น้ำเย็นหรือน้ำร้อน วิดีโอ: น้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - ร้อนหรือเย็น

วิชาหนึ่งที่ฉันชอบที่โรงเรียนคือวิชาเคมี ครั้งหนึ่งครูสอนเคมีให้งานที่แปลกและยากแก่เรา เขาให้รายการคำถามที่เราต้องตอบในแง่ของเคมี เราได้รับเวลาหลายวันสำหรับงานนี้และได้รับอนุญาตให้ใช้ห้องสมุดและแหล่งข้อมูลอื่นๆ ที่มีอยู่ คำถามข้อหนึ่งเกี่ยวข้องกับจุดเยือกแข็งของน้ำ ฉันจำไม่ได้ว่าคำถามฟังดูเป็นอย่างไร แต่มันเป็นเรื่องของความจริงที่ว่า ถ้าคุณเอาถังไม้ที่มีขนาดเท่ากันสองใบ มาหนึ่งใบกับ น้ำร้อนอีกอันเป็นอันเย็น (ด้วยอุณหภูมิที่กำหนดเป๊ะๆ เลย) แล้วเอาไปวางในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิพอเหมาะ อันไหนจะแข็งเร็วกว่ากัน? แน่นอนว่าคำตอบนั้นแนะนำตัวเองทันที - ถังน้ำเย็น แต่เราคิดว่ามันง่ายเกินไป แต่นี่ไม่เพียงพอที่จะให้คำตอบที่สมบูรณ์ เราจำเป็นต้องพิสูจน์จากมุมมองทางเคมี แม้ว่าฉันจะคิดและค้นคว้ามาทั้งหมดแล้ว แต่ฉันก็ไม่สามารถสรุปได้เชิงตรรกะ ฉันตัดสินใจข้ามบทเรียนนี้ไปในวันนั้นด้วยซ้ำ ดังนั้นฉันจึงไม่เคยเรียนรู้วิธีแก้ปัญหาของปริศนานี้เลย

หลายปีผ่านไป และฉันได้เรียนรู้ตำนานมากมายในชีวิตประจำวันเกี่ยวกับจุดเดือดและจุดเยือกแข็งของน้ำ และมีตำนานหนึ่งกล่าวว่า: “ น้ำร้อนค้างเร็วขึ้น" ฉันดูเว็บไซต์หลายแห่ง แต่ข้อมูลขัดแย้งกันเกินไป และนี่เป็นเพียงความคิดเห็นที่ไม่มีมูลจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ และฉันตัดสินใจที่จะใช้จ่าย ประสบการณ์ของตัวเอง- เนื่องจากฉันหาถังไม้ไม่เจอ ฉันจึงใช้ช่องแช่แข็ง เตา น้ำ และเทอร์โมมิเตอร์แบบดิจิตอล ฉันจะบอกคุณเกี่ยวกับผลลัพธ์ของประสบการณ์ของฉันในภายหลัง ก่อนอื่น ฉันจะแบ่งปันข้อโต้แย้งที่น่าสนใจเกี่ยวกับน้ำกับคุณ:

น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่กล่าวว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำร้อน แต่ปรากฏการณ์ตลกอย่างหนึ่ง (ที่เรียกว่า Memba effect) โดยไม่ทราบสาเหตุ ได้พิสูจน์สิ่งที่ตรงกันข้าม: น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น คำอธิบายประการหนึ่งคือกระบวนการระเหย: หากวางน้ำร้อนจัดในสภาพแวดล้อมที่เย็น น้ำจะเริ่มระเหย (ปริมาณน้ำที่เหลือจะแข็งตัวเร็วขึ้น) และตามกฎของเคมี นี่ไม่ใช่ตำนานแต่อย่างใด และเป็นไปได้มากว่านี่คือสิ่งที่ครูต้องการจะได้ยินจากเรา

น้ำต้มสุกแข็งเร็วขึ้น น้ำประปา- แม้จะมีคำอธิบายก่อนหน้านี้ แต่ผู้เชี่ยวชาญบางคนแย้งว่า น้ำต้มสุกเมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิห้องก็ควรแข็งตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการต้มจะทำให้ปริมาณออกซิเจนลดลง

น้ำเย็นเดือดเร็วกว่าน้ำร้อน หากน้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำเย็นอาจเดือดเร็วขึ้น! สิ่งนี้ขัดแย้งกัน สามัญสำนึกและนักวิทยาศาสตร์บอกว่าสิ่งนี้ไม่สามารถเป็นได้ น้ำประปาร้อนควรเดือดเร็วกว่าน้ำเย็นจริงๆ แต่การใช้น้ำร้อนต้มไม่ได้ช่วยประหยัดพลังงาน คุณอาจใช้แก๊สหรือไฟน้อยลง แต่เครื่องทำน้ำอุ่นจะใช้พลังงานเท่ากันในการทำความร้อนน้ำเย็น (กับ พลังงานแสงอาทิตย์สิ่งต่าง ๆ เล็กน้อย) จากการให้น้ำร้อนด้วยเครื่องทำน้ำอุ่น อาจมีตะกอนเกิดขึ้น ส่งผลให้น้ำใช้เวลาในการทำความร้อนนานขึ้น

