لماذا يتجمد الماء البارد بشكل أبطأ من الماء الساخن؟ تأثير مبيمبا أو لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد

ماء- مادة بسيطة إلى حد ما من وجهة نظر كيميائية، ومع ذلك، فهي تحتوي على عدد من الخصائص غير العادية التي لا تتوقف أبدا عن مفاجأة العلماء. وفيما يلي بعض الحقائق التي يعرفها عدد قليل من الناس.

1. أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟

لنأخذ حاويتين من الماء: نسكب الماء الساخن في إحداهما والماء البارد في الأخرى ونضعهما في الثلاجة. سوف يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه وفقًا لمنطق الأشياء، كان يجب أن يتحول الماء البارد إلى جليد أولاً: بعد كل شيء، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة الحرارة الباردة، ثم يتحول إلى ثلج، في حين أن الماء البارد لا يتجمد. بحاجة لتبرد. لماذا يحدث هذا؟

في عام 1963، لاحظ طالب تنزاني يُدعى إيراستو ب. مبيمبا، أثناء تجميد خليط الآيس كريم، أن الخليط الساخن يتجمد في الفريزر بشكل أسرع من الخليط البارد. وعندما شارك الشاب اكتشافه مع مدرس الفيزياء، لم يفعل سوى الضحك عليه. ولحسن الحظ كان الطالب مثابراً وأقنع المعلم بإجراء تجربة أكدت اكتشافه: في ظل ظروف معينة الماء الساخنإنه يتجمد حقًا بشكل أسرع من البرد.

الآن هذه الظاهرة المتمثلة في تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد تسمى " تأثير مبيمبا" صحيح أن أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت لاحظوا هذه الخاصية الفريدة للمياه قبله بفترة طويلة.

ولا يزال العلماء لا يفهمون طبيعة هذه الظاهرة بشكل كامل، ويفسرونها إما بالاختلاف في التبريد الفائق أو التبخر أو تكوين الجليد أو الحمل الحراري، أو بتأثير الغازات المسالة على الماء الساخن والبارد.

2. يمكن أن يتجمد على الفور

الجميع يعرف ذلك ماءيتحول دائمًا إلى ثلج عند تبريده إلى 0 درجة مئوية... مع بعض الاستثناءات! مثل هذه الحالة، على سبيل المثال، هي Supercooling، وهي خاصية للغاية المياه النظيفةتبقى سائلة حتى عند تبريدها إلى ما دون درجة التجمد. هذه الظاهرة أصبحت ممكنة بسبب حقيقة أن البيئة لا تحتوي على مراكز أو نوى تبلور يمكن أن تؤدي إلى تكوين بلورات الجليد. وهكذا يبقى الماء في حالته السائلة حتى عند تبريده إلى ما دون الصفر المئوي.

عملية التبلوريمكن أن يكون سببها، على سبيل المثال، فقاعات الغاز أو الشوائب (الملوثات) أو السطح غير المستوي للحاوية. وبدونها سيبقى الماء في حالة سائلة. عندما تبدأ عملية التبلور، يمكنك مشاهدة الماء فائق التبريد يتحول على الفور إلى ثلج.

لاحظ أن الماء "المسخن" يظل أيضًا سائلاً حتى عند تسخينه فوق نقطة الغليان.

3. 19 ولاية للمياه

بدون تردد، اذكر عدد الحالات المختلفة التي يوجد بها الماء؟ إذا أجبت على ثلاثة: صلب، سائل، غاز، فأنت مخطئ. ويميز العلماء ما لا يقل عن 5 حالات مختلفة للمياه في الحالة السائلة و14 حالة في الحالة المجمدة.

هل تتذكر المحادثة حول الماء فائق البرودة؟ لذلك، بغض النظر عما تفعله، عند درجة حرارة -38 درجة مئوية، حتى أنقى المياه شديدة البرودة سوف تتحول فجأة إلى ثلج. ماذا سيحدث مع انخفاض درجة الحرارة أكثر؟ عند -120 درجة مئوية، يبدأ شيء غريب بالحدوث للماء: يصبح شديد اللزوجة أو لزجًا، مثل دبس السكر، وعند درجات حرارة أقل من -135 درجة مئوية، يتحول إلى ماء "زجاجي" أو "زجاجي" - وهي مادة صلبة تفتقر إلى البنية البلورية. .

