Kodėl pašildytas vanduo užšąla greičiau? Mpemba efektas arba kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas

Didžiosios Britanijos karališkoji chemijos draugija siūlo 1000 svarų sterlingų atlygį kiekvienam, galinčiam moksliškai paaiškinti, kodėl karštas vanduo kai kuriais atvejais užšąla greičiau nei šaltas.

„Šiuolaikinis mokslas vis dar negali atsakyti į šį, atrodytų, paprastą klausimą. Ledų gamintojai ir barmenai šį efektą naudoja kasdieniame darbe, tačiau niekas iš tikrųjų nežino, kodėl jis veikia. Ši problema buvo žinoma tūkstantmečius, o filosofai, tokie kaip Aristotelis ir Dekartas, apie tai galvoja“, – sakė Didžiosios Britanijos karališkosios chemijos draugijos prezidentas profesorius Davidas Phillipsas, cituojamas draugijos pranešime spaudai.

Kaip virėjas iš Afrikos nugalėjo britų fizikos profesorių

Tai ne balandžio 1-osios pokštas, o atšiauri fizinė realybė. Šiuolaikinis mokslas, kuris lengvai veikia su galaktikomis ir juodosiomis skylėmis ir kuria milžiniškus greitintuvus kvarkų ir bozonų paieškai, negali paaiškinti, kaip „veikia“ elementarus vanduo. Mokykliniame vadovėlyje aiškiai parašyta, kad karštesniam kūnui atvėsinti reikia daugiau laiko nei šaltam. Bet dėl vandens šis įstatymas ne visada stebimas. Aristotelis atkreipė dėmesį į šį paradoksą IV amžiuje prieš Kristų. e. Štai ką senovės graikas rašė savo knygoje „Meteorologica I“: „Tai, kad vanduo yra pašildytas, priverčia jį užšalti. Todėl daugelis, kai nori greičiau atvėsinti karštą vandenį, pirmiausia jį padeda į saulę...“ Viduramžiais šį reiškinį bandė paaiškinti Francis Bacon ir Rene Descartes. Deja, tai nepasisekė nei didiesiems filosofams, nei daugeliui mokslininkų, sukūrusių klasikinę termofiziką, todėl toks nepatogus faktas buvo ilgam „pamirštas“.

Ir tik 1968 m. jie „prisiminė“ moksleivio Erasto Mpembe iš Tanzanijos dėka, toli nuo bet kokio mokslo. 1963 m. besimokydamas kulinarijos mokykloje, 13-metis Mpembe gavo užduotį gaminti ledus. Pagal technologiją reikėjo pieną užvirti, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros, o tada padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo stropus mokinys ir dvejojo. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei bendražygių pienas, paruoštas pagal visas taisykles.

Kai Mpemba pasidalijo atradimu su fizikos mokytoju, jis juokėsi iš jo visos klasės akivaizdoje. Mpemba prisiminė įžeidimą. Po penkerių metų, jau būdamas Dar es Salamo universiteto studentas, jis lankė garsaus fiziko Deniso G. Osborne'o paskaitą. Po paskaitos jis uždavė mokslininkui klausimą: „Jei paimsite du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, vieną 35 °C (95 °F), o kitą 100 °C (212 °F), ir padėkite juos. šaldiklyje, tada Vanduo karštame inde greičiau užšals. Kodėl?" Įsivaizduojate britų profesoriaus reakciją į jaunuolio iš Dievo apleistos Tanzanijos klausimą. Jis pasijuokė iš studento. Tačiau Mpemba buvo pasiruošusi tokiam atsakymui ir metė mokslininkui iššūkį lažyboms. Jų ginčas baigėsi eksperimentiniu bandymu, kuris patvirtino, kad Mpemba buvo teisus, o Osborne'as nugalėjo. Taigi kulinaras mokinys įrašė savo vardą į mokslo istoriją, o nuo šiol šis reiškinys vadinamas „Mpemba efektu“. Neįmanoma jo išmesti, paskelbti „neegzistuojančiu“. Reiškinys egzistuoja ir, kaip rašė poetas, „neskauda“.

Ar kaltos dulkių dalelės ir tirpios medžiagos?

