ทำไมน้ำเย็นถึงแข็งตัวช้ากว่าน้ำร้อน? ผลกระทบของ Mpemba หรือเหตุใดน้ำร้อนจึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

น้ำ- เป็นสารที่ค่อนข้างง่ายจากมุมมองทางเคมี แต่มีคุณสมบัติที่ผิดปกติหลายประการที่ไม่เคยหยุดนิ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจ ด้านล่างนี้เป็นข้อเท็จจริงบางประการที่น้อยคนจะรู้

1. น้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน?

ให้เรานำน้ำสองภาชนะมาใส่: เทน้ำร้อนใส่อันหนึ่งและน้ำเย็นใส่อีกอันแล้วใส่ในช่องแช่แข็ง น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าตามตรรกะแล้ว น้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งก่อน หลังจากนั้น น้ำร้อนจะต้องทำให้เย็นลงเป็นอุณหภูมิเย็นก่อน แล้วจึงเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่น้ำเย็นไม่แข็งตัว จำเป็นต้องเย็น ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

ในปี 1963 นักเรียนชาวแทนซาเนียชื่อ Erasto B. Mpemba ขณะแช่แข็งส่วนผสมไอศกรีม สังเกตว่าส่วนผสมที่ร้อนจะแข็งตัวในช่องแช่แข็งได้เร็วกว่าส่วนผสมที่เย็น เมื่อชายหนุ่มแบ่งปันการค้นพบของเขากับครูฟิสิกส์ เขาก็เพียงหัวเราะเยาะเขาเท่านั้น โชคดีที่นักเรียนคนนั้นยืนหยัดและโน้มน้าวให้ครูทำการทดลอง ซึ่งยืนยันการค้นพบของเขา: ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนมันแข็งเร็วกว่าความเย็นจริงๆ

ตอนนี้ปรากฏการณ์น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็นนี้เรียกว่า “ เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา- จริงอยู่ ก่อนหน้าเขามานานแล้ว คุณสมบัติพิเศษของน้ำนี้ได้รับการกล่าวถึงโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรอเน เดการ์ต

นักวิทยาศาสตร์ยังคงไม่เข้าใจธรรมชาติของปรากฏการณ์นี้อย่างถ่องแท้ โดยอธิบายได้จากความแตกต่างในด้านความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือโดยผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำร้อนและน้ำเย็น

2.สามารถแช่แข็งได้ทันที

ทุกคนรู้เรื่องนี้ น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเสมอเมื่อเย็นลงถึง 0°C... โดยมีข้อยกเว้นบางประการ! ตัวอย่างเช่นกรณีดังกล่าวเป็นการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูลลิ่งซึ่งเป็นคุณสมบัติของอย่างมาก น้ำสะอาดยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าจะเย็นลงถึงจุดเยือกแข็งก็ตาม ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากสภาพแวดล้อมไม่มีศูนย์กลางหรือนิวเคลียสของการตกผลึกที่สามารถกระตุ้นให้เกิดผลึกน้ำแข็งได้ ดังนั้นน้ำจึงยังคงอยู่ในสถานะของเหลวแม้ว่าจะเย็นลงจนต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียสก็ตาม

กระบวนการตกผลึกอาจเกิดจากฟองก๊าซ สิ่งเจือปน (สารปนเปื้อน) หรือพื้นผิวภาชนะไม่เรียบ หากไม่มีพวกมัน น้ำก็จะคงอยู่ในสถานะของเหลว เมื่อกระบวนการตกผลึกเริ่มต้นขึ้น คุณสามารถชมน้ำเย็นจัดที่กลายเป็นน้ำแข็งได้ในทันที

โปรดทราบว่าน้ำที่ "ร้อนยวดยิ่ง" ยังคงเป็นของเหลวอยู่แม้ว่าจะได้รับความร้อนเหนือจุดเดือดก็ตาม

3. 19 สถานะของน้ำ

โดยไม่ลังเล บอกชื่อน้ำมีกี่สถานะ? ถ้าคุณตอบสามข้อ: ของแข็ง ของเหลว แก๊ส แสดงว่าคุณคิดผิด นักวิทยาศาสตร์แยกแยะสถานะของน้ำได้อย่างน้อย 5 สถานะในรูปของเหลว และ 14 สถานะในรูปแบบแช่แข็ง