4. الماء يفاجئ الفيزيائيين

على المستوى الجزيئي، يعتبر الماء أكثر إثارة للدهشة. في عام 1995، أسفرت تجربة تشتت النيوترونات التي أجراها العلماء عن نتيجة غير متوقعة: اكتشف الفيزيائيون أن النيوترونات التي تستهدف جزيئات الماء "ترى" بروتونات هيدروجين أقل بنسبة 25٪ من المتوقع.

اتضح أنه عند سرعة واحد أتوثانية (10 - 18 ثانية) يحدث تأثير كمي غير عادي، وبدلاً من ذلك الصيغة الكيميائية للماء ماء، يصبح H1.5O!

5. ذاكرة الماء

بديل للطب الرسمي المعالجة المثليةتنص على أن الحل المخفف المنتج الطبييمكن أن يكون له تأثير شفاء على الجسم، حتى لو كان عامل التخفيف مرتفعًا جدًا بحيث لا يتبقى شيء في المحلول سوى جزيئات الماء. يشرح أنصار المعالجة المثلية هذه المفارقة بمفهوم يسمى " ذاكرة الماء"، والتي بموجبها يكون للماء على المستوى الجزيئي "ذاكرة" للمادة التي كانت مذابة فيه ذات يوم ويحتفظ بخصائص محلول التركيز الأصلي بعد عدم بقاء جزيء واحد من المكون فيه.

أجرى فريق دولي من العلماء بقيادة البروفيسور مادلين إينيس من جامعة كوينز في بلفاست، والذي انتقد مبادئ المعالجة المثلية، تجربة في عام 2002 لدحض المفهوم نهائيًا. وكانت النتيجة عكس ذلك. وبعد ذلك ذكر العلماء أنهم تمكنوا من إثبات حقيقة التأثير “ ذاكرة الماء" إلا أن التجارب التي أجريت تحت إشراف خبراء مستقلين لم تسفر عن نتائج. خلافات حول وجود الظاهرة " ذاكرة الماء"يكمل.

وللماء العديد من الخصائص الأخرى غير العادية التي لم نتحدث عنها في هذا المقال. على سبيل المثال، تتغير كثافة الماء حسب درجة الحرارة (كثافة الجليد أقل من كثافة الماء)؛ الماء لديه توتر سطحي مرتفع إلى حد ما. في الحالة السائلة، يكون الماء عبارة عن شبكة معقدة ومتغيرة ديناميكيًا من مجموعات المياه، وسلوك المجموعات هو الذي يؤثر على بنية الماء، وما إلى ذلك.

حول هذه والعديد من الميزات الأخرى غير المتوقعة ماءيمكن قراءتها في المقال " خصائص غير طبيعية للمياه"، تأليف مارتن شابلن، الأستاذ بجامعة لندن.

في هذه المقالة سننظر في مسألة لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.

الماء الساخن يتجمد أسرع بكثير من الماء البارد! هذه الخاصية المذهلة للمياه، والتي لا يزال العلماء غير قادرين على العثور على تفسير دقيق لها، معروفة منذ العصور القديمة. على سبيل المثال، حتى في أرسطو، هناك وصف لصيد الأسماك في فصل الشتاء: قام الصيادون بإدخال قضبان الصيد في الثقوب في الجليد، بحيث تتجمد بشكل أسرع، سكبوا الماء الدافئ على الجليد. سميت هذه الظاهرة باسم إيراستو مبيمبا في الستينيات من القرن العشرين. لاحظ منيمبا تأثيرًا غريبًا أثناء صنع الآيس كريم، فلجأ إلى مدرس الفيزياء الدكتور دينيس أوزبورن للحصول على تفسير. أجرى مبيمبا والدكتور أوزبورن تجارب على الماء عند درجات حرارة مختلفة وخلصا إلى أن الماء المغلي تقريبًا يبدأ في التجمد بشكل أسرع بكثير من الماء في درجة حرارة الغرفة. أجرى علماء آخرون تجاربهم الخاصة وفي كل مرة حصلوا على نتائج مماثلة.

