Maji baridi yaliganda. Ni maji gani huganda haraka: moto au baridi? Je, inategemea nini?

Inaweza kuonekana kuwa fomula nzuri ya zamani H 2 O haina siri. Lakini kwa kweli, maji - chanzo cha uhai na kioevu maarufu zaidi duniani - yamejaa siri nyingi ambazo hata wanasayansi wakati mwingine hawawezi kutatua.

Hapa kuna 5 zaidi ukweli wa kuvutia kuhusu maji:

1. Maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi

Hebu tuchukue vyombo viwili na maji: mimina maji ya moto ndani ya moja, na maji baridi ndani ya nyingine, na kuiweka kwenye friji. Maji ya moto yatagandisha haraka kuliko maji baridi, ingawa kimantiki yangegeuka kuwa barafu kwanza maji baridi: baada ya yote, maji ya moto lazima kwanza baridi chini ya joto la baridi, na kisha kugeuka kuwa barafu, wakati maji baridi haina haja ya kupungua. Kwa nini hii inatokea?

Mwaka 1963, Erasto B. Mpemba, mwanafunzi wa shule ya upili sekondari Nchini Tanzania, wakati wa kufungia mchanganyiko wa aiskrimu uliotayarishwa, niliona kwamba mchanganyiko wa moto huwa mgumu kwenye friji kwa kasi zaidi kuliko ule wa baridi. Kijana huyo aliposhiriki ugunduzi wake na mwalimu wake wa fizikia, alimcheka tu. Kwa bahati nzuri, mwanafunzi alikuwa akiendelea na akamshawishi mwalimu kufanya jaribio, ambalo lilithibitisha ugunduzi wake: chini ya hali fulani, maji ya moto hufungia kwa kasi zaidi kuliko maji baridi.

Sasa hali hii ya maji ya moto kuganda kwa kasi zaidi kuliko maji baridi inaitwa "athari ya Mpemba." Kweli, muda mrefu kabla yake mali ya kipekee maji yalibainishwa na Aristotle, Francis Bacon na René Descartes.

Wanasayansi bado hawaelewi kikamilifu asili ya jambo hili, wakielezea ama kwa tofauti katika baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au kwa athari za gesi zenye maji kwenye maji ya moto na baridi.

Kumbuka kutoka X.RU juu ya mada "Maji moto hugandisha haraka kuliko maji baridi."

Kwa kuwa maswala ya upoezaji yapo karibu na sisi, wataalamu wa majokofu, tutajiruhusu kuzama kwa undani zaidi kiini cha shida hii na kutoa maoni mawili juu ya asili ya aina hii. jambo la ajabu.

1. Mwanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Washington amependekeza maelezo kwa jambo la ajabu lililojulikana tangu wakati wa Aristotle: kwa nini maji ya moto huganda kwa kasi zaidi kuliko maji baridi.

Jambo hilo, linaloitwa athari ya Mpemba, hutumiwa sana katika mazoezi. Kwa mfano, wataalam wanashauri madereva kumwaga maji baridi, sio moto, kwenye hifadhi ya washer wakati wa baridi. Lakini ni nini kiko nyuma ya jambo hili? kwa muda mrefu ilibaki haijulikani.

Dk. Jonathan Katz kutoka Chuo Kikuu cha Washington alisoma jambo hili na kuhitimisha kuwa jukumu muhimu inachezwa na vitu vilivyoyeyushwa katika maji, ambayo hupita wakati wa joto, inaripoti EurekAlert.

Chini ya kufutwa vitu dr. Katz inahusu bicarbonates za kalsiamu na magnesiamu, ambazo hupatikana katika maji ngumu. Wakati maji yanapokanzwa, vitu hivi hupanda, na kutengeneza kiwango kwenye kuta za kettle. Maji ambayo hayajawahi kupashwa joto yana uchafu huu. Inapoganda na kuunda fuwele za barafu, mkusanyiko wa uchafu katika maji huongezeka mara 50. Kwa sababu ya hili, kiwango cha kufungia cha maji hupungua. "Na sasa maji yanapaswa kupoa zaidi ili kuganda," aeleza Dakt. Katz.

Kuna sababu ya pili ambayo inazuia maji yasiyo na joto kutoka kwa kufungia. Kupunguza kiwango cha kufungia cha maji hupunguza tofauti ya joto kati ya awamu ngumu na kioevu. "Kwa sababu kiwango ambacho maji hupoteza joto hutegemea tofauti hii ya joto, maji ambayo hayajapashwa joto hupungua vizuri," asema Dakt. Katz.

Kulingana na mwanasayansi, nadharia yake inaweza kujaribiwa kwa majaribio, kwa sababu Athari ya Mpemba inaonekana zaidi kwa maji magumu.

2. Oksijeni pamoja na hidrojeni pamoja na baridi hutengeneza barafu. Kwa mtazamo wa kwanza, dutu hii ya uwazi inaonekana rahisi sana. Kwa kweli, barafu imejaa siri nyingi. Barafu, iliyoundwa na Mwafrika Erasto Mpemba, hakufikiria juu ya umaarufu. Siku zilikuwa moto. Alitaka popsicles. Alichukua sanduku la juisi na kuiweka kwenye friji. Alifanya hivi zaidi ya mara moja na kwa hivyo aligundua kuwa juisi huganda haraka sana ikiwa utaishikilia kwenye jua kwanza - huwasha moto sana! Hii ni ajabu, alifikiri mtoto wa shule wa Kitanzania ambaye alitenda kinyume hekima ya kidunia. Je, ni kweli kwamba ili kioevu kugeuka kuwa barafu kwa kasi, lazima kwanza iwe ... joto? Kijana huyo alishangaa sana hivi kwamba akashiriki nadhani yake na mwalimu. Aliripoti udadisi huu kwenye vyombo vya habari.