จำบทสนทนาเกี่ยวกับน้ำเย็นจัดได้ไหม? ดังนั้นไม่ว่าคุณจะทำอะไร ที่อุณหภูมิ -38 °C แม้แต่น้ำที่เย็นจัดที่สุดที่บริสุทธิ์ที่สุดก็จะกลายเป็นน้ำแข็งทันที จะเกิดอะไรขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงอีก? ที่อุณหภูมิ -120 °C สิ่งแปลกประหลาดเริ่มเกิดขึ้นกับน้ำ น้ำจะมีความหนืดสูงมากหรือหนืด เช่น กากน้ำตาล และที่อุณหภูมิต่ำกว่า -135 °C น้ำจะกลายเป็นน้ำ "คล้ายแก้ว" หรือ "น้ำคล้ายแก้ว" ซึ่งเป็นสารของแข็งที่ไม่มีโครงสร้างผลึก .

4. น้ำทำให้นักฟิสิกส์ประหลาดใจ

ในระดับโมเลกุล น้ำเป็นสิ่งที่น่าประหลาดใจยิ่งกว่าเดิม ในปี 1995 การทดลองการกระเจิงนิวตรอนโดยนักวิทยาศาสตร์ให้ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด: นักฟิสิกส์ค้นพบว่านิวตรอนที่มุ่งเป้าไปที่โมเลกุลของน้ำ "เห็น" โปรตอนไฮโดรเจนน้อยกว่าที่คาดไว้ 25%

ปรากฎว่าที่ความเร็วหนึ่งอัตโตวินาที (10 -18 วินาที) จะเกิดเอฟเฟกต์ควอนตัมที่ผิดปกติและสูตรทางเคมีของน้ำแทน น้ำกลายเป็น H1.5O!

5. หน่วยความจำน้ำ

ทางเลือกแทนการแพทย์อย่างเป็นทางการ โฮมีโอพาธีย์ระบุว่าเป็นสารละลายเจือจาง ผลิตภัณฑ์ยาสามารถมีผลการรักษาต่อร่างกายได้แม้ว่าปัจจัยการเจือจางจะสูงจนไม่เหลืออะไรเลยในสารละลายยกเว้นโมเลกุลของน้ำ ผู้เสนอ homeopathy อธิบายความขัดแย้งนี้ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า " หน่วยความจำน้ำ“ตามที่น้ำในระดับโมเลกุลมี “ความทรงจำ” ของสารซึ่งครั้งหนึ่งเคยละลายอยู่ในน้ำและยังคงรักษาคุณสมบัติของสารละลายของความเข้มข้นดั้งเดิมไว้ หลังจากที่ไม่มีส่วนผสมเหลือโมเลกุลเดียวอยู่ในนั้น

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยศาสตราจารย์แมดเดอลีน เอนนิส แห่งมหาวิทยาลัยควีนส์แห่งเบลฟัสต์ ซึ่งวิพากษ์วิจารณ์หลักการของโฮมีโอพาธีย์ ได้ทำการทดลองในปี 2545 เพื่อหักล้างแนวคิดนี้ทันทีและตลอดไป ผลลัพธ์ก็ตรงกันข้าม หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ระบุว่าสามารถพิสูจน์ความเป็นจริงของผลกระทบได้” หน่วยความจำน้ำ- อย่างไรก็ตาม การทดลองที่ดำเนินการภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญอิสระไม่ได้ผลลัพธ์ ข้อพิพาทเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของปรากฏการณ์ " หน่วยความจำน้ำ"ดำเนินการต่อ.