หากเติมเกลือลงในน้ำก็จะเดือดเร็วขึ้น เกลือจะเพิ่มจุดเดือด (และลดจุดเยือกแข็งลงด้วย ด้วยเหตุนี้แม่บ้านบางคนจึงเติมเกลือเล็กน้อยลงในไอศกรีม) เกลือสินเธาว์- แต่เราอยู่ใน ในกรณีนี้ฉันสนใจคำถามอื่น: น้ำจะใช้เวลาต้มนานแค่ไหน และจุดเดือดในกรณีนี้สามารถเพิ่มขึ้นเกิน 100°C ได้หรือไม่) แม้ว่าตำราอาหารจะพูดอะไร แต่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าปริมาณเกลือที่เราเติมลงในน้ำเดือดไม่เพียงพอที่จะส่งผลต่อเวลาหรืออุณหภูมิในการเดือด

แต่นี่คือสิ่งที่ฉันได้รับ:

น้ำเย็น: ฉันใช้แก้วน้ำบริสุทธิ์ขนาด 100 มล. สามแก้ว: แก้วหนึ่งมีอุณหภูมิห้อง (72°F/22°C) แก้วหนึ่งมีน้ำร้อน (115°F/46°C) และอีกแก้วมีน้ำต้มสุก (212 °F/100°C) ฉันวางแก้วทั้งสามใบในช่องแช่แข็งที่อุณหภูมิ -18°C และเนื่องจากฉันรู้ว่าน้ำจะไม่กลายเป็นน้ำแข็งในทันที ฉันจึงกำหนดระดับความเยือกแข็งโดยใช้ "ทุ่นไม้" เมื่อไม้ที่วางอยู่ตรงกลางกระจกไม่แตะฐานอีกต่อไป ฉันถือว่าน้ำกลายเป็นน้ำแข็งแล้ว ฉันตรวจดูแว่นตาทุกๆ ห้านาที และผลลัพธ์ของฉันคืออะไร? น้ำในแก้วแรกกลายเป็นน้ำแข็งหลังจากผ่านไป 50 นาที น้ำร้อนแข็งตัวหลังจากผ่านไป 80 นาที ต้ม - หลังจาก 95 นาที สิ่งที่ฉันค้นพบ: เมื่อพิจารณาจากสภาพในช่องแช่แข็งและน้ำที่ฉันใช้ ฉันไม่สามารถสร้างเอฟเฟกต์ Memba ได้

ฉันยังทดลองการทดลองนี้กับน้ำต้มก่อนหน้านี้ที่ทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิห้องด้วย แข็งตัวภายใน 60 นาที แต่ยังใช้เวลานานกว่าน้ำเย็นในการแข็งตัว

น้ำต้มสุก: ฉันเอาน้ำหนึ่งลิตรที่อุณหภูมิห้องแล้วนำไปตั้งไฟ มันต้มใน 6 นาที จากนั้นฉันก็ทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องและเติมลงไปในขณะที่ยังร้อน ด้วยไฟเดียวกันต้มน้ำร้อนใน 4 ชั่วโมง 30 นาที สรุป: ตามที่คาดไว้ น้ำร้อนเดือดเร็วกว่ามาก

น้ำต้มสุก (พร้อมเกลือ): ฉันเติมเกลือแกง 2 ช้อนโต๊ะใหญ่ต่อน้ำ 1 ลิตร ต้มใน 6 นาที 33 วินาที และตามที่เทอร์โมมิเตอร์แสดง อุณหภูมิก็สูงถึง 102°C ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเกลือส่งผลต่อจุดเดือด แต่ก็ไม่มากนัก สรุป: เกลือในน้ำไม่ส่งผลต่ออุณหภูมิและเวลาในการเดือดมากนัก ฉันยอมรับโดยสุจริตว่าห้องครัวของฉันแทบจะเรียกได้ว่าเป็นห้องทดลองไม่ได้และบางทีข้อสรุปของฉันอาจขัดแย้งกับความเป็นจริง ตู้แช่แข็งของฉันอาจแช่แข็งอาหารได้ไม่เท่ากัน แก้วแก้วของฉันอาจเป็นได้รูปร่างไม่สม่ำเสมอ ฯลฯ แต่ไม่ว่าอะไรจะเกิดขึ้นสภาพห้องปฏิบัติการ , เมื่อไรเรากำลังพูดถึง

เมื่อพูดถึงการแช่แข็งหรือต้มน้ำในห้องครัว สิ่งที่สำคัญที่สุดคือสามัญสำนึก เชื่อมโยงกับข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ
เกี่ยวกับน้ำเกี่ยวกับน้ำ

ตามที่แนะนำในฟอรัม forum.ixbt.com เอฟเฟกต์นี้ (เอฟเฟกต์ของน้ำร้อนที่แข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น) เรียกว่า "เอฟเฟกต์ Aristotle-Mpemba"