Bėgant metams daugelis bandė įminti užšalusio vandens paslaptį. Buvo pasiūlyta daugybė šio reiškinio paaiškinimų: garavimas, konvekcija, ištirpusių medžiagų įtaka – tačiau nė vienas iš šių veiksnių negali būti laikomas galutiniu. Nemažai mokslininkų visą savo gyvenimą paskyrė Mpembos efektui. Skyriaus darbuotojas radiacinė sauga Valstybinis universitetas Niujorkas – Jamesas Brownridge'as laisvas laikas jau daugiau nei dešimtmetį tyrinėja paradoksą. Atlikęs šimtus eksperimentų, mokslininkas teigia turintis hipotermijos „kaltės“ įrodymų. Brownridge paaiškina, kad esant 0 ° C temperatūrai vanduo tik peršaldomas ir pradeda užšalti, kai temperatūra nukrenta žemiau. Užšalimo temperatūrą reguliuoja vandenyje esančios priemaišos – jos keičia ledo kristalų susidarymo greitį. Priemaišos, tokios kaip dulkių dalelės, bakterijos ir ištirpusios druskos, turi būdingą branduolio susidarymo temperatūrą, kai aplink kristalizacijos centrus susidaro ledo kristalai. Kai vandenyje vienu metu yra keli elementai, užšalimo temperatūra nustatoma pagal tą, kurio branduolio susidarymo temperatūra yra aukščiausia.

Eksperimentui Brownridge paėmė du tos pačios temperatūros vandens mėginius ir padėjo juos į šaldiklį. Jis atrado, kad vienas iš egzempliorių visada užšaldavo anksčiau už kitą, tikriausiai dėl skirtingo priemaišų derinio.

Brownridge teigia, kad karštas vanduo greičiau atvėsta dėl didesnis skirtumas tarp vandens ir šaldiklio temperatūrų – tai padeda jam pasiekti užšalimo tašką anksčiau nei šaltas vanduo pasiekia natūralų užšalimo tašką, kuris yra žemesnis nei bent jau, 5°C temperatūroje.

Tačiau Brownridge samprotavimai kelia daug klausimų. Todėl tie, kurie gali paaiškinti Mpemba efektą savaip, turi galimybę varžytis dėl tūkstančio svarų sterlingų iš Didžiosios Britanijos karališkosios chemijos draugijos.