น้ำมีคุณสมบัติที่ผิดปกติอื่นๆ อีกมากมายที่เราไม่ได้พูดถึงในบทความนี้ ตัวอย่างเช่น ความหนาแน่นของน้ำเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ (ความหนาแน่นของน้ำแข็งน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ) น้ำมีแรงตึงผิวค่อนข้างสูง ในสถานะของเหลว น้ำเป็นเครือข่ายของกลุ่มน้ำที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก และเป็นพฤติกรรมของกลุ่มน้ำที่ส่งผลต่อโครงสร้างของน้ำ เป็นต้น

เกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้และคุณสมบัติที่ไม่คาดคิดอื่น ๆ อีกมากมาย น้ำสามารถอ่านได้ในบทความ “ คุณสมบัติผิดปกติของน้ำ” ประพันธ์โดย Martin Chaplin ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยลอนดอน

ในบทความนี้ เราจะมาดูคำถามว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

น้ำอุ่นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นมาก! คุณสมบัติอันน่าอัศจรรย์ของน้ำซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถหาคำอธิบายที่แน่ชัดได้เป็นที่รู้จักมาตั้งแต่สมัยโบราณ ตัวอย่างเช่น แม้แต่ในอริสโตเติลก็มีคำอธิบายเกี่ยวกับการตกปลาในฤดูหนาว: ชาวประมงสอดคันเบ็ดเข้าไปในรูในน้ำแข็ง และเพื่อให้แข็งตัวเร็วขึ้น พวกเขาจึงเทน้ำอุ่นลงบนน้ำแข็ง ปรากฏการณ์นี้ตั้งชื่อตาม Erasto Mpemba ในช่วงทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 Mnemba สังเกตเห็นผลกระทบแปลกๆ ในขณะที่ทำไอศกรีม จึงหันไปหาดร. เดนิส ออสบอร์น ครูฟิสิกส์ของเขาเพื่อขอคำอธิบาย Mpemba และ Dr. Osborne ทดลองกับน้ำที่อุณหภูมิต่างกัน และสรุปว่าน้ำเกือบเดือดเริ่มแข็งตัวเร็วกว่าน้ำที่อุณหภูมิห้องมาก นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้ทำการทดลองของตนเองและแต่ละครั้งก็ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน

คำอธิบายของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

ไม่มีคำอธิบายที่เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเหตุใดจึงเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ นักวิจัยหลายคนแนะนำว่าจุดทั้งหมดอยู่ที่การทำให้ของเหลวเย็นลงเป็นพิเศษ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C น้ำที่เย็นยิ่งยวดอาจมีอุณหภูมิ เช่น -2°C และยังคงเป็นของเหลวโดยไม่กลายเป็นน้ำแข็ง เมื่อเราพยายามแช่แข็งน้ำเย็น มีโอกาสที่น้ำเย็นจัดในช่วงแรกและจะแข็งตัวหลังจากผ่านไประยะหนึ่งเท่านั้น กระบวนการอื่นๆ เกิดขึ้นในน้ำร้อน การเปลี่ยนรูปเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้นนั้นสัมพันธ์กับการพาความร้อน

การพาความร้อน- นี่คือปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ชั้นล่างที่อบอุ่นของของเหลวลอยขึ้น และชั้นบนที่เย็นลงตกลงมา

สวัสดีที่รักที่รัก ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ- วันนี้เราจะมาพูดเกี่ยวกับ. แต่ฉันคิดว่าคำถามที่ตั้งไว้ในชื่อเรื่องอาจดูไร้สาระ แต่เราควรเชื่อใจผู้ที่มีชื่อเสียงเสมอไป” สามัญสำนึก" แทนที่จะเป็นการทดสอบทดสอบที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ลองคิดดูว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์

ในประเด็นเรื่องการแช่แข็งน้ำเย็นและน้ำร้อนมีการกล่าวถึง "ไม่ใช่ทุกสิ่งที่บริสุทธิ์" ในงานของอริสโตเติล จากนั้น F. Bacon, R. Descartes และ J. Black ก็เขียนบันทึกที่คล้ายกัน ใน ประวัติศาสตร์สมัยใหม่เอฟเฟกต์นี้ได้รับการตั้งชื่อว่า "ความขัดแย้งของ Mpemba" - ตามชื่อ Erasto Mpemba เด็กนักเรียน Tanganyika ซึ่งถามคำถามเดียวกันกับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มาเยี่ยม