Hadithi hii ilitokea nyuma katika miaka ya sitini ya karne iliyopita. Sasa "Mpemba effect" inajulikana kwa wanasayansi. Lakini kwa muda mrefu jambo hili lililoonekana kuwa rahisi lilibaki kuwa siri. Kwa nini maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi?

Haikuwa hadi 1996 ambapo mwanafizikia David Auerbach alipata suluhisho. Ili kujibu swali hili, alifanya majaribio kwa mwaka mzima: alipasha moto maji kwenye glasi na akaipoza tena. Kwa hivyo aligundua nini? Wakati joto, Bubbles hewa kufutwa katika maji kuyeyuka. Maji yasiyo na gesi huganda kwa urahisi zaidi kwenye kuta za chombo. "Bila shaka, maji yenye kiwango cha juu cha hewa pia yataganda," asema Auerbach, "lakini si kwa nyuzi joto sifuri, lakini tu kwa digrii nne hadi sita." Bila shaka, itabidi kusubiri zaidi. Kwa hiyo, maji ya moto hufungia kabla ya maji baridi, hii ni ukweli wa kisayansi.

Hakuna kitu kinachoonekana mbele ya macho yetu kwa urahisi sawa na barafu. Inajumuisha tu molekuli za maji - yaani, molekuli za msingi zilizo na atomi mbili za hidrojeni na atomi moja ya oksijeni. Walakini, barafu labda ndio dutu ya kushangaza zaidi katika Ulimwengu. Wanasayansi bado hawajaweza kueleza baadhi ya sifa zake.

2. Supercooling na "papo hapo" kufungia

Kila mtu anajua kwamba maji daima hugeuka kuwa barafu wakati kilichopozwa hadi 0 ° C ... isipokuwa katika baadhi ya matukio! Kesi kama hiyo, kwa mfano, ni "supercooling", ambayo ni mali ya sana maji safi kubaki kioevu hata ikipozwa hadi chini ya kuganda. Jambo hili linawezekana kutokana na ukweli kwamba mazingira hayana vituo au nuclei ya fuwele ambayo inaweza kusababisha uundaji wa fuwele za barafu. Na hivyo maji hubakia katika hali ya kimiminika hata yakipozwa hadi chini ya nyuzi joto sifuri. Mchakato wa fuwele unaweza kuchochewa, kwa mfano, na Bubbles za gesi, uchafu (uchafuzi), au uso usio na usawa wa chombo. Bila wao, maji yatabaki ndani hali ya kioevu. Mchakato wa uwekaji fuwele unapoanza, unaweza kutazama maji yaliyopozwa sana yakibadilika mara moja kuwa barafu.

Tazama video (KB 2,901, sekunde 60) kutoka kwa Phil Medina (www.mrsciguy.com) na ujionee mwenyewe >>

Maoni. Maji yenye joto kali pia hubaki kuwa kioevu hata yanapokanzwa juu ya kiwango chake cha kuchemka.

3. "Kioo" maji

Kwa haraka na bila kufikiria, taja maji yana majimbo ngapi tofauti?

Ikiwa ulijibu tatu (imara, kioevu, gesi), basi ulikosea. Wanasayansi wanatambua angalau majimbo 5 tofauti ya maji ya kioevu na majimbo 14 ya barafu.

Je, unakumbuka mazungumzo kuhusu maji yaliyopozwa sana? Kwa hivyo, haijalishi utafanya nini, kwa -38 °C hata maji safi kabisa yaliyopozwa hubadilika kuwa barafu ghafla. Nini kinatokea kwa kupungua zaidi?

joto? Katika -120 °C kitu cha ajabu huanza kutokea kwa maji: inakuwa ya viscous au viscous, kama molasi, na kwa joto chini ya -135 ° C inageuka kuwa "glasi" au "vitreous" maji - imara, ambayo hakuna muundo wa kioo.

4. Quantum mali ya maji

Washa kiwango cha molekuli Maji yanashangaza zaidi. Mnamo mwaka wa 1995, jaribio la kueneza kwa nyutroni lililofanywa na wanasayansi lilitoa matokeo yasiyotarajiwa: wanafizikia waligundua kwamba neutroni zinazolenga molekuli za maji "ona" 25% ya protoni za hidrojeni chache kuliko ilivyotarajiwa.

Ilibadilika kuwa kwa kasi ya attosecond moja (sekunde 10 -18) athari ya quantum isiyo ya kawaida hufanyika, na formula ya kemikali maji badala ya kawaida - H 2 O, inakuwa H 1.5 O!

5. Je, maji yana kumbukumbu?

Homeopathy, mbadala kwa dawa ya kawaida, inadai kuwa suluhisho la diluted bidhaa ya dawa inaweza kuwa na athari ya uponyaji kwenye mwili, hata ikiwa sababu ya dilution ni ya juu sana kwamba hakuna kitu kilichobaki katika suluhisho isipokuwa molekuli za maji. Watetezi wa homeopathy wanaelezea kitendawili hiki na dhana inayoitwa "kumbukumbu ya maji," kulingana na ambayo maji katika kiwango cha Masi yana "kumbukumbu" ya dutu mara moja kufutwa ndani yake na huhifadhi mali ya suluhisho la mkusanyiko wa asili baada ya sio hata moja. molekuli ya kiungo inabaki ndani yake.

