et så mystisk fenomen.

1. En vitenskapsmann fra University of Washington har gitt en forklaring på et mystisk fenomen kjent siden Aristoteles tid: hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann.

Fenomenet, kalt Mpemba-effekten, er mye brukt i praksis. Eksperter anbefaler for eksempel bilister å helle kaldt i stedet for varmt vann i vaskereservoaret om vinteren. Men hva som ligger til grunn for dette fenomenet forble ukjent i lang tid.

Dr. Jonathan Katz fra University of Washington undersøkte dette fenomenet og konkluderte med at stoffer oppløst i vann spiller en viktig rolle i det, som utfelles ved oppvarming, melder EurekAlert.

Med oppløste stoffer mener Dr. Katz kalsium- og magnesiumbikarbonatene som finnes i hardt vann. Når vannet varmes opp, faller disse stoffene ut, og danner avleiringer på veggene i kjelen. Vann som aldri har vært oppvarmet inneholder disse urenhetene. Når det fryser og det dannes iskrystaller, øker konsentrasjonen av urenheter i vann 50 ganger. Dette senker frysepunktet til vannet. "Og nå må vannet kjøles ned for å fryse," forklarer Dr. Katz.

Det er en annen grunn som forhindrer frysing av uoppvarmet vann. Å senke frysepunktet til vann reduserer temperaturforskjellen mellom fast og flytende fase. "Fordi hastigheten som vann taper varme avhenger av denne temperaturforskjellen, er det mindre sannsynlig at vann som ikke har blitt oppvarmet vil kjøle seg ned," sier Dr. Katz.

Ifølge forskeren kan teorien hans testes eksperimentelt, fordi. Mpemba-effekten blir mer uttalt for hardere vann.

2. Oksygen pluss hydrogen pluss kulde lager is. Ved første øyekast virker dette gjennomsiktige stoffet veldig enkelt. Faktisk er isen full av mange mysterier. Isen skapt av afrikaneren Erasto Mpemba tenkte ikke på ære. Dagene var varme. Han ville ha ispinner. Han tok en kartong med juice og la den i fryseren. Han gjorde dette mer enn en gang og la derfor merke til at juicen fryser spesielt raskt, hvis du holder den i solen før det – bare varm den opp! Dette er merkelig, mente den tanzaniske skolegutten, som handlet i strid med verdslig visdom. Er det mulig at for at væsken skal bli til is raskere, må den først ... varmes opp? Den unge mannen ble så overrasket at han delte sin gjetning med læreren. Han rapporterte om denne nysgjerrigheten i pressen.

Denne historien skjedde tilbake på 1960-tallet. Nå er "Mpemba-effekten" godt kjent for forskere. Men i lang tid forble dette tilsynelatende enkle fenomenet et mysterium. Hvorfor fryser varmt vann raskere enn kaldt vann?

Det var ikke før i 1996 at fysiker David Auerbach fant en løsning. For å svare på dette spørsmålet gjennomførte han et eksperiment i et helt år: han varmet opp vann i et glass og avkjølte det igjen. Så hva fant han ut? Ved oppvarming fordamper luftbobler oppløst i vann. Vann uten gasser fryser lettere på fartøyets vegger. "Selvfølgelig vil vann med høyt luftinnhold også fryse," sier Auerbach, "men ikke ved null grader celsius, men bare ved minus fire til seks grader." Selvfølgelig må du vente lenger. Så, varmt vann fryser før kaldt vann, dette er et vitenskapelig faktum.

Det er knapt et stoff som vil dukke opp foran øynene våre med samme letthet som is. Den består kun av vannmolekyler - det vil si elementære molekyler som inneholder to hydrogenatomer og ett oksygen. Imidlertid er is kanskje det mest mystiske stoffet i universet. Forskere har ikke vært i stand til å forklare noen av egenskapene så langt.