Mpemba efektas arba kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas? Mpemba efektas (Mpemba Paradox) yra paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo proceso metu jis turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms idėjoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įkaitusiam kūnui reikia daugiau laiko atvėsti iki tam tikros temperatūros, nei mažiau įkaitusiam kūnui atvėsti iki tokios pat temperatūros. Šį reiškinį vienu metu pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas, tačiau tik 1963 metais Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba atrado, kad karštas ledų mišinys užšąla greičiau nei šaltas. Erasto Mpemba mokėsi Tanzanijos Magambi vidurinėje mokykloje praktinis darbas kulinarijoje. Jam reikėjo pasigaminti naminių ledų – užvirti pieną, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros, o tada padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin stropus mokinys ir delsė atlikti pirmąją užduoties dalį. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal nurodytą technologiją. Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su paprastu vandeniu. Bet kuriuo atveju, jau būdamas Mkwavos vidurinės mokyklos mokinys, profesoriaus Denniso Osborne'o iš Dar Es Salamo universiteto koledžo (mokyklos direktoriaus pakviestas skaityti paskaitą apie fiziką studentams) jis paklausė konkrečiai apie vandenį: „Jei imtumėt du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, kad viename vandens temperatūra būtų 35°C, o kitame - 100°C, ir įdėkite į šaldiklį, tada antrajame vanduo užšaltų greičiau. Kodėl? Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus, 1969 m., jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale Physics Education. Nuo tada jų atrastas efektas buvo vadinamas Mpemba efektu. Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą poveikį. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Kalbama apie karšto ir šalto vandens savybių skirtumus, tačiau dar neaišku, kurios savybės šiuo atveju turi įtakos: peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos ar suskystintų dujų poveikio vandeniui skirtumai. skirtingos temperatūros. Mpemba efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atšąla iki temperatūros aplinką, turi būti proporcinga temperatūrų skirtumui tarp šio kūno ir aplinkos. Šį dėsnį nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis daug kartų buvo patvirtintas praktikoje. Dėl šio poveikio vanduo, kurio temperatūra 100 °C, atvėsta iki 0 °C greičiau nei toks pat vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 °C. Tačiau tai dar nereiškia paradokso, nes Mpemba efektą galima paaiškinti žinomos fizikos rėmuose. Štai keletas Mpemba efekto paaiškinimų: Garavimas Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Vanduo, pašildytas iki 100 C, atvėsęs iki 0 C, netenka 16% savo masės. Garavimo efektas yra dvigubas poveikis. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Antra, temperatūra mažėja dėl to, kad perėjimo iš vandens fazės į garo fazę garavimo šiluma mažėja. Temperatūros skirtumas Dėl to, kad temperatūrų skirtumas tarp karštas vanduo ir yra daugiau šalto oro – todėl šilumos mainai tokiu atveju yra intensyvesni ir karštas vanduo greičiau atvėsta. Hipotermija Kai vanduo atšąla žemiau 0 C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali peršalti ir toliau išlikti skystas esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai. Kai kuriais atvejais vanduo gali išlikti skystas net esant -20 C. Tokio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų susidarymo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris tiek, kad kristalai pradės spontaniškai formuotis. Kai jie pradės formuotis peraušintame skystyje, jie pradės augti greičiau, sudarydami purviną ledą, kuris užšals ir susidarys ledas. Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali būti ledo kristalų susidarymo centrai. Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo greičiau užšąla? Tuo atveju, kai šaltas vanduo , kuris nėra peršaldytas, atsitinka taip. Tokiu atveju ant indo paviršiaus susidarys plonas ledo sluoksnis. Šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius tarp vandens ir šalto oro ir neleis tolesniam garavimui. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršiaus ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų jis daug greičiau praranda šilumą. Kai peršalimo procesas baigiasi ir vanduo užšąla, prarandama daug daugiau šilumos, todėl susidaro daugiau ledo. Daugelis šio poveikio tyrinėtojų mano, kad hipotermija yra pagrindinis veiksnys Mpemba efekto atveju. Konvekcija Šaltas vanduo pradeda stingti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios. Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 C. Jei vandenį atvėsinate iki 4 C ir pastatysite žemesnės temperatūros, paviršinis vandens sluoksnis sušals greičiau. Kadangi šis vanduo yra mažesnis nei 4 C temperatūros vanduo, jis išliks paviršiuje, sudarydamas ploną šaltą sluoksnį. Tokiomis sąlygomis per trumpą laiką vandens paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis pasitarnaus kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4 C temperatūroje. Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis. Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo. Be to, šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis grims žemyn, šilto vandens sluoksnį iškeldamas į paviršių. Tokia vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą. Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą šiuo konvekcijos požiūriu, reikėtų manyti, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 C. Tačiau nėra eksperimentiniai duomenys, kurie patvirtintų šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskiriami konvekcijos procesu. Vandenyje ištirpusios dujos Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų – deguonies ir anglies dioksido. Šios dujos turi galimybę sumažinti vandens užšalimo temperatūrą. Kaitinamas vanduo, šios dujos išsiskiria iš vandens, nes jų tirpumas vandenyje yra aukšta temperatūražemiau. Todėl karštam vandeniui atvėsus, jame visada būna mažiau ištirpusių dujų nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis veiksnys kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra. Šilumos laidumas Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldytuvo skyriaus šaldiklį mažose talpyklose. Esant tokioms sąlygoms, buvo pastebėta, kad karšto vandens indas ištirpdo apačioje esantį šaldiklį ledą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Dėl to šiluma iš karšto vandens indo pašalinama greičiau nei iš šalto. Savo ruožtu indas su šaltu vandeniu neištirpdo po juo esančio sniego. Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau aiškaus atsakymo į klausimą – kuri iš jų užtikrina šimtaprocentinį Mpembos efekto atkūrimą – taip ir nepavyko gauti. Pavyzdžiui, 1995 metais vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė peršalimo vandens poveikį šiam poveikiui. Jis atrado, kad karštas vanduo, pasiekęs peršalimo būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas, taigi ir greičiau nei pastarasis. Tačiau šaltas vanduo peršalimo būseną pasiekia greičiau nei karštas, taip kompensuodamas ankstesnį atsilikimą. Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesniems duomenims, kad karštas vanduo galėjo pasiekti didesnį peršalimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pasišalina jame ištirpusios dujos, o verdant nusėda dalis jame ištirpusių druskų. Kol kas galima teigti tik viena – šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas. O. V. Mosinas

Daugelis tyrinėtojų pateikė ir pateikia savo versijas, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Atrodytų kaip paradoksas – juk norint sušalti, karštas vanduo pirmiausia turi atvėsti. Tačiau faktas lieka faktu, ir mokslininkai tai aiškina įvairiai.