เหล่านั้น. น้ำต้ม (แช่เย็น) แข็งตัวเร็วกว่าน้ำ "ดิบ"

มีหลายปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการที่น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น ร้อนหรือเย็น แต่คำถามนั้นดูแปลกไปเล็กน้อย ความหมายโดยนัยซึ่งทราบจากฟิสิกส์ก็คือ น้ำร้อนยังต้องใช้เวลาในการทำให้เย็นลงเมื่อเทียบกับอุณหภูมิของน้ำเย็นที่ถูกเปรียบเทียบเพื่อที่จะกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำเย็นสามารถข้ามขั้นตอนนี้ได้และด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้น

แต่คำตอบสำหรับคำถามที่ว่าน้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน - ข้างนอกในที่เย็นผู้อยู่อาศัยในละติจูดตอนเหนือรู้ดี ในความเป็นจริง ตามทางวิทยาศาสตร์ ปรากฎว่าไม่ว่าในกรณีใด น้ำเย็นมักจะแข็งตัวเร็วขึ้น

ครูฟิสิกส์ซึ่งได้รับการติดต่อจากเด็กนักเรียน Erasto Mpemba ในปีพ. ศ. 2506 คิดแบบเดียวกันโดยขอให้อธิบายว่าเหตุใดส่วนผสมเย็นของไอศกรีมในอนาคตจึงใช้เวลาในการแข็งตัวนานกว่าไอศกรีมที่คล้ายกัน แต่ร้อน

ในเวลานั้นครูเพียงหัวเราะกับสิ่งนี้ แต่เดนิสออสบอร์นศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ซึ่งครั้งหนึ่งเคยไปเยี่ยมโรงเรียนเดียวกันกับที่ Erasto ศึกษาอยู่ยืนยันการทดลองแล้วว่ามีผลกระทบดังกล่าวแม้ว่าจะไม่มีคำอธิบายก็ตาม ในปี พ.ศ. 2512 ได้รับความนิยม วารสารวิทยาศาสตร์บทความร่วมถูกตีพิมพ์โดยคนสองคนนี้ซึ่งบรรยายถึงผลกระทบที่แปลกประหลาดนี้

ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา คำถามที่ว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - มี ชื่อที่ถูกต้อง- ผลกระทบหรือความขัดแย้งของ Mpemba

คำถามนี้มีมานานแล้ว

โดยธรรมชาติแล้วปรากฏการณ์ดังกล่าวเคยเกิดขึ้นมาก่อนและมีการกล่าวถึงในผลงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ไม่เพียงแต่เด็กนักเรียนเท่านั้นที่สนใจปัญหานี้ แต่ Rene Descartes และแม้แต่ Aristotle ก็คิดถึงเรื่องนี้ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งด้วย

แต่พวกเขาเริ่มมองหาแนวทางในการแก้ไขความขัดแย้งนี้เมื่อปลายศตวรรษที่ 20 เท่านั้น

เงื่อนไขที่ Paradox จะเกิดขึ้น

เช่นเดียวกับไอศกรีม ไม่ใช่แค่น้ำเปล่าเท่านั้นที่จะแข็งตัวในระหว่างการทดลอง ต้องมีเงื่อนไขบางประการเพื่อที่จะเริ่มโต้เถียงว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน อะไรมีอิทธิพลต่อกระบวนการนี้?

ในปัจจุบัน ในศตวรรษที่ 21 มีการเสนอทางเลือกหลายประการที่สามารถอธิบายความขัดแย้งนี้ได้ น้ำแบบไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า ร้อนหรือเย็น อาจขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่ามีอัตราการระเหยสูงกว่าน้ำเย็น ดังนั้น ปริมาตรจึงลดลง และเมื่อปริมาตรลดลง ระยะเวลาการแช่แข็งจะสั้นลงกว่าถ้าเราใช้น้ำเย็นที่มีปริมาตรเริ่มแรกเท่าเดิม

คุณละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งมานานแล้ว

น้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่าและเหตุใดจึงเกิดขึ้นอาจได้รับอิทธิพลจากชั้นหิมะที่อาจมีอยู่ในช่องแช่แข็งของตู้เย็นที่ใช้ในการทดลอง หากคุณนำภาชนะสองใบที่มีปริมาตรเท่ากัน แต่ภาชนะหนึ่งมีน้ำร้อนและอีกภาชนะเย็น ภาชนะที่มีน้ำร้อนจะทำให้หิมะละลายอยู่ข้างใต้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสระดับความร้อนกับผนังตู้เย็น ภาชนะใส่น้ำเย็นไม่สามารถทำได้ หากไม่มีหิมะในช่องตู้เย็น น้ำเย็นควรจะแข็งเร็วขึ้น