Kundi la kimataifa la wanasayansi wakiongozwa na Profesa Madeleine Ennis kutoka Chuo Kikuu cha Malkia cha Belfast, ambaye alikosoa kanuni za homeopathy, walifanya majaribio mnamo 2002 kukanusha dhana hii mara moja na kwa wote. Matokeo yake yalikuwa kinyume.Baada ya nini, wanasayansi walisema kwamba waliweza kuthibitisha ukweli wa athari ya "kumbukumbu ya maji." Hata hivyo, majaribio yaliyofanywa chini ya usimamizi wa wataalam wa kujitegemea hayakuleta matokeo.Migogoro kuhusu kuwepo kwa jambo la "kumbukumbu ya maji" inaendelea.

Maji yana mali nyingine nyingi zisizo za kawaida ambazo hatukuzungumzia katika makala hii.

Fasihi.

1. Mambo 5 Ya Ajabu Sana Kuhusu Maji / http://www.neatorama.com.
2. Siri ya maji: nadharia ya athari ya Aristotle-Mpemba iliundwa / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Siri za asili isiyo hai. Dutu ya ajabu zaidi katika ulimwengu / http://www.bibliotekar.ru.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Ni maji gani huganda haraka, baridi au moto?"- jaribu kuwauliza marafiki wako swali, uwezekano mkubwa wengi wao watajibu kuwa maji baridi huganda haraka - na watafanya makosa.

Kwa kweli, ikiwa wakati huo huo unaweka vyombo viwili vya sura sawa na kiasi kwenye friji, moja ambayo ina maji baridi na nyingine ya moto, basi ni maji ya moto ambayo yatafungia kwa kasi zaidi.

Kauli kama hiyo inaweza kuonekana kuwa ya kipuuzi na isiyo na maana. Ukifuata mantiki, basi maji ya moto lazima kwanza baridi chini ya joto la maji baridi, na maji baridi lazima tayari kugeuka katika barafu kwa wakati huu.

Kwa hivyo kwa nini maji ya moto hupiga maji baridi kwenye njia ya kuganda? Hebu jaribu kufikiri.

Historia ya uchunguzi na utafiti

Watu wameona athari ya paradoxical tangu nyakati za zamani, lakini hakuna mtu aliyeitoa umuhimu maalum. Kwa hiyo, Arestotle, pamoja na Rene Descartes na Francis Bacon, walibainisha katika maelezo yao kutofautiana kwa kiwango cha kufungia kwa maji baridi na ya moto. Jambo lisilo la kawaida mara nyingi hujidhihirisha katika maisha ya kila siku.

Kwa muda mrefu, jambo hilo halijasomwa kwa njia yoyote na halikuamsha shauku kubwa kati ya wanasayansi.

Utafiti wa athari hii isiyo ya kawaida ulianza mwaka wa 1963, wakati mvulana wa shule mdadisi kutoka Tanzania, Erasto Mpemba, aligundua kuwa maziwa ya moto ya aiskrimu yaliganda haraka kuliko ya baridi. Akiwa na matumaini ya kupata maelezo ya sababu za athari hiyo isiyo ya kawaida, kijana huyo alimuuliza mwalimu wake wa fizikia shuleni. Hata hivyo, mwalimu alimcheka tu.

Baadaye, Mpemba alirudia jaribio hilo, lakini katika majaribio yake hakutumia tena maziwa, bali maji, na athari ya kitendawili ilirudiwa tena.

Miaka 6 baadaye, mwaka wa 1969, Mpemba aliuliza swali hili kwa profesa wa fizikia Dennis Osborn, ambaye alikuja shuleni kwake. Profesa alipendezwa na uchunguzi wa kijana huyo, na kwa sababu hiyo, jaribio lilifanyika ambalo lilithibitisha uwepo wa athari, lakini sababu za jambo hili hazijaanzishwa.

Tangu wakati huo jambo hilo limeitwa Mpemba athari.

Katika historia yote ya uchunguzi wa kisayansi, nadharia nyingi zimewekwa mbele juu ya sababu za jambo hilo.

Kwa hivyo mnamo 2012, Jumuiya ya Kifalme ya Kemia ya Uingereza ingetangaza shindano la nadharia zinazoelezea athari ya Mpemba. Wanasayansi kutoka pande zote za dunia walishiriki katika shindano hilo, jumla ya 22,000 walisajiliwa kazi za kisayansi. Licha ya idadi hiyo ya kuvutia ya makala, hakuna hata moja iliyoleta ufafanuzi wa kitendawili cha Mpemba.

Toleo la kawaida lilikuwa kulingana na ambayo maji ya moto hufungia kwa kasi, kwa vile hupuka kwa kasi, kiasi chake kinakuwa kidogo, na kama kiasi kinapungua, kiwango chake cha baridi kinaongezeka. Toleo la kawaida zaidi hatimaye lilikanushwa kwa sababu jaribio lilifanyika ambapo uvukizi haukujumuishwa, lakini athari ilithibitishwa.

Wanasayansi wengine waliamini kuwa chanzo cha athari ya Mpemba ni uvukizi wa gesi zinazoyeyushwa kwenye maji. Kwa maoni yao, wakati wa mchakato wa joto, gesi kufutwa katika maji hupuka, kutokana na ambayo hupata zaidi msongamano mkubwa kuliko baridi. Kama inavyojulikana, ongezeko la wiani husababisha mabadiliko mali za kimwili maji (kuongezeka kwa conductivity ya mafuta), na kwa hiyo ongezeko la kiwango cha baridi.

