Zašto se led iz kipuće vode brže smrzava. Video: koja se voda brže smrzava - topla ili hladna

Voda je jedna od najčudesnijih tekućina na svijetu, koja ima neobična svojstva. Na primjer, led kruto stanje tekućina, ima specifična gravitacija niže od same vode, što je umnogome omogućilo nastanak i razvoj života na Zemlji. Osim toga, u gotovo znanstvenom, i znanstveni svijet postoje rasprave o tome koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Tko dokaže brže smrzavanje vruće tekućine pod određenim uvjetima i znanstveno potkrijepi svoju odluku, dobit će nagradu od 1000 funti od britanskog Kraljevskog društva kemičara.

Pozadina

To pod određenim uvjetima Vruća voda po brzini smrzavanja ispred je hladne, uočeno je još u srednjem vijeku. Francis Bacon i René Descartes uložili su mnogo truda u objašnjenje ovog fenomena. Međutim, sa stajališta klasične toplinske tehnike ovaj se paradoks ne može objasniti i oni su ga pokušali sramežljivo zašutjeti. Poticaj za nastavak spora bila je pomalo neobična priča koja se dogodila tanzanijskom školarcu Erastu Mpembi (Erasto Mpemba) 1963. godine. Jednom, na satu spravljanja slastica u školi kuhanja, dječak, zauzet drugim stvarima, nije stigao na vrijeme ohladiti smjesu za sladoled i staviti otopinu šećera u vrućem mlijeku u zamrzivač. Na njegovo iznenađenje, proizvod se ohladio nešto brže od proizvoda njegovih kolega praktikanata koji su promatrali temperaturni režim priprema sladoleda.

Pokušavajući shvatiti bit fenomena, dječak se obratio učitelju fizike, koji je, ne ulazeći u detalje, ismijavao njegove kulinarske eksperimente. Međutim, Erasto se odlikovao zavidnom upornošću i nastavio svoje eksperimente više ne na mlijeku, već na vodi. Uvjerio se da se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.

Ulaskom na Sveučilište u Dar es Salaamu, Erasto Mpembe je pohađao predavanje profesora Dennisa G. Osbornea. Nakon diplome, student je zbunio znanstvenika problemom brzine smrzavanja vode ovisno o njezinoj temperaturi. D.G. Osborne je ismijao samo postavljanje pitanja, s aplombom konstatirajući da svaki gubitnik to zna hladna voda brže se smrzava. Međutim, osjetila se prirodna upornost mladića. Kladio se s profesorom, ponudivši mu da provede eksperimentalno ispitivanje ovdje, u laboratoriju. Erasto je stavio dvije posude s vodom u zamrzivač, jednu na 95°F (35°C), a drugu na 212°F (100°C). Kakvo je bilo iznenađenje profesora i okolnih "navijača" kada se voda u drugoj posudi brže smrznula. Od tada se ovaj fenomen naziva "Mpemba Paradoks".

Međutim, do danas ne postoji koherentna teorijska hipoteza koja objašnjava "Mpemba paradoks". Nije jasno koji vanjski čimbenici kemijski sastav voda, prisutnost otopljenih plinova i minerala u njoj utječe na brzinu smrzavanja tekućina koje su na različite temperature. Paradoksalnost "Mpemba efekta" je u tome što je u suprotnosti s jednim od zakona koje je otkrio I. Newton, a koji kaže da je vrijeme hlađenja vode izravno proporcionalno razlici temperature između tekućine i okoliš. I ako su sve druge tekućine potpuno podložne ovom zakonu, onda je voda u nekim slučajevima iznimka.