Pagrindinės versijos

Įjungta šiuo metu Yra keletas versijų, paaiškinančių šį faktą:

Kadangi karštas vanduo greičiau išgaruoja, jo tūris mažėja. O mažesnio kiekio vandens užšalimas toje pačioje temperatūroje vyksta greičiau.
Šaldytuvo šaldiklio skyriuje yra sniego įdėklas. Talpykla su karštu vandeniu ištirpdo sniegą po juo. Tai pagerina šiluminį kontaktą su šaldikliu.
Šalto vandens užšalimas, skirtingai nei karštas, prasideda viršuje. Tuo pačiu metu pablogėja konvekcija ir šilumos spinduliavimas, taigi ir šilumos nuostoliai.
Šaltame vandenyje yra kristalizacijos centrų – jame ištirpusių medžiagų. Jei jų kiekis vandenyje mažas, apledėti sunku, nors tuo pačiu galimas ir peršalimas – esant minusinei temperatūrai jis būna skystos būsenos.

Nors sąžiningai galime pasakyti, kad šis poveikis ne visada pastebimas. Labai dažnai šaltas vanduo užšąla greičiau nei karštas.

Kokioje temperatūroje vanduo užšąla

Kodėl vanduo apskritai užšąla? Jame yra tam tikras mineralinių arba organinių dalelių kiekis. Tai gali būti, pavyzdžiui, labai mažos smėlio, dulkių ar molio dalelės. Oro temperatūrai nukritus, šios dalelės yra centrai, aplink kuriuos susidaro ledo kristalai.

Kristalizacijos branduolių vaidmenį taip pat gali atlikti oro burbuliukai ir įtrūkimai talpoje, kurioje yra vanduo. Didelę įtaką vandens pavertimo ledu proceso greičiui turi tokių centrų skaičius – jei jų daug, skystis greičiau užšąla. Normaliomis sąlygomis, esant normaliam atmosferos slėgiui, 0 laipsnių temperatūroje vanduo iš skysčio virsta kieta būsena.

Mpemba efekto esmė

Mpemba efektas yra paradoksas, kurio esmė ta, kad tam tikromis aplinkybėmis karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Šį reiškinį pastebėjo Aristotelis ir Dekartas. Tačiau tik 1963 m. Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba nustatė, kad karšti ledai užšąla per trumpesnį laiką nei šalti ledai. Tokią išvadą jis padarė atlikdamas maisto gaminimo užduotį.

Jis turėjo ištirpinti cukrų virintame piene ir, atvėsusį, padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin darbštus ir pavėluotai pradėjo atlikti pirmąją užduoties dalį. Todėl nelaukė, kol pienas atvės, o karštą padėjo į šaldytuvą. Jis labai nustebo, kai užšalo net greičiau nei bendramokslių, kurie darbus atliko pagal duotą technologiją.

Šis faktas jaunuolį labai sudomino, ir jis pradėjo eksperimentus su paprastu vandeniu. 1969 metais žurnalas Physics Education paskelbė Mpembos ir Dar Es Salaamo universiteto profesoriaus Denniso Osborne'o tyrimų rezultatus. Jų aprašytam efektui buvo suteiktas Mpemba pavadinimas. Tačiau ir šiandien nėra aiškaus šio reiškinio paaiškinimo. Visi mokslininkai sutinka, kad pagrindinis vaidmuo čia tenka atšaldyto ir karšto vandens savybių skirtumams, tačiau kas tiksliai – nežinoma.

Singapūro versija

Vieno Singapūro universitetų fizikus taip pat domino klausimas, kuris vanduo užšąla greičiau – karštas ar šaltas? Xi Zhang vadovaujama tyrėjų komanda šį paradoksą paaiškino būtent vandens savybėmis. Visi kiti su mokyklos dienos Vandens sudėtis yra žinoma – deguonies atomas ir du vandenilio atomai. Deguonis tam tikru mastu atitraukia elektronus nuo vandenilio, todėl molekulė yra tam tikras „magnetas“.

Dėl to tam tikros molekulės vandenyje šiek tiek traukia viena kitą ir jas jungia vandenilinis ryšys. Jo stiprumas daug kartų mažesnis nei kovalentinio ryšio. Singapūro mokslininkai mano, kad Mpembos paradokso paaiškinimas slypi būtent vandeniliniuose ryšiuose. Jei vandens molekulės yra išdėstytos labai sandariai, tada tokia stipri sąveika tarp molekulių gali deformuoti kovalentinį ryšį pačios molekulės viduryje.

Tačiau kaitinant vandenį, surištos molekulės šiek tiek nutolsta viena nuo kitos. Dėl to kovalentiniai ryšiai atsipalaiduoja molekulių viduryje, kai išsiskiria energijos perteklius ir pereinama prie žemesnės. energijos lygis. Tai veda prie to, kad karštas vanduo pradeda greitai atvėsti. Bent jau taip rodo Singapūro mokslininkų atlikti teoriniai skaičiavimai.