2. Superkjøling og "flash" frysing

Alle vet at vann alltid blir til is når det kjøles ned til 0 °C... bortsett fra i noen tilfeller! Et slikt tilfelle er for eksempel "superkjøling", som er egenskapen til svært rent vann for å forbli flytende selv når det avkjøles til under frysepunktet. Dette fenomenet blir mulig på grunn av det faktum at miljøet ikke inneholder krystalliseringssentre eller kjerner som kan provosere dannelsen av iskrystaller. Og så forblir vann i flytende form, selv når det avkjøles til temperaturer under null grader Celsius. Krystalliseringsprosessen kan utløses for eksempel av gassbobler, urenheter (forurensning), ujevn overflate på beholderen. Uten dem vil vannet forbli i flytende tilstand. Når krystalliseringsprosessen starter, kan du se hvordan det superkjølte vannet umiddelbart blir til is.

Se videoen (2 901 Kb, 60 c) av Phil Medina (www.mrsciguy.com) og se selv >>

Kommentar. Overopphetet vann forblir også flytende selv når det varmes opp over kokepunktet.

3. "Glass" vann

Nevn raskt og uten å nøle hvor mange forskjellige tilstander vann har?

Hvis du svarte på tre (fast, flytende, gass), så tar du feil. Forskere skiller minst 5 forskjellige tilstander av vann i flytende form og 14 tilstander av is.

Husker du samtalen om superkjølt vann? Så uansett hva du gjør, ved -38 ° C, blir selv det reneste superkjølte vannet plutselig til is. Hva skjer med en ytterligere nedgang

temperatur? Ved -120 °C begynner det å skje noe rart med vann: det blir superviskøst eller viskøst, som melasse, og ved temperaturer under -135 °C blir det til "glassaktig" eller "glassaktig" vann - et fast stoff som det er ingen krystallinsk struktur.

4. Kvanteegenskaper til vann

På molekylært nivå er vann enda mer overraskende. I 1995 ga et nøytronspredningseksperiment utført av forskere et uventet resultat: fysikere fant at nøytroner rettet mot vannmolekyler "ser" 25 % færre hydrogenprotoner enn forventet.

Det viste seg at med en hastighet på ett attosekund (10 -18 sekunder) skjer det en uvanlig kvanteeffekt, og den kjemiske formelen til vann i stedet for den vanlige - H 2 O, blir H 1,5 O!

5. Har vann et minne?

Homeopati, et alternativ til konvensjonell medisin, hevder at en fortynnet løsning av et legemiddel kan ha en helbredende effekt på kroppen, selv om fortynningsfaktoren er så stor at det ikke er annet enn vannmolekyler igjen i løsningen. Tilhengere av homeopati forklarer dette paradokset med et konsept kalt "minne av vann", ifølge hvilket vann på molekylært nivå har et "minne" av stoffet når det er oppløst i det og beholder egenskapene til løsningen av den opprinnelige konsentrasjonen etter ikke en enkelt molekyl av ingrediensen forblir i den.

Et internasjonalt team av forskere ledet av professor Madeleine Ennis fra Queen's University of Belfast, som kritiserte prinsippene for homeopati, gjennomførte et eksperiment i 2002 for å motbevise dette konseptet en gang for alle. Resultatet var det motsatte. Deretter sa forskere at de var i stand til å bevise virkeligheten av effekten av "minne av vann. Imidlertid, eksperimenter utført under tilsyn av uavhengige eksperter, ga ikke resultater. Tvister om eksistensen av fenomenet "minne av vann" fortsetter.

Vann har mange andre uvanlige egenskaper som vi ikke har dekket i denne artikkelen.

Litteratur.

1. 5 Virkelig rare ting om vann / http://www.neatorama.com.
2. Vannets mysterium: teorien om Aristoteles-Mpemba-effekten ble opprettet / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Den livløse naturens hemmeligheter. Det mest mystiske stoffet i universet / http://www.bibliotekar.ru.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Hvilket vann fryser raskere kaldt eller varmt?”- prøv å stille vennene dine et spørsmål, mest sannsynlig vil de fleste av dem svare at kaldt vann fryser raskere – og gjøre en feil.

Faktisk, hvis du samtidig legger to kar med samme form og volum i fryseren, hvorav den ene vil inneholde kaldt vann og den andre varm, vil varmt vann fryse raskere.