Zašto se topla voda brže smrzava?t

Postoji nekoliko verzija zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Glavni su:

• topla voda brže isparava, dok se njen volumen smanjuje, a manji volumen tekućine se brže hladi - kada se voda ohladi sa + 100 ° C na 0 ° S, gubici volumena tijekom atmosferski pritisak dosegnuti 15%;
• intenzitet izmjene topline između tekućine i okoline je veći, što je razlika u temperaturi veća, pa gubitak topline kipuće vode brže prolazi;
• kada se vruća voda hladi, na površini se formira ledena kora koja sprječava potpuno smrzavanje i isparavanje tekućine;
• pri visokoj temperaturi vode dolazi do njenog konvekcijskog miješanja, smanjujući vrijeme smrzavanja;
• plinovi otopljeni u vodi snižavaju točku ledišta, uzimajući energiju za stvaranje kristala - u vrućoj vodi nema otopljenih plinova.

Svi ovi uvjeti podvrgnuti su ponovljenoj eksperimentalnoj provjeri. Konkretno, njemački znanstvenik David Auerbach otkrio je da je temperatura kristalizacije vruće vode nešto viša od one hladne vode, što omogućuje brže zamrzavanje prve. Međutim, kasnije su njegovi eksperimenti bili kritizirani i mnogi su znanstvenici uvjereni da se “Mpemba efekt” o kojem se voda brže smrzava - topla ili hladna, može reproducirati samo pod određenim uvjetima, što do sada nitko nije tražio i konkretizirao.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandar Firtsev

« Koja se voda brže smrzava hladna ili topla?”- pokušajte postaviti pitanje svojim prijateljima, vjerojatno će većina njih odgovoriti da se hladna voda brže smrzava - i pogriješiti.

Naime, ako u zamrzivač istovremeno stavite dvije posude istog oblika i volumena, od kojih će jedna biti hladna voda, a druga topla, tada će se topla voda brže smrznuti.

Takva se izjava može činiti apsurdnom i nerazumnom. Logično, topla voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a hladna bi se već tada trebala pretvoriti u led.

Pa zašto topla voda prestiže hladnu na svom putu do smrzavanja? Pokušajmo to shvatiti.

Povijest opažanja i istraživanja

Ljudi su primijetili paradoksalan učinak od davnina, ali nitko ga nije dao poseban značaj. Tako su Arestotel, kao i Rene Descartes i Francis Bacon u svojim bilješkama primijetili nedosljednosti u brzini smrzavanja hladne i tople vode. neobičan fenomenčesto se očituje u svakodnevnom životu.

Dugo vremena fenomen nije proučavan ni na koji način i nije izazvao veliki interes među znanstvenicima.

Proučavanje neobičnog učinka počelo je 1963. godine, kada je radoznali student iz Tanzanije, Erasto Mpemba, primijetio da se vruće mlijeko za sladoled smrzava brže od hladnog. U nadi da će dobiti objašnjenje razloga neobičnog učinka, mladić je pitao svog profesora fizike u školi. Međutim, učiteljica mu se samo nasmijala.

Kasnije je Mpemba ponovio eksperiment, ali u svom eksperimentu više nije koristio mlijeko, već vodu, te se paradoksalni učinak opet ponovio.

Šest godina kasnije, 1969., Mpemba je ovo pitanje postavio profesoru fizike Dennisu Osborneu, koji je došao u njegovu školu. Profesor je bio zainteresiran za promatranje mladića, kao rezultat toga, proveden je eksperiment koji je potvrdio prisutnost učinka, ali razlozi za ovaj fenomen nisu utvrđeni.

Od tada se taj fenomen naziva Mpemba učinak.

Kroz povijest znanstvenih promatranja iznesene su mnoge hipoteze o uzrocima pojave.

Tako će 2012. godine Britansko kraljevsko kemijsko društvo objaviti natječaj hipoteza za objašnjenje efekta Mpemba. U natjecanju su sudjelovali znanstvenici iz cijeloga svijeta, ukupno ih je bilo prijavljeno 22.000 znanstveni radovi. Unatoč tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio Mpemba paradoks.

Najčešća je bila verzija prema kojoj se topla voda brže smrzava, jer jednostavno brže isparava, smanjuje joj se volumen, a kako se volumen smanjuje, povećava se njezina brzina hlađenja. Najčešća verzija je na kraju opovrgnuta, jer je proveden eksperiment u kojem je isključeno isparavanje, ali je učinak ipak potvrđen.