Kwa kuongezea, nadharia kadhaa zimewekwa mbele zinazoelezea kasi ya mzunguko wa maji kulingana na hali ya joto. Masomo mengi yamejaribu kuanzisha uhusiano kati ya nyenzo za vyombo ambazo kioevu kilikuwa iko. Nadharia nyingi zilionekana kusadikika sana, lakini hazikuweza kuthibitishwa kisayansi kwa sababu ya ukosefu wa data ya awali, ukinzani katika majaribio mengine, au kwa sababu sababu zilizotambuliwa hazikulinganishwa na kiwango cha kupozwa kwa maji. Wanasayansi fulani katika kazi zao walitilia shaka kuwepo kwa athari hiyo.

Mnamo 2013, watafiti kutoka Chuo Kikuu cha Teknolojia Nanyang Singapore walisema wametatua kitendawili cha athari ya Mpemba. Kulingana na utafiti wao, sababu ya jambo hilo liko katika ukweli kwamba kiasi cha nishati iliyohifadhiwa katika vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli za maji baridi na moto ni tofauti sana.

Mbinu uundaji wa kompyuta ilionyesha matokeo yafuatayo: joto la juu la maji, umbali mkubwa kati ya molekuli kutokana na ukweli kwamba nguvu za kukataa huongezeka. Na kwa hiyo vifungo vya hidrojeni vya molekuli kunyoosha, kuhifadhi kiasi kikubwa nishati. Wakati kilichopozwa, molekuli huanza kusonga karibu na kila mmoja, ikitoa nishati kutoka vifungo vya hidrojeni. Katika kesi hiyo, kutolewa kwa nishati kunafuatana na kupungua kwa joto.

Mnamo Oktoba 2017, wanafizikia wa Kihispania, wakati wa utafiti mwingine, waligundua kuwa jukumu kubwa katika malezi ya athari inachezwa na kuondolewa kwa dutu kutoka kwa usawa (inapokanzwa kali kabla ya baridi kali). Waliamua hali ambazo uwezekano wa athari kutokea ni wa juu. Aidha, wanasayansi kutoka Hispania walithibitisha kuwepo kwa athari ya kinyume cha Mpemba. Waligundua kuwa inapokanzwa, sampuli ya baridi inaweza kufikia joto la juu kwa kasi zaidi kuliko joto.

Licha ya habari kamili na majaribio mengi, wanasayansi wanakusudia kuendelea kusoma athari.

Mpemba athari katika maisha halisi

Je, umewahi kujiuliza kwa nini wakati wa baridi rink ya skating imejaa mafuriko maji ya moto, na sio baridi? Kama unavyoelewa tayari, hufanya hivyo kwa sababu rink ya skating iliyojaa maji ya moto itafungia haraka kuliko ikiwa imejaa maji baridi. Kwa sababu hiyo hiyo, maji ya moto hutiwa ndani ya slaidi katika miji ya barafu ya msimu wa baridi.

Kwa hivyo, ujuzi wa kuwepo kwa jambo hilo huwawezesha watu kuokoa muda wakati wa kuandaa tovuti aina za majira ya baridi michezo

Kwa kuongeza, athari ya Mpemba wakati mwingine hutumiwa katika viwanda ili kupunguza muda wa kufungia wa bidhaa, vitu na nyenzo zenye maji.

Katika makala hii tutaangalia swali la kwa nini maji ya moto hufungia kwa kasi zaidi kuliko maji baridi.

Maji yenye joto huganda haraka kuliko maji baridi! Mali hii ya ajabu ya maji, ambayo wanasayansi bado hawawezi kupata maelezo halisi, imejulikana tangu nyakati za kale. Kwa mfano, hata katika Aristotle kuna maelezo ya uvuvi wa majira ya baridi: wavuvi waliingiza viboko vya uvuvi kwenye mashimo kwenye barafu, na ili waweze kufungia kwa kasi, wakamwaga maji ya joto kwenye barafu. Jambo hili lilipewa jina la Erasto Mpemba katika miaka ya 60 ya karne ya 20. Mnemba aliona athari ya ajabu wakati akitengeneza ice cream na kumgeukia mwalimu wake wa fizikia, Dk.Denis Osborne, ili apate maelezo. Mpemba na Dk Osborne walijaribu maji joto tofauti na kuhitimisha: karibu maji ya kuchemsha huanza kufungia kwa kasi zaidi kuliko maji kwenye joto la kawaida. Wanasayansi wengine walifanya majaribio yao wenyewe na kila wakati walipata matokeo sawa.

Ufafanuzi wa jambo la kimwili

Hakuna maelezo yanayokubalika kwa ujumla kwa nini hii inatokea. Watafiti wengi wanapendekeza kwamba hatua nzima iko kwenye baridi kali ya kioevu, ambayo hutokea wakati joto lake linapungua chini ya kiwango cha kufungia. Kwa maneno mengine, ikiwa maji hufungia kwa joto la chini ya 0 ° C, basi maji ya supercooled yanaweza kuwa na joto la, kwa mfano, -2 ° C na bado kubaki kioevu bila kugeuka kwenye barafu. Tunapojaribu kufungia maji baridi, kuna nafasi kwamba itakuwa ya kwanza kuwa supercooled na ngumu tu baada ya muda fulani. Michakato mingine hutokea katika maji yenye joto. Mabadiliko yake ya haraka katika barafu yanahusishwa na convection.

Convection-Hii jambo la kimwili, ambayo tabaka za chini za joto za kioevu hupanda, na za juu, zilizopozwa, huanguka.