En slik uttalelse kan virke absurd og urimelig. Logisk sett må varmt vann først kjøles ned til kald temperatur, og kaldt vann bør allerede bli til is på dette tidspunktet.

Så hvorfor innhenter varmt vann kaldt vann på vei til å fryse? La oss prøve å finne ut av det.

Observasjons- og forskningshistorie

Folk har observert den paradoksale effekten siden antikken, men ingen la stor vekt på den. Så inkonsekvenser i hastigheten på frysing av kaldt og varmt vann ble notert i notatene deres av Arestotel, så vel som av Rene Descartes og Francis Bacon. Et uvanlig fenomen manifesterte seg ofte i hverdagen.

I lang tid ble fenomenet ikke studert på noen måte og vekket ikke mye interesse blant forskere.

Studiet av den uvanlige effekten begynte i 1963, da en nysgjerrig student fra Tanzania, Erasto Mpemba, la merke til at varm melk til iskrem fryser raskere enn kald melk. I håp om å få en forklaring på årsakene til den uvanlige effekten, spurte den unge mannen sin fysiklærer på skolen. Men læreren bare lo av ham.

Senere gjentok Mpemba eksperimentet, men i eksperimentet sitt brukte han ikke lenger melk, men vann, og den paradoksale effekten ble gjentatt igjen.

Seks år senere, i 1969, stilte Mpemba dette spørsmålet til fysikkprofessor Dennis Osborne, som kom til skolen hans. Professoren var interessert i observasjonen av den unge mannen, som et resultat ble det utført et eksperiment som bekreftet tilstedeværelsen av effekten, men årsakene til dette fenomenet ble ikke etablert.

Siden den gang har fenomenet blitt kalt Mpemba-effekt.

Gjennom historien til vitenskapelige observasjoner har det blitt fremsatt mange hypoteser om årsakene til fenomenet.

Så i 2012 ville British Royal Society of Chemistry kunngjøre en konkurranse med hypoteser for å forklare Mpemba-effekten. Forskere fra hele verden deltok i konkurransen, totalt 22 000 vitenskapelige artikler ble registrert. Til tross for et så imponerende antall artikler, avklarte ingen av dem Mpemba-paradokset.

Den vanligste versjonen var ifølge hvilken varmt vann fryser raskere, siden det ganske enkelt fordamper raskere, volumet blir mindre, og når volumet reduseres, øker kjølehastigheten. Den vanligste versjonen ble til slutt tilbakevist, siden det ble utført et eksperiment der fordampning ble utelukket, men effekten ble likevel bekreftet.

Andre forskere mente at årsaken til Mpemba-effekten er fordampning av gasser oppløst i vann. Etter deres mening, under oppvarmingsprosessen, fordamper gasser oppløst i vann, på grunn av hvilket det får en høyere tetthet enn kaldt vann. Som kjent fører en økning i tetthet til en endring i de fysiske egenskapene til vannet (en økning i termisk ledningsevne), og dermed en økning i kjølehastigheten.

I tillegg er det fremsatt en rekke hypoteser som beskriver vannsirkulasjonshastigheten som funksjon av temperaturen. I mange studier ble det forsøkt å fastslå forholdet mellom materialet i beholderne der væsken befant seg. Mange teorier virket veldig plausible, men de kunne ikke bekreftes vitenskapelig på grunn av mangel på innledende data, motsetninger i andre eksperimenter, eller på grunn av det faktum at de identifiserte faktorene rett og slett ikke var sammenlignbare med hastigheten på vannkjøling. Noen forskere i sine arbeider stilte spørsmål ved eksistensen av effekten.

I 2013 hevdet forskere ved Nanyang Technological University i Singapore å ha løst mysteriet med Mpemba-effekten. I følge deres studie ligger årsaken til fenomenet i det faktum at mengden energi som er lagret i hydrogenbindinger mellom kaldt- og varmtvannsmolekyler er betydelig forskjellig.