تفسير ظاهرة فيزيائية

لا يوجد تفسير مقبول بشكل عام لسبب حدوث ذلك. يقترح العديد من الباحثين أن بيت القصيد هو التبريد الفائق للسائل، والذي يحدث عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون نقطة التجمد. بمعنى آخر، إذا تجمد الماء عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية، فيمكن أن تبلغ درجة حرارة الماء فائق التبريد، على سبيل المثال، -2 درجة مئوية ويظل سائلاً دون أن يتحول إلى جليد. عندما نحاول تجميد الماء البارد، هناك احتمال أن يصبح شديد البرودة في البداية ولا يتصلب إلا بعد مرور بعض الوقت. تحدث عمليات أخرى في الماء الساخن. ويرتبط تحوله الأسرع إلى الجليد بالحمل الحراري.

الحمل الحراري- هذه ظاهرة فيزيائية ترتفع فيها الطبقات السفلية الدافئة من السائل وتسقط الطبقات العلوية المبردة.

مرحبا عزيزي العشاق حقائق مثيرة للاهتمام. اليوم سنتحدث معكم عنه. لكنني أعتقد أن السؤال المطروح في العنوان قد يبدو ببساطة سخيفًا - ولكن هل ينبغي للمرء دائمًا أن يثق تمامًا في "سيئ السمعة" الفطرة السليمة"، بدلاً من تجربة اختبارية محددة بدقة. دعونا نحاول معرفة لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد؟

الخلفية التاريخية

أنه في مسألة تجميد الماء البارد والساخن، تم ذكر "ليس كل شيء نقيًا" في أعمال أرسطو، ثم تم تقديم ملاحظات مماثلة بواسطة F. Bacon و R. Descartes و J. Black. في التاريخ الحديثأُطلق على هذا التأثير اسم "مفارقة مبيمبا" - على اسم تلميذ تنجانيقا إراستو مبيمبا، الذي طرح نفس السؤال على أستاذ فيزياء زائر.

سؤال الصبي لم يأت من العدم، بل من ملاحظات شخصية بحتة لعملية تبريد خليط الآيس كريم في المطبخ. بالطبع، زملاء الدراسة الذين كانوا حاضرين هناك، إلى جانب مدرس المدرسة، جعلوا مبيمبا يضحكون - ولكن بعد الاختبار التجريبي الذي أجراه البروفيسور د. أوزبورن شخصيًا، "تبخرت" منهم الرغبة في السخرية من إيراستو. علاوة على ذلك، نشر مبيمبا، مع أحد الأساتذة، وصفًا تفصيليًا لهذا التأثير في تعليم الفيزياء في عام 1969 - ومنذ ذلك الحين تم تثبيت الاسم المذكور أعلاه في الأدبيات العلمية.

ما هو جوهر الظاهرة؟

إن إعداد التجربة بسيط للغاية: مع تساوي جميع الأشياء الأخرى، يتم اختبار أوعية متطابقة ذات جدران رقيقة تحتوي على كميات متساوية تمامًا من الماء، وتختلف فقط في درجة الحرارة. يتم تحميل الأوعية في الثلاجة، وبعد ذلك يتم تسجيل الوقت حتى يتشكل الجليد في كل منها. المفارقة هي أنه في الوعاء الذي يحتوي على سائل أكثر سخونة في البداية، يحدث هذا بشكل أسرع.

فكيف تفسر الفيزياء الحديثة ذلك؟

ليس للمفارقة تفسير عالمي، حيث أن العديد من العمليات المتوازية تحدث معًا، والتي قد تختلف مساهمتها اعتمادًا على الظروف الأولية المحددة - ولكن بنتيجة موحدة:

• قدرة السائل على التبريد الفائق - في البداية يكون الماء البارد أكثر عرضة للتبريد الفائق، أي. يبقى سائلاً عندما تكون درجة حرارته أقل من نقطة التجمد بالفعل
• التبريد المتسارع - يتحول البخار الناتج عن الماء الساخن إلى بلورات ثلجية دقيقة، والتي عند تراجعها، تعمل على تسريع العملية، وتعمل بمثابة "مبادل حراري خارجي" إضافي
• تأثير العزل - على عكس الماء الساخن، يتجمد الماء البارد من الأعلى، مما يؤدي إلى انخفاض في نقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري والإشعاع

هناك عدد من التفسيرات الأخرى (آخر مرة عقدت فيها الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء مسابقة لأفضل فرضية كانت مؤخرًا في عام 2012) - ولكن لا توجد حتى الآن نظرية لا لبس فيها لجميع حالات مجموعات شروط الإدخال...