Athari ya Mpemba au kwa nini maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi? Athari ya Mpemba (Mpemba Paradox) ni kitendawili kinachosema kuwa maji ya moto katika hali fulani huganda haraka kuliko maji baridi, ingawa lazima yapitishe joto la maji baridi wakati wa kuganda. Kitendawili hiki ni ukweli wa majaribio ambao unapingana na mawazo ya kawaida, kulingana na ambayo, chini ya hali sawa, mwili wenye joto zaidi huchukua muda zaidi wa kupoa kwa joto fulani kuliko mwili wenye joto kidogo na baridi kwa joto sawa. Jambo hili liligunduliwa wakati mmoja na Aristotle, Francis Bacon na Rene Descartes, lakini ilikuwa mwaka wa 1963 tu kwamba mtoto wa shule wa Kitanzania Erasto Mpemba aligundua kuwa mchanganyiko wa ice cream ya moto huganda haraka kuliko baridi. Akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Magambi nchini Tanzania, Erasto Mpemba alifanya hivyo kazi ya vitendo katika kupikia. Alihitaji kufanya ice cream ya nyumbani - kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi kwa joto la kawaida, na kisha kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii sana na alichelewa kukamilisha sehemu ya kwanza ya kazi hiyo. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema kuliko maziwa ya wenzi wake, yaliyotayarishwa kulingana na teknolojia aliyopewa. Baada ya hayo, Mpemba alijaribu sio tu kwa maziwa, bali pia na maji ya kawaida. Kwa vyovyote vile, tayari akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Mkwava, alimwomba Profesa Dennis Osborne kutoka Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam (aliyealikwa na mkurugenzi wa shule hiyo kutoa somo la fizikia kwa wanafunzi) hasa kuhusu maji: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana na kiasi sawa cha maji ili katika moja yao maji yana joto la 35 ° C, na kwa nyingine - 100 ° C, na kuziweka kwenye friji, kisha kwa pili maji yatafungia kwa kasi zaidi. Kwa nini?" Osborne alipendezwa na suala hili na punde, mwaka wa 1969, yeye na Mpemba walichapisha matokeo ya majaribio yao katika jarida la Elimu ya Fizikia. Tangu wakati huo, athari waliyogundua imekuwa ikiitwa athari ya Mpemba. Hadi sasa, hakuna mtu anayejua jinsi ya kuelezea athari hii ya ajabu. Wanasayansi hawana toleo moja, ingawa kuna mengi. Yote ni juu ya tofauti katika mali ya maji ya moto na baridi, lakini bado haijulikani wazi ni mali gani ina jukumu katika kesi hii: tofauti ya baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au athari za gesi kioevu kwenye maji. joto tofauti. Kitendawili cha athari ya Mpemba ni kwamba wakati ambao mwili hupoa hadi joto mazingira, lazima iwe sawia na tofauti ya joto kati ya mwili huu na mazingira. Sheria hii ilianzishwa na Newton na tangu wakati huo imethibitishwa mara nyingi katika mazoezi. Katika athari hii, maji yenye joto la 100 ° C hupoa hadi joto la 0 ° C kwa kasi zaidi kuliko kiasi sawa cha maji na joto la 35 ° C. Hata hivyo, hii bado haimaanishi kitendawili, kwani athari ya Mpemba pia inaweza kuelezwa ndani ya mfumo mwanafizikia maarufu. Hapa kuna baadhi ya maelezo ya athari ya Mpemba: Uvukizi Maji ya moto huvukiza haraka kutoka kwa chombo, na hivyo kupunguza ujazo wake, na ujazo mdogo wa maji kwa joto sawa huganda haraka. Maji yenye joto hadi 100 C hupoteza 16% ya wingi wake wakati kilichopozwa hadi 0 C. Athari ya uvukizi ni athari mbili. Kwanza, wingi wa maji unaohitajika kwa baridi hupungua. Na pili, joto hupungua kutokana na ukweli kwamba joto la uvukizi wa mpito kutoka awamu ya maji hadi awamu ya mvuke hupungua. Tofauti ya joto Kutokana na ukweli kwamba tofauti ya joto kati ya maji ya moto na hewa baridi ni kubwa zaidi - hivyo kubadilishana joto katika hili. kesi inakwenda makali zaidi na maji ya moto hupoa haraka. Hypothermia Maji yanapopoa chini ya 0 C, huwa hayagandi kila wakati. Chini ya hali fulani, inaweza kupitia supercooling, kuendelea kubaki kioevu kwenye joto chini ya kufungia. Katika baadhi ya matukio, maji yanaweza kubaki kioevu hata kwa joto la -20 C. Sababu ya athari hii ni kwamba ili fuwele za kwanza za barafu kuanza kuunda, vituo vya malezi ya kioo vinahitajika. Ikiwa hazipo katika maji ya kioevu, basi supercooling itaendelea mpaka joto linapungua kutosha kwa fuwele kuunda kwa hiari. Wanapoanza kuunda kwenye kioevu kilichopozwa sana, wataanza kukua kwa kasi zaidi, na kutengeneza barafu iliyotiwa maji, ambayo itaganda na kuunda barafu. Maji ya moto huathirika zaidi na hypothermia kwa sababu inapokanzwa huondoa gesi na Bubbles zilizoyeyushwa, ambazo zinaweza kutumika kama vituo vya kuunda fuwele za barafu. Kwa nini hypothermia husababisha