Akimirksniu užšąlantis vanduo – 5 neįtikėtini triukai: Vaizdo įrašas

Atrodytų, kad sena gera formulė H 2 O neturi paslapčių. Tačiau iš tikrųjų vanduo – gyvybės šaltinis ir garsiausias skystis pasaulyje – yra kupinas daugybės paslapčių, kurių kartais neįstengia įminti net mokslininkai.

Čia yra 5 labiausiai įdomių faktų apie vandenį:

1. Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas

Paimkime du indus su vandeniu: į vieną supilkite karštą, į kitą šaltą vandenį ir padėkite į šaldiklį. Karštas vanduo užšals greičiau nei šaltas, nors logiškai mąstant, šaltas vanduo pirmiausia turėjo pavirsti ledu: juk karštas vanduo pirmiausia turi atvėsti iki šaltos temperatūros, o po to virsti ledu, o šalto vandens vėsinti nereikia. Kodėl tai vyksta?

1963 metais Tanzanijos vidurinės mokyklos moksleivis Erasto B. Mpemba šaldydamas ledų mišinį pastebėjo, kad karštas mišinys šaldiklyje sustingsta greičiau nei šaltas. Kai jaunuolis savo atradimu pasidalijo su fizikos mokytoju, šis iš jo tik juokėsi. Laimei, mokinys buvo atkaklus ir įtikino mokytoją atlikti eksperimentą, kuris patvirtino jo atradimą: tam tikromis sąlygomis karštas vanduo iš tikrųjų užšąla greičiau nei šaltas.

Dabar šis reiškinys, kai karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas, vadinamas „Mpemba efektu“. Tiesa, dar gerokai prieš jį šią unikalią vandens savybę pažymėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Renė Dekartas.

Mokslininkai vis dar iki galo nesuvokia šio reiškinio prigimties, aiškindami jį arba peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos skirtumu, arba suskystintų dujų poveikiu karštam ir šaltam vandeniui.

X.RU pastaba tema „Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas“.

Kadangi aušinimo klausimai mums, šaldymo specialistams, artimesni, leisime šiek tiek labiau įsigilinti į šios problemos esmę ir pateiksime dvi nuomones apie tokio paslaptingo reiškinio prigimtį.

1. Vašingtono universiteto mokslininkas pasiūlė nuo Aristotelio laikų žinomo paslaptingo reiškinio paaiškinimą: kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas.

Reiškinys, vadinamas Mpemba efektu, plačiai naudojamas praktikoje. Pavyzdžiui, ekspertai pataria vairuotojams žiemą į plovimo rezervuarą pilti šaltą, o ne karštą vandenį. Tačiau kas slypi už šio reiškinio? ilgą laiką liko nežinomi.

Daktaras Jonathanas Katzas iš Vašingtono universiteto tyrinėjo šį reiškinį ir priėjo prie išvados, kad svarbų vaidmenį atlieka vandenyje ištirpusios medžiagos, kurios kaitinant nusėda, praneša EurekAlert.

Pagal ištirpo medžiagos dr. Katz reiškia kalcio ir magnio bikarbonatus, kurie randami kietame vandenyje. Kaitinamas vanduo, šios medžiagos nusėda ir ant virdulio sienelių susidaro apnašos. Vandenyje, kuris niekada nebuvo šildomas, yra šių priemaišų. Jam užšalus ir formuojantis ledo kristalams, priemaišų koncentracija vandenyje padidėja 50 kartų. Dėl to sumažėja vandens užšalimo temperatūra. "Ir dabar vanduo turi atvėsti toliau, kad užšaltų", - aiškina dr. Katzas.

Yra ir antra priežastis, neleidžianti užšalti nešildomam vandeniui. Sumažinus vandens užšalimo temperatūrą, sumažėja temperatūrų skirtumas tarp kietos ir skystos fazės. „Kadangi nuo šio temperatūrų skirtumo priklauso greitis, kuriuo vanduo praranda šilumą, vanduo, kuris nebuvo pašildytas, blogiau atvėsta“, – komentuoja dr. Katzas.

Mokslininko teigimu, jo teoriją galima patikrinti eksperimentiškai, nes Mpemba efektas tampa labiau pastebimas esant kietesniam vandeniui.