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في بعض الظروف يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يجب أن يتجاوز درجة حرارة الماء البارد في عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتناقض مع الأفكار المعتادة، والتي بموجبها، في ظل نفس الظروف، يستغرق الجسم الأكثر حرارة وقتًا أطول ليبرد إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالجسم الأقل حرارة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.

وقد لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الظاهرة في وقت واحد، ولكن في عام 1963 فقط اكتشف التلميذ التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من خليط بارد.

كطالب في مدرسة ماغامبي الثانوية في تنزانيا، فعل ذلك إراستو مبيمبا العمل العمليفي الطبخ. كان بحاجة إلى صنع الآيس كريم محلي الصنع - غلي الحليب، وحل السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا بشكل خاص وتأخر في إكمال الجزء الأول من المهمة. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، فقد تجمد حتى قبل أن يتجمد حليب رفاقه المحضر وفقًا للتقنية المحددة.

بعد ذلك، لم يقم مبيمبا بإجراء التجارب باستخدام الحليب فحسب، بل أيضًا باستخدام الماء العادي. على أية حال، عندما كان طالبًا في مدرسة مكوافا الثانوية، سأل البروفيسور دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعاه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) تحديدًا عن الماء: "إذا أخذت حاويتان متطابقتان بحجم متساوٍ من الماء بحيث تكون درجة حرارة الماء في إحداهما 35 درجة مئوية، وفي الأخرى - 100 درجة مئوية، ووضعهما في الفريزر، ثم في الثانية سوف يتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا؟ أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما نشر هو ومبيمبا في عام 1969 نتائج تجاربهما في مجلة تعليم الفيزياء. ومنذ ذلك الحين، تم تسمية التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.

وحتى الآن، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. ليس لدى العلماء نسخة واحدة، على الرغم من وجود الكثير. الأمر كله يتعلق بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد، ولكن ليس من الواضح بعد ما هي الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الفرق في التبريد الفائق، أو التبخر، أو تكوين الجليد، أو الحمل الحراري، أو تأثير الغازات المسالة على الماء عند درجة حرارة منخفضة. درجات حرارة مختلفة.

المفارقة في تأثير مبيمبا هي الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة بيئة، يجب أن يتناسب مع فرق درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. لقد وضع نيوتن هذا القانون وتم تأكيده عدة مرات منذ ذلك الحين في الممارسة العملية. في هذا التأثير، يبرد الماء الذي تبلغ درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية أسرع من نفس الكمية من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية.

ومع ذلك، فإن هذا لا يعني وجود مفارقة بعد، حيث يمكن تفسير تأثير مبيمبا في إطار الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية، وبالتالي يقلل حجمه، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع. الماء المسخن إلى 100 درجة مئوية يفقد 16% من كتلته عند تبريده إلى درجة صفر مئوية.

تأثير التبخر هو تأثير مزدوج. أولاً، تتناقص كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً: تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة التبخر للانتقال من الطور المائي إلى الطور البخاري.

فرق درجة الحرارة

بسبب اختلاف درجات الحرارة بين الماء الساخنويوجد هواء بارد أكثر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم

عندما يبرد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية، فإنه لا يتجمد دائمًا. في بعض الظروف، يمكن أن يتعرض للتبريد الفائق، ويستمر في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. في بعض الحالات، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.

والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التشكل، هناك حاجة إلى مراكز تكوين البلورات. إذا لم تكن موجودة في الماء السائل، فسوف يستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية لتشكل البلورات تلقائيًا. عندما تبدأ في التشكل في السائل فائق التبريد، ستبدأ في النمو بشكل أسرع، وتشكل جليدًا ذائبًا، والذي سيتجمد ليشكل جليدًا.

الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض حرارة الجسم لأن تسخينه يزيل الغازات والفقاعات الذائبة، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.