คำถามของเด็กชายไม่ได้เกิดขึ้นจากที่ไหนเลย แต่มาจากการสังเกตส่วนตัวล้วนๆ เกี่ยวกับกระบวนการทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงในห้องครัว แน่นอนว่าเพื่อนร่วมชั้นที่อยู่ที่นั่นร่วมกับครูในโรงเรียนทำให้ Mpemba หัวเราะ - อย่างไรก็ตามหลังจากการทดสอบทดลองโดยศาสตราจารย์ดี. ออสบอร์นเป็นการส่วนตัว ความปรารถนาที่จะสร้างความสนุกสนานให้กับ Erasto ก็ "ระเหย" ไปจากพวกเขา ยิ่งไปกว่านั้น Mpemba ร่วมกับศาสตราจารย์ได้ตีพิมพ์คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับผลกระทบนี้ในวิชาฟิสิกส์ศึกษาในปี 1969 และตั้งแต่นั้นมาชื่อที่กล่าวถึงข้างต้นก็ได้รับการแก้ไขในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์

สาระสำคัญของปรากฏการณ์คืออะไร?

การตั้งค่าของการทดลองค่อนข้างง่าย: มีการทดสอบสิ่งอื่นๆ ทั้งหมดที่มีขนาดเท่ากัน ภาชนะที่มีผนังบางเหมือนกัน โดยบรรจุน้ำในปริมาณที่เท่ากันอย่างเคร่งครัด โดยต่างกันเพียงอุณหภูมิเท่านั้น เรือจะถูกโหลดเข้าไปในตู้เย็นหลังจากนั้นจะบันทึกเวลาจนกระทั่งน้ำแข็งก่อตัวในแต่ละภาชนะ ข้อขัดแย้งก็คือในภาชนะที่มีของเหลวที่ร้อนกว่าในตอนแรก สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเร็วกว่า

ฟิสิกส์สมัยใหม่อธิบายเรื่องนี้อย่างไร?

ความขัดแย้งนี้ไม่มีคำอธิบายที่เป็นสากล เนื่องจากกระบวนการคู่ขนานหลายกระบวนการเกิดขึ้นพร้อมกัน ซึ่งการมีส่วนร่วมของกระบวนการนี้อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเริ่มต้นเฉพาะ - แต่ด้วยผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอ:

• ความสามารถของของเหลวในการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูล - ในตอนแรก น้ำเย็นมีแนวโน้มที่จะเกิดความเย็นยิ่งยวดมากกว่าเช่น ยังคงเป็นของเหลวเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งอยู่แล้ว
• การระบายความร้อนแบบเร่ง - ไอน้ำจากน้ำร้อนจะถูกเปลี่ยนเป็นไมโครคริสตัลน้ำแข็งซึ่งเมื่อถอยกลับจะเร่งกระบวนการโดยทำงานเป็น "ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก" เพิ่มเติม
• ผลของฉนวน - แตกต่างจากน้ำร้อนตรงที่น้ำเย็นแข็งตัวจากด้านบนซึ่งทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลงโดยการพาความร้อนและการแผ่รังสี

มีคำอธิบายอื่นๆ อีกหลายประการ (ครั้งสุดท้ายที่ Royal Society of Chemistry ของอังกฤษจัดการแข่งขันเพื่อชิงสมมติฐานที่ดีที่สุดคือเมื่อเร็วๆ นี้ในปี 2012) - แต่ก็ยังไม่มีทฤษฎีที่ชัดเจนสำหรับทุกกรณีของการรวมกันของเงื่อนไขอินพุต...

เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา(ความขัดแย้งของ Mpemba) - ความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางประการจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ โดยที่ภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดมากกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าเพื่อทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

อริสโตเติล, ฟรานซิส เบคอน และเรเน เดส์การตส์สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ในคราวเดียว แต่ในปี 1963 Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียค้นพบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าไอศกรีมเย็น

Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่ Magambi Secondary School ในประเทศแทนซาเนีย งานภาคปฏิบัติในการปรุงอาหาร เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด โดยต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น ปล่อยให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง แล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและล่าช้าในการทำส่วนแรกของงานให้เสร็จล่าช้า ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำธรรมดาด้วย ไม่ว่าในกรณีใด ในฐานะนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkwava เขาขอให้ศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์น จากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์ เอส ซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายเรื่องฟิสิกส์แก่นักเรียน) โดยเฉพาะเกี่ยวกับน้ำ: “ถ้าคุณเรียน ภาชนะสองใบที่เหมือนกันซึ่งมีปริมาณน้ำเท่ากัน โดยภาชนะใบหนึ่งมีอุณหภูมิ 35°C และอีกใบมีอุณหภูมิ 100°C แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง จากนั้นในวินาทีนั้นน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม ออสบอร์นเริ่มสนใจประเด็นนี้ และในไม่ช้า ในปี 1969 เขาและเอ็มเพมบาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของพวกเขาในวารสาร Physics Education ตั้งแต่นั้นมา ผลกระทบที่พวกเขาค้นพบก็ถูกเรียกว่า เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีหลายเวอร์ชันก็ตาม ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวที่มีต่อน้ำที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba คือช่วงเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิ สิ่งแวดล้อมจะต้องเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎนี้ก่อตั้งขึ้นโดยนิวตันและได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติหลายครั้งตั้งแต่นั้นมา ด้วยเหตุนี้ น้ำที่มีอุณหภูมิ 100°C จะเย็นลงถึงอุณหภูมิ 0°C เร็วกว่าน้ำที่มีอุณหภูมิ 35°C ในปริมาณเท่ากัน

อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากสามารถอธิบายเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ภายในกรอบของฟิสิกส์ที่รู้จัก ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายบางส่วนเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ จึงทำให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำน้อยลงที่อุณหภูมิเดียวกันก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนที่อุณหภูมิ 100 C จะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงเหลือ 0 C

ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองอุณหภูมิลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนจากเฟสน้ำไปเป็นเฟสไอน้ำลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากอุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่าง น้ำร้อนและมีอากาศเย็นมากขึ้น ดังนั้น การแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จะรุนแรงขึ้น และน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิต่ำ

เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่แข็งตัวเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ตัวเครื่องอาจผ่านการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูลลิ่ง โดยยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำสามารถยังคงเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ –20 C

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัว จำเป็นต้องมีจุดศูนย์กลางการก่อตัวของคริสตัล หากไม่มีอยู่ในน้ำของเหลว ซูเปอร์คูลลิ่งจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะก่อตัวได้เอง เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่มีความเย็นยิ่งยวด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น กลายเป็นน้ำแข็งโคลน ซึ่งจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนจะไวต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติมากที่สุดเนื่องจากการให้ความร้อนจะขจัดก๊าซและฟองที่ละลายน้ำ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งได้

เหตุใดภาวะอุณหภูมิต่ำจึงทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่ได้ทำความเย็นยิ่งยวดจะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ จะมีชั้นน้ำแข็งบางๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของภาชนะ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และป้องกันการระเหยออกไปอีก อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะลดลง ในกรณีของน้ำร้อนที่ต้องทำความเย็นแบบพิเศษ น้ำที่เย็นเป็นพิเศษนั้นจะไม่มีชั้นผิวป้องกันเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนได้เร็วกว่ามากเมื่อผ่านหลังคาแบบเปิด

เมื่อกระบวนการทำความเย็นยิ่งยวดสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะสูญเสียไปอย่างมาก และทำให้เกิดน้ำแข็งมากขึ้น

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิร่างกายลดลงเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง ส่งผลให้สูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติของความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 C ถ้าคุณทำให้น้ำเย็นลงถึง 4 C และตั้งไว้ที่อุณหภูมิต่ำลง ชั้นผิวน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4 C น้ำจึงยังคงอยู่บนพื้นผิวจนเกิดเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำภายในระยะเวลาอันสั้น แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันชั้นล่างของน้ำซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 C ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นต่อจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและ ความแตกต่างที่ใหญ่กว่าอุณหภูมิ นอกจากนี้ชั้นน้ำเย็นยังมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลง ทำให้ชั้นน้ำอุ่นลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่เหตุใดกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน จำเป็นต้องถือว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากที่อุณหภูมิของน้ำเฉลี่ยลดลงต่ำกว่า 4 C

