ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิเท่าไหร่? ดูเหมือนว่า - คำถามที่ง่ายที่สุดที่แม้แต่เด็กก็สามารถตอบได้: จุดเยือกแข็งของน้ำที่ความดันบรรยากาศปกติ 760 มม. ปรอทคือศูนย์องศาเซลเซียส

อย่างไรก็ตาม น้ำ (แม้ว่าจะมีการกระจายอย่างกว้างขวางบนโลกของเรา) เป็นสิ่งที่ลึกลับและไม่เข้าใจมากที่สุด ดังนั้นคำตอบสำหรับคำถามนี้จึงจำเป็นต้องมีการอภิปรายอย่างละเอียดและให้เหตุผล

• ในรัสเซียและยุโรป อุณหภูมิจะวัดเป็นหน่วยเซลเซียส ซึ่งค่าสูงสุดคือ 100 องศา
• นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Fahrenheit ได้พัฒนามาตราส่วนของเขาเองด้วย 180 ดิวิชั่น
• มีหน่วยวัดอุณหภูมิอีกหน่วยหนึ่งคือ เคลวิน ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ทอมสัน ซึ่งได้รับฉายาว่าลอร์ดเคลวิน

สภาพและประเภทของน้ำ

น้ำบนดาวเคราะห์โลกสามารถรับสถานะการรวมตัวหลักได้สามสถานะ: ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ ซึ่งสามารถแปลงเป็นรูปแบบต่างๆ ที่มีอยู่ร่วมกันได้พร้อมกัน (ภูเขาน้ำแข็งในน้ำทะเล ไอน้ำ และผลึกน้ำแข็งในเมฆบนท้องฟ้า ธารน้ำแข็ง และอิสระ -แม่น้ำไหล ).

ขึ้นอยู่กับลักษณะของแหล่งกำเนิด วัตถุประสงค์ และองค์ประกอบ น้ำสามารถ:

• สด;
• แร่;
• ทะเล;
• การดื่ม (รวมถึงน้ำประปา);
• ฝน;
• ละลาย;
• กร่อย;
• โครงสร้าง;
• กลั่น;
• ปราศจากไอออน

การปรากฏตัวของไอโซโทปไฮโดรเจนทำให้น้ำ:

1. แสงสว่าง;
2. หนัก (ดิวเทอเรียม);
3. หนักมาก (ไอโซโทป)

เราทุกคนทราบดีว่าน้ำสามารถนุ่มและแข็งได้: ตัวบ่งชี้นี้พิจารณาจากเนื้อหาของแคลเซียมไอออนบวกและแมกนีเซียม

แต่ละประเภทและสถานะรวมของน้ำที่เราระบุไว้มีจุดเยือกแข็งและจุดหลอมเหลวของตัวเอง

จุดเยือกแข็งของน้ำ

ทำไมน้ำถึงแข็ง? น้ำธรรมดามักจะมีอนุภาคแขวนลอยที่มีแร่ธาตุหรือแหล่งกำเนิดอินทรีย์อยู่เป็นจำนวนมาก อาจเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของดินเหนียว ทราย หรือฝุ่นบ้าน

เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมลดลงจนถึงค่าที่กำหนด อนุภาคเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางที่ซึ่งผลึกน้ำแข็งเริ่มก่อตัว

ฟองอากาศเช่นเดียวกับรอยแตกและความเสียหายบนผนังของภาชนะที่มีน้ำสามารถกลายเป็นนิวเคลียสการตกผลึกได้ อัตราการตกผลึกของน้ำส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยจำนวนของศูนย์เหล่านี้: ยิ่งมีมากเท่าไร ของเหลวก็จะยิ่งแข็งตัวเร็วขึ้นเท่านั้น

ภายใต้สภาวะปกติ (ที่ความดันบรรยากาศปกติ) อุณหภูมิของการเปลี่ยนเฟสของน้ำจากของเหลวเป็นสถานะของแข็งคือ 0 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมินี้น้ำจะแข็งตัวบนถนน

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น - Erasto Mpemba เด็กนักเรียนจาก Tanganyika สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ การทดลองของเขากับมวลในการทำไอศกรีมแสดงให้เห็นว่าอัตราการแช่แข็งของมวลที่ร้อนนั้นสูงกว่าของเย็นมาก

เหตุผลหนึ่งสำหรับปรากฏการณ์ที่น่าสนใจนี้ ซึ่งเรียกว่า "Mpemba paradox" คือการถ่ายเทความร้อนที่สูงขึ้นของของเหลวร้อน เช่นเดียวกับการมีนิวเคลียสการตกผลึกจำนวนมากขึ้นเมื่อเทียบกับน้ำเย็น

จุดเยือกแข็งของน้ำและระดับความสูงเกี่ยวข้องกันหรือไม่?

ด้วยการเปลี่ยนแปลงของความดัน ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับความสูงที่แตกต่างกัน จุดเยือกแข็งของน้ำเริ่มแตกต่างไปจากมาตรฐานอย่างสิ้นเชิง ซึ่งเป็นลักษณะของสภาวะปกติ
การตกผลึกของน้ำที่ความสูงเกิดขึ้นที่ค่าอุณหภูมิต่อไปนี้:

• ขัดแย้งกันที่ระดับความสูง 1,000 ม. น้ำจะหยุดที่ 2 องศาเซลเซียส
• ที่ระดับความสูง 2,000 เมตร สิ่งนี้เกิดขึ้นแล้วที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส

อุณหภูมิเยือกแข็งสูงสุดของน้ำในภูเขาอยู่ที่ระดับความสูงกว่า 5,000 พันเมตร (เช่น ในเทือกเขาฟานน์หรือปามีร์)

แรงดันส่งผลต่อกระบวนการตกผลึกของน้ำอย่างไร?