لماذا يؤدي انخفاض حرارة الجسم إلى تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد غير فائق التبريد، يحدث ما يلي. في هذه الحالة، سوف تتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل هذه الطبقة من الجليد كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن المعرض للتبريد الفائق، لا يحتوي الماء فائق التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. ولذلك، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع بكثير من خلال الجزء العلوي المفتوح.

عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي يتكون المزيد من الجليد.

يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.

الحمل الحراري

يبدأ الماء البارد بالتجمد من الأعلى، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة، بينما يبدأ الماء الساخن بالتجمد من الأسفل.

ويفسر هذا التأثير بوجود شذوذ في كثافة الماء. تبلغ كثافة الماء الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في درجة حرارة أقل، فإن الطبقة السطحية من الماء سوف تتجمد بشكل أسرع. ولأن هذا الماء أقل كثافة من الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية، فإنه سيبقى على السطح مكونًا طبقة رقيقة باردة. وفي ظل هذه الظروف، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء خلال فترة قصيرة، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل، حيث تحمي الطبقات السفلية من الماء، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. ولذلك، فإن عملية التبريد الإضافية ستكون أبطأ.

أما في حالة الماء الساخن فالوضع مختلف تماما. سوف تبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر و فرق أكبردرجات الحرارة بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن، وبالتالي فإن طبقة الماء البارد سوف تغوص إلى الأسفل، مما يؤدي إلى رفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن تداول الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.

لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير مبيمبا من وجهة نظر الحمل الحراري، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة منفصلة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط ​​درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية.

ومع ذلك، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة يتم فصلها عن طريق عملية الحمل الحراري.

الغازات الذائبة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. ولهذه الغازات القدرة على تقليل درجة تجمد الماء. عند تسخين الماء، تنطلق هذه الغازات من الماء بسبب قابلية ذوبانها في الماء ارتفاع درجة الحرارةأقل. لذلك، عندما يبرد الماء الساخن، فإنه يحتوي دائمًا على غازات مذابة أقل من الماء البارد غير المسخن. ولذلك، فإن نقطة تجمد الماء الساخن أعلى ويتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل في بعض الأحيان هو العامل الرئيسي في تفسير تأثير مبيمبا، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

الموصلية الحرارية

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عند وضع الماء في حجرة الثلاجة والفريزر في حاويات صغيرة. وفي ظل هذه الظروف لوحظ أن وعاء من الماء الساخن يذيب الجليد الموجود في الفريزر الموجود أسفله، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري مع جدار الفريزر والتوصيل الحراري. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن بشكل أسرع من وعاء الماء البارد. وفي المقابل، فإن وعاء به ماء بارد لا يذيب الثلج الموجود تحته.

تمت دراسة كل هذه الظروف (وكذلك غيرها) في العديد من التجارب، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة مائة بالمائة لتأثير مبيمبا - لم يتم الحصول عليها أبدًا.

على سبيل المثال، في عام 1995، قام الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ بدراسة تأثير الماء فائق التبريد على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق بشكل أسرع من الماء الساخن، وبالتالي يعوض التأخر السابق.

بالإضافة إلى ذلك، تناقضت نتائج أورباخ مع البيانات السابقة التي تقول إن الماء الساخن كان قادرًا على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب عدد أقل من مراكز التبلور. عند تسخين الماء تخرج منه الغازات الذائبة فيه، وعند غليه تترسب بعض الأملاح الذائبة فيه.

في الوقت الحالي، من الممكن ذكر شيء واحد فقط - إن استنساخ هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

O. V. موسين

الأدبيةمصادر:

"يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. لماذا يتجمد؟"، جيرل ووكر في عالم الهواة، مجلة ساينتفيك أمريكان، المجلد. 237، رقم. 3، ص 246-257؛ سبتمبر 1977.

"تجميد الماء الساخن والبارد"، جس. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 37، لا. 5، ص 564-565؛ مايو 1969.

"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا"، ديفيد أورباخ، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 63، لا. 10، ص 882-885؛ أكتوبر 1995.

"تأثير مبيمبا: أوقات تجمد الماء الساخن والبارد"، تشارلز أ. نايت، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 64، لا. 5، ص 524؛ مايو 1996.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على أي الماء يتجمد بشكل أسرع، ساخنًا أم باردًا، لكن السؤال نفسه يبدو غريبًا بعض الشيء. والمعنى الضمني، وهذا معروف من الفيزياء، هو أن الماء الساخن لا يزال يحتاج إلى وقت ليبرد إلى درجة حرارة الماء البارد الذي تتم مقارنته حتى يتحول إلى جليد. ويمكن للمياه الباردة أن تتجاوز هذه المرحلة، وبالتالي تكسب الوقت.

لكن الإجابة على سؤال ما هو الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - باردًا أم ساخنًا - بالخارج في البرد يعرفها أي مقيم في خطوط العرض الشمالية. في الواقع، من الناحية العلمية، اتضح أنه على أي حال، الماء البارد لا بد أن يتجمد بشكل أسرع.

مدرس الفيزياء، الذي اتصل به التلميذ إراستو مبيمبا في عام 1963، فكر في نفس الشيء عندما طلب توضيح سبب استغراق الخليط البارد من الآيس كريم المستقبلي وقتًا أطول للتجميد مقارنة بمزيج مماثل ولكنه ساخن.

"هذه ليست فيزياء عالمية، ولكنها نوع من فيزياء مبيمبا"

في ذلك الوقت، ضحك المعلم فقط على هذا، لكن دينيس أوزبورن، أستاذ الفيزياء، الذي زار ذات مرة نفس المدرسة التي درس فيها إراستو، أكد تجريبيًا وجود مثل هذا التأثير، على الرغم من عدم وجود تفسير له في ذلك الوقت. في عام 1969، تم نشر مقال مشترك لهذين الشخصين في مجلة علمية شعبية، والذي وصف هذا التأثير الغريب.

منذ ذلك الحين، بالمناسبة، فإن مسألة أي الماء يتجمد بشكل أسرع - ساخنًا أم باردًا - لها اسمها الخاص - تأثير مبيمبا، أو المفارقة.

لقد كان السؤال موجودًا منذ فترة طويلة

وبطبيعة الحال، حدثت مثل هذه الظاهرة من قبل، وقد ورد ذكرها في أعمال علماء آخرين. لم يكن تلميذ المدرسة مهتمًا بهذه المسألة فحسب، بل فكر فيها رينيه ديكارت وحتى أرسطو أيضًا في وقت واحد.

لكنهم بدأوا في البحث عن طرق لحل هذه المفارقة فقط في نهاية القرن العشرين.

شروط حدوث المفارقة

كما هو الحال مع الآيس كريم، ليس الماء العادي فقط هو الذي يتجمد أثناء التجربة. يجب أن تكون هناك شروط معينة لبدء الجدال حول أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن. ما الذي يؤثر على مسار هذه العملية؟

الآن، في القرن الحادي والعشرين، تم طرح العديد من الخيارات التي يمكن أن تفسر هذه المفارقة. أي الماء يتجمد بشكل أسرع، ساخنًا أم باردًا، قد يعتمد على حقيقة أن معدل تبخره أعلى من الماء البارد. وبالتالي يقل حجمه، ومع انخفاض الحجم يصبح زمن التجميد أقصر مما لو أخذنا نفس الحجم الأولي من الماء البارد.

لقد مر وقت طويل منذ أن قمت بإذابة الثلاجة.

أي الماء يتجمد بشكل أسرع وسبب حدوث ذلك يمكن أن يتأثر ببطانة الثلج التي قد تكون موجودة في ثلاجة الثلاجة المستخدمة في التجربة. إذا أخذت حاويتين متطابقتين في الحجم، لكن إحداهما تحتوي على ماء ساخن والأخرى باردة، فإن الحاوية التي تحتوي على ماء ساخن سوف تذيب الثلج الموجود تحتها، وبالتالي تحسين اتصال المستوى الحراري بجدار الثلاجة. وعاء من الماء البارد لا يمكنه فعل هذا. إذا لم يكن هناك مثل هذه البطانة مع الثلج في حجرة الثلاجة، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.