บน-ล่าง

นอกจากนี้ ปรากฏการณ์ที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - อธิบายได้ดังนี้ ตามกฎหมายบางประการ น้ำเย็นจะเริ่มแข็งตัวจากชั้นบน เมื่อน้ำร้อนทำสิ่งที่ตรงกันข้าม - จะเริ่มแข็งตัวจากล่างขึ้นบน ปรากฎว่าน้ำเย็นซึ่งมีชั้นเย็นอยู่ด้านบนโดยมีน้ำแข็งก่อตัวอยู่แล้วทำให้กระบวนการพาความร้อนแย่ลงและ การแผ่รังสีความร้อนจึงอธิบายว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน มีการแนบภาพถ่ายจากการทดลองสมัครเล่นมาด้วย ซึ่งมองเห็นได้ชัดเจนที่นี่

ความร้อนออกไปพุ่งขึ้นด้านบนและไปบรรจบกับชั้นที่เย็นมาก ไม่มีเส้นทางอิสระสำหรับการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นจึงทำได้ยาก น้ำร้อนไม่มีอุปสรรคขวางทางอย่างแน่นอน ซึ่งค้างเร็วกว่า - เย็นหรือร้อนซึ่งขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ คุณสามารถขยายคำตอบโดยบอกว่าน้ำใด ๆ ที่มีสารบางชนิดละลายอยู่ในนั้น

สิ่งเจือปนในน้ำเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อผลลัพธ์

ถ้าไม่โกงและใช้น้ำที่มีส่วนผสมเหมือนกันความเข้มข้นจะอยู่ที่ไหน? สารบางชนิดเท่ากันแล้วน้ำเย็นควรแข็งเร็วขึ้น แต่หากเกิดสถานการณ์เมื่อเลิกกิจการแล้ว องค์ประกอบทางเคมีมีเฉพาะในน้ำร้อนเท่านั้นและน้ำเย็นไม่มีดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ที่น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าสารที่ละลายในน้ำจะสร้างจุดศูนย์กลางการตกผลึก และด้วยจุดศูนย์กลางเหล่านี้จำนวนไม่มาก การเปลี่ยนน้ำให้เป็นสถานะของแข็งจึงเป็นเรื่องยาก อาจเป็นไปได้ด้วยซ้ำว่าน้ำจะถูกทำให้เย็นลงเป็นพิเศษ ในแง่ที่ว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ น้ำจะอยู่ในสถานะของเหลว

แต่เห็นได้ชัดว่าเวอร์ชันเหล่านี้ไม่เหมาะกับนักวิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์และพวกเขายังคงดำเนินการในประเด็นนี้ต่อไป ในปี 2013 ทีมนักวิจัยในสิงคโปร์กล่าวว่าพวกเขาได้ไขปริศนาอันเก่าแก่ได้

นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนกลุ่มหนึ่งอ้างว่าความลับของผลกระทบนี้อยู่ที่ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ระหว่างโมเลกุลของน้ำในพันธะของมัน เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

คำตอบจากนักวิทยาศาสตร์ชาวจีน

ต่อไปนี้เป็นข้อมูลเพื่อทำความเข้าใจว่าคุณต้องมีความรู้ด้านเคมีอะไรบ้างเพื่อที่จะเข้าใจว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วกว่า - ร้อนหรือเย็น ดังที่ทราบกันดีว่าประกอบด้วยอะตอม H (ไฮโดรเจน) สองอะตอมและอะตอม O (ออกซิเจน) หนึ่งอะตอมซึ่งยึดติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์

แต่อะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลหนึ่งก็ถูกดึงดูดไปยังโมเลกุลข้างเคียงกับส่วนประกอบออกซิเจนด้วย พันธะเหล่านี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

เป็นที่น่าจดจำว่าในเวลาเดียวกันโมเลกุลของน้ำก็มีผลที่น่ารังเกียจต่อกัน นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าเมื่อน้ำร้อน ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของมันจะเพิ่มขึ้น และสิ่งนี้จะอำนวยความสะดวกด้วยแรงผลัก ปรากฎว่าเมื่ออยู่ในระยะห่างเท่ากันระหว่างโมเลกุลในสภาวะเย็น พวกมันสามารถยืดออกได้และมีพลังงานมากขึ้น มันเป็นพลังงานสำรองที่ปล่อยออกมาเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มเคลื่อนที่เข้ามาใกล้กันนั่นคือการระบายความร้อนเกิดขึ้น ปรากฎว่ามีพลังงานสำรองมากขึ้นในน้ำร้อน และจะปล่อยออกมามากขึ้นเมื่อถูกทำให้เย็นลง อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์เกิดขึ้นได้เร็วกว่าในน้ำเย็นซึ่งมีพลังงานสำรองน้อยกว่า แล้วน้ำไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน? บนถนนและในห้องปฏิบัติการ ความขัดแย้งของ Mpemba ควรเกิดขึ้น และน้ำร้อนควรกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น

แต่คำถามยังคงเปิดอยู่

มีเพียงการยืนยันทางทฤษฎีของวิธีแก้ปัญหานี้เท่านั้น - ทั้งหมดนี้เขียนไว้ สูตรสวยงามและดูเหมือนว่าจะเป็นไปได้ แต่เมื่อนำข้อมูลการทดลองที่ทำให้น้ำเย็นเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - ถูกนำมาใช้จริงและนำเสนอผลลัพธ์ คำถามเกี่ยวกับความขัดแย้งของ Mpemba ก็ถือว่าปิดได้