ลองเชื่อมโยงพลวัตของการเปลี่ยนแปลงในจุดเยือกแข็งของน้ำกับการเปลี่ยนแปลงของความดัน

• ที่ความดัน 2 atm น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ -2 องศา
• ที่ความดัน 3 atm อุณหภูมิ -4 องศาเซลเซียส จะทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง

เมื่อความดันเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของการเริ่มต้นกระบวนการตกผลึกของน้ำจะลดลงและจุดเดือดจะเพิ่มขึ้น ที่ความดันต่ำ จะได้ภาพที่ตรงข้ามกันในแนวทแยง

นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมในสภาพของภูเขาสูงและบรรยากาศที่หายากจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะปรุงแม้แต่ไข่เนื่องจากน้ำในหม้อเดือดที่ 80 องศาแล้ว เป็นที่ชัดเจนว่าในอุณหภูมินี้มันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะปรุงอาหาร

ที่ความดันสูง กระบวนการของน้ำแข็งละลายภายใต้ใบมีดของรองเท้าสเก็ตนั้นเกิดขึ้นได้แม้ในอุณหภูมิที่ต่ำมาก แต่ต้องขอบคุณเขาที่รองเท้าสเก็ตร่อนบนพื้นผิวน้ำแข็ง

การเยือกแข็งของรถเลื่อนที่บรรทุกหนักมากในเรื่องราวของ Jack London ได้อธิบายไว้ในลักษณะเดียวกัน เลื่อนหิมะหนักที่กดดันหิมะทำให้หิมะละลาย น้ำที่ได้ทำให้เลื่อนได้สะดวก แต่ทันทีที่รถเลื่อนหยุดและค้างอยู่ในที่เดียวเป็นเวลานาน น้ำที่เคลื่อนตัวกลายเป็นเยือกแข็ง จะทำให้รถไถลลื่นไถลไปตามถนน

อุณหภูมิการตกผลึกของสารละลายในน้ำ

เนื่องจากเป็นตัวทำละลายที่ดีเยี่ยม น้ำจึงทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์และอนินทรีย์ต่างๆ ได้ง่าย ทำให้เกิดสารประกอบทางเคมีที่บางครั้งคาดไม่ถึง แน่นอนว่าแต่ละตัวจะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่างกัน ลองใส่สิ่งนี้ในรายการภาพ

• จุดเยือกแข็งของส่วนผสมของแอลกอฮอล์และน้ำขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของส่วนประกอบทั้งสองในนั้น ยิ่งเติมน้ำลงในสารละลายมากเท่าใด จุดเยือกแข็งก็จะยิ่งเข้าใกล้ศูนย์มากขึ้นเท่านั้น หากสารละลายมีแอลกอฮอล์มากขึ้น กระบวนการตกผลึกจะเริ่มที่ค่าใกล้ -114 องศา

  สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าสารละลายแอลกอฮอล์ในน้ำไม่มีจุดเยือกแข็งคงที่ โดยปกติพวกเขาจะพูดถึงอุณหภูมิของการเริ่มต้นกระบวนการตกผลึกและอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงขั้นสุดท้ายไปสู่สถานะของแข็ง

  ระหว่างจุดเริ่มต้นของการก่อตัวของผลึกแรกและการแข็งตัวของสารละลายแอลกอฮอล์โดยสมบูรณ์จะมีช่วงอุณหภูมิ 7 องศา ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำที่มีแอลกอฮอล์ความเข้มข้น 40% ในระยะเริ่มต้นคือ -22.5 องศา และการเปลี่ยนแปลงสุดท้ายของสารละลายไปเป็นสถานะของแข็งจะเกิดขึ้นที่ -29.5 องศา

จุดเยือกแข็งของน้ำกับเกลือนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับระดับของความเค็ม: ยิ่งเกลือในสารละลายมากเท่าไหร่ ตำแหน่งของคอลัมน์ปรอทก็จะยิ่งเย็นลงเท่านั้น

ในการวัดความเค็มของน้ำจะใช้หน่วยพิเศษ - "ppm" เราจึงพบว่าจุดเยือกแข็งของน้ำลดลงตามความเข้มข้นของเกลือที่เพิ่มขึ้น มาอธิบายสิ่งนี้ด้วยตัวอย่าง:

ระดับความเค็มของน้ำทะเลอยู่ที่ 35 ppm ในขณะที่ค่าเฉลี่ยของการแช่แข็งอยู่ที่ 1.9 องศา ระดับความเค็มของน้ำทะเลดำอยู่ที่ 18-20 ppm ดังนั้นจึงกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิสูงขึ้นในช่วง -0.9 ถึง -1.1 องศาเซลเซียส