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานเชิงทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกันโดยกระบวนการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากมีความสามารถในการละลายน้ำได้ อุณหภูมิสูงด้านล่าง. ดังนั้น เมื่อน้ำร้อนเย็นลง ก็จะมีก๊าซที่ละลายน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่อุ่นเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำร้อนจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น บางครั้งปัจจัยนี้ถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ยืนยันข้อเท็จจริงนี้ก็ตาม

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญในการใส่น้ำลงในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้สภาวะเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะบรรจุน้ำร้อนละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสความร้อนกับผนังช่องแช่แข็งและการนำความร้อน ส่งผลให้ความร้อนถูกดึงออกจากภาชนะน้ำร้อนได้เร็วกว่าภาชนะที่เย็น ในทางกลับกัน ภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ทำให้หิมะที่อยู่ด้านล่างละลาย

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงเงื่อนไขอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ไม่เคยได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามใดที่ให้การสร้างเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ร้อยเปอร์เซ็นต์

ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาผลกระทบของน้ำที่มีความเย็นยิ่งยวดต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนซึ่งมีอุณหภูมิเย็นจัดเป็นพิเศษ และแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และเร็วกว่าน้ำเย็นอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะเย็นยิ่งยวดเร็วกว่าน้ำร้อน จึงชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ที่ว่าน้ำร้อนสามารถให้ความเย็นยิ่งยวดได้มากขึ้นเนื่องจากมีศูนย์การตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อน ก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นจะถูกกำจัดออกไป และเมื่อถูกต้ม เกลือบางส่วนที่ละลายอยู่ในนั้นจะตกตะกอน

ในตอนนี้มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถระบุได้ - การสร้างเอฟเฟกต์นี้อย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลอง แม่นยำเพราะมันไม่ได้ทำซ้ำเสมอไป

โอ.วี. โมซิน

วรรณกรรมแหล่งที่มา:

"น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น เหตุใดจึงทำเช่นนั้น?" เจียร์ล วอล์คเกอร์ ใน The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237 เลขที่ 3, หน้า 246-257; กันยายน พ.ศ. 2520

"การแช่แข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", G.ส. เคลล์ใน American Journal of Physics, Vol. 37, เลขที่. 5, หน้า 564-565; พฤษภาคม 1969.

"Supercooling และเอฟเฟกต์ Mpemba", David Auerbach ใน American Journal of Physics, Vol. 63, เลขที่. 10, หน้า 882-885; ต.ค. 1995

"ผลกระทบของ Mpemba: เวลาเยือกแข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", Charles A. Knight, ใน American Journal of Physics, Vol. 64, เลขที่. 5, หน้า 524; พฤษภาคม 1996

มีหลายปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการที่น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น ร้อนหรือเย็น แต่คำถามนั้นดูแปลกไปเล็กน้อย ความหมายโดยนัยซึ่งทราบจากฟิสิกส์ก็คือ น้ำร้อนยังต้องใช้เวลาในการทำให้เย็นลงเมื่อเทียบกับอุณหภูมิของน้ำเย็นที่ถูกเปรียบเทียบเพื่อที่จะกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำเย็นสามารถข้ามขั้นตอนนี้ได้และด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้น

แต่คำตอบสำหรับคำถามที่ว่าน้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน - ข้างนอกในช่วงเย็นผู้อยู่อาศัยในละติจูดทางตอนเหนือรู้ดี ในความเป็นจริง ตามทางวิทยาศาสตร์ ปรากฎว่าไม่ว่าในกรณีใด น้ำเย็นมักจะแข็งตัวเร็วขึ้น

ครูฟิสิกส์ซึ่งได้รับการติดต่อจากเด็กนักเรียน Erasto Mpemba ในปี 1963 คิดเช่นเดียวกันกับการขอให้อธิบายว่าเหตุใดส่วนผสมเย็นของไอศกรีมในอนาคตจึงใช้เวลาในการแข็งตัวนานกว่าไอศกรีมที่คล้ายกัน แต่ร้อน

“นี่ไม่ใช่ฟิสิกส์สากล แต่เป็นฟิสิกส์ Mpemba บางประเภท”

