Tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh?

Nước đóng băng ở nhiệt độ nào? Có vẻ như - câu hỏi đơn giản nhất mà ngay cả một đứa trẻ cũng có thể trả lời: điểm đóng băng của nước ở áp suất khí quyển bình thường là 760 mm Hg là 0 độ C.

Tuy nhiên, nước (mặc dù phân bố cực kỳ rộng trên hành tinh của chúng ta) là chất bí ẩn nhất và chưa được hiểu đầy đủ, vì vậy câu trả lời cho câu hỏi này cần một cuộc trò chuyện chi tiết và hợp lý.

Ở Nga và Châu Âu, nhiệt độ được đo trên thang độ C, giá trị cao nhất trong đó là 100 độ.
Nhà khoa học Mỹ Fahrenheit đã phát triển quy mô của riêng mình với 180 bộ phận.
Có một đơn vị đo nhiệt độ khác - kelvin, được đặt theo tên của nhà vật lý người Anh Thomson, người đã nhận được tước hiệu là Lord Kelvin.

Các tiểu bang và các loại nước

Nước trên hành tinh Trái đất có thể có ba trạng thái tập hợp chính: lỏng, rắn và khí, có thể biến đổi thành các dạng khác nhau đồng thời tồn tại với nhau (tảng băng trôi trong nước biển, hơi nước và tinh thể băng trong các đám mây trên bầu trời, sông băng và tự do -các sông chảy).

Tùy thuộc vào đặc điểm của nguồn gốc, mục đích và thành phần, nước có thể là:

mới;
khoáng sản;
hải lý;
uống (ở đây chúng tôi bao gồm nước máy);
cơn mưa;
rã đông;
nước lợ;
có cấu trúc;
chưng cất;
khử ion.

Sự hiện diện của các đồng vị hydro làm cho nước:

nhẹ;
nặng (đơteri);
siêu lượn sóng (tritium).

Chúng ta đều biết rằng nước có thể mềm và cứng: chỉ số này được xác định bởi hàm lượng của các cation magiê và canxi.

Mỗi loại và trạng thái tổng hợp của nước mà chúng tôi đã liệt kê đều có điểm đóng băng và điểm nóng chảy riêng.

Điểm đóng băng của nước

Tại sao nước đóng băng? Nước thông thường luôn chứa một số lượng hạt lơ lửng có nguồn gốc khoáng chất hoặc hữu cơ. Nó có thể là những hạt nhỏ nhất của đất sét, cát hoặc bụi nhà.

Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống một số giá trị nhất định, các hạt này sẽ đảm nhận vai trò của các tâm xung quanh đó các tinh thể băng bắt đầu hình thành.

Các bọt khí, cũng như các vết nứt và hư hỏng trên thành bình chứa nước, cũng có thể trở thành hạt nhân kết tinh. Tốc độ kết tinh của nước phần lớn được xác định bởi số lượng các tâm này: càng nhiều trung tâm, chất lỏng càng đông nhanh.

Ở điều kiện bình thường (ở áp suất khí quyển bình thường), nhiệt độ của quá trình chuyển pha của nước từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn là 0 độ C. Chính ở nhiệt độ này, nước đóng băng trên đường phố.

Tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh?

Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh - hiện tượng này được chú ý bởi Erasto Mpemba, một nam sinh đến từ Tanganyika. Thí nghiệm của ông với khối lượng để làm kem cho thấy tốc độ đóng băng của khối nóng cao hơn nhiều so với khối lạnh.

Một trong những lý do giải thích cho hiện tượng thú vị này, được gọi là "nghịch lý Mpemba", là sự truyền nhiệt cao hơn của một chất lỏng nóng, cũng như sự hiện diện của một số lượng lớn hơn các hạt nhân kết tinh so với nước lạnh.

Điểm đóng băng của nước và độ cao có liên quan với nhau không?

Với sự thay đổi áp suất, thường liên quan đến việc ở các độ cao khác nhau, điểm đóng băng của nước bắt đầu khác hoàn toàn so với tiêu chuẩn, đặc trưng của điều kiện bình thường.
Sự kết tinh của nước ở độ cao xảy ra ở các giá trị nhiệt độ sau:

nghịch lý là ở độ cao 1000 m, nước đóng băng ở nhiệt độ 2 độ C;
ở độ cao 2000 mét, điều này đã xảy ra ở 4 độ C.

Nhiệt độ đóng băng cao nhất của nước trên núi được quan sát ở độ cao trên 5.000 nghìn mét (ví dụ, ở dãy núi Fann hoặc dãy Pamirs).

Áp suất ảnh hưởng như thế nào đến quá trình kết tinh của nước?

Hãy thử liên hệ động lực học của những thay đổi về điểm đóng băng của nước với những thay đổi về áp suất.

Ở áp suất 2 atm, nước sẽ đóng băng ở nhiệt độ -2 độ.
Ở áp suất 3 atm, nhiệt độ -4 độ C nước sẽ bắt đầu đóng băng.

Khi áp suất tăng lên, nhiệt độ bắt đầu của quá trình kết tinh nước giảm, và nhiệt độ sôi tăng lên. Ở áp suất thấp, một hình ảnh đối diện theo đường kính thu được.