• จุดเยือกแข็งของน้ำกับน้ำตาล (สำหรับสารละลายที่มีโมลาลิตี 0.8) คือ -1.6 องศา
• จุดเยือกแข็งของน้ำที่มีสิ่งสกปรกส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปริมาณและลักษณะของสิ่งสกปรกที่ประกอบเป็นสารละลายในน้ำ
• จุดเยือกแข็งของน้ำที่มีกลีเซอรีนขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลาย สารละลายที่มีกลีเซอรีน 80 มล. จะแข็งตัวที่ -20 องศา เมื่อปริมาณกลีเซอรอลลดลงเหลือ 60 มล. กระบวนการตกผลึกจะเริ่มที่ -34 องศา และจุดเริ่มต้นของการแช่แข็งของสารละลาย 20% จะเป็นลบ 5 องศา อย่างที่คุณเห็น ไม่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นในกรณีนี้ หากต้องการแช่แข็งสารละลายกลีเซอรีน 10% อุณหภูมิ -2 องศาก็เพียงพอแล้ว
• จุดเยือกแข็งของน้ำที่มีโซดา (หมายถึง caustic alkali หรือ caustic soda) ให้ภาพที่ลึกลับยิ่งขึ้น: สารละลายโซดาไฟ 44% จะหยุดที่ +7 องศาเซลเซียส และ 80% ที่ +130

การแช่แข็งของน้ำจืด

กระบวนการก่อตัวของน้ำแข็งในแหล่งน้ำจืดเกิดขึ้นในระบอบอุณหภูมิที่แตกต่างกันเล็กน้อย

• จุดเยือกแข็งของน้ำในทะเลสาบ เหมือนกับจุดเยือกแข็งของน้ำในแม่น้ำ คือศูนย์องศาเซลเซียส การแช่แข็งของแม่น้ำและลำธารที่สะอาดที่สุดไม่ได้เริ่มต้นจากพื้นผิว แต่จากด้านล่างซึ่งมีนิวเคลียสการตกผลึกในรูปของอนุภาคตะกอนด้านล่าง ในตอนแรกอุปสรรค์และพืชน้ำถูกปกคลุมด้วยเปลือกน้ำแข็ง ทันทีที่น้ำแข็งด้านล่างลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ แม่น้ำก็จะแข็งตัวทันที
• น้ำที่แช่แข็งในทะเลสาบไบคาลบางครั้งอาจเย็นลงจนถึงอุณหภูมิติดลบ สิ่งนี้เกิดขึ้นเฉพาะในน้ำตื้นเท่านั้น อุณหภูมิของน้ำในกรณีนี้สามารถเป็นพัน และบางครั้งร้อยของหนึ่งองศาต่ำกว่าศูนย์
• อุณหภูมิของน้ำไบคาลภายใต้เปลือกน้ำแข็งที่ปกคลุมตามกฎแล้วไม่เกิน +0.2 องศา ในชั้นล่างจะค่อยๆเพิ่มขึ้นเป็น +3.2 ที่ด้านล่างของแอ่งที่ลึกที่สุด

จุดเยือกแข็งของน้ำกลั่น

น้ำกลั่นแข็งตัวหรือไม่? โปรดจำไว้ว่าเพื่อให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง จำเป็นต้องมีศูนย์การตกผลึกในนั้น ซึ่งอาจเป็นฟองอากาศ อนุภาคแขวนลอย และความเสียหายต่อผนังของภาชนะที่บรรจุอยู่

น้ำกลั่นปราศจากสิ่งเจือปนใดๆ ไม่มีนิวเคลียสของการตกผลึก ดังนั้นการแช่แข็งจึงเริ่มต้นที่อุณหภูมิต่ำมาก จุดเยือกแข็งเริ่มต้นของน้ำกลั่นคือ -42 องศา นักวิทยาศาสตร์สามารถบรรลุ supercooling ของน้ำกลั่นถึง -70 องศา

น้ำที่สัมผัสกับอุณหภูมิต่ำมากแต่ยังไม่ตกผลึกเรียกว่า "supercooled" คุณสามารถวางขวดน้ำกลั่นลงในช่องแช่แข็ง รักษาอุณหภูมิร่างกายให้ต่ำกว่าปกติ แล้วสาธิตเคล็ดลับที่มีประสิทธิภาพมาก - ดูวิดีโอ:

โดยการเคาะขวดเบาๆ ที่นำออกจากตู้เย็น หรือโดยการโยนน้ำแข็งชิ้นเล็กๆ ลงไป คุณสามารถแสดงได้ทันทีว่าขวดจะเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ซึ่งดูเหมือนคริสตัลที่ยืดออกในทันที

น้ำกลั่น: สารบริสุทธิ์นี้จะแข็งตัวหรือไม่อยู่ภายใต้ความกดดัน? กระบวนการดังกล่าวเป็นไปได้เฉพาะในสภาพห้องปฏิบัติการที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษเท่านั้น

จุดเยือกแข็งของน้ำเกลือ

ซึ่งน้ำที่แข็งตัวเร็วขึ้น ร้อนหรือเย็น นั้นได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย แต่คำถามนั้นดูแปลกไปเล็กน้อย เป็นที่เข้าใจและเป็นที่ทราบกันดีจากฟิสิกส์ว่าน้ำร้อนยังคงต้องใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิของน้ำเย็นที่เทียบเท่ากันเพื่อที่จะกลายเป็นน้ำแข็ง ขั้นตอนนี้สามารถข้ามได้และดังนั้นเธอจึงชนะทันเวลา

แต่คำตอบสำหรับคำถามที่น้ำแข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน - บนถนนในน้ำค้างแข็ง ผู้อยู่อาศัยในละติจูดเหนือรู้ ตามจริงแล้ว ในทางวิทยาศาสตร์ ปรากฎว่าในกรณีใด ๆ น้ำเย็นก็ต้องแข็งตัวเร็วขึ้น

ครูวิชาฟิสิกส์ก็เช่นกันซึ่งถูกทาบทามโดยเด็กนักเรียน Erasto Mpemba ในปี 1963 ด้วยการร้องขอให้อธิบายว่าทำไมไอศกรีมเย็น ๆ ในอนาคตจึงแข็งตัวนานกว่าไอศกรีมที่คล้ายกัน แต่ร้อน