ในเวลานั้นครูเพียงหัวเราะกับสิ่งนี้ แต่เดนิสออสบอร์นศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ซึ่งครั้งหนึ่งเคยไปเยี่ยมโรงเรียนเดียวกันกับที่ Erasto ศึกษาอยู่ยืนยันการทดลองแล้วว่ามีผลกระทบดังกล่าวแม้ว่าจะไม่มีคำอธิบายก็ตาม ในปี 1969 บทความร่วมกันของสองคนนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ยอดนิยมซึ่งบรรยายถึงผลกระทบที่แปลกประหลาดนี้

ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา คำถามที่ว่าน้ำใดที่แข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - มีชื่อของตัวเอง - เอฟเฟกต์ Mpemba หรือความขัดแย้ง

คำถามนี้มีมานานแล้ว

โดยธรรมชาติแล้วปรากฏการณ์ดังกล่าวเคยเกิดขึ้นมาก่อนและมีการกล่าวถึงในผลงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ไม่เพียงแต่เด็กนักเรียนเท่านั้นที่สนใจปัญหานี้ แต่ Rene Descartes และแม้แต่ Aristotle ก็คิดถึงเรื่องนี้ในคราวเดียวด้วย

แต่พวกเขาเริ่มมองหาแนวทางในการแก้ไขความขัดแย้งนี้เมื่อปลายศตวรรษที่ 20 เท่านั้น

เงื่อนไขที่ Paradox จะเกิดขึ้น

เช่นเดียวกับไอศกรีม ไม่ใช่แค่น้ำเปล่าเท่านั้นที่จะแข็งตัวในระหว่างการทดลอง ต้องมีเงื่อนไขบางประการเพื่อที่จะเริ่มโต้เถียงว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน อะไรมีอิทธิพลต่อกระบวนการนี้?

ในปัจจุบัน ในศตวรรษที่ 21 มีการเสนอทางเลือกหลายประการที่สามารถอธิบายความขัดแย้งนี้ได้ น้ำแบบไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า ร้อนหรือเย็น อาจขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่ามีอัตราการระเหยสูงกว่าน้ำเย็น ดังนั้น ปริมาตรจึงลดลง และเมื่อปริมาตรลดลง ระยะเวลาการแช่แข็งจะสั้นลงกว่าถ้าเราใช้น้ำเย็นที่มีปริมาตรเริ่มแรกเท่าเดิม

คุณละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งมานานแล้ว

น้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่าและเหตุใดจึงเกิดขึ้นอาจได้รับอิทธิพลจากชั้นหิมะที่อาจมีอยู่ในช่องแช่แข็งของตู้เย็นที่ใช้ในการทดลอง หากคุณนำภาชนะสองใบที่มีปริมาตรเท่ากัน แต่ภาชนะหนึ่งมีน้ำร้อนและอีกภาชนะเย็น ภาชนะที่มีน้ำร้อนจะทำให้หิมะละลายอยู่ข้างใต้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสระดับความร้อนกับผนังตู้เย็น ภาชนะใส่น้ำเย็นไม่สามารถทำได้ หากไม่มีหิมะในช่องตู้เย็น น้ำเย็นควรจะแข็งเร็วขึ้น

บน-ล่าง

นอกจากนี้ ปรากฏการณ์ที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - อธิบายได้ดังนี้ ตามกฎหมายบางประการ น้ำเย็นจะเริ่มแข็งตัวจากชั้นบน เมื่อน้ำร้อนทำสิ่งที่ตรงกันข้าม - จะเริ่มแข็งตัวจากล่างขึ้นบน ปรากฎว่าน้ำเย็นซึ่งมีชั้นเย็นอยู่ด้านบนโดยมีน้ำแข็งก่อตัวอยู่แล้วทำให้กระบวนการพาความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนแย่ลงจึงอธิบายว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน มีการแนบภาพถ่ายจากการทดลองสมัครเล่นมาด้วย ซึ่งมองเห็นได้ชัดเจนที่นี่

ความร้อนออกไปพุ่งขึ้นด้านบนและไปบรรจบกับชั้นที่เย็นมาก ไม่มีเส้นทางอิสระสำหรับการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นจึงทำได้ยาก น้ำร้อนไม่มีอุปสรรคขวางทางอย่างแน่นอน ซึ่งค้างเร็วกว่า - เย็นหรือร้อนซึ่งขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ คุณสามารถขยายคำตอบโดยบอกว่าน้ำใด ๆ ที่มีสารบางชนิดละลายอยู่ในนั้น

สิ่งเจือปนในน้ำเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อผลลัพธ์

หากคุณไม่โกงและใช้น้ำที่มีส่วนประกอบเหมือนกันซึ่งมีความเข้มข้นของสารบางชนิดเท่ากัน น้ำเย็นก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น แต่หากเกิดสถานการณ์เมื่อเลิกกิจการแล้ว องค์ประกอบทางเคมีมีเฉพาะในน้ำร้อนเท่านั้นและน้ำเย็นไม่มีดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ที่น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าสารที่ละลายในน้ำจะสร้างจุดศูนย์กลางการตกผลึก และด้วยจุดศูนย์กลางเหล่านี้จำนวนไม่มาก การเปลี่ยนน้ำให้เป็นสถานะของแข็งจึงเป็นเรื่องยาก อาจเป็นไปได้ด้วยซ้ำว่าน้ำจะถูกทำให้เย็นลงเป็นพิเศษ ในแง่ที่ว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ น้ำจะอยู่ในสถานะของเหลว

แต่เห็นได้ชัดว่าเวอร์ชันเหล่านี้ไม่เหมาะกับนักวิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์และพวกเขายังคงดำเนินการในประเด็นนี้ต่อไป ในปี 2013 ทีมนักวิจัยในสิงคโปร์กล่าวว่าพวกเขาได้ไขปริศนาอันเก่าแก่ได้

นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนกลุ่มหนึ่งอ้างว่าความลับของผลกระทบนี้อยู่ที่ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ระหว่างโมเลกุลของน้ำในพันธะของมัน เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

คำตอบจากนักวิทยาศาสตร์ชาวจีน

ต่อไปนี้เป็นข้อมูลเพื่อทำความเข้าใจว่าคุณต้องมีความรู้ด้านเคมีอะไรบ้างเพื่อที่จะเข้าใจว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วกว่า - ร้อนหรือเย็น ดังที่ทราบกันดีว่าประกอบด้วยอะตอม H (ไฮโดรเจน) สองอะตอมและอะตอม O (ออกซิเจน) หนึ่งอะตอมซึ่งยึดติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์

แต่อะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลหนึ่งก็ถูกดึงดูดไปยังโมเลกุลข้างเคียงกับส่วนประกอบออกซิเจนด้วย พันธะเหล่านี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

เป็นที่น่าจดจำว่าในเวลาเดียวกันโมเลกุลของน้ำก็มีผลที่น่ารังเกียจต่อกัน นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าเมื่อน้ำร้อน ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของมันจะเพิ่มขึ้น และสิ่งนี้จะอำนวยความสะดวกด้วยแรงผลัก ปรากฎว่าเมื่ออยู่ในระยะห่างเท่ากันระหว่างโมเลกุลในสภาวะเย็น พวกมันสามารถยืดออกได้และมีพลังงานมากขึ้น มันเป็นพลังงานสำรองที่ปล่อยออกมาเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มเคลื่อนที่เข้ามาใกล้กันนั่นคือการระบายความร้อนเกิดขึ้น ปรากฎว่าพลังงานสำรองที่มากขึ้นในน้ำร้อน และการปลดปล่อยพลังงานที่มากขึ้นเมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์นั้น เกิดขึ้นเร็วกว่าในน้ำเย็น ซึ่งมีพลังงานสำรองน้อยกว่า แล้วน้ำไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน? บนถนนและในห้องปฏิบัติการ ความขัดแย้งของ Mpemba ควรเกิดขึ้น และน้ำร้อนควรกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น

แต่คำถามยังคงเปิดอยู่

มีเพียงการยืนยันทางทฤษฎีของวิธีแก้ปัญหานี้ - ทั้งหมดนี้เขียนด้วยสูตรที่สวยงามและดูเป็นไปได้ แต่เมื่อนำข้อมูลการทดลองที่ทำให้น้ำเย็นเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - ถูกนำมาใช้จริงและนำเสนอผลลัพธ์ คำถามเกี่ยวกับความขัดแย้งของ Mpemba ก็ถือว่าปิดได้