maji ya moto kuganda haraka? Katika kesi ya maji baridi ambayo si supercooled, zifuatazo hutokea. Katika kesi hii, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa chombo. Safu hii ya barafu itafanya kazi kama kizio kati ya maji na hewa baridi na itazuia uvukizi zaidi. Kiwango cha malezi ya fuwele za barafu katika kesi hii itakuwa chini. Katika kesi ya maji ya moto chini ya supercooling, maji supercooled haina safu ya uso ya kinga ya barafu. Kwa hiyo, inapoteza joto kwa kasi zaidi kupitia juu ya wazi. Wakati mchakato wa supercooling unapoisha na maji kufungia, joto zaidi hupotea na kwa hiyo barafu zaidi huundwa. Watafiti wengi wa athari hii wanaona hypothermia kuwa sababu kuu katika kesi ya athari ya Mpemba. Convection Maji baridi huanza kufungia kutoka juu, na hivyo kuzidisha michakato ya mionzi ya joto na convection, na hivyo kupoteza joto, wakati maji ya moto huanza kufungia kutoka chini. Athari hii inaelezewa na anomaly katika wiani wa maji. Maji yana wiani wa juu saa 4 C. Ikiwa unapunguza maji hadi 4 C na kuiweka kwenye joto la chini, safu ya uso wa maji itafungia kwa kasi. Kwa sababu maji haya ni mnene kidogo kuliko maji kwa joto la 4 C, itabaki juu ya uso, na kutengeneza safu nyembamba ya baridi. Chini ya hali hizi, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa maji kwa muda mfupi, lakini safu hii ya barafu itafanya kama insulator, kulinda tabaka za chini za maji, ambazo zitabaki kwenye joto la 4 C. Kwa hiyo, mchakato wa baridi zaidi utakuwa polepole. Katika kesi ya maji ya moto, hali ni tofauti kabisa. Safu ya uso ya maji itapunguza haraka zaidi kutokana na uvukizi na tofauti kubwa zaidi joto Kwa kuongeza, tabaka za maji baridi ni mnene zaidi kuliko tabaka za maji ya moto, hivyo safu ya maji baridi itazama chini, na kuinua safu ya maji ya joto kwenye uso. Mzunguko huu wa maji huhakikisha kushuka kwa kasi kwa joto. Lakini kwa nini mchakato huu haufikii hatua ya usawa? Ili kuelezea athari ya Mpemba kutoka kwa mtazamo huu wa convection, itakuwa muhimu kudhani kuwa tabaka za baridi na moto za maji zimetenganishwa na mchakato wa convection yenyewe unaendelea baada ya. wastani wa joto maji yatashuka chini ya 4 C. Hata hivyo, hakuna data ya majaribio ambayo inaweza kuthibitisha hypothesis hii kwamba tabaka za maji baridi na moto hutenganishwa wakati wa mchakato wa convection. Gesi kufutwa katika maji Maji daima ina gesi kufutwa ndani yake - oksijeni na kaboni dioksidi. Gesi hizi zina uwezo wa kupunguza kiwango cha kuganda cha maji. Wakati maji yanapokanzwa, gesi hizi hutolewa kutoka kwa maji kwa sababu umumunyifu wao katika maji ni joto la juu chini. Kwa hiyo, wakati maji ya moto yanapopoa, daima huwa na gesi zilizopunguzwa kidogo kuliko katika maji baridi yasiyo na joto. Kwa hiyo, hatua ya kufungia ya maji yenye joto ni ya juu na inafungia kwa kasi zaidi. Sababu hii wakati mwingine inachukuliwa kuwa ndiyo kuu katika kuelezea athari ya Mpemba, ingawa hakuna data ya majaribio inayothibitisha ukweli huu. Conductivity ya joto Utaratibu huu unaweza kucheza jukumu muhimu maji yanapowekwa kwenye friji ya kufungia sehemu ya friji kwenye vyombo vidogo. Chini ya hali hizi, imeonekana kwamba chombo cha maji ya moto huyeyusha barafu kwenye friji iliyo chini, na hivyo kuboresha mawasiliano ya joto na ukuta wa friji na conductivity ya mafuta. Matokeo yake, joto huondolewa kwenye chombo cha maji ya moto kwa kasi zaidi kuliko kutoka kwa baridi. Kwa upande wake, chombo kilicho na maji baridi hakiyeyushi theluji chini. Masharti haya yote (pamoja na mengine) yalichunguzwa katika majaribio mengi, lakini jibu la wazi kwa swali - ni nani kati yao hutoa uzazi wa asilimia mia moja ya athari ya Mpemba - haikupatikana kamwe. Kwa mfano, mwaka wa 1995, mwanafizikia wa Ujerumani David Auerbach alisoma athari za maji ya supercooling juu ya athari hii. Aligundua kwamba maji ya moto, kufikia hali ya supercooled, kufungia kwa joto la juu kuliko maji baridi, na kwa hiyo kwa kasi zaidi kuliko mwisho. Lakini maji baridi hufikia hali ya supercooled kwa kasi zaidi kuliko maji ya moto, na hivyo kulipa fidia kwa lag ya awali. Kwa kuongeza, matokeo ya Auerbach yalipingana na data ya awali kwamba maji ya moto yaliweza kufikia upoaji mkubwa zaidi kutokana na vituo vichache vya fuwele. Wakati maji yanapokanzwa, gesi zilizoyeyushwa ndani yake huondolewa kutoka kwake, na inapochemshwa, chumvi zingine huyeyuka ndani yake. Kwa sasa, jambo moja tu linaweza kutajwa - uzazi wa athari hii kwa kiasi kikubwa inategemea hali ambayo jaribio linafanywa. Hasa kwa sababu haijatolewa kila wakati. O. V. Mosin

Mpemba athari(Kitendawili cha Mpemba) ni kitendawili kinachosema kuwa maji ya moto katika hali fulani huganda haraka kuliko maji baridi, ingawa lazima yapitishe joto la maji baridi wakati wa kuganda. Kitendawili hiki ni ukweli wa majaribio ambao unapingana na mawazo ya kawaida, kulingana na ambayo, chini ya hali sawa, mwili wenye joto zaidi huchukua muda zaidi wa kupoa kwa joto fulani kuliko mwili wenye joto kidogo na baridi kwa joto sawa.

Jambo hili liligunduliwa wakati mmoja na Aristotle, Francis Bacon na Rene Descartes, lakini ilikuwa mwaka wa 1963 tu kwamba mtoto wa shule wa Kitanzania Erasto Mpemba aligundua kuwa mchanganyiko wa ice cream ya moto huganda haraka kuliko baridi.

Akiwa mwanafunzi katika Shule ya Upili ya Magambi nchini Tanzania, Erasto Mpemba alifanya kazi ya vitendo kama mpishi. Alihitaji kufanya ice cream ya nyumbani - kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi kwa joto la kawaida, na kisha kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii sana na alichelewa kukamilisha sehemu ya kwanza ya kazi hiyo. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema kuliko maziwa ya wenzi wake, yaliyotayarishwa kulingana na teknolojia aliyopewa.

Baada ya hayo, Mpemba alijaribu sio tu kwa maziwa, bali pia na maji ya kawaida. Kwa vyovyote vile, tayari akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Mkwava, alimwomba Profesa Dennis Osborne kutoka Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam (aliyealikwa na mkurugenzi wa shule hiyo kutoa somo la fizikia kwa wanafunzi) hasa kuhusu maji: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana na kiasi sawa cha maji ili katika moja yao maji yana joto la 35 ° C, na kwa nyingine - 100 ° C, na kuziweka kwenye friji, kisha kwa pili maji yatafungia kwa kasi zaidi. Kwa nini?" Osborne alipendezwa na suala hili na punde, mwaka wa 1969, yeye na Mpemba walichapisha matokeo ya majaribio yao katika jarida la Elimu ya Fizikia. Tangu wakati huo, athari waliyogundua imeitwa Mpemba athari.

Hadi sasa, hakuna mtu anayejua jinsi ya kuelezea athari hii ya ajabu. Wanasayansi hawana toleo moja, ingawa kuna mengi. Yote ni juu ya tofauti katika mali ya maji ya moto na baridi, lakini bado haijulikani wazi ni mali gani ina jukumu katika kesi hii: tofauti ya baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au athari za gesi kioevu kwenye maji. joto tofauti.

Kitendawili cha athari ya Mpemba ni kwamba wakati ambao mwili hupoa hadi joto iliyoko unapaswa kuwa sawia na tofauti ya joto kati ya mwili huu na mazingira. Sheria hii ilianzishwa na Newton na tangu wakati huo imethibitishwa mara nyingi katika mazoezi. Katika athari hii, maji yenye joto la 100 ° C hupoa hadi joto la 0 ° C kwa kasi zaidi kuliko kiasi sawa cha maji na joto la 35 ° C.

Hata hivyo, hii bado haimaanishi kitendawili, kwani athari ya Mpemba inaweza kuelezwa ndani ya mfumo wa fizikia inayojulikana. Hapa kuna baadhi ya maelezo ya athari ya Mpemba:

Uvukizi

Maji ya moto huvukiza kwa kasi kutoka kwenye chombo, na hivyo kupunguza kiasi chake, na kiasi kidogo cha maji kwa joto sawa huganda haraka. Maji yenye joto hadi 100 C hupoteza 16% ya uzito wake yanapopozwa hadi 0 C.

Athari ya uvukizi ni athari mbili. Kwanza, wingi wa maji unaohitajika kwa baridi hupungua. Na pili, joto hupungua kutokana na ukweli kwamba joto la uvukizi wa mpito kutoka awamu ya maji hadi awamu ya mvuke hupungua.

Tofauti ya joto

Kutokana na ukweli kwamba tofauti ya joto kati ya maji ya moto na hewa baridi ni kubwa zaidi, kwa hiyo kubadilishana joto katika kesi hii ni kali zaidi na maji ya moto hupungua kwa kasi.

Hypothermia

Maji yanapopoa chini ya 0 C, huwa haigandi kila wakati. Chini ya hali fulani, inaweza kupitia supercooling, kuendelea kubaki kioevu kwenye joto chini ya kufungia. Katika hali nyingine, maji yanaweza kubaki kioevu hata kwa joto la -20 C.

Sababu ya athari hii ni kwamba ili fuwele za kwanza za barafu zianze kuunda, vituo vya kuunda kioo vinahitajika. Ikiwa hazipo katika maji ya kioevu, basi supercooling itaendelea mpaka joto linapungua kutosha kwa fuwele kuunda kwa hiari. Wanapoanza kuunda kwenye kioevu kilichopozwa sana, wataanza kukua kwa kasi zaidi, na kutengeneza barafu iliyotiwa maji, ambayo itaganda na kuunda barafu.

Maji ya moto huathirika zaidi na hypothermia kwa sababu inapokanzwa huondoa gesi na Bubbles zilizoyeyushwa, ambazo zinaweza kutumika kama vituo vya kuunda fuwele za barafu.