Datasimuleringsmetoder har vist følgende resultater: Jo høyere temperatur vannet har, desto større er avstanden mellom molekylene på grunn av at frastøtende krefter øker. Følgelig strekkes hydrogenbindingene til molekyler, og lagrer mer energi. Når de er avkjølt, begynner molekylene å nærme seg hverandre, og frigjør energi fra hydrogenbindinger. I dette tilfellet er frigjøringen av energi ledsaget av en reduksjon i temperaturen.

I oktober 2017 fant spanske fysikere, i løpet av en annen studie, ut at det er fjerning av materie fra likevekt (sterk oppvarming før sterk avkjøling) som spiller en stor rolle i dannelsen av effekten. De bestemte forholdene under hvilke sannsynligheten for effekten er maksimal. I tillegg har forskere fra Spania bekreftet eksistensen av den omvendte Mpemba-effekten. De fant at når den varmes opp, kan en kaldere prøve nå en høy temperatur raskere enn en varm.

Til tross for uttømmende informasjon og mange eksperimenter, har forskerne til hensikt å fortsette å studere effekten.

Mpemba-effekt i det virkelige liv

Har du noen gang lurt på hvorfor skøytebanen om vinteren er fylt med varmt vann og ikke kald? Som du allerede har forstått, gjør de dette fordi en skøytebane fylt med varmt vann vil fryse raskere enn om den var fylt med kaldt vann. Av samme grunn helles sklier i vinterisbyer med varmt vann.

Dermed lar kunnskap om fenomenets eksistens folk spare tid når de forbereder nettsteder for vintersport.

I tillegg brukes Mpemba-effekten noen ganger i industrien - for å redusere frysetiden for produkter, stoffer og materialer som inneholder vann.

I denne artikkelen skal vi se på hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann.

Oppvarmet vann fryser mye raskere enn kaldt vann! Denne fantastiske egenskapen til vann, den nøyaktige forklaringen som forskerne fortsatt ikke kan finne, har vært kjent siden antikken. For eksempel, selv i Aristoteles er det en beskrivelse av vinterfiske: Fiskere satte fiskestenger inn i hull i isen, og for at de skulle fryse raskere, helte de varmt vann på isen. Navnet på dette fenomenet ble oppkalt etter Erasto Mpemba på 60-tallet av XX-tallet. Mnemba la merke til den merkelige effekten mens han lagde is og henvendte seg til sin fysikklærer, Dr. Denis Osborne, for å få en forklaring. Mpemba og Dr. Osborne eksperimenterte med vann ved forskjellige temperaturer og konkluderte med at nesten kokende vann begynner å fryse mye raskere enn vann ved romtemperatur. Andre forskere har utført sine egne eksperimenter, og hver gang har de oppnådd lignende resultater.

Forklaring av et fysisk fenomen

Det er ingen allment akseptert forklaring på hvorfor dette skjer. Mange forskere antyder at alt handler om underkjøling av en væske, som oppstår når temperaturen faller under frysepunktet. Med andre ord, hvis vann fryser ved en temperatur under 0°C, så kan superkjølt vann ha en temperatur på for eksempel -2°C og fortsatt forbli flytende uten å bli til is. Når vi prøver å fryse kaldt vann, er det en sjanse for at det først blir superkjølt, og stivner først etter en stund. I oppvarmet vann foregår andre prosesser. Dens raskere transformasjon til is er assosiert med konveksjon.

Konveksjon– Dette er et fysisk fenomen der de varme nedre lagene av væsken stiger, og de øvre, avkjølte, faller.