"นี่ไม่ใช่ฟิสิกส์โลก แต่เป็นฟิสิกส์ของ Mpemba"

ในเวลานั้นครูหัวเราะกับสิ่งนี้เท่านั้น แต่ Deniss Osborne ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ซึ่งครั้งหนึ่งเคยไปโรงเรียนเดียวกันกับที่ Erasto ศึกษาอยู่ได้ทดลองยืนยันการมีอยู่ของผลกระทบดังกล่าวแม้ว่าจะไม่มีคำอธิบายในเรื่องนี้ก็ตาม . ในปี 1969 วารสารทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับความนิยมได้ตีพิมพ์บทความร่วมโดยชายสองคนที่บรรยายถึงผลกระทบที่แปลกประหลาดนี้

ตั้งแต่นั้นมาคำถามที่น้ำค้างเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็นมีชื่อของตัวเอง - เอฟเฟกต์หรือความขัดแย้ง Mpemba

คำถามมีมานานแล้ว

เป็นธรรมดาที่ปรากฏการณ์ดังกล่าวเคยเกิดขึ้นมาก่อนและถูกกล่าวถึงในผลงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ไม่เพียงแต่เด็กนักเรียนเท่านั้นที่สนใจคำถามนี้ แต่ Rene Descartes และแม้แต่อริสโตเติลก็คิดเรื่องนี้ในคราวเดียว

นี่เป็นเพียงแนวทางในการแก้ไขความขัดแย้งนี้เริ่มที่จะมองเฉพาะเมื่อปลายศตวรรษที่ยี่สิบเท่านั้น

เงื่อนไขสำหรับความขัดแย้งที่จะเกิดขึ้น

เช่นเดียวกับไอศกรีม ไม่ใช่แค่น้ำธรรมดาที่แข็งตัวระหว่างการทดลอง ต้องมีเงื่อนไขบางประการเพื่อที่จะเริ่มโต้เถียงว่าน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน สิ่งที่มีอิทธิพลต่อกระบวนการนี้?

ในศตวรรษที่ 21 มีการเสนอทางเลือกหลายทางที่สามารถอธิบายความขัดแย้งนี้ได้ ซึ่งน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น ร้อนหรือเย็น ขึ้นอยู่กับว่าจะมีอัตราการระเหยที่สูงกว่าน้ำเย็น ดังนั้นปริมาตรของมันจึงลดลงและด้วยปริมาตรที่ลดลง เวลาในการแช่แข็งจะสั้นกว่าถ้าเราใช้ปริมาตรน้ำเย็นเริ่มต้นที่ใกล้เคียงกัน

ตู้แช่แข็งละลายน้ำแข็งมานานแล้ว

น้ำชนิดใดที่แข็งตัวเร็วกว่า และเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น อาจได้รับผลกระทบจากซับในหิมะที่อาจมีอยู่ในช่องแช่แข็งของตู้เย็นที่ใช้สำหรับการทดลอง หากคุณใช้ภาชนะสองใบที่มีปริมาตรเท่ากัน แต่หนึ่งในนั้นจะมีน้ำร้อนและอีกขวดหนึ่งมีน้ำเย็น ภาชนะที่มีน้ำร้อนจะทำให้หิมะละลายด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสของระดับความร้อนกับผนังตู้เย็น ถังน้ำเย็นทำไม่ได้ หากไม่มีหิมะปกคลุมในตู้เย็น น้ำเย็นควรแข็งตัวเร็วขึ้น

บน-ล่าง

นอกจากนี้ยังมีการอธิบายปรากฏการณ์ที่น้ำเย็นจัดเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็นดังนี้ ตามกฎหมายบางประการ น้ำเย็นจะเริ่มแข็งตัวจากชั้นบน เมื่อน้ำร้อนทำอย่างอื่น - น้ำเย็นจะเริ่มแข็งตัวจากล่างขึ้นบน ปรากฎว่าน้ำเย็นที่มีชั้นเย็นอยู่ด้านบนที่มีน้ำแข็งก่อตัวขึ้นแล้วในบางสถานที่จึงทำให้กระบวนการพาความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนแย่ลงดังนั้นจึงอธิบายว่าน้ำใดจะหยุดเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน แนบภาพถ่ายจากการทดลองมือสมัครเล่นและมองเห็นได้ชัดเจนที่นี่

ความร้อนออกไป พุ่งสูงขึ้น และพบกับชั้นที่เย็นมาก ไม่มีเส้นทางอิสระสำหรับการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นจึงกลายเป็นเรื่องยาก น้ำร้อนไม่มีสิ่งกีดขวางในทางของมันอย่างแน่นอน ที่แข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อนซึ่งผลลัพธ์ที่น่าจะขึ้นอยู่กับคุณสามารถขยายคำตอบโดยบอกว่าน้ำใด ๆ มีสารบางอย่างละลายอยู่ในนั้น

สิ่งเจือปนในองค์ประกอบของน้ำเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อผลลัพธ์

