น้ำเย็นกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำอะไรจะแข็งตัวเร็วกว่า: ร้อนหรือเย็น? มันขึ้นอยู่กับอะไร

ในสูตรเก่าที่ดี H 2 O ดูเหมือนว่าไม่มีความลับ แต่แท้จริงแล้วน้ำซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดชีวิตและเป็นของเหลวที่มีชื่อเสียงที่สุดในโลกนั้นเต็มไปด้วยความลึกลับมากมายที่บางครั้งแม้แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่สามารถไขได้

นี่คือข้อเท็จจริงที่น่าสนใจที่สุด 5 ประการเกี่ยวกับน้ำ:

1. น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

นำภาชนะใส่น้ำสองใบ: เทน้ำร้อนลงในภาชนะหนึ่งและน้ำเย็นลงในอีกภาชนะหนึ่ง แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าตามเหตุผลแล้ว น้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งก่อน ท้ายที่สุด น้ำร้อนจะต้องทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเย็นก่อน แล้วจึงกลายเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่น้ำเย็นไม่จำเป็นต้องทำให้เย็นลง ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

ในปี 1963 Erasto B. Mpemba นักเรียนมัธยมปลายในแทนซาเนีย ขณะแช่แข็งส่วนผสมของไอศกรีมที่เตรียมไว้ สังเกตว่าส่วนผสมที่ร้อนจะแข็งตัวในช่องแช่แข็งเร็วกว่าความเย็น เมื่อชายหนุ่มแบ่งปันการค้นพบของเขากับครูสอนฟิสิกส์ เขาก็ได้แต่หัวเราะเยาะเขา โชคดีที่นักเรียนยืนหยัดและโน้มน้าวให้ครูทำการทดลองซึ่งยืนยันการค้นพบของเขา: ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นจริงๆ

ตอนนี้ปรากฏการณ์ที่น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็นเรียกว่าปรากฏการณ์เอ็มเปมบา จริงอยู่ก่อนหน้าเขามานาน คุณสมบัติพิเศษของน้ำนี้ได้รับการบันทึกโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรเน่ เดส์การตส์

นักวิทยาศาสตร์ไม่เข้าใจธรรมชาติของปรากฏการณ์นี้อย่างถ่องแท้ โดยอธิบายได้จากความแตกต่างของภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติ การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำร้อนและน้ำเย็น

หมายเหตุจาก Х.RU ถึงหัวข้อ "น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น"

เนื่องจากปัญหาด้านการทำความเย็นเป็นเรื่องใกล้ตัวของเรา ผู้เชี่ยวชาญด้านการทำความเย็น เราจึงเปิดโอกาสให้ตัวเองลงลึกในแก่นแท้ของปัญหานี้ และให้ความเห็นสองประการเกี่ยวกับธรรมชาติของปรากฏการณ์ลึกลับดังกล่าว

1. นักวิทยาศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตันได้เสนอคำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์ลึกลับที่รู้จักกันตั้งแต่สมัยอริสโตเติล: ทำไมน้ำร้อนจึงกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็น

ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Mpemba effect ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น ผู้เชี่ยวชาญแนะนำให้ผู้ขับขี่รถยนต์เทน้ำเย็นแทนน้ำร้อนลงในอ่างเก็บน้ำของเครื่องซักผ้าในฤดูหนาว แต่สิ่งที่อยู่เบื้องหลังปรากฏการณ์นี้ยังไม่ทราบเป็นเวลานาน

ดร. Jonathan Katz แห่งมหาวิทยาลัย Washington ได้ตรวจสอบปรากฏการณ์นี้และได้ข้อสรุปว่าสารที่ละลายในน้ำมีบทบาทสำคัญในนั้น ซึ่งจะตกตะกอนเมื่อได้รับความร้อน EurekAlert รายงาน

โดยตัวละลาย ดร.แคทซ์หมายถึงแคลเซียมและแมกนีเซียมไบคาร์บอเนตที่พบในน้ำกระด้าง เมื่อน้ำร้อน สารเหล่านี้จะตกตะกอนก่อตัวเป็นเกล็ดบนผนังกาต้มน้ำ น้ำที่ไม่เคยให้ความร้อนมีสิ่งเจือปนเหล่านี้ เมื่อน้ำแข็งแข็งตัวและก่อตัวเป็นผลึกน้ำแข็ง ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในน้ำจะเพิ่มขึ้น 50 เท่า ทำให้จุดเยือกแข็งของน้ำลดลง "และตอนนี้น้ำต้องเย็นลงเพื่อที่จะกลายเป็นน้ำแข็ง" ดร. แคทซ์อธิบาย

มีเหตุผลที่สองที่ป้องกันการแช่แข็งของน้ำที่ไม่ร้อน การลดจุดเยือกแข็งของน้ำจะลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเฟสของแข็งและของเหลว "เนื่องจากอัตราการสูญเสียความร้อนของน้ำขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมินี้ น้ำที่ไม่ได้รับความร้อนจึงมีโอกาสน้อยที่จะเย็นลง" ดร. แคทซ์กล่าว

ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าทฤษฎีของเขาสามารถทดลองได้เพราะ เอฟเฟกต์ Mpemba จะเด่นชัดยิ่งขึ้นสำหรับน้ำที่กระด้าง

2. ออกซิเจนบวกไฮโดรเจนบวกความเย็นสร้างน้ำแข็ง เมื่อมองแวบแรก สารโปร่งใสนี้ดูเหมือนเรียบง่ายมาก ในความเป็นจริงน้ำแข็งเต็มไปด้วยความลึกลับมากมาย น้ำแข็งที่สร้างขึ้นโดย Erasto Mpemba ในแอฟริกาไม่ได้คิดถึงความรุ่งโรจน์ วันนั้นอากาศร้อน เขาต้องการไอติม เขาหยิบกล่องน้ำผลไม้ใส่ในช่องแช่แข็ง เขาทำสิ่งนี้มากกว่าหนึ่งครั้งและสังเกตว่าน้ำผลไม้จะแข็งตัวเร็วเป็นพิเศษ หากคุณถือไว้กลางแดดก่อนหน้านั้น - แค่ทำให้ร้อนขึ้น! นี่เป็นเรื่องแปลก เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียคิด ผู้ซึ่งประพฤติตนตรงกันข้ามกับสติปัญญาทางโลก เป็นไปได้ไหมว่าเพื่อให้ของเหลวกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น จะต้อง ... ถูกทำให้ร้อนก่อน? ชายหนุ่มประหลาดใจมากที่เขาแบ่งปันการเดาของเขากับครู เขารายงานความอยากรู้อยากเห็นนี้ในสื่อ

เรื่องราวนี้เกิดขึ้นในปี 1960 ตอนนี้ "เอฟเฟกต์ Mpemba" เป็นที่รู้จักกันดีสำหรับนักวิทยาศาสตร์ แต่เป็นเวลานาน ปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนเรียบง่ายนี้ยังคงเป็นปริศนา ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

จนกระทั่งในปี 1996 นักฟิสิกส์ David Auerbach ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหา เพื่อตอบคำถามนี้ เขาทำการทดลองตลอดทั้งปี: เขาต้มน้ำในแก้วแล้วทำให้เย็นลงอีกครั้ง แล้วเขาค้นพบอะไร? เมื่อถูกความร้อน ฟองอากาศที่ละลายในน้ำจะระเหยออกไป น้ำที่ปราศจากก๊าซจะจับตัวเป็นน้ำแข็งบนผนังของเรือได้ง่ายกว่า "แน่นอนว่าน้ำที่มีปริมาณอากาศสูงก็จะแข็งตัว" Auerbach กล่าว "แต่ไม่ใช่ที่ 0 องศาเซลเซียส แต่จะอยู่ที่ -4-6 องศาเท่านั้น" แน่นอนคุณจะต้องรออีกต่อไป ดังนั้น น้ำร้อนจึงกลายเป็นน้ำแข็งก่อนน้ำเย็น นี่เป็นข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์

แทบจะไม่มีสสารที่จะปรากฏต่อหน้าต่อตาเราอย่างง่ายดายเหมือนกับน้ำแข็ง ประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำเท่านั้น นั่นคือโมเลกุลพื้นฐานที่มีไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอม อย่างไรก็ตาม น้ำแข็งอาจเป็นสสารที่ลึกลับที่สุดในจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติบางอย่างของมันได้จนถึงตอนนี้

2. Supercooling และการแช่แข็งแบบ "แฟลช"

ทุกคนรู้ว่าน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเสมอเมื่อเย็นลงถึง 0 °C... ยกเว้นในบางกรณี! กรณีดังกล่าวคือ "การทำความเย็นยิ่งยวด" ซึ่งเป็นคุณสมบัติของน้ำบริสุทธิ์มากที่จะคงสภาพเป็นของเหลวแม้ว่าจะเย็นลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งก็ตาม ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากสภาพแวดล้อมไม่มีศูนย์กลางการตกผลึกหรือนิวเคลียสที่สามารถกระตุ้นการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง ดังนั้นน้ำจึงยังคงอยู่ในรูปของเหลว แม้ว่าจะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียส กระบวนการตกผลึกสามารถกระตุ้นได้ เช่น ฟองก๊าซ สิ่งเจือปน (มลพิษ) พื้นผิวที่ไม่เรียบของภาชนะ หากไม่มีสิ่งเหล่านี้ น้ำจะยังคงอยู่ในสถานะของเหลว เมื่อกระบวนการตกผลึกเริ่มต้นขึ้น คุณสามารถดูได้ว่าน้ำที่เย็นจัดกลายเป็นน้ำแข็งได้อย่างไร

ดูวิดีโอ (2 901 Kb, 60 c) โดย Phil Medina (www.mrsciguy.com) แล้วดูด้วยตัวคุณเอง >>

ความคิดเห็นน้ำร้อนยวดยิ่งยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าจะได้รับความร้อนสูงกว่าจุดเดือด

3. "แก้วน้ำ"

ให้รีบบอกชื่อน้ำว่ามีกี่สถานะ

หากคุณตอบสามข้อ (ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ) คุณคิดผิด นักวิทยาศาสตร์แยกความแตกต่างของน้ำได้อย่างน้อย 5 สถานะในรูปของเหลว และ 14 สถานะของน้ำแข็ง

จำบทสนทนาเกี่ยวกับน้ำหล่อเย็นสุด ๆ ได้ไหม? ดังนั้นไม่ว่าคุณจะทำอะไร ที่อุณหภูมิ -38°C แม้แต่น้ำที่เย็นจัดที่บริสุทธิ์ที่สุดก็กลายเป็นน้ำแข็งในทันที จะเกิดอะไรขึ้นกับการลดลงอีก

อุณหภูมิ? ที่อุณหภูมิ -120 °C สิ่งแปลกประหลาดเริ่มเกิดขึ้นกับน้ำ: มันจะกลายเป็นน้ำที่มีความหนืดสูงหรือหนืดเหมือนกากน้ำตาล และที่อุณหภูมิต่ำกว่า -135 °C น้ำจะกลายเป็น "แก้ว" หรือ "คล้ายแก้ว" ซึ่งเป็นสารของแข็งที่ ไม่มีโครงสร้างผลึก

4. คุณสมบัติควอนตัมของน้ำ

ในระดับโมเลกุล น้ำนั้นมหัศจรรย์ยิ่งกว่า ในปี 1995 การทดลองการกระเจิงของนิวตรอนที่ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ให้ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด นักฟิสิกส์พบว่านิวตรอนที่พุ่งเข้าหาโมเลกุลของน้ำจะ "เห็น" โปรตอนของไฮโดรเจนน้อยกว่าที่คาดไว้ 25%

ปรากฎว่าด้วยความเร็วหนึ่ง attosecond (10 -18 วินาที) เอฟเฟกต์ควอนตัมที่ผิดปกติเกิดขึ้นและสูตรทางเคมีของน้ำแทนที่จะเป็นสูตรปกติ - H 2 O กลายเป็น H 1.5 O!

5. น้ำมีความทรงจำหรือไม่?

โฮมีโอพาธีย์เป็นอีกทางเลือกหนึ่งนอกเหนือจากการแพทย์ทั่วไป โดยอ้างว่าสารละลายเจือจางของผลิตภัณฑ์ยาสามารถมีผลในการรักษาร่างกายได้ แม้ว่าปัจจัยการเจือจางจะมากเสียจนไม่มีอะไรเหลืออยู่ในสารละลายนอกจากโมเลกุลของน้ำ ผู้เสนอเรื่องธรรมชาติบำบัดอธิบายความขัดแย้งนี้ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า "ความทรงจำของน้ำ" ตามที่น้ำในระดับโมเลกุลมี "ความทรงจำ" ของสารที่ละลายอยู่ในนั้นและยังคงรักษาคุณสมบัติของสารละลายที่มีความเข้มข้นดั้งเดิมหลังจากไม่ โมเลกุลเดี่ยวของส่วนผสมยังคงอยู่ในนั้น

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยศาสตราจารย์ Madeleine Ennis จาก Queen's University of Belfast ซึ่งเป็นผู้วิพากษ์วิจารณ์หลักการของธรรมชาติบำบัดได้ทำการทดลองในปี 2545 เพื่อหักล้างแนวคิดนี้ครั้งแล้วครั้งเล่า ผลที่ได้คือ ตรงกันข้าม หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าพวกเขา สามารถพิสูจน์ความเป็นจริงของผลกระทบของ "ความทรงจำของน้ำ" อย่างไรก็ตาม การทดลองที่ดำเนินการภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญอิสระไม่ได้ผลลัพธ์ ข้อพิพาทเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของปรากฏการณ์ "ความทรงจำของน้ำ" ยังคงดำเนินต่อไป

น้ำมีคุณสมบัติที่ผิดปกติอื่น ๆ อีกมากมายที่เราไม่ได้กล่าวถึงในบทความนี้

วรรณกรรม.

1. 5 เรื่องแปลกๆ เกี่ยวกับน้ำ / http://www.neatorama.com
2. ความลึกลับของน้ำ: ทฤษฎีของเอฟเฟกต์ Aristotle-Mpemba ถูกสร้างขึ้น / http://www.o8ode.ru
3. Nepomniachtchi N.N. ความลับของธรรมชาติที่ไม่มีชีวิต สารลึกลับที่สุดในจักรวาล / http://www.bibliotekar.ru

21.11.2017 11.10.2018 อเล็กซานเดอร์ เฟิร์ตเซฟ

« น้ำเย็นหรือน้ำร้อนอะไรจะแข็งตัวเร็วกว่ากัน?” - ลองถามคำถามกับเพื่อน ๆ ส่วนใหญ่ส่วนใหญ่จะตอบว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วขึ้น - และทำผิดพลาด

ในความเป็นจริง หากคุณใส่ภาชนะสองใบที่มีรูปร่างและปริมาตรเท่ากันในช่องแช่แข็ง โดยใบหนึ่งจะบรรจุน้ำเย็นและอีกใบหนึ่งจะร้อน น้ำร้อนก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น

คำพูดดังกล่าวอาจดูไร้สาระและไม่มีเหตุผล ตามหลักเหตุผลแล้ว น้ำร้อนจะต้องเย็นลงเป็นอุณหภูมิเย็นก่อน และน้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งแล้วในเวลานี้

เหตุใดน้ำร้อนจึงแซงหน้าน้ำเย็นจนเป็นน้ำแข็ง ลองคิดดูสิ

ประวัติการสังเกตและการวิจัย

ผู้คนสังเกตเห็นผลกระทบที่ขัดแย้งกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ แต่ไม่มีใครให้ความสำคัญกับมันมากนัก ดังนั้นความไม่สอดคล้องกันของอัตราการแช่แข็งของน้ำเย็นและน้ำร้อนจึงถูกบันทึกโดย Arestotel เช่นเดียวกับ Rene Descartes และ Francis Bacon ปรากฏการณ์ที่ผิดปกติมักปรากฏตัวในชีวิตประจำวัน

เป็นเวลานานแล้วที่ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้รับการศึกษาในทางใดทางหนึ่งและไม่ได้กระตุ้นความสนใจในหมู่นักวิทยาศาสตร์มากนัก

การศึกษาผลกระทบที่ผิดปกติเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2506 เมื่อ Erasto Mpemba นักเรียนที่อยากรู้อยากเห็นจากแทนซาเนียสังเกตว่านมร้อนสำหรับทำไอศกรีมจะแข็งตัวเร็วกว่านมเย็น ชายหนุ่มถามครูฟิสิกส์ที่โรงเรียนโดยหวังว่าจะได้รับคำอธิบายถึงสาเหตุของผลที่ผิดปกติ อย่างไรก็ตาม ครูได้แต่หัวเราะเยาะเขา

ต่อมา Mpemba ทำการทดลองซ้ำ แต่ในการทดลองของเขา เขาไม่ใช้นมอีกต่อไป แต่ใช้น้ำ และผลที่ขัดแย้งกันก็เกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง

หกปีต่อมา ในปี 1969 Mpemba ได้ถามคำถามนี้กับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Dennis Osborne ซึ่งมาที่โรงเรียนของเขา ศาสตราจารย์สนใจในการสังเกตของชายหนุ่มเป็นผลให้มีการทดลองเพื่อยืนยันการมีอยู่ของผลกระทบ แต่สาเหตุของปรากฏการณ์นี้ไม่ได้ถูกสร้างขึ้น

ตั้งแต่นั้นมาจึงเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า เอ็มเปมบา เอฟเฟ็กต์.

ตลอดประวัติศาสตร์ของการสังเกตทางวิทยาศาสตร์ มีการตั้งสมมติฐานมากมายเกี่ยวกับสาเหตุของปรากฏการณ์

ดังนั้นในปี 2012 British Royal Society of Chemistry จะประกาศการแข่งขันของสมมติฐานเพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba นักวิทยาศาสตร์จากทั่วโลกเข้าร่วมการแข่งขัน โดยมีการลงทะเบียนเอกสารทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด 22,000 ฉบับ แม้จะมีบทความจำนวนมากที่น่าประทับใจ แต่ก็ไม่มีใครอธิบายความขัดแย้งของ Mpemba ได้

รุ่นที่พบมากที่สุดเป็นไปตามที่ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากมันระเหยเร็วขึ้น ปริมาตรของมันจะน้อยลง และเมื่อปริมาตรลดลง อัตราการเย็นตัวก็จะเพิ่มขึ้น เวอร์ชันที่พบมากที่สุดถูกหักล้างในที่สุด เนื่องจากมีการทดลองที่ไม่รวมการระเหย แต่อย่างไรก็ตามผลที่ได้ก็ได้รับการยืนยัน

นักวิทยาศาสตร์คนอื่นเชื่อว่าสาเหตุของผลกระทบ Mpemba คือการระเหยของก๊าซที่ละลายในน้ำ ในความเห็นของพวกเขา ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน ก๊าซที่ละลายในน้ำจะระเหยออกไป ซึ่งจะทำให้มีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำเย็น อย่างที่ทราบกันดีว่า ความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของน้ำ (การนำความร้อนเพิ่มขึ้น) และส่งผลให้อัตราการเย็นตัวเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ยังมีการเสนอสมมติฐานจำนวนหนึ่งที่อธิบายอัตราการไหลเวียนของน้ำเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ ในการศึกษาจำนวนมาก มีความพยายามที่จะสร้างความสัมพันธ์ระหว่างวัสดุของภาชนะบรรจุซึ่งบรรจุของเหลวอยู่ หลายทฤษฎีดูน่าเชื่อถือมาก แต่ไม่สามารถยืนยันทางวิทยาศาสตร์ได้เนื่องจากขาดข้อมูลเบื้องต้น ความขัดแย้งในการทดลองอื่นๆ หรือเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าปัจจัยที่ระบุนั้นไม่สามารถเทียบเคียงได้กับอัตราการระบายความร้อนของน้ำ นักวิทยาศาสตร์บางคนในผลงานของพวกเขาตั้งคำถามถึงการมีอยู่ของเอฟเฟกต์นี้

ในปี 2013 นักวิจัยจาก Nanyang Technological University ในสิงคโปร์อ้างว่าได้ไขปริศนาของผลกระทบ Mpemba แล้ว จากการศึกษาของพวกเขา สาเหตุของปรากฏการณ์นี้อยู่ที่ความจริงที่ว่าปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำเย็นและน้ำร้อนนั้นแตกต่างกันอย่างมาก

วิธีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ได้แสดงผลลัพธ์ต่อไปนี้ ยิ่งอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเนื่องจากแรงผลักกันเพิ่มขึ้น ดังนั้น พันธะไฮโดรเจนของโมเลกุลจึงยืดออก ทำให้กักเก็บพลังงานได้มากขึ้น เมื่อเย็นลง โมเลกุลจะเริ่มเข้าหากัน ปล่อยพลังงานจากพันธะไฮโดรเจน ในกรณีนี้การปลดปล่อยพลังงานจะมาพร้อมกับอุณหภูมิที่ลดลง

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2560 นักฟิสิกส์ชาวสเปนในการศึกษาอื่นพบว่าเป็นการขจัดสสารออกจากสมดุล (การให้ความร้อนสูงก่อนการทำให้เย็นลงอย่างมาก) ซึ่งมีบทบาทอย่างมากในการก่อตัวของผลกระทบ พวกเขากำหนดเงื่อนไขภายใต้ความเป็นไปได้ของผลกระทบสูงสุด นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์จากสเปนได้ยืนยันการมีอยู่ของเอฟเฟกต์ Mpemba แบบย้อนกลับ พวกเขาพบว่าเมื่อได้รับความร้อน ตัวอย่างที่เย็นกว่าจะถึงอุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าตัวอย่างที่อุ่น

แม้จะมีข้อมูลที่ละเอียดถี่ถ้วนและการทดลองมากมาย นักวิทยาศาสตร์ตั้งใจที่จะศึกษาผลกระทบต่อไป

ผลกระทบ Mpemba ในชีวิตจริง

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าทำไมในฤดูหนาวลานสเก็ตน้ำแข็งถึงเต็มไปด้วยน้ำร้อนและไม่เย็น? ตามที่คุณเข้าใจแล้ว พวกเขาทำเช่นนี้เพราะลานสเก็ตที่เติมน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าที่เติมด้วยน้ำเย็น ด้วยเหตุผลเดียวกัน สไลเดอร์ในเมืองน้ำแข็งในฤดูหนาวจะถูกราดด้วยน้ำร้อน

ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับการมีอยู่ของปรากฏการณ์นี้ช่วยให้ผู้คนประหยัดเวลาในการเตรียมสถานที่สำหรับกีฬาฤดูหนาว

นอกจากนี้ บางครั้งมีการใช้เอฟเฟกต์ Mpemba ในอุตสาหกรรม เพื่อลดเวลาการแช่แข็งของผลิตภัณฑ์ สาร และวัสดุที่มีน้ำ

ในบทความนี้เราจะมาดูกันว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

น้ำอุ่นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นมาก! คุณสมบัติอันน่าทึ่งของน้ำ ซึ่งเป็นคำอธิบายที่ถูกต้องซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถค้นพบได้ เป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ ตัวอย่างเช่นแม้แต่ในอริสโตเติลก็มีคำอธิบายเกี่ยวกับการตกปลาในฤดูหนาว: ชาวประมงสอดคันเบ็ดเข้าไปในรูในน้ำแข็งและเพื่อให้แข็งตัวเร็วขึ้นพวกเขาจึงเทน้ำอุ่นลงบนน้ำแข็ง ชื่อของปรากฏการณ์นี้ได้รับการตั้งชื่อตาม Erasto Mpemba ในยุค 60 ของศตวรรษที่ XX Mnemba สังเกตเห็นผลประหลาดขณะทำไอศกรีมและหันไปหาอาจารย์ฟิสิกส์ Dr. Denis Osborne เพื่อขอคำอธิบาย Mpemba และ Dr. Osborne ทดลองกับน้ำที่อุณหภูมิต่างๆ และสรุปว่าน้ำเกือบเดือดเริ่มแข็งตัวเร็วกว่าน้ำที่อุณหภูมิห้อง นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้ทำการทดลองของตนเอง และแต่ละครั้งก็ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน

คำอธิบายของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

ไม่มีคำอธิบายที่ยอมรับโดยทั่วไปว่าเหตุใดสิ่งนี้จึงเกิดขึ้น นักวิจัยหลายคนเสนอว่าทั้งหมดนี้เป็นเรื่องของการทำให้ของเหลวเย็นยวดยิ่ง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C น้ำที่เย็นยิ่งยวดจะมีอุณหภูมิ -2°C เป็นต้น และยังคงเป็นของเหลวโดยไม่เปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง เมื่อเราพยายามทำให้น้ำเย็นเป็นน้ำแข็ง มีโอกาสที่น้ำจะเย็นจัดในตอนแรก และจะแข็งขึ้นเมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่งเท่านั้น ในน้ำร้อน กระบวนการอื่นๆ จะเกิดขึ้น การแปรสภาพเป็นน้ำแข็งที่เร็วขึ้นนั้นสัมพันธ์กับการพาความร้อน

การพาความร้อน- นี่เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ชั้นล่างของของเหลวอุ่นขึ้นและชั้นบนเย็นลง

Mpemba effect หรือทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น? Mpemba Effect (Mpemba Paradox) เป็นความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางประการจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ ซึ่งภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ร่างกายที่ร้อนกว่าต้องการเวลามากขึ้นในการทำให้ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง มากกว่าร่างกายที่เย็นกว่าจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน ปรากฏการณ์นี้ถูกสังเกตเห็นโดย Aristotle, Francis Bacon และ Rene Descartes ในเวลานั้น แต่ในปี 1963 Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียพบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าของเย็น Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่ Magambin High School ในแทนซาเนียซึ่งทำงานทำอาหารภาคปฏิบัติ เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด - ต้มนม, ละลายน้ำตาลในนั้น, ทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องแล้วใส่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและผัดวันประกันพรุ่งในส่วนแรกของการบ้าน ด้วยเกรงว่าจะไม่ทันเวลาเมื่อจบบทเรียน เขาจึงนำนมที่ยังร้อนอยู่ใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาซึ่งเตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำเปล่าด้วย ไม่ว่าในกรณีใด เขาเป็นนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkvava อยู่แล้ว เขาถามศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์น จากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายเกี่ยวกับฟิสิกส์แก่นักเรียน) เกี่ยวกับน้ำ: "ถ้า คุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบที่มีปริมาตรน้ำเท่ากันเพื่อให้หนึ่งในนั้นน้ำมีอุณหภูมิ 35 ° C และอีกอันหนึ่ง - 100 ° C แล้วใส่ในช่องแช่แข็งจากนั้นในวินาทีที่น้ำจะแข็งตัว เร็วกว่า ทำไม? ออสบอร์นเริ่มสนใจปัญหานี้และในไม่ช้าในปี 1969 ร่วมกับ Mpemba พวกเขาตีพิมพ์ผลการทดลองในวารสาร "Physics Education" ตั้งแต่นั้นมา เอฟเฟ็กต์ที่พวกเขาค้นพบเรียกว่า เอฟเฟ็กต์ Mpemba จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบที่แปลกประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีมากมายก็ตาม ทั้งหมดเกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดที่มีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำ ณ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน ความขัดแย้งของผลกระทบ Mpemba คือเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อมจะต้องเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎหมายนี้ตั้งขึ้นโดยนิวตันและตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติหลายครั้ง ในลักษณะเดียวกัน น้ำที่อุณหภูมิ 100°C เย็นลงถึง 0°C เร็วกว่าน้ำปริมาณเท่ากันที่อุณหภูมิ 35°C อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากเอฟเฟกต์ Mpemba สามารถอธิบายได้ด้วยฟิสิกส์ที่รู้จัก ต่อไปนี้คือคำอธิบายบางประการสำหรับผลกระทบของ Mpemba: การระเหย น้ำร้อนระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะบรรจุ ซึ่งส่งผลให้ปริมาตรลดลง และน้ำปริมาณน้อยลงที่อุณหภูมิเดียวกันจะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนถึง 100 C จะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงถึง 0 C ผลของการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลของน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองอุณหภูมิจะลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนจากเฟสน้ำเป็นไอลดลง ความแตกต่างของอุณหภูมิ เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและอากาศเย็นนั้นมากกว่า - ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงรุนแรงขึ้นและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น Subcooling เมื่อน้ำเย็นต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่กลายเป็นน้ำแข็งเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง มันสามารถผ่านความเย็นยิ่งยวดในขณะที่ยังคงเป็นของเหลวต่อไปที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำสามารถคงสถานะเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัวขึ้น จำเป็นต้องมีศูนย์กลางของการก่อตัวของผลึก หากไม่ได้อยู่ในน้ำที่เป็นของเหลว การทำความเย็นยิ่งยวดจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวขึ้นเอง เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่เย็นยิ่งยวด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น ก่อตัวเป็นโคลนน้ำแข็งที่จะแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง น้ำร้อนมีความไวต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติมากที่สุด เนื่องจากการให้ความร้อนจะกำจัดก๊าซและฟองอากาศที่ละลายอยู่ ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นจุดศูนย์กลางในการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง ทำไมภาวะอุณหภูมิต่ำจึงทำให้น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น? ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่เย็นจัด จะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ น้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของเรือ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็นและป้องกันการระเหยต่อไป อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะน้อยลง ในกรณีของน้ำร้อนที่ทำการ subcooling น้ำที่ subcooled จะไม่มีชั้นน้ำแข็งปกป้องผิว ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนเร็วกว่ามากผ่านทางเปิดด้านบน เมื่อกระบวนการทำความเย็นยิ่งยวดสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะสูญเสียไปมากขึ้น น้ำแข็งจึงก่อตัวขึ้นมากขึ้น นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิต่ำเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba การพาความร้อน น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ซึ่งจะทำให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง และทำให้สูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติในความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 องศาเซลเซียส หากคุณทำให้น้ำเย็นลงถึง 4 องศาเซลเซียส และวางไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ชั้นผิวของน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4°C น้ำจะเกาะอยู่บนพื้นผิว ก่อตัวเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบาง ๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันชั้นล่างของน้ำ ซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ดังนั้น กระบวนการระบายความร้อนต่อไปจะช้าลง ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ชั้นน้ำเย็นยังหนาแน่นกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลง ยกชั้นน้ำอุ่นขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว แต่ทำไมกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อนนี้ สันนิษฐานว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากอุณหภูมิเฉลี่ยของน้ำลดลงต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม ไม่มีข้อมูลการทดลอง นั่นจะยืนยันสมมติฐานที่ว่าชั้นน้ำเย็นและน้ำร้อนแยกจากกันโดยการพาความร้อน ก๊าซที่ละลายในน้ำ น้ำประกอบด้วยก๊าซที่ละลายในน้ำเสมอ - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีคุณสมบัติในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำที่อุณหภูมิสูงต่ำกว่า ดังนั้นเมื่อน้ำร้อนถูกทำให้เย็นลง จะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่อุ่นเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำอุ่นจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น บางครั้งปัจจัยนี้ถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายเอฟเฟกต์ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ยืนยันข้อเท็จจริงนี้ การนำความร้อน กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญเมื่อใส่น้ำในช่องแช่แข็งตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะที่มีน้ำร้อนจะละลายน้ำแข็งของช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะทำให้การสัมผัสความร้อนกับผนังของช่องแช่แข็งและการนำความร้อนดีขึ้น เป็นผลให้ความร้อนถูกขจัดออกจากภาชนะบรรจุน้ำร้อนได้เร็วกว่าจากภาชนะบรรจุที่เย็น ในทางกลับกันภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ละลายหิมะข้างใต้ เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงเงื่อนไขอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ยังไม่ได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถาม - ซึ่งในเงื่อนไขเหล่านี้ให้การทำซ้ำของเอฟเฟกต์ Mpemba 100% - ยังไม่ได้รับ ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของการทำให้น้ำเย็นจัดยิ่งยวดต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนถึงสถานะเย็นยิ่งยวด แข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และเร็วกว่าน้ำหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สภาวะเย็นจัดได้เร็วกว่าน้ำร้อน ดังนั้นจึงช่วยชดเชยความหน่วงที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ได้ นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ที่ว่า น้ำร้อนสามารถทำให้เย็นตัวได้มากขึ้น เนื่องจากศูนย์กลางการตกผลึกน้อยกว่า เมื่อน้ำร้อน ก๊าซที่ละลายในนั้นจะถูกกำจัดออก และเมื่อต้ม เกลือบางส่วนที่ละลายในนั้นจะตกตะกอน จนถึงตอนนี้ มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถยืนยันได้ - การทำซ้ำของเอฟเฟกต์นี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ดำเนินการทดลองเป็นหลัก แม่นยำเพราะมันไม่ได้ทำซ้ำเสมอ โอ. วี. โมซิน

เอฟเฟ็กต์ Mpemba(Mpemba Paradox) เป็นความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางประการจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ ซึ่งภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ร่างกายที่ร้อนกว่าต้องการเวลามากขึ้นในการทำให้ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง มากกว่าร่างกายที่เย็นกว่าจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

ปรากฏการณ์นี้ถูกสังเกตเห็นโดย Aristotle, Francis Bacon และ Rene Descartes ในเวลานั้น แต่ในปี 1963 Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียพบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าของเย็น

Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่ Magambin High School ในแทนซาเนียซึ่งทำงานทำอาหารภาคปฏิบัติ เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด - ต้มนม, ละลายน้ำตาลในนั้น, ทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องแล้วใส่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและผัดวันประกันพรุ่งในส่วนแรกของการบ้าน ด้วยเกรงว่าจะไม่ทันเวลาเมื่อจบบทเรียน เขาจึงนำนมที่ยังร้อนอยู่ใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาซึ่งเตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำเปล่าด้วย ไม่ว่าในกรณีใด เขาเป็นนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkvava อยู่แล้ว เขาถามศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์น จากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายเกี่ยวกับฟิสิกส์แก่นักเรียน) เกี่ยวกับน้ำ: "ถ้า คุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบที่มีปริมาตรน้ำเท่ากันเพื่อให้หนึ่งในนั้นน้ำมีอุณหภูมิ 35 ° C และอีกอันหนึ่ง - 100 ° C แล้วใส่ในช่องแช่แข็งจากนั้นในวินาทีที่น้ำจะแข็งตัว เร็วกว่า ทำไม? ออสบอร์นเริ่มสนใจปัญหานี้และในไม่ช้าในปี 1969 ร่วมกับ Mpemba พวกเขาตีพิมพ์ผลการทดลองในวารสาร "Physics Education" ตั้งแต่นั้นมา ผลกระทบที่พวกเขาค้นพบเรียกว่า เอ็มเปมบา เอฟเฟ็กต์.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบที่แปลกประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีมากมายก็ตาม ทั้งหมดเกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดที่มีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำ ณ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ความขัดแย้งของผลกระทบ Mpemba คือเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อมจะต้องเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎหมายนี้ตั้งขึ้นโดยนิวตันและตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติหลายครั้ง ในลักษณะเดียวกัน น้ำที่อุณหภูมิ 100°C เย็นลงถึง 0°C เร็วกว่าน้ำปริมาณเท่ากันที่อุณหภูมิ 35°C

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากเอฟเฟกต์ Mpemba สามารถอธิบายได้ด้วยฟิสิกส์ที่รู้จัก นี่คือคำอธิบายบางประการสำหรับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยออกจากภาชนะได้เร็วกว่า ซึ่งจะทำให้ปริมาตรลดลง และน้ำที่มีปริมาตรน้อยลงที่อุณหภูมิเท่ากันจะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนถึง 100 C จะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงถึง 0 C

เอฟเฟกต์การระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลของน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองอุณหภูมิจะลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนจากเฟสน้ำเป็นไอลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและอากาศเย็นนั้นมากกว่า - ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงรุนแรงกว่าและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

ภาวะอุณหภูมิต่ำ

เมื่อน้ำเย็นต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่กลายเป็นน้ำแข็งเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง มันสามารถผ่านความเย็นยิ่งยวดในขณะที่ยังคงเป็นของเหลวต่อไปที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำสามารถคงสภาพเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัวขึ้น จำเป็นต้องมีศูนย์กลางของการก่อตัวของผลึก หากไม่ได้อยู่ในน้ำที่เป็นของเหลว การทำความเย็นยิ่งยวดจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวขึ้นเอง เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่เย็นยิ่งยวด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น ก่อตัวเป็นโคลนน้ำแข็งที่จะแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนมีความไวต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติมากที่สุด เนื่องจากการให้ความร้อนจะกำจัดก๊าซและฟองอากาศที่ละลายอยู่ ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นจุดศูนย์กลางในการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง

ทำไมภาวะอุณหภูมิต่ำจึงทำให้น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น? ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่เย็นจัด จะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ น้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของเรือ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็นและป้องกันการระเหยต่อไป อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะน้อยลง ในกรณีของน้ำร้อนที่ทำการ subcooling น้ำที่ subcooled จะไม่มีชั้นน้ำแข็งปกป้องผิว ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนเร็วกว่ามากผ่านทางเปิดด้านบน

เมื่อกระบวนการทำความเย็นยิ่งยวดสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะสูญเสียไปมากขึ้น น้ำแข็งจึงก่อตัวขึ้นมากขึ้น

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิต่ำเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ซึ่งจะทำให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง และทำให้สูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติในความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 องศาเซลเซียส หากคุณทำให้น้ำเย็นลงถึง 4 องศาเซลเซียส และวางไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ชั้นผิวของน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4°C น้ำจะเกาะอยู่บนพื้นผิว ก่อตัวเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบาง ๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันชั้นล่างของน้ำ ซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ดังนั้น กระบวนการระบายความร้อนต่อไปจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ชั้นน้ำเย็นยังหนาแน่นกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลง ยกชั้นน้ำอุ่นขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่ทำไมกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อนนี้ เราจะต้องสันนิษฐานว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากที่อุณหภูมิเฉลี่ยของน้ำลดลงต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานการทดลองใดสนับสนุนสมมติฐานที่ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนแยกออกจากกันโดยการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำประกอบด้วยก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นเสมอ - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีคุณสมบัติในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำที่อุณหภูมิสูงต่ำกว่า ดังนั้นเมื่อน้ำร้อนถูกทำให้เย็นลง จะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่อุ่นเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำอุ่นจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น บางครั้งปัจจัยนี้ถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายเอฟเฟกต์ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ยืนยันข้อเท็จจริงนี้

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญเมื่อใส่น้ำในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะที่มีน้ำร้อนจะละลายน้ำแข็งของช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะทำให้การสัมผัสความร้อนกับผนังของช่องแช่แข็งและการนำความร้อนดีขึ้น เป็นผลให้ความร้อนถูกขจัดออกจากภาชนะบรรจุน้ำร้อนได้เร็วกว่าจากภาชนะบรรจุที่เย็น ในทางกลับกันภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ละลายหิมะข้างใต้

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงเงื่อนไขอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ยังไม่ได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถาม - ซึ่งในเงื่อนไขเหล่านี้ให้การทำซ้ำของเอฟเฟกต์ Mpemba 100% - ยังไม่ได้รับ

ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของการทำให้น้ำเย็นจัดยิ่งยวดต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนเมื่อถึงสถานะเย็นยิ่งยวด จะกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และดังนั้นจึงเร็วกว่าน้ำหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สภาวะเย็นจัดได้เร็วกว่าน้ำร้อน ดังนั้นจึงช่วยชดเชยความหน่วงที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ได้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ที่ว่า น้ำร้อนสามารถทำให้เย็นตัวได้มากขึ้น เนื่องจากมีศูนย์กลางการตกผลึกน้อยกว่า เมื่อน้ำร้อน ก๊าซที่ละลายในนั้นจะถูกกำจัดออก และเมื่อต้ม เกลือบางส่วนที่ละลายในนั้นจะตกตะกอน

จนถึงตอนนี้ มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถยืนยันได้ - การทำซ้ำของเอฟเฟกต์นี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ดำเนินการทดลองเป็นหลัก แม่นยำเพราะมันไม่ได้ทำซ้ำเสมอ