Mpemba-effekt eller hvorfor fryser varmt vann raskere enn kaldt vann? Mpemba-effekten (Mpemba Paradox) er et paradoks som sier at varmt vann under visse forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann i ferd med å fryse. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en varmere kropp under de samme forholdene trenger mer tid til å kjøle seg ned til en viss temperatur enn en kjøligere kropp for å kjøle seg ned til samme temperatur. Dette fenomenet ble lagt merke til på den tiden av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men først i 1963 fant den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba ut at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald. Erasto Mpemba var elev ved Magambin High School i Tanzania og drev praktisk matlagingsarbeid. Han måtte lage hjemmelaget iskrem - koke melk, løse opp sukker i den, avkjøle den til romtemperatur og deretter sette den i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og somlet med den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville være i tide ved slutten av leksjonen, la han den fortsatt varme melken i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til en gitt teknologi. Etter det eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med rent vann. I alle fall, allerede som student ved Mkvava High School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar es Salaam (invitert av direktøren for skolen til å holde en forelesning om fysikk for studentene) om vann: "Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at vannet i en av dem har en temperatur på 35 ° C, og i den andre - 100 ° C, og setter dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor? Osborne ble interessert i denne utgaven og snart i 1969 publiserte de sammen med Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet "Physics Education". Siden den gang kalles effekten de oppdaget Mpemba-effekten. Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer. Paradokset med Mpemba-effekten er at tiden kroppen kjøles ned til omgivelsestemperaturen, må være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og omgivelsene. Denne loven ble etablert av Newton og har siden den gang blitt bekreftet mange ganger i praksis. I samme effekt kjøles vann ved 100°C ned til 0°C raskere enn samme mengde vann ved 35°C. Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten også kan forklares innenfor kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten: Fordampning Varmt vann fordamper raskere fra en beholder, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann ved samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C. Effekten av fordampning er en dobbel effekt. Først reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar. Temperaturforskjell På grunn av det faktum at temperaturforskjellen mellom varmt vann og kald luft er større - derfor er varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og varmt vann avkjøles raskere. Underkjøling Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under visse forhold kan den gjennomgå superkjøling mens den fortsetter å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved en temperatur på -20 C. Årsaken til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs det senter for krystalldannelse. Hvis de ikke er i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller begynner å dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere, og danne en isslam som vil fryse til is. Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det eliminerer oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller. Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? Ved kaldt vann, som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og kald luft og vil forhindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller i dette tilfellet vil være mindre. Ved underkjøling av varmt vann har ikke det underkjølte vannet et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen. Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is. Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten. Konveksjon Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed tapet av varme, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra. Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget med vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved 4°C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil et tynt lag med is dannes på overflaten av vannet i kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator som beskytter de nedre vannlagene, som vil holde seg ved en temperatur på 4 C. Derfor , vil den videre avkjølingsprosessen gå langsommere. Når det gjelder varmt vann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. Kaldtvannslag er også tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og løfte varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen. Men hvorfor når ikke denne prosessen likevektspunktet? For å forklare Mpemba-effekten fra dette synspunktet til konveksjon, vil det antas at de kalde og varme vannlagene er separert og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at gjennomsnittlig vanntemperatur faller under 4 C. Det er imidlertid ingen eksperimentelle data. som ville bekrefte denne hypotesen om at kaldt- og varmtvannslag er atskilt ved konveksjon. Gasser oppløst i vann Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å senke frysepunktet til vann. Når vannet varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann ved høy temperatur er lavere. Derfor, når varmt vann er avkjølt, er det alltid færre oppløste gasser i det enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum. Termisk ledningsevne Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i et frysekjøleskap i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at beholderen med varmt vann smelter isen til fryseren under, og forbedrer derved termisk kontakt med veggen til fryseren og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra varmtvannsbeholderen raskere enn fra den kalde. På sin side smelter ikke beholderen med kaldt vann snø under den. Alle disse (så vel som andre) tilstander har blitt studert i mange eksperimenter, men et entydig svar på spørsmålet – hvilke av dem som gir en 100 % reproduksjon av Mpemba-effekten – har ikke blitt oppnådd. Så, for eksempel, i 1995 studerte den tyske fysikeren David Auerbach påvirkningen av superkjøling av vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en superkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når den underkjølte tilstanden raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep. I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann er i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gassene som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det. Så langt kan bare én ting hevdes - reproduksjonen av denne effekten avhenger i hovedsak av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis. O.V. Mosin

Mpemba-effekt(Mpemba Paradox) er et paradoks som sier at varmt vann under visse forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann i ferd med å fryse. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en varmere kropp under de samme forholdene trenger mer tid til å kjøle seg ned til en viss temperatur enn en kjøligere kropp for å kjøle seg ned til samme temperatur.