2. Deguonis plius vandenilis ir šaltis sukuria ledą. Iš pirmo žvilgsnio ši skaidri medžiaga atrodo labai paprasta. Tiesą sakant, ledas yra kupinas daugybės paslapčių. Afrikiečio Erasto Mpembos sukurtas ledas apie šlovę negalvojo. Dienos buvo karštos. Jis norėjo vaisių ledas. Jis paėmė sulčių dėžutę ir įdėjo į šaldiklį. Jis tai darė ne kartą ir todėl pastebėjo, kad sultys ypač greitai užšąla, jei pirmą kartą palaikysite jas saulėje – tikrai sušildo! Tai keista, pagalvojo Tanzanijos moksleivis, kuris elgėsi priešingai pasaulietinei išminčiai. Ar tikrai tiesa, kad norint, kad skystis greičiau virstų ledu, pirmiausia jį reikia... pašildyti? Jaunuolis taip nustebo, kad savo spėjimu pasidalijo su mokytoja. Apie šį kuriozą jis pranešė spaudoje.

Ši istorija nutiko praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje. Dabar „Mpemba efektas“ yra gerai žinomas mokslininkams. Tačiau ilgą laiką šis iš pažiūros paprastas reiškinys liko paslaptimi. Kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas?

Tik 1996 m. fizikas Davidas Auerbachas rado sprendimą. Norėdamas atsakyti į šį klausimą, jis visus metus atliko eksperimentą: stiklinėje pakaitino vandenį ir vėl atvėsino. Taigi ką jis sužinojo? Kaitinant, vandenyje ištirpę oro burbuliukai išgaruoja. Vanduo, kuriame nėra dujų, lengviau užšąla ant indo sienelių. „Žinoma, vanduo, kuriame yra daug oro, taip pat užšals, – sako Auerbachas, – bet ne nuliui Celsijaus, o tik minus 4–6 laipsniais. Žinoma, teks laukti ilgiau. Taigi, karštas vanduo užšąla prieš šaltą, tai mokslinis faktas.

Vargu ar yra medžiaga, kuri atsirastų prieš mūsų akis taip lengvai kaip ledas. Jį sudaro tik vandens molekulės - tai yra elementariosios molekulės, turinčios du vandenilio atomus ir vieną deguonies atomą. Tačiau ledas yra bene paslaptingiausia medžiaga Visatoje. Kai kurių jo savybių mokslininkams dar nepavyko paaiškinti.

2. Supercooling ir „momentinis“ užšaldymas

Visi žino, kad vanduo atvėsęs iki 0°C visada virsta ledu... išskyrus kai kuriuos atvejus! Toks atvejis, pavyzdžiui, yra „peršalimas“, kuris yra labai savybė švarus vanduo išliks skystas net atvėsęs iki žemiau nulio. Šis reiškinys įmanomas dėl to, kad aplinkoje nėra kristalizacijos centrų ar branduolių, kurie galėtų paskatinti ledo kristalų susidarymą. Taigi vanduo išlieka skystas net ir atvėsęs iki žemiau nulio laipsnių Celsijaus. Kristalizacijos procesą gali sukelti, pavyzdžiui, dujų burbuliukai, priemaišos (teršalai) arba nelygus talpyklos paviršius. Be jų vanduo išliks skysto pavidalo. Kai prasidės kristalizacijos procesas, galite stebėti, kaip itin atvėsęs vanduo akimirksniu virsta ledu.

Žiūrėkite vaizdo įrašą (2 901 KB, 60 sek.) iš Philo Medinos (www.mrsciguy.com) ir įsitikinkite patys >>

komentuoti. Perkaitintas vanduo taip pat išlieka skystas net kaitinamas virš virimo temperatūros.

3. „Stiklinis“ vanduo

Greitai ir negalvodamas įvardink, kiek skirtingų būsenų turi vanduo?

Jei atsakėte tris (kietas, skystas, dujinis), tada klydote. Mokslininkai nustato mažiausiai 5 skirtingas skysto vandens ir 14 ledo būsenų.

Prisimeni pokalbį apie itin atšaldytą vandenį? Taigi, kad ir ką darytumėte, esant -38 °C net gryniausias itin atšaldytas vanduo staiga virsta ledu. Kas atsitiks su tolesniu nuosmukiu?

temperatūra? Esant -120 °C vandeniui pradeda įvykti kažkas keisto: jis tampa itin klampus arba klampus, kaip melasa, o žemesnėje nei -135 °C temperatūroje virsta „stikliniu“ arba „stikliniu“ vandeniu – kieta medžiaga, neturinčia kristalinės struktūros. .

4. Vandens kvantinės savybės

Molekuliniu lygmeniu vanduo dar labiau stebina. 1995 m. mokslininkų atliktas neutronų sklaidos eksperimentas davė netikėtą rezultatą: fizikai išsiaiškino, kad į vandens molekules nukreipti neutronai „mato“ 25 % mažiau vandenilio protonų, nei tikėtasi.

Paaiškėjo, kad vienos atosekundės (10 -18 sekundžių) greičiu įvyksta neįprastas kvantinis efektas, o vandens cheminė formulė vietoj įprastos - H 2 O tampa H 1,5 O!

5. Ar vanduo turi atmintį?

Homeopatija, alternatyva įprastinei medicinai, teigia, kad praskiestas tirpalas vaistinis preparatas gali turėti gydomąjį poveikį organizmui, net jei praskiedimo koeficientas yra toks didelis, kad tirpale nelieka nieko, išskyrus vandens molekules. Homeopatijos šalininkai šį paradoksą aiškina sąvoka, vadinama „vandens atmintimi“, pagal kurią vanduo molekuliniame lygmenyje turi „atmintį“ apie jame ištirpusią medžiagą ir išlaiko pradinės koncentracijos tirpalo savybes po nė vieno. joje lieka ingrediento molekulė.

Tarptautinė mokslininkų grupė, vadovaujama profesorės Madeleine Ennis iš Belfasto universiteto, kuri kritikavo homeopatijos principus, 2002 m. atliko eksperimentą, kad kartą ir visiems laikams paneigtų šią koncepciją. Rezultatas buvo priešingas sugebėjo įrodyti „vandens atminties“ efekto realumą. Tačiau eksperimentai, atlikti prižiūrint nepriklausomiems ekspertams, nedavė jokių rezultatų.

Vanduo turi daug kitų neįprastų savybių, apie kurias šiame straipsnyje nekalbėjome.

Literatūra.

1. 5 tikrai keistų dalykų apie vandenį / http://www.neatorama.com.
2. Vandens paslaptis: sukurta Aristotelio-Mpembos efekto teorija / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Negyvos gamtos paslaptys. Paslaptingiausia medžiaga visatoje / http://www.bibliotekar.ru.

Mpemba efektas(Mpembos paradoksas) – paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo procese turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms idėjoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įkaitusiam kūnui reikia daugiau laiko atvėsti iki tam tikros temperatūros, nei mažiau įkaitusiam kūnui atvėsti iki tokios pat temperatūros.

Šį reiškinį vienu metu pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas, tačiau tik 1963 metais Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba atrado, kad karštas ledų mišinys užšąla greičiau nei šaltas.

Būdamas Magambi vidurinės mokyklos Tanzanijoje mokinys, Erasto Mpemba atliko praktinį virėjo darbą. Jam reikėjo pasigaminti naminių ledų – užvirti pieną, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros, o tada padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin stropus mokinys ir delsė atlikti pirmąją užduoties dalį. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal nurodytą technologiją.

Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su paprastu vandeniu. Bet kuriuo atveju, jau būdamas Mkwavos vidurinės mokyklos mokinys, profesoriaus Denniso Osborne'o iš Dar Es Salamo universiteto koledžo (mokyklos direktoriaus pakviestas skaityti paskaitą apie fiziką studentams) jis paklausė konkrečiai apie vandenį: „Jei imtumėt du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, kad viename vandens temperatūra būtų 35°C, o kitame - 100°C, ir įdėkite į šaldiklį, tada antrajame vanduo užšaltų greičiau. Kodėl? Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus, 1969 m., jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale Physics Education. Nuo tada jų atrastas efektas buvo vadinamas Mpemba efektas.

Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą poveikį. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Kalbama apie karšto ir šalto vandens savybių skirtumus, tačiau dar neaišku, kurios savybės šiuo atveju turi įtakos: peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos ar suskystintų dujų poveikio vandeniui skirtumai. skirtingos temperatūros.

Mpemba efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atšąla iki aplinkos temperatūros, turi būti proporcingas šio kūno ir aplinkos temperatūrų skirtumui. Šį dėsnį nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis daug kartų buvo patvirtintas praktikoje. Dėl šio poveikio vanduo, kurio temperatūra 100 °C, atvėsta iki 0 °C greičiau nei toks pat vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 °C.

Tačiau tai dar nereiškia paradokso, nes Mpemba efektą galima paaiškinti žinomos fizikos rėmuose. Štai keletas Mpemba efekto paaiškinimų:

Garavimas

Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Iki 100 C pašildytas vanduo, atvėsęs iki 0 C, praranda 16 % savo masės.

Garavimo efektas yra dvigubas. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Antra, temperatūra mažėja dėl to, kad perėjimo iš vandens fazės į garo fazę garavimo šiluma mažėja.

Temperatūros skirtumas

Dėl to, kad karšto vandens ir šalto oro temperatūrų skirtumas yra didesnis, todėl šilumos mainai šiuo atveju yra intensyvesni ir karštas vanduo greičiau atvėsta.

Hipotermija

Kai vanduo atšąla žemiau 0 C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali peršalti ir toliau išlikti skystas esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai. Kai kuriais atvejais vanduo gali išlikti skystas net esant –20 C temperatūrai.

Šio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų formavimo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris tiek, kad kristalai pradės spontaniškai formuotis. Kai jie pradės formuotis peraušintame skystyje, jie pradės augti greičiau, sudarydami purviną ledą, kuris užšals ir susidarys ledas.

Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali būti ledo kristalų susidarymo centrai.

Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo greičiau užšąla? Jei šaltas vanduo nėra peršaldytas, nutinka taip. Tokiu atveju ant indo paviršiaus susidarys plonas ledo sluoksnis. Šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius tarp vandens ir šalto oro ir neleis tolesniam garavimui. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršiaus ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų jis daug greičiau praranda šilumą.

Kai peršalimo procesas baigiasi ir vanduo užšąla, prarandama daug daugiau šilumos, todėl susidaro daugiau ledo.

Daugelis šio poveikio tyrinėtojų mano, kad hipotermija yra pagrindinis veiksnys Mpemba efekto atveju.

Konvekcija

Šaltas vanduo pradeda užšalti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios.

Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 C. Jei vandenį atvėsinate iki 4 C ir pastatysite žemesnės temperatūros, paviršinis vandens sluoksnis sušals greičiau. Kadangi šis vanduo yra mažesnis nei 4 C temperatūros vanduo, jis išliks paviršiuje, sudarydamas ploną šaltą sluoksnį. Tokiomis sąlygomis per trumpą laiką vandens paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis pasitarnaus kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4 C temperatūroje. Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis.

Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo. Be to, šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis grims žemyn, šilto vandens sluoksnį iškeldamas į paviršių. Tokia vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą.

Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą šiuo konvekcijos požiūriu, reikėtų daryti prielaidą, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 C.

Tačiau nėra jokių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti konvekcijos procesu.

Vandenyje ištirpusios dujos

Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų – deguonies ir anglies dioksido. Šios dujos turi galimybę sumažinti vandens užšalimo temperatūrą. Kaitinant vandenį, šios dujos išsiskiria iš vandens, nes aukštoje temperatūroje jų tirpumas vandenyje yra mažesnis. Todėl karštam vandeniui atvėsus, jame visada būna mažiau ištirpusių dujų nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis veiksnys kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra.

Šilumos laidumas

Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldytuvo skyriaus šaldiklį mažose talpyklose. Esant tokioms sąlygoms, buvo pastebėta, kad karšto vandens indas ištirpdo apačioje esantį šaldiklį ledą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Dėl to šiluma iš karšto vandens indo pašalinama greičiau nei iš šalto. Savo ruožtu indas su šaltu vandeniu neištirpdo po juo esančio sniego.

Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau aiškaus atsakymo į klausimą – kuri iš jų užtikrina šimtaprocentinį Mpembos efekto atkūrimą – taip ir nepavyko gauti.

Pavyzdžiui, 1995 metais vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė peršalimo vandens poveikį šiam poveikiui. Jis atrado, kad karštas vanduo, pasiekęs peršalimo būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas, taigi ir greičiau nei pastarasis. Tačiau šaltas vanduo peršalimo būseną pasiekia greičiau nei karštas, taip kompensuodamas ankstesnį atsilikimą.

Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesniems duomenims, kad karštas vanduo galėjo pasiekti didesnį peršalimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pasišalina jame ištirpusios dujos, o verdant nusėda dalis jame ištirpusių druskų.

Kol kas galima teigti tik viena – šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas.

O. V. Mosinas

Literatūrinisšaltinių:

"Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Kodėl tai daroma?", Jearl Walker iš The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Nr. 3, p. 246–257; 1977 metų rugsėjis.

„Karšto ir šalto vandens užšalimas“, G.S. Kell American Journal of Physics, Vol. 37, Nr. 5, p. 564–565; 1969 m. gegužės mėn.

„Supercooling and the Mpemba Effect“, David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, Nr. 10, p. 882-885; 1995 m. spalio mėn.

"Mpemba efektas: karšto ir šalto vandens užšalimo laikas", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, Nr. 5, p 524; 1996 m. gegužės mėn.