Đó là lý do tại sao trong điều kiện núi cao và bầu không khí hiếm, rất khó để nấu được cả trứng, vì nước trong nồi đã sôi ở nhiệt độ 80 độ. Rõ ràng là ở nhiệt độ này, đơn giản là không thể nấu chín thức ăn.

Ở áp suất cao, quá trình băng tan dưới lưỡi của giày trượt xảy ra ngay cả ở nhiệt độ rất thấp, nhưng chính nhờ anh ta mà giày trượt được trên mặt băng.

Sự đóng băng của đường trượt của những chiếc xe trượt tuyết chất đầy tải trong những câu chuyện về Jack London cũng được giải thích theo cách tương tự. Những chiếc xe trượt tuyết nặng nề tạo áp lực lên tuyết khiến tuyết tan chảy. Nước tạo điều kiện cho chúng trượt. Nhưng ngay khi những chiếc xe trượt tuyết dừng lại và nán lại một chỗ lâu tại một chỗ, dòng nước chuyển dời, đóng băng, đóng băng những chiếc xe trượt xuống mặt đường.

Nhiệt độ kết tinh của dung dịch nước

Là một dung môi tuyệt vời, nước dễ dàng phản ứng với các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, tạo thành một khối lượng các hợp chất hóa học đôi khi bất ngờ. Tất nhiên, mỗi người trong số họ sẽ đóng băng ở nhiệt độ khác nhau. Hãy đặt điều này trong một danh sách trực quan.

Điểm đông đặc của hỗn hợp rượu và nước phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm của cả hai thành phần trong đó. Càng thêm nhiều nước vào dung dịch, điểm đóng băng của nó càng gần bằng không. Nếu có nhiều rượu hơn trong dung dịch, quá trình kết tinh sẽ bắt đầu ở các giá trị gần -114 độ.
Điều quan trọng cần biết là dung dịch nước-rượu không có điểm đóng băng cố định. Thông thường họ nói về nhiệt độ của thời điểm bắt đầu quá trình kết tinh và nhiệt độ của quá trình chuyển cuối cùng sang trạng thái rắn.
Giữa thời điểm bắt đầu hình thành các tinh thể đầu tiên và quá trình đông đặc hoàn toàn của dung dịch rượu nằm một khoảng nhiệt độ là 7 độ. Vì vậy, điểm đóng băng của nước với rượu có nồng độ 40% ở giai đoạn đầu là -22,5 độ, và sự chuyển đổi cuối cùng của dung dịch sang pha rắn sẽ xảy ra ở -29,5 độ.

Điểm đóng băng của nước với muối có liên quan chặt chẽ với mức độ mặn của nó: càng nhiều muối trong dung dịch, vị trí của cột thủy ngân càng thấp, nó sẽ đóng băng.

Để đo độ mặn của nước, một đơn vị đặc biệt được sử dụng - "ppm". Vì vậy, chúng tôi nhận thấy rằng điểm đóng băng của nước giảm khi nồng độ muối tăng lên. Hãy giải thích điều này bằng một ví dụ:

Độ mặn của nước đại dương là 35 ppm, trong khi giá trị trung bình của độ đóng băng của nó là 1,9 độ. Độ mặn của nước Biển Đen là 18-20 ppm, vì vậy chúng đóng băng ở nhiệt độ cao hơn trong khoảng -0,9-1,1 độ C.

Điểm đóng băng của nước với đường (đối với dung dịch có nồng độ mol là 0,8) là -1,6 độ.
Điểm đóng băng của nước có tạp chất phần lớn phụ thuộc vào số lượng của chúng và bản chất của các tạp chất tạo nên dung dịch nước.
Điểm đông đặc của nước với glycerin phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch. Dung dịch chứa 80 ml glycerin sẽ đông đặc ở -20 độ, khi hàm lượng glycerol giảm xuống còn 60 ml, quá trình kết tinh sẽ bắt đầu ở -34 độ, và thời điểm bắt đầu đông của dung dịch 20% sẽ là âm 5 độ. Như bạn có thể thấy, không có mối quan hệ tuyến tính nào trong trường hợp này. Để làm đông dung dịch 10% glycerin, nhiệt độ -2 độ là đủ.
Điểm đóng băng của nước với sôđa (có nghĩa là kiềm ăn da hoặc xút ăn da) cho thấy một bức tranh bí ẩn hơn: dung dịch ăn da 44% đóng băng ở +7 độ C và 80% ở + 130.

Nước ngọt đóng băng

Quá trình hình thành băng ở các hồ chứa nước ngọt xảy ra ở một chế độ nhiệt độ hơi khác nhau.

Điểm đóng băng của nước trong hồ, cũng giống như điểm đóng băng của nước trong sông, là 0 độ C. Sự đóng băng của những dòng sông, suối sạch nhất không bắt đầu từ bề mặt mà từ dưới đáy, trên đó có những hạt nhân kết tinh dưới dạng các hạt phù sa dưới đáy. Lúc đầu, các cây thủy sinh và thực vật thủy sinh được bao phủ bởi một lớp băng. Ngay khi lớp băng phía dưới trồi lên bề mặt, dòng sông ngay lập tức bị đóng băng.
Nước đóng băng trên hồ Baikal đôi khi có thể nguội xuống nhiệt độ âm. Điều này chỉ xảy ra ở vùng nước nông; nhiệt độ nước trong trường hợp này có thể là phần nghìn, và đôi khi là phần trăm của một độ dưới 0.
Nhiệt độ của nước Baikal dưới chính lớp vỏ băng, theo quy luật, không vượt quá +0,2 độ. Ở các lớp thấp hơn, nó tăng dần lên đến +3,2 ở đáy của vực sâu nhất.

Điểm đóng băng của nước cất

Nước cất có đóng băng không? Nhớ lại rằng để nước đông lại, cần phải có một số trung tâm kết tinh trong đó, có thể là bọt khí, các hạt lơ lửng, cũng như làm hỏng thành bình chứa nó.

Nước cất, hoàn toàn không có bất kỳ tạp chất nào, không có hạt nhân kết tinh, và do đó sự đông đặc của nó bắt đầu ở nhiệt độ rất thấp. Điểm đóng băng ban đầu của nước cất là -42 độ. Các nhà khoa học đã cố gắng đạt được độ siêu lạnh của nước cất đến -70 độ.

Nước đã tiếp xúc với nhiệt độ rất thấp nhưng không kết tinh được gọi là "siêu lạnh". Bạn có thể đặt một chai nước cất vào ngăn đá, hạ thân nhiệt và sau đó biểu diễn một mẹo rất hiệu quả - xem video:

Bằng cách gõ nhẹ vào chai lấy ra khỏi tủ lạnh hoặc ném một cục đá nhỏ vào đó, bạn có thể thấy nó biến thành đá ngay lập tức như thế nào, trông giống như những tinh thể dài ra.

Nước cất: chất tinh khiết này có bị đóng băng hay không dưới áp suất? Quá trình như vậy chỉ có thể thực hiện được trong các điều kiện phòng thí nghiệm được tạo ra đặc biệt.

Điểm đóng băng của nước muối

Nước nào đóng băng nhanh hơn, nóng hay lạnh hơn, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, nhưng bản thân câu hỏi này có vẻ hơi kỳ lạ. Người ta hiểu, và từ vật lý người ta biết rằng nước nóng vẫn cần thời gian để nguội xuống bằng nhiệt độ của nước lạnh tương đương để biến thành băng. giai đoạn này có thể được bỏ qua, và do đó, cô ấy thắng đúng lúc.

Nhưng câu trả lời cho câu hỏi nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng - trên đường phố trong sương giá, bất kỳ người dân nào ở các vĩ độ phía bắc đều biết. Trên thực tế, về mặt khoa học, nó chỉ ra rằng trong mọi trường hợp, nước lạnh chỉ đơn giản là phải đóng băng nhanh hơn.

Giáo viên dạy vật lý cũng vậy, người được cậu học sinh Erasto Mpemba tiếp cận vào năm 1963 với yêu cầu giải thích tại sao hỗn hợp kem lạnh trong tương lai lại đông lạnh hơn một loại kem tương tự nhưng lại nóng.

"Đây không phải là vật lý thế giới, mà là một loại vật lý Mpemba nào đó"

Vào thời điểm đó, giáo viên chỉ cười vì điều này, nhưng Deniss Osborne, một giáo sư vật lý, người đã từng học cùng trường nơi Erasto học, đã thực nghiệm xác nhận sự tồn tại của một hiệu ứng như vậy, mặc dù không có lời giải thích nào về điều này. . Năm 1969, một tạp chí khoa học nổi tiếng đã xuất bản một bài báo chung của hai người mô tả tác dụng đặc biệt này.

Kể từ đó, câu hỏi nước nào đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh, có tên riêng - hiệu ứng, hay nghịch lý, Mpemba.

Câu hỏi đã có từ lâu

Đương nhiên, một hiện tượng như vậy đã xảy ra trước đây, và nó đã được đề cập trong các công trình của các nhà khoa học khác. Không chỉ cậu học sinh quan tâm đến câu hỏi này, mà Rene Descartes và thậm chí cả Aristotle cũng đã có lúc nghĩ về nó.

Đây chỉ là những cách tiếp cận để giải quyết nghịch lý này bắt đầu chỉ được xem xét vào cuối thế kỷ XX.

Điều kiện để xảy ra nghịch lý

Đối với kem, nó không chỉ là nước thông thường bị đóng băng trong quá trình thử nghiệm. Một số điều kiện nhất định phải có để bắt đầu tranh luận nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng. Điều gì ảnh hưởng đến quá trình này?

Bây giờ, trong thế kỷ 21, một số phương án đã được đưa ra có thể giải thích nghịch lý này. Nước nào đóng băng nhanh hơn, nóng hay lạnh hơn, có thể phụ thuộc vào thực tế là nó có tốc độ bay hơi cao hơn nước lạnh. Do đó, thể tích của nó giảm, và với sự giảm thể tích, thời gian đóng băng trở nên ngắn hơn nếu chúng ta lấy một thể tích nước lạnh ban đầu tương tự.

Tủ đông đã rã đông từ lâu

Nước nào đóng băng nhanh hơn và tại sao nó lại như vậy, có thể bị ảnh hưởng bởi lớp tuyết có thể có trong ngăn đá của tủ lạnh được sử dụng cho thí nghiệm. Nếu bạn lấy hai thùng chứa có thể tích giống hệt nhau, nhưng một trong hai thùng chứa nước nóng và một thùng chứa nước lạnh, thùng chứa nước nóng sẽ làm tan tuyết bên dưới, do đó cải thiện sự tiếp xúc của mức nhiệt với thành tủ lạnh. Một thùng chứa nước lạnh không thể làm được điều đó. Nếu không có lớp lót này với tuyết trong tủ lạnh, nước lạnh sẽ đóng băng nhanh hơn.

Trên cùng - dưới cùng

Ngoài ra, hiện tượng nước đóng băng nhanh hơn - nóng hoặc lạnh, được giải thích như sau. Theo một số quy luật nhất định, nước lạnh bắt đầu đóng băng từ các lớp bên trên, khi nước nóng thì ngược lại - nó bắt đầu đóng băng từ dưới lên. Nó chỉ ra rằng nước lạnh, có một lớp lạnh trên cùng với băng đã được hình thành ở một số nơi, do đó làm xấu đi các quá trình đối lưu và bức xạ nhiệt, do đó giải thích nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng. Một bức ảnh từ các thí nghiệm nghiệp dư được đính kèm và ở đây có thể nhìn thấy rõ ràng.

Nhiệt tỏa ra, có xu hướng hướng lên trên, và ở đó nó gặp một lớp rất mát. Không có đường dẫn tự do cho bức xạ nhiệt, vì vậy quá trình làm mát trở nên khó khăn. Nước nóng hoàn toàn không có rào cản như vậy trên đường đi của nó. Nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng, tùy thuộc vào kết quả có thể xảy ra, bạn có thể mở rộng câu trả lời bằng cách nói rằng bất kỳ loại nước nào cũng có một số chất nhất định bị hòa tan trong đó.

Các tạp chất trong thành phần của nước như một yếu tố ảnh hưởng đến kết quả

Nếu bạn không ăn gian và sử dụng nước có thành phần giống nhau, trong đó nồng độ của một số chất giống nhau, thì nước lạnh sẽ đông nhanh hơn. Nhưng nếu tình huống xảy ra khi các nguyên tố hóa học hòa tan chỉ có trong nước nóng, trong khi nước lạnh không sở hữu chúng, thì nước nóng có cơ hội đóng băng sớm hơn. Điều này được giải thích là do các chất hòa tan trong nước tạo ra các tâm kết tinh, và với một số lượng nhỏ các tâm này, việc chuyển nước thành trạng thái rắn rất khó khăn. Thậm chí có thể làm siêu lạnh nước, theo nghĩa là ở nhiệt độ dưới 0, nó sẽ ở trạng thái lỏng.

Nhưng tất cả các phiên bản này, rõ ràng là không phù hợp với các nhà khoa học đến cùng, và họ vẫn tiếp tục nghiên cứu vấn đề này. Năm 2013, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Singapore cho biết họ đã giải đáp được bí ẩn lâu đời.

Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc cho rằng bí mật của hiệu ứng này nằm ở lượng năng lượng được lưu trữ giữa các phân tử nước trong các liên kết của nó, được gọi là liên kết hydro.

Câu trả lời từ các nhà khoa học Trung Quốc

Thông tin chi tiết sẽ tiếp theo, để hiểu được điều đó cần phải có một số kiến thức về hóa học để tìm ra nước đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh. Như bạn đã biết, nó bao gồm hai nguyên tử H (hydro) và một nguyên tử O (oxy) được tổ chức với nhau bằng liên kết cộng hóa trị.

Nhưng các nguyên tử hydro của một phân tử cũng bị thu hút bởi các phân tử lân cận, đối với thành phần oxy của chúng. Các liên kết này được gọi là liên kết hydro.

Đồng thời, điều đáng nhớ là đồng thời, các phân tử nước tác dụng lực đẩy lẫn nhau. Các nhà khoa học lưu ý rằng khi nước được làm nóng, khoảng cách giữa các phân tử của nó tăng lên, và điều này được tạo điều kiện bởi lực đẩy. Hóa ra rằng chiếm một khoảng cách giữa các phân tử ở trạng thái lạnh, người ta có thể nói rằng chúng giãn ra, và chúng có nguồn cung cấp năng lượng lớn hơn. Đó là nguồn dự trữ năng lượng được giải phóng khi các phân tử nước bắt đầu tiếp cận nhau, tức là quá trình làm lạnh xảy ra. Nó chỉ ra rằng một nguồn cung cấp năng lượng lớn hơn trong nước nóng và sự giải phóng nhiều hơn khi làm lạnh đến nhiệt độ dưới 0, xảy ra nhanh hơn so với trong nước lạnh, nơi có nguồn cung cấp năng lượng nhỏ hơn. Vậy nước nào đóng băng nhanh hơn - lạnh hay nóng hơn? Trên đường phố và trong phòng thí nghiệm, nghịch lý Mpemba sẽ xảy ra, và nước nóng sẽ biến thành băng nhanh hơn.

Nhưng câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ

Chỉ có xác nhận lý thuyết về manh mối này - tất cả điều này được viết trong các công thức đẹp và có vẻ hợp lý. Nhưng khi dữ liệu thực nghiệm, nước nào đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh, sẽ được đưa vào một khía cạnh thực tế, và kết quả của chúng sẽ được trình bày, thì có thể coi câu hỏi về nghịch lý Mpemba đã khép lại.

Hiệu ứng Mpemba(Nghịch lý Mpemba) - một nghịch lý nói rằng nước nóng trong những điều kiện nhất định đóng băng nhanh hơn nước lạnh, mặc dù nó phải vượt qua nhiệt độ của nước lạnh trong quá trình đóng băng. Nghịch lý này là một thực tế trái ngược với những ý kiến thông thường, theo đó, trong cùng một điều kiện, vật nóng hơn cần nhiều thời gian hơn để hạ nhiệt đến một nhiệt độ nhất định hơn vật lạnh hơn để hạ nhiệt đến cùng một nhiệt độ.

Hiện tượng này đã được Aristotle, Francis Bacon và Rene Descartes chú ý vào thời điểm đó, nhưng chỉ vào năm 1963, cậu học sinh người Tanzania Erasto Mpemba đã phát hiện ra rằng hỗn hợp kem nóng đóng băng nhanh hơn kem lạnh.

Erasto Mpemba là học sinh trường trung học Magambin ở Tanzania làm công việc nấu ăn thực tế. Anh ấy phải làm kem tự làm - đun sôi sữa, hòa tan đường trong đó, để nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó cho vào tủ lạnh để đông lại. Rõ ràng, Mpemba không phải là một học sinh đặc biệt siêng năng và hay trì hoãn trong phần đầu tiên của bài tập. Vì sợ hết giờ làm bài, anh cất hộp sữa còn nóng vào tủ lạnh. Trước sự ngạc nhiên của anh, nó còn đông cứng sớm hơn cả sữa của đồng đội, được pha chế theo một công nghệ nhất định.

Sau đó, Mpemba đã thử nghiệm không chỉ với sữa mà còn với nước lọc. Trong mọi trường hợp, đã là học sinh tại trường trung học Mkvava, anh đã hỏi giáo sư Dennis Osborne từ trường đại học ở Dar es Salaam (được giám đốc của trường mời đến giảng bài về vật lý cho học sinh) về nước: "Nếu bạn lấy hai thùng giống hệt nhau có thể tích nước bằng nhau sao cho một trong hai thùng chứa nước có nhiệt độ 35 ° C và thùng kia - 100 ° C, cho vào ngăn đá, sau đó trong giây phút nước sẽ đông lại. nhanh hơn. Tại sao? Osborne bắt đầu quan tâm đến vấn đề này và ngay sau đó vào năm 1969, cùng với Mpemba, họ đã công bố kết quả thí nghiệm của mình trên tạp chí "Physics Education". Kể từ đó, hiệu ứng mà họ phát hiện ra được gọi là Hiệu ứng Mpemba.

Cho đến nay, không ai biết chính xác làm thế nào để giải thích hiệu ứng kỳ lạ này. Các nhà khoa học không có một phiên bản duy nhất, mặc dù có rất nhiều. Đó là sự khác biệt về các đặc tính của nước nóng và lạnh, nhưng vẫn chưa rõ tính chất nào đóng vai trò trong trường hợp này: sự khác biệt trong quá trình siêu lạnh, bay hơi, hình thành băng, đối lưu hoặc tác dụng của khí hóa lỏng với nước tại nhiệt độ khác nhau.

Nghịch lý của hiệu ứng Mpemba là thời gian cơ thể hạ nhiệt xuống nhiệt độ môi trường phải tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể này và môi trường. Định luật này do Newton thiết lập và từ đó đến nay đã được khẳng định nhiều lần trong thực tế. Trong cùng một hiệu ứng, nước ở 100 ° C nguội xuống 0 ° C nhanh hơn so với cùng một lượng nước ở 35 ° C.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là một nghịch lý, vì hiệu ứng Mpemba cũng có thể được giải thích trong vật lý đã biết. Dưới đây là một số giải thích cho hiệu ứng Mpemba:

Bay hơi

Nước nóng bốc hơi nhanh hơn từ bình chứa, do đó làm giảm thể tích của nó, và một lượng nước nhỏ hơn có cùng nhiệt độ sẽ đông nhanh hơn. Nước được đun nóng đến 100 C mất 16% khối lượng khi làm lạnh đến 0 C.

Hiệu ứng bay hơi là một hiệu ứng kép. Đầu tiên, khối lượng nước cần thiết để làm mát giảm. Và thứ hai, nhiệt độ giảm do nhiệt bay hơi của quá trình chuyển từ pha nước sang pha hơi giảm.

Nhiệt độ khác nhau

Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và không khí lạnh lớn hơn - do đó sự trao đổi nhiệt trong trường hợp này diễn ra mạnh hơn và nước nóng nguội nhanh hơn.

hạ thân nhiệt

Khi nước được làm lạnh dưới 0 C, nó không phải lúc nào cũng đóng băng. Trong một số điều kiện nhất định, nó có thể trải qua quá trình siêu lạnh trong khi tiếp tục ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng. Trong một số trường hợp, nước có thể ở trạng thái lỏng thậm chí ở -20 C.

Lý do cho hiệu ứng này là để các tinh thể băng đầu tiên bắt đầu hình thành, cần có các trung tâm hình thành tinh thể. Nếu chúng không ở trong nước lỏng, thì quá trình siêu lạnh sẽ tiếp tục cho đến khi nhiệt độ giảm xuống đủ để các tinh thể bắt đầu hình thành một cách tự nhiên. Khi chúng bắt đầu hình thành trong chất lỏng siêu lạnh, chúng sẽ bắt đầu phát triển nhanh hơn, tạo thành một tảng băng sẽ đông cứng lại để tạo thành băng.

Nước nóng dễ bị hạ thân nhiệt nhất bởi vì đun nóng nó loại bỏ các khí hòa tan và bong bóng, do đó có thể đóng vai trò là trung tâm hình thành các tinh thể nước đá.

Tại sao hạ thân nhiệt lại làm cho nước nóng đông nhanh hơn? Trong trường hợp nước lạnh, không được làm lạnh siêu tốc, những điều sau sẽ xảy ra. Trong trường hợp này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt của tàu. Lớp băng này sẽ hoạt động như một chất cách nhiệt giữa nước và không khí lạnh và sẽ ngăn chặn sự bay hơi thêm. Tỷ lệ hình thành các tinh thể nước đá trong trường hợp này sẽ ít hơn. Trong trường hợp nước nóng được làm lạnh dưới, nước được làm lạnh không có lớp băng bề mặt bảo vệ. Do đó, nó mất nhiệt nhanh hơn nhiều qua mặt trên.

Khi quá trình siêu lạnh kết thúc và nước đóng băng, nhiệt lượng bị mất đi nhiều hơn và do đó, lượng đá được hình thành nhiều hơn.

Nhiều nhà nghiên cứu về hiệu ứng này coi hạ thân nhiệt là yếu tố chính trong trường hợp của hiệu ứng Mpemba.

Đối lưu

Nước lạnh bắt đầu đóng băng từ trên cao, do đó làm xấu đi các quá trình bức xạ nhiệt và đối lưu, và do đó mất nhiệt, trong khi nước nóng bắt đầu đóng băng từ bên dưới.

Hiệu ứng này được giải thích bởi sự bất thường trong tỷ trọng của nước. Nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 4 C. Nếu bạn làm lạnh nước đến 4 C và đặt nó ở nhiệt độ thấp hơn, lớp nước trên bề mặt sẽ đóng băng nhanh hơn. Vì nước này ít đặc hơn nước ở 4 ° C, nên nó sẽ đọng lại trên bề mặt, tạo thành một lớp mỏng lạnh. Trong điều kiện này, một lớp băng mỏng sẽ hình thành trên bề mặt nước trong một thời gian ngắn, nhưng lớp băng này sẽ đóng vai trò như một chất cách nhiệt bảo vệ các lớp nước bên dưới, lớp nước này sẽ duy trì ở nhiệt độ 4 C. Do đó. , quá trình làm mát hơn nữa sẽ chậm hơn.

Trong trường hợp của máy nước nóng, tình hình hoàn toàn khác. Lớp nước trên bề mặt sẽ nguội nhanh hơn do bay hơi và chênh lệch nhiệt độ lớn hơn. Ngoài ra, các lớp nước lạnh dày hơn các lớp nước nóng, do đó, lớp nước lạnh sẽ chìm xuống, nâng lớp nước ấm lên trên bề mặt. Sự tuần hoàn của nước đảm bảo nhiệt độ giảm nhanh chóng.

Nhưng tại sao quá trình này không đạt đến điểm cân bằng? Để giải thích hiệu ứng Mpemba theo quan điểm này của đối lưu, người ta sẽ phải giả định rằng các lớp nước nóng và lạnh bị tách ra và quá trình đối lưu tự nó tiếp tục sau khi nhiệt độ trung bình của nước giảm xuống dưới 4 C.

Tuy nhiên, không có bằng chứng thực nghiệm nào chứng minh cho giả thuyết này rằng các lớp nước nóng và lạnh được ngăn cách bởi sự đối lưu.

khí hòa tan trong nước

Nước luôn chứa các khí hòa tan trong đó - oxy và carbon dioxide. Các khí này có khả năng hạ thấp điểm đóng băng của nước. Khi đun nóng nước, các khí này thoát ra khỏi nước vì khả năng hòa tan trong nước ở nhiệt độ cao thấp hơn. Do đó, khi nước nóng được làm lạnh, luôn có ít khí hòa tan hơn trong nước lạnh không được làm nóng. Do đó, điểm đóng băng của nước nóng cao hơn và nó đóng băng nhanh hơn. Yếu tố này đôi khi được coi là yếu tố chính trong việc giải thích hiệu ứng Mpemba, mặc dù không có dữ liệu thực nghiệm xác nhận thực tế này.

Dẫn nhiệt

Cơ chế này có thể đóng một vai trò quan trọng khi nước được đặt trong ngăn đá tủ lạnh trong các thùng chứa nhỏ. Trong những điều kiện này, người ta đã quan sát thấy thùng chứa có nước nóng làm tan băng của ngăn đá bên dưới, do đó cải thiện sự tiếp xúc nhiệt với thành của ngăn đá và khả năng dẫn nhiệt. Do đó, nhiệt thoát ra khỏi bình chứa nước nóng nhanh hơn bình chứa nước lạnh. Đổi lại, thùng chứa có nước lạnh không làm tan tuyết dưới nó.

Tất cả những điều kiện này (cũng như các điều kiện khác) đã được nghiên cứu trong nhiều thí nghiệm, nhưng chưa thu được câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi - điều kiện nào trong số chúng cung cấp sự tái tạo 100% của hiệu ứng Mpemba -.