Dette fenomenet ble lagt merke til på den tiden av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men først i 1963 fant den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba ut at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald.

Erasto Mpemba var elev ved Magambin High School i Tanzania og drev praktisk matlagingsarbeid. Han måtte lage hjemmelaget iskrem - koke melk, løse opp sukker i den, avkjøle den til romtemperatur og deretter sette den i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og somlet med den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville være i tide ved slutten av leksjonen, la han den fortsatt varme melken i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til en gitt teknologi.

Etter det eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med rent vann. I alle fall, allerede som student ved Mkvava High School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar es Salaam (invitert av direktøren for skolen til å holde en forelesning om fysikk for studentene) om vann: "Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at vannet i en av dem har en temperatur på 35 ° C, og i den andre - 100 ° C, og setter dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor? Osborne ble interessert i denne utgaven og snart i 1969 publiserte de sammen med Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet "Physics Education". Siden den gang kalles effekten de oppdaget Mpemba-effekt.

Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer.

Paradokset med Mpemba-effekten er at tiden kroppen kjøles ned til omgivelsestemperaturen, må være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og omgivelsene. Denne loven ble etablert av Newton og har siden den gang blitt bekreftet mange ganger i praksis. I samme effekt kjøles vann ved 100°C ned til 0°C raskere enn samme mengde vann ved 35°C.

Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten også kan forklares innenfor kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten:

Fordampning

Varmt vann fordamper raskere fra beholderen, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann med samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C.

Fordampningseffekten er en dobbel effekt. Først reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar.

temperaturforskjell

På grunn av det faktum at temperaturforskjellen mellom varmt vann og kald luft er større - derfor er varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og varmt vann avkjøles raskere.

hypotermi

Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under visse forhold kan den gjennomgå superkjøling mens den fortsetter å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved -20 C.

Grunnen til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs sentre for krystalldannelse. Hvis de ikke er i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller begynner å dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere, og danne en isslam som vil fryse til is.

Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det eliminerer oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller.

Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? Ved kaldt vann, som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og kald luft og vil forhindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller i dette tilfellet vil være mindre. Ved underkjøling av varmt vann har ikke det underkjølte vannet et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen.

Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is.

Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten.

Konveksjon

Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed tapet av varme, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra.

Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget med vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved 4°C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av vannet i kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator som beskytter de nedre vannlagene, som vil holde seg ved en temperatur på 4 C. Derfor , vil den videre avkjølingsprosessen gå langsommere.

Når det gjelder varmt vann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. Kaldtvannslag er også tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og løfte varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen.

Men hvorfor når ikke denne prosessen likevektspunktet? For å forklare Mpemba-effekten fra dette synspunktet til konveksjon, må man anta at de kalde og varme vannlagene er separert og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at den gjennomsnittlige vanntemperaturen faller under 4 C.

Imidlertid er det ingen eksperimentelle bevis som støtter denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles ved konveksjon.

gasser oppløst i vann

Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å senke frysepunktet til vann. Når vannet varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann ved høy temperatur er lavere. Derfor, når varmt vann er avkjølt, er det alltid færre oppløste gasser i det enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum.

Termisk ledningsevne

Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i et kjøleskap med fryser i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at beholderen med varmt vann smelter isen til fryseren under, og forbedrer derved termisk kontakt med veggen til fryseren og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra varmtvannsbeholderen raskere enn fra den kalde. På sin side smelter ikke beholderen med kaldt vann snø under den.

Alle disse (så vel som andre) tilstander har blitt studert i mange eksperimenter, men et entydig svar på spørsmålet – hvilke av dem som gir en 100 % reproduksjon av Mpemba-effekten – har ikke blitt oppnådd.

Så, for eksempel, i 1995 studerte den tyske fysikeren David Auerbach påvirkningen av superkjøling av vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en superkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når den underkjølte tilstanden raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep.

I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann er i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gassene som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det.

Så langt kan bare én ting hevdes - reproduksjonen av denne effekten avhenger i hovedsak av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis.