Hvorfor fryser oppvarmet vann raskere? Mpemba-effekten eller hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann

British Royal Society of Chemistry tilbyr en belønning på £1000 til alle som vitenskapelig kan forklare hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann i noen tilfeller.

"Moderne vitenskap kan fortsatt ikke svare på dette tilsynelatende enkle spørsmålet. Iskremmakere og bartendere bruker denne effekten i sitt daglige arbeid, men ingen vet egentlig hvorfor det fungerer. Dette problemet har vært kjent i årtusener, med filosofer som Aristoteles og Descartes som har tenkt på det, sier professor David Phillips, president for British Royal Society of Chemistry, sitert i en pressemelding fra Society.

Hvordan en kokk fra Afrika beseiret en britisk fysikkprofessor

Dette er ikke en aprilsnarr, men en hard fysisk virkelighet. Moderne vitenskap, som enkelt opererer med galakser og sorte hull, og bygger gigantiske akseleratorer for å søke etter kvarker og bosoner, kan ikke forklare hvordan elementært vann «fungerer». Skoleboka sier tydelig at det tar mer tid å avkjøle en varmere kropp enn å avkjøle en kald kropp. Men for vann denne loven ikke alltid observert. Aristoteles trakk oppmerksomheten til dette paradokset på 400-tallet f.Kr. e. Her er hva den gamle grekeren skrev i sin bok Meteorologica I: «Det faktum at vann er forvarmet får det til å fryse. Derfor er det mange mennesker, når de ønsker å avkjøle varmt vann raskere, først setter det i solen...» I middelalderen forsøkte Francis Bacon og Rene Descartes å forklare dette fenomenet. Dessverre, verken de store filosofene eller de mange forskerne som utviklet klassisk termofysikk lyktes med dette, og derfor ble et så ubeleilig faktum "glemt" i lang tid.

Og først i 1968 "husket" de takket være skolegutten Erasto Mpembe fra Tanzania, langt fra noen vitenskap. Mens han studerte ved kulinarisk kunstskole i 1963, fikk 13 år gamle Mpembe oppgaven med å lage is. I følge teknologien var det nødvendig å koke melk, oppløse sukker i den, avkjøle den til romtemperatur og deretter sette den i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en flittig student og nølte. I frykt for at han ikke ville klare det innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til alle reglene.

Da Mpemba delte oppdagelsen sin med fysiklæreren sin, lo han av ham foran hele klassen. Mpemba husket fornærmelsen. Fem år senere, allerede student ved universitetet i Dar es Salaam, deltok han på et foredrag av den kjente fysikeren Denis G. Osborne. Etter forelesningen stilte han forskeren et spørsmål: «Hvis du tar to identiske beholdere med like mengder vann, en ved 35 °C (95 °F) og den andre ved 100 °C (212 °F), og plasserer dem i fryseren, da vil Vann i en varm beholder fryse raskere. Hvorfor?" Du kan forestille deg reaksjonen til en britisk professor på et spørsmål fra en ung mann fra Gudforlatt Tanzania. Han gjorde narr av studenten. Mpemba var imidlertid klar for et slikt svar og utfordret forskeren til et veddemål. Tvisten deres endte med en eksperimentell test som bekreftet at Mpemba hadde rett og Osborne beseiret. Dermed skrev kokkelærlingen navnet sitt i vitenskapens historie, og fra nå av kalles dette fenomenet "Mpemba-effekten." Det er umulig å forkaste det, å erklære det som "ikke-eksisterende". Fenomenet eksisterer, og som dikteren skrev, "det gjør ikke vondt."

Har støvpartikler og oppløste stoffer skylden?

Gjennom årene har mange forsøkt å løse mysteriet med iskaldt vann. En hel haug med forklaringer på dette fenomenet har blitt foreslått: fordampning, konveksjon, påvirkning av oppløste stoffer - men ingen av disse faktorene kan betraktes som definitive. En rekke forskere har viet hele livet til Mpemba-effekten. Avdelingsansatt strålesikkerhet State University New York - James Brownridge - inn fritid har studert paradokset i over et tiår nå. Etter å ha utført hundrevis av eksperimenter, hevder forskeren å ha bevis på "skylden" til hypotermi. Brownridge forklarer at ved 0°C blir vann bare superkjølt, og begynner å fryse når temperaturen synker under. Frysepunktet reguleres av urenheter i vannet - de endrer hastigheten på dannelsen av iskrystaller. Urenheter, som støvpartikler, bakterier og oppløste salter, har en karakteristisk kjernedannelsestemperatur når iskrystaller dannes rundt krystalliseringssentre. Når flere grunnstoffer er tilstede i vann samtidig, bestemmes frysepunktet av den som har høyest kjernedannelsestemperatur.

For eksperimentet tok Brownridge to vannprøver med samme temperatur og plasserte dem i fryseren. Han oppdaget at en av prøvene alltid frøs før den andre, antagelig på grunn av en annen kombinasjon av urenheter.

Brownridge hevder at varmtvann avkjøles raskere pga større forskjell mellom temperaturene på vannet og fryseren - dette hjelper den når frysepunktet før det kalde vannet når sitt naturlige frysepunkt, som er lavere enn i det minste, ved 5°C.

Brownridges resonnement reiser imidlertid mange spørsmål. Derfor har de som kan forklare Mpemba-effekten på sin egen måte en sjanse til å konkurrere om tusen pund sterling fra British Royal Society of Chemistry.

Mpemba-effekten eller hvorfor fryser varmt vann raskere enn kaldt vann? Mpemba-effekten (Mpemba Paradox) er et paradoks som sier at varmt vann under noen forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann under fryseprosessen. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en mer oppvarmet kropp bruker lengre tid på å avkjøles til en viss temperatur under de samme forholdene enn en mindre oppvarmet kropp å avkjøles til samme temperatur. Dette fenomenet ble lagt merke til en gang av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men det var først i 1963 at den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba oppdaget at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald. Som elev ved Magambi Secondary School i Tanzania gjorde Erasto Mpemba det praktisk arbeid i matlaging. Han trengte å lage hjemmelaget iskrem - kok opp melk, løs opp sukker i den, avkjøl den til romtemperatur og legg den deretter i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og forsinket å fullføre den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville klare det innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til den gitte teknologien. Etter dette eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med vanlig vann. I alle fall, allerede som student ved Mkwava Secondary School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (invitert av skoledirektøren til å holde et foredrag om fysikk for studentene) spesifikt om vann: «Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at i en av dem har vannet en temperatur på 35 °C, og i den andre - 100 °C, og sett dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor? Osborne ble interessert i denne utgaven, og snart, i 1969, publiserte han og Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet Physics Education. Siden den gang har effekten de oppdaget blitt kalt Mpemba-effekten. Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer. Paradokset med Mpemba-effekten er at den tiden kroppen kjøles ned til temperatur miljø, må være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og miljøet. Denne loven ble etablert av Newton og har siden blitt bekreftet mange ganger i praksis. I denne effekten avkjøles vann med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C raskere enn samme mengde vann med en temperatur på 35°C. Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten kan forklares innenfor rammen av kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten: Fordampning Varmt vann fordamper raskere fra en beholder, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann ved samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C. Effekten av fordampning er en dobbel effekt. For det første reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar. Temperaturforskjell På grunn av at temperaturforskjellen mellom varmt vann og det er mer kald luft - derfor er varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og det varme vannet avkjøles raskere. Hypotermi Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under noen forhold kan det gjennomgå superkjøling, og fortsette å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved en temperatur på -20 C. Årsaken til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs det krystalldannelsessentre. Hvis de ikke er tilstede i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller begynner å dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere og danne slush ice, som vil fryse til is. Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det fjerner oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller. Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? I tilfelle av kaldt vann , som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og den kalde luften og vil hindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller vil i dette tilfellet være lavere. Når det gjelder varmt vann som er utsatt for underkjøling, har det underkjølte vannet ikke et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen. Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is. Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten. Konveksjon Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed varmetapet, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra. Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget av vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved en temperatur på 4 C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av vannet i løpet av kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator og beskytte de nedre vannlagene, som forblir ved en temperatur på 4 C. Derfor vil videre kjøleprosess gå langsommere. Når det gjelder varmtvann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. I tillegg er kaldtvannslag tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og heve varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen. Men hvorfor når ikke denne prosessen et likevektspunkt? For å forklare Mpemba-effekten fra dette konveksjonssynspunktet, ville det være nødvendig å anta at de kalde og varme vannlagene separeres og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at den gjennomsnittlige vanntemperaturen faller under 4 C. Det er imidlertid ingen eksperimentelle data som ville bekrefte denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles ved konveksjonsprosessen. Gasser oppløst i vann Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å redusere frysepunktet til vann. Når vann varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann er høy temperatur under. Derfor, når varmt vann avkjøles, inneholder det alltid mindre oppløste gasser enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum. Termisk ledningsevne Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i kjøleseksjonens fryser i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at en beholder med varmt vann smelter isen i fryseren under, og derved forbedrer termisk kontakt med fryserveggen og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra en varmtvannsbeholder raskere enn fra en kald. På sin side smelter ikke en beholder med kaldt vann snøen under. Alle disse (så vel som andre) tilstander ble studert i mange eksperimenter, men et klart svar på spørsmålet – hvilken av dem som gir hundre prosent reproduksjon av Mpemba-effekten – ble aldri oppnådd. For eksempel, i 1995, studerte den tyske fysikeren David Auerbach effekten av superkjølende vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en superkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når en underkjølt tilstand raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep. I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann var i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gasser som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det. Foreløpig kan bare én ting sies - reproduksjonen av denne effekten avhenger betydelig av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis. O.V. Mosin

Mange forskere har fremmet og legger frem sine egne versjoner av hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. Det virker som et paradoks - tross alt, for å fryse, må varmt vann først avkjøles. Imidlertid forblir faktum et faktum, og forskere forklarer det på forskjellige måter.

Hovedversjoner

På for øyeblikket Det er flere versjoner som forklarer dette faktum:

Fordi varmt vann fordamper raskere, reduseres volumet. Og frysing av en mindre mengde vann ved samme temperatur skjer raskere.
Frysedelen i kjøleskapet har snøfôr. En beholder med varmt vann smelter snøen under. Dette forbedrer termisk kontakt med fryseren.
Frysing av kaldt vann, i motsetning til varmt vann, begynner på toppen. Samtidig forverres konveksjon og varmestråling, og følgelig varmetapet.
Kaldt vann inneholder krystalliseringssentre - stoffer oppløst i det. Hvis innholdet i vann er lite, er ising vanskelig, men samtidig er superkjøling mulig - når den har en flytende tilstand ved minusgrader.

Selv om vi i rettferdighet kan si at denne effekten ikke alltid observeres. Svært ofte fryser kaldt vann raskere enn varmt vann.

Ved hvilken temperatur fryser vann

Hvorfor fryser vann i det hele tatt? Den inneholder en viss mengde mineralske eller organiske partikler. Dette kan for eksempel være svært små partikler av sand, støv eller leire. Når lufttemperaturen synker, er disse partiklene sentrene rundt som iskrystaller dannes.

Rollen som krystalliseringskjerner kan også spilles av luftbobler og sprekker i beholderen som inneholder vann. Hastigheten på prosessen med å gjøre vann til is påvirkes i stor grad av antall slike sentre - hvis det er mange av dem, fryser væsken raskere. Under normale forhold, med normalt atmosfærisk trykk, blir vann til en fast tilstand fra væske ved en temperatur på 0 grader.

Essensen av Mpemba-effekten

Mpemba-effekten er et paradoks, hvis essens er at under visse omstendigheter fryser varmt vann raskere enn kaldt vann. Dette fenomenet ble lagt merke til av Aristoteles og Descartes. Det var imidlertid ikke før i 1963 at den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba bestemte at varm is fryser på kortere tid enn kald is. Han kom med denne konklusjonen mens han fullførte et matlagingsoppdrag.

Han måtte løse opp sukker i kokt melk og etter å ha avkjølt det, sette det i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba spesielt flittig og begynte å fullføre den første delen av oppgaven sent. Derfor ventet han ikke på at melken skulle avkjøles, og satte den i kjøleskapet varm. Han ble veldig overrasket da det frøs enda raskere enn klassekameratene hans, som gjorde arbeidet i samsvar med den gitte teknologien.

Dette faktum interesserte den unge mannen veldig, og han begynte å eksperimentere med rent vann. I 1969 publiserte tidsskriftet Physics Education resultatene av forskning av Mpemba og professor Dennis Osborne ved University of Dar Es Salaam. Effekten de beskrev fikk navnet Mpemba. Men selv i dag er det ingen klar forklaring på fenomenet. Alle forskere er enige om at hovedrollen i dette tilhører forskjellene i egenskapene til kjølt og varmt vann, men nøyaktig hva er ukjent.

Singapore versjon

Fysikere fra et av Singapore-universitetene var også interessert i spørsmålet om hvilket vann som fryser raskere - varmt eller kaldt? Et team av forskere ledet av Xi Zhang forklarte dette paradokset nettopp med egenskapene til vannet. Alle andre med skoledager Sammensetningen av vann er kjent - et oksygenatom og to hydrogenatomer. Oksygen trekker til en viss grad elektroner bort fra hydrogen, så molekylet er en viss type "magnet".

Som et resultat blir visse molekyler i vann litt tiltrukket av hverandre og forenes av en hydrogenbinding. Styrken er mange ganger lavere enn en kovalent binding. Singaporeanske forskere mener at forklaringen på Mpembas paradoks ligger nettopp i hydrogenbindinger. Hvis vannmolekyler er plassert veldig tett sammen, så kan en så sterk interaksjon mellom molekylene deformere den kovalente bindingen i midten av selve molekylet.

Men når vann varmes opp, beveger de bundne molekylene seg litt bort fra hverandre. Som et resultat oppstår avslapning av kovalente bindinger i midten av molekylene med frigjøring av overflødig energi og en overgang til en lavere energinivå. Dette fører til det faktum at varmt vann begynner å avkjøles raskt. Dette er i hvert fall hva teoretiske beregninger utført av singaporske forskere viser.

Umiddelbart frysende vann - 5 utrolige triks: Video

Det ser ut til at den gode gamle formelen H 2 O ikke inneholder noen hemmeligheter. Men faktisk er vann - kilden til liv og den mest kjente væsken i verden - full av mange mysterier som selv forskere noen ganger ikke klarer å løse.

Her er de 5 mest interessante fakta om vann:

1. Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann

La oss ta to beholdere med vann: hell varmt vann i den ene og kaldt vann i den andre, og sett dem i fryseren. Varmt vann vil fryse raskere enn kaldt vann, selv om kaldt vann ifølge tingenes logikk skulle ha blitt til is først: tross alt må varmt vann først avkjøles til den kalde temperaturen, og deretter bli til is, mens kaldt vann ikke må avkjøles. Hvorfor skjer dette?

I 1963 fryser Erasto B. Mpemba, en high school-elev i Tanzania, en iskremblanding og la merke til at den varme blandingen stivnet raskere i fryseren enn den kalde. Da den unge mannen delte oppdagelsen sin med fysiklæreren sin, lo han bare av ham. Heldigvis var studenten utholdende og overbeviste læreren om å gjennomføre et eksperiment, som bekreftet oppdagelsen hans: under visse forhold fryser varmt vann faktisk raskere enn kaldt vann.

Nå kalles dette fenomenet med varmt vann som fryser raskere enn kaldt vann "Mpemba-effekten." Sant nok, lenge før ham ble denne unike egenskapen til vann bemerket av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes.

Forskere forstår fortsatt ikke helt naturen til dette fenomenet, og forklarer det enten med forskjellen i superkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller ved effekten av flytende gasser på varmt og kaldt vann.

Merknad fra X.RU om emnet "Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann."

Siden spørsmålene om kjøling er nærmere oss, kjølespesialister, vil vi tillate oss å dykke litt dypere inn i essensen av dette problemet og gi to meninger om naturen til et så mystisk fenomen.

1. En vitenskapsmann fra University of Washington har foreslått en forklaring på et mystisk fenomen kjent siden Aristoteles tid: hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann.

Fenomenet, kalt Mpemba-effekten, er mye brukt i praksis. Eksperter anbefaler for eksempel bilister å helle kaldt, ikke varmt, vann i vaskereservoaret om vinteren. Men hva ligger bak dette fenomenet? i lang tid forble ukjent.

Dr. Jonathan Katz fra University of Washington studerte dette fenomenet og kom til den konklusjonen at stoffer oppløst i vann, som utfelles ved oppvarming, spiller en viktig rolle, melder EurekAlert.

Under oppløst stoffer dr. Katz refererer til kalsium- og magnesiumbikarbonater, som finnes i hardt vann. Når vannet varmes opp, faller disse stoffene ut og danner avleiringer på vannkokerens vegger. Vann som aldri har vært oppvarmet inneholder disse urenhetene. Når det fryser og det dannes iskrystaller, øker konsentrasjonen av urenheter i vannet 50 ganger. På grunn av dette synker frysepunktet til vannet. "Og nå må vannet avkjøles ytterligere for å fryse," forklarer Dr. Katz.

Det er en annen grunn som hindrer uoppvarmet vann fra å fryse. Å senke frysepunktet til vann reduserer temperaturforskjellen mellom fast og flytende fase. "Fordi hastigheten som vann taper varme avhenger av denne temperaturforskjellen, avkjøles vann som ikke er oppvarmet mindre godt," kommenterer Dr. Katz.

Ifølge forskeren kan teorien hans testes eksperimentelt, fordi Mpemba-effekten blir mer merkbar for hardere vann.

2. Oksygen pluss hydrogen pluss kulde lager is. Ved første øyekast virker dette gjennomsiktige stoffet veldig enkelt. I virkeligheten er is full av mange mysterier. Ice, skapt av afrikaneren Erasto Mpemba, tenkte ikke på berømmelse. Dagene var varme. Han ville fruktis. Han tok saftboksen og la den i fryseren. Han gjorde dette mer enn en gang og la derfor merke til at juicen fryser spesielt raskt hvis du først holder den i solen – den varmer den virkelig opp! Dette er merkelig, mente den tanzaniske skolegutten, som handlet i strid med verdslig visdom. Er det virkelig sant at for at væsken raskere skal bli til is, må den først... varmes opp? Den unge mannen ble så overrasket at han delte sin gjetning med læreren. Han rapporterte om denne nysgjerrigheten i pressen.

Denne historien skjedde tilbake på sekstitallet av forrige århundre. Nå er "Mpemba-effekten" godt kjent for forskere. Men i lang tid forble dette tilsynelatende enkle fenomenet et mysterium. Hvorfor fryser varmt vann raskere enn kaldt vann?

Det var ikke før i 1996 at fysiker David Auerbach fant en løsning. For å svare på dette spørsmålet utførte han et eksperiment i et helt år: han varmet opp vann i et glass og avkjølte det igjen. Så hva fant han ut? Ved oppvarming fordamper luftbobler oppløst i vann. Vann uten gasser fryser lettere fast på fartøyets vegger. "Selvfølgelig vil vann med høyt luftinnhold også fryse," sier Auerbach, "men ikke ved null grader Celsius, men bare ved minus fire til seks grader." Selvfølgelig må du vente lenger. Så, varmt vann fryser før kaldt vann, dette er et vitenskapelig faktum.

Det er knapt et stoff som dukker opp foran øynene våre med samme letthet som is. Den består kun av vannmolekyler - det vil si elementære molekyler som inneholder to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Imidlertid er is kanskje det mest mystiske stoffet i universet. Forskere har ennå ikke klart å forklare noen av egenskapene.

2. Superkjøling og "instant" frysing

Alle vet at vann alltid blir til is når det avkjøles til 0°C... bortsett fra i noen tilfeller! Et slikt tilfelle er for eksempel "superkjøling", som er en egenskap ved svært rent vann forbli flytende selv når den er avkjølt til under frysepunktet. Dette fenomenet er gjort mulig på grunn av det faktum at miljøet ikke inneholder sentre eller krystallisasjonskjerner som kan utløse dannelsen av iskrystaller. Så vann forblir i flytende form selv når det avkjøles til under null grader Celsius. Krystalliseringsprosessen kan utløses for eksempel av gassbobler, urenheter (forurensninger) eller en ujevn overflate på beholderen. Uten dem vil vannet forbli i flytende tilstand. Når krystalliseringsprosessen starter, kan du se det superkjølte vannet umiddelbart bli til is.

Se videoen (2 901 KB, 60 sek) fra Phil Medina (www.mrsciguy.com) og se selv >>

Kommentar. Overopphetet vann forblir også flytende selv når det varmes opp over kokepunktet.

3. "Glass" vann

Nevn raskt og uten å tenke på hvor mange forskjellige tilstander vann har?

Hvis du svarte tre (fast, flytende, gass), så tok du feil. Forskere identifiserer minst 5 forskjellige tilstander av flytende vann og 14 tilstander av is.

Husker du samtalen om superkjølt vann? Så uansett hva du gjør, ved -38 °C blir selv det reneste superkjølte vannet plutselig til is. Hva skjer med ytterligere nedgang?

temperatur? Ved -120 °C begynner det å skje noe merkelig med vann: det blir superviskøst eller viskøst, som melasse, og ved temperaturer under -135 °C blir det til "glassaktig" eller "glasaktig" vann - et fast stoff som mangler krystallinsk struktur .

4. Kvanteegenskaper til vann

På molekylært nivå er vann enda mer overraskende. I 1995 ga et nøytronspredningseksperiment utført av forskere et uventet resultat: fysikere oppdaget at nøytroner rettet mot vannmolekyler "ser" 25 % færre hydrogenprotoner enn forventet.

Det viste seg at med en hastighet på ett attosekund (10 -18 sekunder) skjer det en uvanlig kvanteeffekt, og den kjemiske formelen til vann, i stedet for den vanlige - H 2 O, blir H 1,5 O!

5. Har vann minne?

Homeopati, et alternativ til konvensjonell medisin, hevder at en fortynnet løsning legemiddel kan virke helbredende på kroppen, selv om fortynningsfaktoren er så høy at det ikke er noe igjen i løsningen bortsett fra vannmolekyler. Tilhengere av homeopati forklarer dette paradokset med et konsept kalt "vannminne", ifølge hvilket vann på molekylært nivå har et "minne" av stoffet når det er oppløst i det og beholder egenskapene til løsningen av den opprinnelige konsentrasjonen etter ikke en eneste molekylet av ingrediensen forblir i den.

En internasjonal gruppe forskere ledet av professor Madeleine Ennis fra Queen's University of Belfast, som kritiserte prinsippene for homeopati, gjennomførte et eksperiment i 2002 for å tilbakevise dette konseptet en gang for alle. Resultatet var det motsatte var i stand til å bevise virkeligheten av "vannminne"-effekten. Eksperimenter utført under tilsyn av uavhengige eksperter ga ingen resultater. Debatten om eksistensen av "vannminne"-fenomenet fortsetter.

Vann har mange andre uvanlige egenskaper som vi ikke snakket om i denne artikkelen.

Litteratur.

1. 5 Virkelig rare ting om vann / http://www.neatorama.com.
2. Vannets mysterium: teorien om Aristoteles-Mpemba-effekten ble opprettet / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Den livløse naturens hemmeligheter. Det mest mystiske stoffet i universet / http://www.bibliotekar.ru.

Mpemba-effekt(Mpembas paradoks) - et paradoks som sier at varmt vann under noen forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann i ferd med å fryse. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en mer oppvarmet kropp bruker lengre tid på å avkjøles til en viss temperatur under de samme forholdene enn en mindre oppvarmet kropp å avkjøles til samme temperatur.

Dette fenomenet ble lagt merke til en gang av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men det var først i 1963 at den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba oppdaget at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald.

Som elev ved Magambi High School i Tanzania gjorde Erasto Mpemba praktisk arbeid som kokk. Han trengte å lage hjemmelaget iskrem - kok opp melk, løs opp sukker i den, avkjøl den til romtemperatur og legg den deretter i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og forsinket å fullføre den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville klare seg innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til den gitte teknologien.