British Royal Society of Chemistry เสนอรางวัล 1,000 ปอนด์แก่ใครก็ตามที่สามารถอธิบายได้ จุดทางวิทยาศาสตร์ทำความเข้าใจว่าทำไมในบางกรณีน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

“วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ยังคงไม่สามารถตอบคำถามที่ดูเหมือนง่ายนี้ได้ ผู้ผลิตไอศกรีมและบาร์เทนเดอร์ใช้เอฟเฟกต์นี้ในการทำงานประจำวัน แต่ไม่มีใครรู้ว่าทำไมมันถึงได้ผล ปัญหานี้ทราบกันมานานนับพันปี โดยนักปรัชญาเช่นอริสโตเติลและเดส์การตส์ก็คิดเรื่องนี้อยู่” ศาสตราจารย์เดวิด ฟิลลิปส์ ประธาน British Royal Society of Chemistry กล่าวในข่าวประชาสัมพันธ์ของ Society

พ่อครัวจากแอฟริกาเอาชนะศาสตราจารย์ฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้อย่างไร

นี่ไม่ใช่เรื่องตลกในวันเอพริลฟูล แต่เป็นความจริงทางกายภาพอันโหดร้าย วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ซึ่งดำเนินการได้ง่ายกับกาแลคซีและหลุมดำ และสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์เพื่อค้นหาควาร์กและโบซอน ไม่สามารถอธิบายได้ว่า "ทำงาน" ของน้ำเบื้องต้นได้อย่างไร หนังสือเรียนของโรงเรียนระบุไว้อย่างชัดเจนว่าการจะทำให้ร่างกายที่ร้อนเย็นลงนั้นต้องใช้เวลามากกว่าการทำให้ร่างกายที่เย็นลง แต่สำหรับน้ำ กฎหมายฉบับนี้ไม่ได้สังเกตเสมอไป อริสโตเติลดึงความสนใจไปที่ความขัดแย้งนี้ในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช จ. นี่คือสิ่งที่ฉันเขียน กรีกโบราณในหนังสือ Meteorologica I: “การที่น้ำถูกอุ่นมีส่วนทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ดังนั้น หลายๆ คนเมื่อต้องการให้น้ำร้อนเย็นเร็วขึ้น ให้นำไปตากแดดก่อน…” ในยุคกลาง ฟรานซิส เบคอน และเรอเน เดการ์ต พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้ อนิจจาทั้งนักปรัชญาผู้ยิ่งใหญ่และนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่พัฒนาเทอร์โมฟิสิกส์แบบคลาสสิกไม่ประสบความสำเร็จในเรื่องนี้ดังนั้นข้อเท็จจริงที่ไม่สะดวกดังกล่าวจึงถูก "ลืม" มาเป็นเวลานาน

และในปี 1968 เท่านั้นที่พวกเขา "จำได้" ต้องขอบคุณเด็กนักเรียน Erasto Mpembe จากแทนซาเนียซึ่งห่างไกลจากวิทยาศาสตร์ใด ๆ ขณะที่เรียนอยู่ที่โรงเรียนศิลปะการทำอาหารในปี 2506 Mpembe วัย 13 ปีได้รับมอบหมายให้ทำไอศกรีม ตามเทคโนโลยีจำเป็นต้องต้มนมละลายน้ำตาลแล้วทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องแล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันและลังเล ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมไว้ตามกฎทั้งหมด

เมื่อ Mpemba แบ่งปันการค้นพบของเขากับครูฟิสิกส์ เขาก็หัวเราะเยาะเขาต่อหน้าทั้งชั้น Mpemba จำคำดูถูกนั้นได้ ห้าปีต่อมา ในฐานะนักศึกษามหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลาม เขาพบว่าตัวเองกำลังฟังบรรยาย นักฟิสิกส์ชื่อดังเดนิส จี. ออสบอร์น. หลังจากการบรรยาย เขาถามคำถามนักวิทยาศาสตร์ว่า “ถ้าคุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบและมีน้ำในปริมาณเท่ากัน ใบหนึ่งที่อุณหภูมิ 35 °C (95 °F) และอีกใบที่อุณหภูมิ 100 °C (212 °F) แล้ววางลงไป ในช่องแช่แข็งแล้วน้ำในภาชนะที่ร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม?" คุณคงจินตนาการถึงปฏิกิริยาของอาจารย์ชาวอังกฤษต่อคำถามของชายหนุ่มจาก Godforsaken Tanzania เขาล้อนักเรียน อย่างไรก็ตาม Mpemba พร้อมสำหรับคำตอบดังกล่าวและท้าทายนักวิทยาศาสตร์ให้เดิมพัน ข้อพิพาทของพวกเขาจบลงด้วยการทดสอบทดลองที่ยืนยันว่า Mpemba ถูกต้องและ Osborne พ่ายแพ้ ดังนั้น พ่อครัวฝึกหัดจึงได้เขียนชื่อของเขาไว้ในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ และจากนี้ไปปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" เป็นไปไม่ได้ที่จะทิ้งมันไปเพื่อประกาศว่า "ไม่มีอยู่จริง" ปรากฏการณ์นี้มีอยู่จริง และดังที่กวีเขียนไว้ว่า “มันไม่เจ็บเลย”

อนุภาคฝุ่นและตัวถูกละลายเป็นโทษหรือไม่?