Kwa nini hypothermia husababisha maji ya moto kuganda haraka? Katika kesi ya maji baridi ambayo si supercooled, zifuatazo hutokea. Katika kesi hii, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa chombo. Safu hii ya barafu itafanya kazi kama kizio kati ya maji na hewa baridi na itazuia uvukizi zaidi. Kiwango cha malezi ya fuwele za barafu katika kesi hii itakuwa chini. Katika kesi ya maji ya moto chini ya supercooling, maji supercooled haina safu ya uso ya kinga ya barafu. Kwa hiyo, inapoteza joto kwa kasi zaidi kupitia juu ya wazi.

Wakati mchakato wa supercooling unapoisha na maji kufungia, joto zaidi hupotea na kwa hiyo barafu zaidi huundwa.

Watafiti wengi wa athari hii wanaona hypothermia kuwa sababu kuu katika kesi ya athari ya Mpemba.

Convection

Maji baridi huanza kuganda kutoka juu, na hivyo kuzidisha michakato ya mionzi ya joto na convection, na hivyo kupoteza joto, wakati maji ya moto huanza kufungia kutoka chini.

Athari hii inaelezewa na anomaly katika wiani wa maji. Maji yana wiani wa juu saa 4 C. Ikiwa unapunguza maji hadi 4 C na kuiweka kwenye joto la chini, safu ya uso wa maji itafungia kwa kasi. Kwa sababu maji haya ni mnene kidogo kuliko maji kwa joto la 4 C, itabaki juu ya uso, na kutengeneza safu nyembamba ya baridi. Chini ya hali hizi, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa maji ndani ya muda mfupi, lakini safu hii ya barafu itatumika kama insulator, kulinda tabaka za chini za maji, ambazo zitabaki kwenye joto la 4 C. Kwa hivyo, mchakato wa baridi zaidi utakuwa polepole.

Katika kesi ya maji ya moto, hali ni tofauti kabisa. Safu ya uso ya maji itapoa haraka zaidi kutokana na uvukizi na tofauti kubwa ya joto. Kwa kuongeza, tabaka za maji baridi ni mnene zaidi kuliko tabaka za maji ya moto, hivyo safu ya maji baridi itazama chini, na kuinua safu ya maji ya joto kwenye uso. Mzunguko huu wa maji huhakikisha kushuka kwa kasi kwa joto.

Lakini kwa nini mchakato huu haufikii hatua ya usawa? Ili kuelezea athari ya Mpemba kutoka kwa mtazamo huu wa upitishaji, itakuwa muhimu kudhani kuwa tabaka za maji baridi na moto zimetenganishwa na mchakato wa kupitisha yenyewe unaendelea baada ya wastani wa joto la maji kushuka chini ya 4 C.

Hata hivyo, hakuna ushahidi wa majaribio kuunga mkono dhana hii kwamba tabaka za maji baridi na moto hutenganishwa na mchakato wa convection.

Gesi kufutwa katika maji

Maji daima yana gesi zilizoyeyushwa ndani yake - oksijeni na dioksidi kaboni. Gesi hizi zina uwezo wa kupunguza kiwango cha kuganda cha maji. Maji yanapokanzwa, gesi hizi hutolewa kutoka kwa maji kwa sababu umumunyifu wao katika maji ni wa chini kwa joto la juu. Kwa hiyo, wakati maji ya moto yanapopoa, daima huwa na gesi zilizopunguzwa kidogo kuliko katika maji baridi yasiyo na joto. Kwa hiyo, hatua ya kufungia ya maji yenye joto ni ya juu na inafungia kwa kasi zaidi. Sababu hii wakati mwingine inachukuliwa kuwa ndiyo kuu katika kuelezea athari ya Mpemba, ingawa hakuna data ya majaribio inayothibitisha ukweli huu.

Conductivity ya joto

Utaratibu huu unaweza kuwa na jukumu muhimu wakati maji yanawekwa kwenye friji ya compartment ya friji katika vyombo vidogo. Chini ya hali hizi, imeonekana kwamba chombo cha maji ya moto huyeyusha barafu kwenye friji chini, na hivyo kuboresha mawasiliano ya joto na ukuta wa friji na conductivity ya mafuta. Matokeo yake, joto huondolewa kwenye chombo cha maji ya moto kwa kasi zaidi kuliko kutoka kwa baridi. Kwa upande wake, chombo kilicho na maji baridi hakiyeyushi theluji chini.

Masharti haya yote (pamoja na mengine) yalichunguzwa katika majaribio mengi, lakini jibu la wazi kwa swali - ni nani kati yao hutoa uzazi wa asilimia mia moja ya athari ya Mpemba - haikupatikana kamwe.

Kwa mfano, mwaka wa 1995, mwanafizikia wa Ujerumani David Auerbach alisoma athari za maji ya supercooling juu ya athari hii. Aligundua kwamba maji ya moto, kufikia hali ya supercooled, kufungia kwa joto la juu kuliko maji baridi, na kwa hiyo kwa kasi zaidi kuliko mwisho. Lakini maji baridi hufikia hali ya supercooled kwa kasi zaidi kuliko maji ya moto, na hivyo kulipa fidia kwa lag ya awali.

Kwa kuongeza, matokeo ya Auerbach yalipingana na data ya awali kwamba maji ya moto yaliweza kufikia upoaji mkubwa zaidi kutokana na vituo vichache vya fuwele. Wakati maji yanapokanzwa, gesi zilizoyeyushwa ndani yake huondolewa kutoka kwake, na inapochemshwa, chumvi zingine huyeyuka ndani yake.

Kwa sasa, jambo moja tu linaweza kusemwa - uzazi wa athari hii kwa kiasi kikubwa inategemea hali ambayo jaribio linafanywa. Hasa kwa sababu haijatolewa kila wakati.