หากคุณไม่โกงและใช้น้ำที่มีองค์ประกอบเหมือนกัน โดยที่ความเข้มข้นของสารบางชนิดเหมือนกัน น้ำเย็นก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น แต่ถ้าสถานการณ์เกิดขึ้นเมื่อองค์ประกอบทางเคมีที่ละลายในน้ำมีเฉพาะในน้ำร้อนในขณะที่น้ำเย็นไม่มีองค์ประกอบเหล่านี้ น้ำร้อนมีโอกาสที่จะแข็งตัวเร็วขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าสารที่ละลายในน้ำทำให้เกิดศูนย์กลางของการตกผลึก และด้วยศูนย์เหล่านี้จำนวนน้อย การเปลี่ยนแปลงของน้ำให้เป็นสถานะของแข็งจึงเป็นเรื่องยาก แม้แต่การระบายความร้อนด้วยน้ำก็เป็นไปได้ ในแง่ที่ว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ก็จะอยู่ในสถานะของเหลว

แต่เห็นได้ชัดว่าเวอร์ชันทั้งหมดเหล่านี้ไม่เหมาะกับนักวิทยาศาสตร์ในตอนท้ายและพวกเขายังคงทำงานเกี่ยวกับเรื่องนี้ต่อไป ในปี 2013 ทีมนักวิจัยในสิงคโปร์กล่าวว่าพวกเขาได้ไขปริศนาเก่าแก่นี้

นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนกลุ่มหนึ่งอ้างว่าความลับของผลกระทบนี้อยู่ที่ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ระหว่างโมเลกุลของน้ำในพันธะ ซึ่งเรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

คำตอบจากนักวิทยาศาสตร์ชาวจีน

ข้อมูลเพิ่มเติมจะตามมาเพื่อความเข้าใจซึ่งจำเป็นต้องมีความรู้ด้านเคมีเพื่อหาว่าน้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - ร้อนหรือเย็น อย่างที่คุณทราบ มันประกอบด้วยอะตอม H (ไฮโดรเจน) สองอะตอม และอะตอม O (ออกซิเจน) หนึ่งอะตอมที่ยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะโควาเลนต์

แต่อะตอมของไฮโดรเจนของโมเลกุลหนึ่งก็ถูกดึงดูดไปยังโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียง กับส่วนประกอบออกซิเจนของพวกมัน พันธะเหล่านี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

ในขณะเดียวกัน ก็ควรค่าแก่การจดจำว่าในขณะเดียวกัน โมเลกุลของน้ำก็ทำหน้าที่ผลักซึ่งกันและกัน นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าเมื่อน้ำร้อนขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น และสิ่งนี้อำนวยความสะดวกโดยแรงผลัก ปรากฎว่าเมื่ออยู่ในระยะห่างระหว่างโมเลกุลในสภาวะที่เย็นจัด เราสามารถพูดได้ว่าโมเลกุลเหล่านี้ยืดออก และพวกมันมีแหล่งพลังงานที่มากกว่า มันเป็นพลังงานสำรองที่ปล่อยออกมาเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มเข้าหากันนั่นคือความเย็นเกิดขึ้น ปรากฎว่าแหล่งพลังงานที่มากขึ้นในน้ำร้อน และการปลดปล่อยมากขึ้นเมื่อถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าศูนย์ เกิดขึ้นได้เร็วกว่าในน้ำเย็นซึ่งมีแหล่งพลังงานน้อยกว่า น้ำชนิดใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน? บนถนนและในห้องปฏิบัติการ ความขัดแย้งของ Mpemba ควรเกิดขึ้น และน้ำร้อนควรกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น

แต่คำถามก็ยังเปิดอยู่

มีเพียงการยืนยันทางทฤษฎีของเบาะแสนี้ - ทั้งหมดนี้เขียนด้วยสูตรที่สวยงามและดูเหมือนเป็นไปได้ แต่เมื่อข้อมูลการทดลองซึ่งน้ำแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็นจะถูกนำไปใช้ในทางปฏิบัติและผลลัพธ์ของพวกเขาจะถูกนำเสนอก็จะเป็นไปได้ที่จะพิจารณาคำถามของความขัดแย้งของ Mpemba ที่ปิดลง

เอฟเฟกต์ Mpemba(Mpemba paradox) - ความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้สภาวะบางอย่างแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการเยือกแข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงจากการทดลองที่ขัดแย้งกับความคิดปกติ โดยภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ร่างกายที่ร้อนกว่าต้องการเวลามากขึ้นในการทำให้อุณหภูมิเย็นลงถึงระดับหนึ่ง มากกว่าร่างกายที่เย็นกว่าเพื่อให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

ปรากฏการณ์นี้สังเกตเห็นได้ในขณะนั้นโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรเน่ เดส์การตส์ แต่ในปี 1963 เด็กหนุ่มชาวแทนซาเนีย Erasto Mpemba พบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าไอศกรีมที่เย็นจัด

Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Magambin ในแทนซาเนียซึ่งทำงานทำอาหารเชิงปฏิบัติ เขาต้องทำไอศกรีมแบบโฮมเมด - ต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น เย็นจนอุณหภูมิห้องแล้วใส่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและผัดวันประกันพรุ่งในส่วนแรกของงานที่ได้รับมอบหมาย ด้วยกลัวว่าเขาจะไม่ทันเรียนจบ เขาจึงใส่นมที่ยังร้อนอยู่ไว้ในตู้เย็น ที่ทำให้เขาประหลาดใจ มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขา ซึ่งเตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำเปล่าด้วย ไม่ว่าในกรณีใดเป็นนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkvava แล้วเขาถามศาสตราจารย์เดนนิสออสบอร์นจากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายวิชาฟิสิกส์แก่นักเรียน) เกี่ยวกับน้ำ: "ถ้า คุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบที่มีปริมาตรน้ำเท่ากันเพื่อให้หนึ่งในนั้นน้ำมีอุณหภูมิ 35 ° C และในอีก - 100 ° C แล้วใส่ในช่องแช่แข็งจากนั้นในวินาทีที่น้ำจะหยุด เร็วขึ้น ทำไม? ออสบอร์นเริ่มให้ความสนใจในประเด็นนี้และในไม่ช้าในปี 2512 ร่วมกับ Mpemba พวกเขาตีพิมพ์ผลการทดลองในวารสาร "Physics Education" ตั้งแต่นั้นมา เอฟเฟกต์ที่พวกเขาค้นพบจึงถูกเรียกว่า เอฟเฟกต์ Mpemba.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครรู้ว่าจะอธิบายเอฟเฟกต์แปลก ๆ นี้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีรุ่นเดียวถึงแม้ว่าจะมีมากมาย มันเป็นเรื่องของความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การสร้างน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba คือเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อมจะต้องเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎข้อนี้ก่อตั้งโดยนิวตันและตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการยืนยันหลายครั้งในทางปฏิบัติ ในลักษณะเดียวกัน น้ำที่อุณหภูมิ 100°C จะเย็นตัวลงได้เร็วกว่าน้ำปริมาณเท่ากันที่ 35°C ถึง 0°C

อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากเอฟเฟกต์ Mpemba ยังสามารถอธิบายได้ภายในฟิสิกส์ที่รู้จัก นี่คือคำอธิบายบางส่วนสำหรับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ ส่งผลให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำที่มีอุณหภูมิเท่ากันจะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนถึง 100 C สูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงถึง 0 C

ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลของน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สอง อุณหภูมิลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนแปลงจากเฟสของน้ำไปเป็นเฟสไอลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและลมเย็นนั้นมากกว่า ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงรุนแรงกว่าและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ

เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่แข็งตัวตลอดเวลา ภายใต้เงื่อนไขบางประการ มันสามารถผ่าน supercooling ในขณะที่ยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำยังคงเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัวขึ้น จำเป็นต้องมีศูนย์กลางของการก่อตัวของผลึก หากไม่ได้อยู่ในน้ำของเหลว supercooling จะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่เย็นจัด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น ก่อตัวเป็นน้ำแข็งที่แข็งจนกลายเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนไวต่ออุณหภูมิมากที่สุดเนื่องจากความร้อนจะกำจัดก๊าซและฟองสบู่ที่ละลายน้ำ ซึ่งในทางกลับกันสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางสำหรับการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง

ทำไมอุณหภูมิต่ำกว่าปกติทำให้น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น? ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่ซุปเปอร์คูลจะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ น้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของเรือ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และจะป้องกันการระเหยต่อไป อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะน้อยลง ในกรณีของน้ำร้อนที่อยู่ระหว่างการทำ subcooling น้ำที่ระบายความร้อนด้วย subcooled จะไม่มีชั้นผิวป้องกันน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนเร็วกว่ามากเมื่อเปิดฝา

เมื่อกระบวนการซุปเปอร์คูลลิ่งสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง จะสูญเสียความร้อนมากขึ้นและทำให้เกิดน้ำแข็งมากขึ้น

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง และด้วยเหตุนี้จึงสูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติในความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 องศาเซลเซียส หากคุณทำให้น้ำเย็นที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียสและวางไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ชั้นผิวของน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4°C มันจะอยู่บนผิวน้ำ ก่อตัวเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำในช่วงเวลาสั้นๆ แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันน้ำชั้นล่างซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ดังนั้น กระบวนการทำความเย็นต่อไปจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นลงเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ ชั้นของน้ำเย็นจะมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นของน้ำร้อน ดังนั้น ชั้นของน้ำเย็นจะจมลง โดยยกชั้นน้ำอุ่นขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่ทำไมกระบวนการนี้ถึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน เราต้องสันนิษฐานว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากอุณหภูมิของน้ำเฉลี่ยลดลงต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานการทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกคั่นด้วยการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้น - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำที่อุณหภูมิสูงจะต่ำกว่า ดังนั้น เมื่อระบายความร้อนด้วยน้ำร้อน จะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่ผ่านความร้อนเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำอุ่นจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น ปัจจัยนี้บางครั้งถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองยืนยันข้อเท็จจริงนี้

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญเมื่อใส่น้ำในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะที่มีน้ำร้อนละลายน้ำแข็งของช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสทางความร้อนกับผนังของช่องแช่แข็งและการนำความร้อน เป็นผลให้ความร้อนจะถูกลบออกจากภาชนะเก็บน้ำร้อนเร็วกว่าจากที่เย็น ในทางกลับกันภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ละลายหิมะข้างใต้

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ยังไม่ได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถาม - ซึ่งในนั้นให้การทำซ้ำ 100% ของเอฟเฟกต์ Mpemba - ยังไม่ได้รับ

ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของการระบายความร้อนด้วยน้ำมากเกินไปต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนที่ถึงสถานะ supercooled กลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และดังนั้นจึงเร็วกว่าอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะ supercooled เร็วกว่าน้ำร้อน ซึ่งจะช่วยชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ว่าน้ำร้อนสามารถทำให้เกิด supercooling มากขึ้น เนื่องจากมีศูนย์ตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซที่ละลายในนั้นจะถูกลบออกจากมัน และเมื่อต้มแล้ว เกลือบางชนิดที่ละลายในนั้นก็จะตกตะกอน

จนถึงตอนนี้ มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถยืนยันได้ - การทำซ้ำของเอฟเฟกต์นี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลองเป็นหลัก อย่างแม่นยำเพราะไม่ได้ทำซ้ำเสมอ

O.V. Mosin

วรรณกรรมแหล่งที่มา:

"น้ำร้อนเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็น ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น" เจอร์ล วอล์คเกอร์ ใน The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 1 237 ไม่ใช่ 3, หน้า 246-257; กันยายน 2520

"การเยือกแข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", G.S. Kell ใน American Journal of Physics, ฉบับที่. 37, ไม่ 5 หน้า 564-565; พฤษภาคม 2512

"Supercooling and the Mpemba effect" โดย David Auerbach ใน American Journal of Physics, Vol. 63 ไม่ใช่ 10 น. 882-885; ต.ค. 2538

"ผลกระทบของ Mpemba: เวลาเยือกแข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น" Charles A. Knight ใน American Journal of Physics ฉบับที่ 1 64, ไม่ 5, หน้า 524; พฤษภาคม 2539

น้ำเป็นของเหลวที่น่าทึ่งที่สุดในโลกชนิดหนึ่ง ซึ่งมีคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดา ตัวอย่างเช่น น้ำแข็ง - สถานะของแข็งของของเหลว มีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่าตัวน้ำ ซึ่งทำให้การเกิดขึ้นและการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตบนโลกเป็นไปได้หลายวิธี นอกจากนี้ ในโลกที่ใกล้เคียงทางวิทยาศาสตร์และโดยแท้จริง ยังมีการถกเถียงกันว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น ใครก็ตามที่พิสูจน์การแช่แข็งของเหลวร้อนได้เร็วขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการและยืนยันการตัดสินใจของเขาในทางวิทยาศาสตร์ จะได้รับรางวัล 1,000 ปอนด์จาก British Royal Society of Chemists

พื้นหลัง

ข้อเท็จจริงที่ว่าภายใต้เงื่อนไขหลายประการ น้ำร้อนนำหน้าน้ำเย็นในแง่ของอัตราการเยือกแข็ง สังเกตได้ในยุคกลาง Francis Bacon และ René Descartes ได้พยายามอย่างมากในการอธิบายปรากฏการณ์นี้ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของวิศวกรรมความร้อนแบบคลาสสิก ความขัดแย้งนี้ไม่สามารถอธิบายได้ และพวกเขาพยายามปิดบังเรื่องนี้อย่างเขินอาย แรงผลักดันให้ข้อพิพาทดำเนินต่อไปเป็นเรื่องราวที่ค่อนข้างแปลกซึ่งเกิดขึ้นกับเด็กนักเรียนชาวแทนซาเนีย Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) ในปี 2506 ครั้งหนึ่ง ระหว่างเรียนทำขนมที่โรงเรียนสอนทำอาหาร เด็กชายคนหนึ่งซึ่งถูกฟุ้งซ่านกับสิ่งอื่นไม่มีเวลาทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงทันเวลาและใส่สารละลายน้ำตาลในนมร้อนลงในช่องแช่แข็ง ทำให้เขาประหลาดใจที่ผลิตภัณฑ์เย็นตัวเร็วกว่าเพื่อนฝึกหัดที่สังเกตอุณหภูมิในการทำไอศกรีม

พยายามทำความเข้าใจสาระสำคัญของปรากฏการณ์ เด็กชายจึงหันไปหาครูสอนฟิสิกส์ที่เยาะเย้ยการทดลองทำอาหารของเขาโดยไม่ลงรายละเอียด อย่างไรก็ตาม Erasto โดดเด่นด้วยความพากเพียรที่น่าอิจฉาและทำการทดลองต่อไปไม่ได้เกี่ยวกับนมอีกต่อไป แต่ทำกับน้ำ เขาทำให้แน่ใจว่าในบางกรณีน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

เมื่อเข้าสู่มหาวิทยาลัยดาร์ เอส ซาลาม Erasto Mpembe เข้าร่วมการบรรยายโดยศาสตราจารย์เดนนิส จี. ออสบอร์น หลังจากสำเร็จการศึกษานักเรียนทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยกับปัญหาอัตราการแช่แข็งของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดีจี ออสบอร์นเย้ยหยันการตั้งคำถาม โดยระบุด้วยความมั่นใจในตนเองว่าผู้แพ้จะรู้ว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ความดื้อรั้นตามธรรมชาติของชายหนุ่มทำให้รู้สึกได้ เขาพนันกับศาสตราจารย์โดยเสนอให้ทำการทดสอบทดลองที่นี่ในห้องปฏิบัติการ Erasto วางภาชนะบรรจุน้ำสองตู้ในช่องแช่แข็ง อันหนึ่งที่อุณหภูมิ 95 °F (35 °C) และอีกกล่องหนึ่งที่อุณหภูมิ 212 °F (100°C) ศาสตราจารย์และ "แฟน" โดยรอบประหลาดใจอย่างไรเมื่อน้ำในภาชนะที่สองแข็งตัวเร็วขึ้น ตั้งแต่นั้นมา ปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า "Mpemba Paradox"

อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีสมมติฐานทางทฤษฎีที่สอดคล้องกันที่อธิบาย "Mpemba Paradox" ยังไม่ชัดเจนว่าปัจจัยภายนอก องค์ประกอบทางเคมีของน้ำ การปรากฏตัวของก๊าซและแร่ธาตุที่ละลายในน้ำนั้น ส่งผลต่ออัตราการแช่แข็งของของเหลวที่อุณหภูมิต่างกันอย่างไร ความขัดแย้งของ "เอฟเฟกต์ Mpemba" คือมันขัดแย้งกับกฎข้อใดข้อหนึ่งที่ I. Newton ค้นพบ ซึ่งระบุว่าเวลาในการหล่อเย็นของน้ำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อม และหากของเหลวอื่น ๆ ทั้งหมดอยู่ภายใต้กฎหมายนี้อย่างสมบูรณ์ ในบางกรณีน้ำก็เป็นข้อยกเว้น

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วขึ้น?t

มีหลายสาเหตุที่น้ำร้อนแช่แข็งเร็วกว่าน้ำเย็น คนหลักคือ:

• น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นในขณะที่ปริมาตรลดลงและของเหลวที่มีปริมาตรน้อยกว่าจะเย็นลงเร็วขึ้น - เมื่อน้ำเย็นจาก +100 ° C ถึง 0 ° C การสูญเสียปริมาตรที่ความดันบรรยากาศถึง 15%
• ความเข้มของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อมยิ่งสูง ความแตกต่างของอุณหภูมิยิ่งมากขึ้น ดังนั้นการสูญเสียความร้อนของน้ำเดือดจะผ่านไปเร็วขึ้น
• เมื่อน้ำร้อนเย็นตัวลง เปลือกน้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนผิวของมัน ซึ่งป้องกันของเหลวจากการแช่แข็งและระเหยจนหมด
• ที่อุณหภูมิสูงจะเกิดการพาความร้อนผสมกัน ช่วยลดเวลาในการแช่แข็ง
• ก๊าซที่ละลายในน้ำลดจุดเยือกแข็ง นำพลังงานมาสร้างผลึก - ไม่มีก๊าซละลายในน้ำร้อน

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการตรวจสอบการทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน David Auerbach ค้นพบว่าอุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนนั้นสูงกว่าอุณหภูมิของน้ำเย็นเล็กน้อย ซึ่งทำให้สามารถแข็งตัวเร็วขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม ภายหลังการทดลองของเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์ และนักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" ที่น้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น สามารถทำซ้ำได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น ซึ่งยังไม่มีใครมองหาและทำการแปรรูปจนถึงตอนนี้

ทำให้บริสุทธิ์โดยการระเหย ความเย็น และการควบแน่น ของเหลวมีคุณสมบัติทางกายภาพพิเศษ ขอแนะนำให้ใช้ในระบบทำความร้อนเนื่องจากไม่มีเกลือและออกซิเจน สิ่งนี้มีผลดีต่อระยะเวลาการทำงานของอุปกรณ์

แต่หลายคนสนใจคำถามนี้ว่า น้ำกลั่นจะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0˚ C หรือไม่?

ทำการทดลองที่บ้านได้ง่ายๆ และได้คำตอบสำหรับคำถามนี้ เราจะเห็นว่าที่อุณหภูมิ 0˚ C จะยังคงเป็นของเหลว แม้ว่าเราจะลดอุณหภูมิลง แต่สถานะทางกายภาพของมันจะไม่เปลี่ยนแปลง

แล้วน้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิเท่าไหร่?

สังเกตคุณสมบัติที่น่าสนใจของน้ำกลั่นที่อุณหภูมิติดลบ หากคุณหย่อนน้ำแข็ง หิมะ อากาศ หรือฝุ่นลงไป คริสตัลจะปรากฏขึ้นทั่วทั้งปริมาตรทันที

เนื่องจากน้ำประปามีจุดศูนย์กลางของการตกผลึกมากมาย เช่น เกลือ อากาศภายใน พื้นผิวของภาชนะ และอื่นๆ ของเหลวบริสุทธิ์ไม่มีศูนย์ดังกล่าว ด้วยเหตุนี้จึงสามารถ supercool ได้อย่างมาก

กฎของฟิสิกส์ระบุว่ายิ่งทำให้ของเหลวบริสุทธิ์จากสิ่งเจือปนมากเท่าใด เกณฑ์ขั้นต่ำสำหรับการเปลี่ยนไปเป็นสถานะของแข็งก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

น้ำกลั่นจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ -10˚C และต่ำกว่า สิ่งนี้อธิบายความได้เปรียบเหนือสารหล่อเย็นอื่นๆ ในช่วงระยะเวลาการให้ความร้อน เนื่องจากคุณสมบัตินี้ เมื่อทำความร้อนในห้อง มันสามารถแข่งขันกับสารป้องกันการแข็งตัวได้

ในขณะเดียวกัน มีข้อดีเพิ่มเติมหลายประการที่เหนือสารหล่อเย็นอื่นๆ:

1. ความสะอาดของระบบนิเวศ
2. ความปลอดภัยต่อชีวิตและสุขภาพของมนุษย์
3. ทัศนคติที่ระมัดระวังต่อท่อ
4. สะดวกในการใช้;
5. ความพร้อมใช้งาน

ตอนนี้คุณทราบแล้วว่าน้ำกลั่นจะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 10 องศา คุณจึงสบายใจกับระบบทำความร้อนได้

เราหวังว่าบทความนี้จะเป็นประโยชน์กับคุณ เราจะขอบคุณถ้าคุณแบ่งปันบนเครือข่ายสังคม

ขอให้เป็นวันที่ดี!

อ่าน:

ตัวพาความร้อนสำหรับระบบทำความร้อน - วันนี้ใช้อะไร?
การทำน้ำร้อนในบ้านส่วนตัว - เทคโนโลยีสำหรับการนำไปใช้
ปั๊มน้ำเพื่อให้ความร้อน: หลักการทำงานและการติดตั้ง