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา หลายคนพยายามไขปริศนาของน้ำที่กลายเป็นน้ำแข็ง มีการเสนอคำอธิบายมากมายสำหรับปรากฏการณ์นี้: การระเหย การพาความร้อน อิทธิพลของสารที่ละลาย - แต่ไม่มีปัจจัยใดที่สามารถพิจารณาว่าเป็นที่แน่ชัดได้ นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งอุทิศทั้งชีวิตให้กับปรากฏการณ์ Mpemba เจ้าหน้าที่กรมความปลอดภัยทางรังสี มหาวิทยาลัยของรัฐนิวยอร์ก – เจมส์ บราวน์ริดจ์ – อิน เวลาว่างได้ศึกษาเรื่องความขัดแย้งมานานกว่าทศวรรษแล้ว หลังจากทำการทดลองหลายร้อยครั้ง นักวิทยาศาสตร์อ้างว่ามีหลักฐานของ "ความผิด" ของภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติ บราวน์ริดจ์อธิบายว่าที่อุณหภูมิ 0°C น้ำจะมีความเย็นยิ่งยวดเท่านั้น และเริ่มแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า จุดเยือกแข็งถูกควบคุมโดยสิ่งสกปรกในน้ำ - พวกมันเปลี่ยนอัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง สิ่งเจือปน เช่น อนุภาคฝุ่น แบคทีเรีย และเกลือที่ละลายอยู่ มีอุณหภูมินิวเคลียสที่เป็นลักษณะเฉพาะเมื่อผลึกน้ำแข็งก่อตัวรอบๆ จุดศูนย์กลางการตกผลึก เมื่อมีองค์ประกอบหลายอย่างอยู่ในน้ำพร้อมกัน จุดเยือกแข็งจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบที่มีอุณหภูมินิวเคลียสสูงที่สุด

สำหรับการทดลอง บราวน์ริดจ์ได้นำตัวอย่างน้ำ 2 ตัวอย่างที่มีอุณหภูมิเท่ากันแล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง เขาค้นพบว่าตัวอย่างชิ้นหนึ่งมักจะแข็งตัวก่อนชิ้นอื่นเสมอ อาจเป็นเพราะส่วนผสมของสิ่งเจือปนต่างกัน

Brownridge กล่าวว่าน้ำร้อนจะเย็นเร็วขึ้นเนื่องจากมีความแตกต่างกันมากขึ้นระหว่างอุณหภูมิของน้ำและช่องแช่แข็ง ซึ่งจะช่วยให้น้ำร้อนถึงจุดเยือกแข็งก่อนที่น้ำเย็นจะถึงจุดเยือกแข็งตามธรรมชาติ ซึ่งจะลดลงอย่างน้อย 5°C

อย่างไรก็ตาม การให้เหตุผลของ Brownridge ทำให้เกิดคำถามมากมาย ดังนั้นผู้ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ Mpemba ด้วยวิธีของตนเองจะมีโอกาสแข่งขันเพื่อเงินหนึ่งพันปอนด์จาก British Royal Society of Chemistry

น้ำเป็นหนึ่งในของเหลวที่น่าทึ่งที่สุดในโลกซึ่งมีคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดา ตัวอย่างเช่นน้ำแข็ง สถานะของแข็งของเหลวมี ความถ่วงจำเพาะต่ำกว่าระดับน้ำซึ่งทำได้มาก เหตุการณ์ที่เป็นไปได้และพัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลก นอกจากนี้ในหลอกวิทยาศาสตร์และ โลกวิทยาศาสตร์มีการพูดคุยกันว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น ใครก็ตามที่สามารถพิสูจน์ได้ว่าของเหลวร้อนกลายเป็นน้ำแข็งได้เร็วกว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการและมีเหตุผลในการตัดสินใจทางวิทยาศาสตร์ จะได้รับจากอังกฤษ ราชสมาคมนักเคมีได้รับรางวัล 1,000 ปอนด์

พื้นหลัง

ความจริงที่ว่าภายใต้เงื่อนไขหลายประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ซึ่งสังเกตเห็นได้ในยุคกลาง Francis Bacon และ René Descartes ใช้ความพยายามอย่างมากในการอธิบายปรากฏการณ์นี้ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของวิศวกรรมความร้อนแบบคลาสสิก ความขัดแย้งนี้ไม่สามารถอธิบายได้ และพวกเขาพยายามที่จะปิดบังเรื่องนี้อย่างเขินอาย แรงผลักดันให้การอภิปรายดำเนินต่อไปคือเรื่องราวที่ค่อนข้างน่าสงสัยซึ่งเกิดขึ้นกับ Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียในปี 1963 วันหนึ่ง ระหว่างเรียนทำขนมหวานที่โรงเรียนสอนทำอาหาร เด็กชายซึ่งกำลังยุ่งอยู่กับสิ่งอื่น ไม่มีเวลาทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงทันเวลา และใส่น้ำตาลร้อนในนมลงในช่องแช่แข็ง เขาประหลาดใจที่ผลิตภัณฑ์เย็นตัวเร็วกว่าของเพื่อนนักเรียนที่สังเกตระบบการควบคุมอุณหภูมิในการเตรียมไอศกรีม