أعلى - أسفل

كما يتم شرح ظاهرة تجمد الماء بشكل أسرع - ساخنًا أم باردًا - على النحو التالي. باتباع قوانين معينة، يبدأ الماء البارد في التجمد من الطبقات العليا، بينما يفعل الماء الساخن العكس - فهو يبدأ في التجمد من الأسفل إلى الأعلى. اتضح أن الماء البارد، الذي يحتوي على طبقة باردة في الأعلى مع الجليد المتكون بالفعل في بعض الأماكن، يؤدي إلى تفاقم عمليات الحمل الحراري والإشعاع الحراري، مما يفسر الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن. مرفق صور من تجارب الهواة، وهذا واضح هنا.

تنطفئ الحرارة وتندفع للأعلى وهناك تلتقي بطبقة شديدة البرودة. لا يوجد مسار حر للإشعاع الحراري، وبالتالي تصبح عملية التبريد صعبة. الماء الساخن ليس لديه مثل هذه العوائق على الإطلاق في طريقه. أيهما يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن، والذي تعتمد عليه النتيجة المحتملة، يمكنك توسيع الإجابة بالقول إن أي ماء يحتوي على مواد معينة مذابة فيه.

الشوائب في الماء كعامل يؤثر على النتيجة

إذا لم تغش واستخدم الماء بنفس التركيبة، حيث تكون تركيزات بعض المواد متطابقة، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع. ولكن إذا حدثت حالة عند حلها العناصر الكيميائيةتتوفر فقط في الماء الساخن، والماء البارد لا يوجد بها، فمن الممكن أن يتجمد الماء الساخن في وقت مبكر. ويفسر ذلك أن المواد الذائبة في الماء تكوّن مراكز تبلور، ومع قلة هذه المراكز يصعب تحول الماء إلى الحالة الصلبة. بل من الممكن أن يتم تبريد الماء بشكل فائق، بمعنى أنه في درجات حرارة أقل من الصفر سيكون في حالة سائلة.

لكن يبدو أن كل هذه الإصدارات لم تناسب العلماء تمامًا واستمروا في العمل على هذه المسألة. وفي عام 2013، قال فريق من الباحثين في سنغافورة إنهم تمكنوا من حل لغز قديم.

ويزعم مجموعة من العلماء الصينيين أن سر هذا التأثير يكمن في كمية الطاقة المخزنة بين جزيئات الماء في روابطها التي تسمى الروابط الهيدروجينية.

الجواب من العلماء الصينيين

ما يلي هو المعلومات، لفهم ما تحتاج إلى بعض المعرفة بالكيمياء لفهم الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أم بارد. وكما هو معروف، فهي تتكون من ذرتين H (هيدروجين) وذرة O (أكسجين)، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية.

ولكن أيضًا تنجذب ذرات الهيدروجين الموجودة في جزيء واحد إلى الجزيئات المجاورة، إلى مكون الأكسجين الخاص بها. وتسمى هذه الروابط روابط الهيدروجين.

ومن الجدير بالذكر أن جزيئات الماء لها تأثير مثير للاشمئزاز على بعضها البعض. لاحظ العلماء أنه عند تسخين الماء، تزداد المسافة بين جزيئاته، ومما يسهل ذلك قوى التنافر. اتضح أنه من خلال احتلال نفس المسافة بين الجزيئات في الحالة الباردة، يمكن القول إنها تتمدد، ولديها مخزون أكبر من الطاقة. إن احتياطي الطاقة هذا هو الذي يتم إطلاقه عندما تبدأ جزيئات الماء في الاقتراب من بعضها البعض، أي يحدث التبريد. وتبين أن احتياطيًا أكبر من الطاقة في الماء الساخن، وإطلاقه بشكل أكبر عند التبريد إلى درجات حرارة أقل من الصفر، يحدث بشكل أسرع منه في الماء البارد، الذي يحتوي على احتياطي أقل من هذه الطاقة. إذن أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟ في الشارع وفي المختبر، يجب أن تحدث مفارقة مبيمبا، ويجب أن يتحول الماء الساخن إلى جليد بشكل أسرع.

لكن السؤال لا يزال مفتوحا

لا يوجد سوى تأكيد نظري لهذا الحل - كل هذا مكتوب بصيغ جميلة ويبدو معقولاً. ولكن عندما يتم تطبيق البيانات التجريبية التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا - وعرض نتائجها، فيمكن اعتبار مسألة مفارقة مبيمبا مغلقة.