Etter dette eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med vanlig vann. I alle fall, allerede som student ved Mkwava Secondary School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (invitert av skoledirektøren til å holde et foredrag om fysikk for studentene) spesifikt om vann: «Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at i en av dem har vannet en temperatur på 35 °C, og i den andre - 100 °C, og sett dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor? Osborne ble interessert i denne utgaven, og snart, i 1969, publiserte han og Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet Physics Education. Siden den gang har effekten de oppdaget blitt kalt Mpemba-effekt.

Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer.

Paradokset med Mpemba-effekten er at tiden en kropp avkjøles til omgivelsestemperaturen skal være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og omgivelsene. Denne loven ble etablert av Newton og har siden blitt bekreftet mange ganger i praksis. I denne effekten avkjøles vann med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C raskere enn samme mengde vann med en temperatur på 35°C.

Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten kan forklares innenfor rammen av kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten:

Fordampning

Varmt vann fordamper raskere fra beholderen, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann ved samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C.

Fordampningseffekten er en dobbel effekt. For det første reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar.

Temperaturforskjell

På grunn av det faktum at temperaturforskjellen mellom varmt vann og kald luft er større, er derfor varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og varmtvannet avkjøles raskere.

Hypotermi

Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under noen forhold kan det gjennomgå superkjøling, og fortsette å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved en temperatur på –20 C.

Årsaken til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs det krystalldannelsessentre. Hvis de ikke er tilstede i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller begynner å dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere, og danner slush ice, som vil fryse til is.

Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det fjerner oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller.

Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? Ved kaldt vann som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og den kalde luften og vil hindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller vil i dette tilfellet være lavere. Når det gjelder varmt vann som er utsatt for underkjøling, har det underkjølte vannet ikke et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen.

Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is.

Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten.

Konveksjon

Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed varmetapet, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra.

Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget med vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved en temperatur på 4 C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av vannet i løpet av kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator og beskytte de nedre vannlagene, som forblir ved en temperatur på 4 C. Derfor vil videre kjøleprosess gå langsommere.

Når det gjelder varmt vann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. I tillegg er kaldtvannslag tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og heve varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen.

Men hvorfor når ikke denne prosessen et likevektspunkt? For å forklare Mpemba-effekten fra dette synspunktet til konveksjon, ville det være nødvendig å anta at de kalde og varme vannlagene er separert og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at den gjennomsnittlige vanntemperaturen faller under 4 C.

Imidlertid er det ingen eksperimentelle bevis som støtter denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles ved konveksjonsprosessen.

Gasser oppløst i vann

Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å redusere frysepunktet til vann. Når vann varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann er lavere ved høye temperaturer. Derfor, når varmt vann avkjøles, inneholder det alltid mindre oppløste gasser enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum.

Termisk ledningsevne

Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i fryseren i kjølerommet i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at en beholder med varmt vann smelter isen i fryseren under, og derved forbedrer termisk kontakt med fryserveggen og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra en beholder med varmt vann raskere enn fra en kald. På sin side smelter ikke en beholder med kaldt vann snøen under.

Alle disse (så vel som andre) tilstander ble studert i mange eksperimenter, men et entydig svar på spørsmålet – hvilken av dem som gir hundre prosent reproduksjon av Mpemba-effekten – ble aldri oppnådd.

For eksempel, i 1995, studerte den tyske fysikeren David Auerbach effekten av superkjølende vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en superkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når en superkjølt tilstand raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep.

I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann var i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gasser som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det.

Foreløpig kan bare én ting sies - reproduksjonen av denne effekten avhenger betydelig av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis.

O.V. Mosin

Litterærkilder:

"Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. Hvorfor gjør det det?", Jearl Walker i The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, s. 246-257; september, 1977.

"Frysingen av varmt og kaldt vann", G.S. Kell i American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, s. 564-565; mai, 1969.

"Superkjøling og Mpemba-effekten", David Auerbach, i American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, s. 882-885; oktober 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, i American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, s 524; mai, 1996.