ด้วยความพยายามที่จะเข้าใจแก่นแท้ของปรากฏการณ์เด็กชายจึงหันไปหาครูสอนฟิสิกส์ผู้ซึ่งเยาะเย้ยการทดลองทำอาหารของเขาโดยไม่ต้องลงรายละเอียด อย่างไรก็ตาม Erasto มีความโดดเด่นด้วยความดื้อรั้นที่น่าอิจฉาและทำการทดลองต่อไปไม่ใช่บนนม แต่ทำบนน้ำ เขาเชื่อว่าในบางกรณีน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

หลังจากเข้าเรียนที่มหาวิทยาลัย Dar es Salaam แล้ว Erasto Mpembe ได้เข้าร่วมการบรรยายโดยศาสตราจารย์ Denis G. Osborne หลังจากเสร็จสิ้น นักเรียนทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยด้วยปัญหาเกี่ยวกับอัตราการแช่แข็งของน้ำซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดี.จี. ออสบอร์นเยาะเย้ยการตั้งคำถามนี้ โดยประกาศด้วยความมั่นใจว่านักเรียนที่ยากจนคนใดรู้ว่าน้ำเย็นจะหยุดเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ความดื้อรั้นตามธรรมชาติของชายหนุ่มทำให้ตัวเองรู้สึกได้ เขาเดิมพันกับศาสตราจารย์โดยเสนอให้ทำการทดสอบทดลองที่นี่ในห้องทดลอง Erasto วางภาชนะใส่น้ำสองใบในช่องแช่แข็ง ภาชนะหนึ่งที่อุณหภูมิ 95°F (35°C) และอีกภาชนะที่อุณหภูมิ 212°F (100°C) ลองนึกภาพความประหลาดใจของศาสตราจารย์และ “แฟนๆ” ที่อยู่รอบๆ เมื่อน้ำในภาชนะที่สองแข็งตัวเร็วขึ้น ตั้งแต่นั้นมา ปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า "Mpemba Paradox"

อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีสมมติฐานทางทฤษฎีที่สอดคล้องกันที่อธิบาย "Mpemba Paradox" มันไม่ชัดเจนว่าอันไหน ปัจจัยภายนอก, องค์ประกอบทางเคมีน้ำ การปรากฏตัวของก๊าซและแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในนั้นมีอิทธิพลต่ออัตราการแช่แข็งของของเหลวที่อยู่ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน- ความขัดแย้งของ "ผลกระทบ Mpemba" ก็คือมันขัดแย้งกับกฎข้อหนึ่งที่ค้นพบโดย I. Newton ซึ่งระบุว่าเวลาในการทำความเย็นของน้ำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวและสิ่งแวดล้อม และหากของเหลวอื่น ๆ ทั้งหมดปฏิบัติตามกฎหมายนี้โดยสมบูรณ์ น้ำในบางกรณีก็เป็นข้อยกเว้น

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วขึ้น?ต

มีหลายสาเหตุที่ทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น สิ่งสำคัญคือ:

• น้ำร้อนระเหยเร็วขึ้นในขณะที่ปริมาตรลดลง และของเหลวที่มีปริมาตรน้อยลงจะเย็นลงเร็วขึ้น - เมื่อน้ำหล่อเย็นจาก + 100°C ถึง 0°C การสูญเสียปริมาตร ความดันบรรยากาศถึง 15%;
• ความเข้มของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวและ สิ่งแวดล้อมยิ่งสูงเท่าไร ความแตกต่างมากขึ้นอุณหภูมิดังนั้น การสูญเสียความร้อนน้ำเดือดผ่านไปเร็วขึ้น
• เมื่อน้ำร้อนเย็นตัวลง เปลือกน้ำแข็งจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว เพื่อป้องกันไม่ให้ของเหลวกลายเป็นน้ำแข็งและระเหยไปจนหมด
• ที่ อุณหภูมิสูงน้ำถูกผสมโดยการพาความร้อนช่วยลดเวลาในการแช่แข็ง
• ก๊าซที่ละลายในน้ำจะลดจุดเยือกแข็งลง เพื่อขจัดพลังงานในการเกิดผลึก - ในน้ำร้อนจะไม่มีก๊าซละลาย