Ví dụ, vào năm 1995, nhà vật lý người Đức David Auerbach đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình siêu lạnh của nước đến hiệu ứng này. Ông phát hiện ra rằng nước nóng, đạt đến trạng thái siêu lạnh, đóng băng ở nhiệt độ cao hơn nước lạnh, và do đó nhanh hơn nhiệt độ sau. Nhưng nước lạnh đạt trạng thái siêu lạnh nhanh hơn nước nóng, do đó bù đắp cho độ trễ trước đó.

Ngoài ra, kết quả của Auerbach mâu thuẫn với dữ liệu trước đó rằng nước nóng có thể đạt được độ siêu lạnh lớn hơn do có ít trung tâm kết tinh hơn. Khi đun nóng nước, các chất khí hòa tan trong nước được loại bỏ ra khỏi nó, và khi đun sôi nước, một số muối hòa tan trong nó kết tủa.

Cho đến nay, chỉ có thể khẳng định một điều - sự tái tạo của hiệu ứng này về cơ bản phụ thuộc vào các điều kiện mà thí nghiệm được tiến hành. Chính vì nó không phải lúc nào cũng được tái tạo.

O. V. Mosin

Văn họcnguồn:

"Nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Tại sao nó lại làm như vậy?", Jearl Walker trong The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, không. 3, trang 246-257; Tháng 9 năm 1977.

"Sự đóng băng của nước nóng và lạnh", G.S. Kell trên Tạp chí Vật lý Hoa Kỳ, Vol. 37, không. 5, trang 564-565; Tháng 5 năm 1969.

"Siêu lạnh và hiệu ứng Mpemba", David Auerbach, trên Tạp chí Vật lý Hoa Kỳ, Vol. 63, không. 10, trang 882-885; Tháng 10 năm 1995.

"Hiệu ứng Mpemba: Thời gian đóng băng của nước nóng và lạnh", Charles A. Knight, trên Tạp chí Vật lý Hoa Kỳ, Vol. 64, không. 5, tr 524; Tháng 5 năm 1996.

Nước là một trong những chất lỏng tuyệt vời nhất trên thế giới, có những đặc tính khác thường. Ví dụ, nước đá - một trạng thái rắn của chất lỏng, có trọng lượng riêng thấp hơn nước, điều này đã tạo nên sự xuất hiện và phát triển của sự sống trên Trái đất theo nhiều cách. Ngoài ra, trong giới cận khoa học và thực sự là thế giới khoa học, có những cuộc thảo luận về việc nước nào đóng băng nhanh hơn - nóng hay lạnh. Ai chứng minh được sự đóng băng nhanh hơn của chất lỏng nóng trong những điều kiện nhất định và chứng minh được quyết định của mình một cách khoa học sẽ nhận được giải thưởng 1.000 bảng Anh từ Hiệp hội các nhà hóa học Hoàng gia Anh.

Tiểu sử

Thực tế là, trong một số điều kiện, nước nóng đi trước nước lạnh về tốc độ đóng băng, đã được chú ý vào thời Trung cổ. Francis Bacon và René Descartes đã nỗ lực rất nhiều để giải thích hiện tượng này. Tuy nhiên, theo quan điểm của kỹ thuật nhiệt cổ điển, nghịch lý này không thể giải thích được, và họ đã cố gắng che đậy nó một cách sơ sài. Động lực cho việc tiếp tục tranh chấp là một câu chuyện có phần gây tò mò xảy ra với cậu học sinh người Tanzania Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) vào năm 1963. Một lần, trong giờ học làm món tráng miệng ở trường dạy nấu ăn, một cậu bé bị phân tâm bởi những việc khác, không kịp làm lạnh hỗn hợp kem và cho dung dịch đường vào sữa nóng vào ngăn đá. Trước sự ngạc nhiên của anh ấy, sản phẩm nguội nhanh hơn một chút so với các đồng tu của anh ấy, những người đã quan sát chế độ nhiệt độ để làm kem.

Cố gắng hiểu bản chất của hiện tượng, cậu bé quay sang một giáo viên vật lý, người mà không đi sâu vào chi tiết, đã chế nhạo các thí nghiệm nấu ăn của ông. Tuy nhiên, Erasto được chú ý bởi sự kiên trì đáng ghen tị và tiếp tục các thí nghiệm của mình không còn trên sữa, mà là trên nước. Ông đảm bảo rằng trong một số trường hợp, nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh.

Vào Đại học Dar es Salaam, Erasto Mpembe tham dự một bài giảng của Giáo sư Dennis G. Osborne. Sau khi tốt nghiệp, sinh viên này đã khiến nhà khoa học bối rối với bài toán về tốc độ đóng băng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. D.G. Osborne đã chế nhạo chính cách đặt ra câu hỏi, nói với vẻ ngô nghê rằng bất kỳ kẻ thua cuộc nào cũng biết rằng nước lạnh sẽ đóng băng nhanh hơn. Tuy nhiên, sự kiên trì bẩm sinh của chàng trai trẻ đã tự cảm nhận được. Anh đã đặt cược với giáo sư, đề nghị tiến hành một thử nghiệm thực nghiệm tại đây, trong phòng thí nghiệm. Erasto đặt hai thùng nước vào tủ đông, một ở 95 ° F (35 ° C) và một ở 212 ° F (100 ° C). Giáo sư và những người “hâm mộ” xung quanh ngạc nhiên gì khi nước trong thùng thứ hai đông cứng nhanh hơn. Kể từ đó, hiện tượng này được gọi là "Nghịch lý Mpemba".

Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có giả thuyết lý thuyết mạch lạc nào giải thích cho "Nghịch lý Mpemba". Người ta không rõ những yếu tố bên ngoài, thành phần hóa học của nước, sự hiện diện của khí hòa tan và khoáng chất trong đó, ảnh hưởng đến tốc độ đóng băng của chất lỏng ở các nhiệt độ khác nhau. Điều nghịch lý của "Hiệu ứng Mpemba" là nó mâu thuẫn với một trong những định luật do I. Newton phát hiện, trong đó nói rằng thời gian nguội của nước tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng và môi trường. Và nếu tất cả các chất lỏng khác hoàn toàn tuân theo định luật này, thì nước trong một số trường hợp là một ngoại lệ.

Tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn?t

Có một số phiên bản về lý do tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Những điều chính là:

nước nóng bay hơi nhanh hơn, trong khi thể tích của nó giảm, và một thể tích chất lỏng nhỏ hơn sẽ nguội nhanh hơn - khi nước được làm lạnh từ + 100 ° C đến 0 ° C, tổn thất thể tích ở áp suất khí quyển lên tới 15%;
cường độ trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và môi trường càng cao, chênh lệch nhiệt độ càng lớn nên sự mất nhiệt của nước sôi qua nhanh hơn;
khi nước nóng nguội đi, một lớp vỏ băng hình thành trên bề mặt của nó, ngăn chất lỏng đóng băng và bay hơi hoàn toàn;
ở nhiệt độ cao của nước xảy ra quá trình trộn đối lưu, làm giảm thời gian đóng băng;
các chất khí hòa tan trong nước hạ thấp điểm đóng băng, lấy năng lượng để hình thành tinh thể - không có khí hòa tan trong nước nóng.

Tất cả những điều kiện này đã được kiểm chứng thực nghiệm nhiều lần. Đặc biệt, nhà khoa học người Đức David Auerbach đã phát hiện ra rằng nhiệt độ kết tinh của nước nóng cao hơn một chút so với nước lạnh, điều này làm cho nó có thể đóng băng nhanh hơn. Tuy nhiên, sau đó các thí nghiệm của ông đã bị chỉ trích và nhiều nhà khoa học tin rằng “Hiệu ứng Mpemba” về việc nước đóng băng nhanh hơn - nóng hoặc lạnh, chỉ có thể được tái tạo trong một số điều kiện nhất định, điều mà cho đến nay vẫn chưa ai tìm kiếm và cụ thể hóa.

Được tinh chế bằng cách bay hơi, làm lạnh và ngưng tụ, chất lỏng có các tính chất vật lý đặc biệt. Nên sử dụng nó trong hệ thống sưởi, vì không có muối, cũng như oxy. Điều này có ảnh hưởng tích cực đến thời gian hoạt động của thiết bị.

Nhưng nhiều người quan tâm đến câu hỏi, nước cất có bị đóng băng ở nhiệt độ dưới 0˚ C không?

Thật dễ dàng để tiến hành một thử nghiệm tại nhà và nhận được câu trả lời cho câu hỏi này. Chúng ta sẽ thấy rằng ở 0˚ C nó sẽ vẫn ở trạng thái lỏng. Ngay cả khi chúng ta hạ nhiệt độ xuống, trạng thái vật lý của nó vẫn không thay đổi.

Vậy nước đóng băng ở nhiệt độ nào?

Một tính chất thú vị của nước cất được quan sát thấy ở nhiệt độ âm. Nếu bạn hạ một mảnh băng, tuyết, không khí hoặc bụi vào nó, các tinh thể sẽ ngay lập tức xuất hiện trong toàn bộ thể tích.

Điều này là do thực tế là nước máy có nhiều trung tâm kết tinh: muối, không khí bên trong, bề mặt của vật chứa, v.v. Chất lỏng tinh khiết không có các trung tâm như vậy. Do đó, nó có thể siêu lạnh đáng kể.

Các định luật vật lý nêu rõ rằng chất lỏng càng được tinh chế khỏi tạp chất thì ngưỡng chuyển sang trạng thái rắn càng thấp.

Nước cất đóng băng ở nhiệt độ -10˚C trở xuống. Điều này giải thích lợi thế của nó so với các chất làm mát khác trong thời gian làm nóng. Do tính chất này, khi sưởi ấm phòng, nó có thể cạnh tranh với chất chống đông.

Đồng thời, có một số ưu điểm bổ sung so với các chất làm mát khác:

sinh thái sạch sẽ;
an toàn cho tính mạng và sức khỏe con người;
thái độ cẩn thận đối với đường ống;
dễ sử dụng;
khả dụng.

Bây giờ bạn biết rằng nước cất đóng băng ở nhiệt độ dưới 10 độ, vì vậy bạn có thể bình tĩnh về hệ thống sưởi ấm của mình.

Chúng tôi hy vọng rằng bài viết hữu ích cho bạn. Chúng tôi sẽ biết ơn nếu bạn chia sẻ nó trên mạng xã hội.

Chúc một ngày tốt lành!

Đọc thêm:

Chất mang nhiệt cho hệ thống sưởi ấm - những gì được sử dụng ngày nay?
Làm nóng nước trong nhà riêng - công nghệ để thực hiện
Máy bơm nước sưởi ấm: nguyên lý hoạt động và lắp đặt