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการทดสอบซ้ำหลายครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง David Auerbach นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันค้นพบว่าอุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนจะสูงกว่าน้ำเย็นเล็กน้อย ซึ่งทำให้อุณหภูมิในการตกผลึกของน้ำร้อนเร็วขึ้นเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ต่อมาการทดลองของเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์ และนักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" ซึ่งกำหนดว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น สามารถทำซ้ำได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น ซึ่งไม่มีใครค้นหาและระบุจนถึงขณะนี้

สวัสดีที่รักที่รัก ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ- วันนี้เราจะมาพูดเกี่ยวกับ. แต่ฉันคิดว่าคำถามที่ตั้งไว้ในชื่ออาจดูไร้สาระ แต่เราควรเชื่อถือ "สามัญสำนึก" อันฉาวโฉ่อย่างไม่มีการแบ่งแยกเสมอ และไม่ใช่การทดลองทดสอบที่กำหนดขึ้นอย่างเคร่งครัด ลองคิดดูว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์

ในประเด็นเรื่องการแช่แข็งน้ำเย็นและน้ำร้อนมีการกล่าวถึง "ไม่ใช่ทุกสิ่งที่บริสุทธิ์" ในงานของอริสโตเติล จากนั้น F. Bacon, R. Descartes และ J. Black ก็เขียนบันทึกที่คล้ายกัน ใน ประวัติศาสตร์สมัยใหม่เอฟเฟกต์นี้ได้รับการตั้งชื่อว่า "ความขัดแย้งของ Mpemba" - ตามชื่อ Erasto Mpemba เด็กนักเรียน Tanganyika ซึ่งถามคำถามเดียวกันกับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มาเยี่ยม

คำถามของเด็กชายไม่ได้เกิดขึ้นจากที่ไหนเลย แต่มาจากการสังเกตส่วนตัวล้วนๆ เกี่ยวกับกระบวนการทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงในห้องครัว แน่นอนว่าเพื่อนร่วมชั้นที่อยู่ที่นั่นด้วย ครูโรงเรียนหัวเราะเยาะ Mpemba - อย่างไรก็ตามหลังจากการทดสอบทดลองเป็นการส่วนตัวโดยศาสตราจารย์ดี. ออสบอร์น ความปรารถนาที่จะล้อเลียน Erasto ก็ "หายไป" นอกจากนี้ Mpemba ร่วมกับศาสตราจารย์ได้ตีพิมพ์ในวิชาฟิสิกส์ศึกษาในปี พ.ศ. 2512 คำอธิบายโดยละเอียดผลกระทบนี้ - และตั้งแต่นั้นมาชื่อที่กล่าวมาข้างต้นได้รับการแก้ไขในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์

สาระสำคัญของปรากฏการณ์คืออะไร?

การตั้งค่าการทดสอบค่อนข้างง่าย: สิ่งอื่นๆ เงื่อนไขที่เท่าเทียมกันทดสอบภาชนะที่มีผนังบางเหมือนกัน โดยบรรจุน้ำในปริมาณเท่ากันอย่างเคร่งครัด โดยต่างกันเฉพาะอุณหภูมิเท่านั้น เรือจะถูกโหลดเข้าไปในตู้เย็นหลังจากนั้นจะบันทึกเวลาจนกระทั่งน้ำแข็งก่อตัวในแต่ละภาชนะ ความขัดแย้งก็คือในภาชนะที่มีของเหลวที่ร้อนกว่าในตอนแรก สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเร็วกว่า

ฟิสิกส์สมัยใหม่อธิบายเรื่องนี้อย่างไร?

ความขัดแย้งนี้ไม่มีคำอธิบายที่เป็นสากล เนื่องจากกระบวนการคู่ขนานหลายกระบวนการเกิดขึ้นพร้อมกัน ซึ่งมีส่วนสนับสนุนอาจแตกต่างกันไปในแต่ละกรณี เงื่อนไขเริ่มต้น- แต่ด้วยผลลัพธ์เดียวกัน:

• ความสามารถของของเหลวในการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูล - ในตอนแรก น้ำเย็นมีแนวโน้มที่จะเกิดความเย็นยิ่งยวดมากกว่าเช่น ยังคงเป็นของเหลวเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งอยู่แล้ว
• การระบายความร้อนแบบเร่ง - ไอน้ำจากน้ำร้อนจะถูกเปลี่ยนเป็นไมโครคริสตัลน้ำแข็งซึ่งเมื่อถอยกลับจะเร่งกระบวนการโดยทำงานเป็น "ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก" เพิ่มเติม
• ผลของฉนวน - แตกต่างจากน้ำร้อนตรงที่น้ำเย็นแข็งตัวจากด้านบนซึ่งทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลงโดยการพาความร้อนและการแผ่รังสี

มีคำอธิบายอื่นๆ อีกหลายประการ (ครั้งสุดท้ายที่ Royal Society of Chemistry ของอังกฤษจัดการแข่งขันเพื่อชิงสมมติฐานที่ดีที่สุดคือเมื่อเร็วๆ นี้ในปี 2012) - แต่ไม่มีทฤษฎีที่ชัดเจนสำหรับกรณีของการรวมกันทั้งหมด เงื่อนไขการป้อนข้อมูลยังไม่มีอยู่...