Drugi su znanstvenici vjerovali da je razlog Mpemba efekta isparavanje plinova otopljenih u vodi. Po njihovom mišljenju, tijekom procesa zagrijavanja plinovi otopljeni u vodi isparavaju, zbog čega ona dobiva veću gustoću od hladne vode. Kao što je poznato, povećanje gustoće dovodi do promjene fizička svojstva vode (povećanje toplinske vodljivosti), a time i povećanje brzine hlađenja.

Osim toga, iznesene su brojne hipoteze koje opisuju brzinu cirkulacije vode kao funkciju temperature. U mnogim istraživanjima pokušao se utvrditi odnos između materijala posuda u kojima se tekućina nalazila. Mnoge su se teorije činile vrlo uvjerljivima, ali se nisu mogle znanstveno potvrditi zbog nedostatka početnih podataka, proturječja u drugim eksperimentima ili zbog činjenice da identificirani čimbenici jednostavno nisu bili usporedivi s brzinom hlađenja vode. Neki su znanstvenici u svojim radovima doveli u pitanje postojanje efekta.

Godine 2013. istraživači iz Tehnološko sveučilište Nanyang iz Singapura tvrdio je da je riješio misterij Mpemba efekta. Prema njihovoj studiji, razlog fenomena leži u činjenici da se količina energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula hladne i tople vode značajno razlikuje.

Metode računalne simulacije pokazale su sljedeće rezultate: što je viša temperatura vode, to je veći razmak između molekula zbog činjenice da se odbojne sile povećavaju. I posljedično, vodikove veze molekula rastežu se, pohranjujući velika količina energije. Kada se ohlade, molekule se počinju približavati jedna drugoj, oslobađajući energiju iz vodikovih veza. U ovom slučaju oslobađanje energije prati smanjenje temperature.

U listopadu 2017. godine španjolski fizičari su tijekom još jedne studije otkrili da veliku ulogu u nastanku efekta igra uklanjanje materije iz ravnoteže (jako zagrijavanje prije jakog hlađenja). Odredili su uvjete pod kojima je vjerojatnost učinka maksimalna. Osim toga, znanstvenici iz Španjolske potvrdili su postojanje obrnutog efekta Mpemba. Otkrili su da kada se zagrije, hladniji uzorak može postići visoku temperaturu brže od toplog.

Unatoč iscrpnim informacijama i brojnim eksperimentima, znanstvenici namjeravaju nastaviti proučavati učinak.

Mpemba efekt u stvarnom životu

Jeste li se ikada zapitali zašto zimsko vrijeme klizalište je poplavljeno Vruća voda a nije hladno? Kao što ste već shvatili, oni to rade jer će se klizalište ispunjeno vrućom vodom brže smrznuti nego da je napunjeno hladnom vodom. Iz istog razloga se tobogani u zimskim ledenim gradovima polijevaju vrućom vodom.

Dakle, znanje o postojanju fenomena omogućuje ljudima da uštede vrijeme pri pripremi mjesta za zimske sportove.

Osim toga, Mpemba efekt se ponekad koristi u industriji - za smanjenje vremena smrzavanja proizvoda, tvari i materijala koji sadrže vodu.

Mpemba učinak(Mpemba paradox) - paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uvjetima smrzava brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama prema kojima, pod istim uvjetima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.

Ovu su pojavu svojedobno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, no tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća smjesa za sladoled smrzava brže od hladne.

Kao student Magamba Srednja škola u Tanzaniji je to učinio Erasto Mpemba praktični rad u kulinarstvu. Morao je napraviti domaći sladoled - skuhati mlijeko, otopiti u njemu šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadaće. U strahu da neće stići na vrijeme do kraja sata, još vruće mlijeko stavio je u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema zadanoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik Gimnazije Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar es Salaamu (pozvan od ravnatelja škole da učenicima održi predavanje iz fizike) o vodi: "Ako uzmete dvije identične posude sa jednakih volumena vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, au drugoj će se voda brže smrznuti. Zašto?" Osborne se zainteresirao za to pitanje i ubrzo, 1969. godine, zajedno s Mpembom, objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba učinak.

Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature.

Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tijekom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno razlici temperature između tog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U istom se učinku voda na 100°C hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.

Međutim, to još ne implicira paradoks, budući da se Mpemba efekt može objasniti i unutar poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za Mpemba učinak:

Isparavanje

Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manja količina vode iste temperature se brže smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.

Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u parnu fazu.

temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.

hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uvjetima, može se podvrgnuti superhlađenju dok ostaje u tekućem stanju na temperaturama ispod točke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na -20 C.

Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli stvarati. Ako nisu u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano stvarati. Kada se počnu stvarati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, tvoreći ledenu bljuzgavicu koja će se zamrznuti i stvoriti led.

Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda.

Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladna voda, koji nije prehlađen, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda djelovat će kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju tople vode koja se pothlađuje, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh.

Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.

Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.

Konvekcija

Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo.

Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima najveću gustoću na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na 4°C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim će se uvjetima na površini vode kratkotrajno stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , daljnji proces hlađenja bit će sporiji.

Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže ohladiti zbog isparavanja i veća razlika temperature. Također, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature.

Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon Prosječna temperatura voda padne ispod 4 C.

Međutim, nema eksperimentalnih dokaza koji bi poduprli ovu hipotezu da su hladni i vrući slojevi vode odvojeni konvekcijom.

plinovi otopljeni u vodi

Voda uvijek sadrži u sebi otopljene plinove – kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi manja. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju ovu činjenicu.

Toplinska vodljivost

Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda u malim posudama stavlja u zamrzivač hladnjaka. Pod tim uvjetima, primijećeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude tople vode nego iz posude za hladnu vodu. Zauzvrat, posuda s hladnom vodom ne topi snijeg ispod nje.

Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.

Tako je, primjerice, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj superhlađenja vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati proturječili su ranijim podacima da vruća voda može postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke u njoj otopljene soli.

Zasad se može ustvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.

O. V. Mosin

Literarniizvori:

"Vruća voda smrzava se brže od hladne vode. Zašto se to čini?", Jearl Walker u The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, br. 3, str. 246-257; rujna 1977.

"Smrzavanje tople i hladne vode", G.S. Kell u American Journal of Physics, sv. 37, br. 5, str. 564-565; svibnja 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, u American Journal of Physics, Vol. 63, br. 10, str. 882-885; listopada 1995.

"Mpemba efekt: Vrijeme smrzavanja tople i hladne vode", Charles A. Knight, u American Journal of Physics, Vol. 64, br. 5, str. 524; svibnja 1996.

U dobroj staroj formuli H 2 O, čini se, nema tajni. No zapravo, voda - izvor života i najpoznatija tekućina na svijetu - prepuna je mnogih misterija koje ponekad čak ni znanstvenici ne mogu riješiti.

Evo 5 najviše Zanimljivosti o vodi:

1. Topla voda se smrzava brže od hladne vode

Uzmite dvije posude s vodom: u jednu ulijte vruću vodu, au drugu hladnu i stavite ih u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne vode, iako je logično, hladna voda trebala prvo postati led: na kraju krajeva, vruća voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a zatim pretvoriti u led, dok se hladna voda ne mora ohladiti. Zašto se ovo događa?

Godine 1963. Erasto B. Mpemba, učenik višeg razreda srednje škole u Tanzaniji, dok je zamrzavao pripremljenu smjesu za sladoled, primijetio je da se vruća smjesa brže skrućuje u zamrzivaču nego hladna. Kada je mladić svoje otkriće podijelio s profesorom fizike, ovaj mu se samo nasmijao. Srećom, učenik je bio uporan i uvjerio učitelja da provede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima topla voda zaista se smrzava brže od hladne.

Sada se ovaj fenomen da se topla voda smrzava brže od hladne vode naziva Mpemba efekt. Istina, davno prije njega ovo jedinstveno svojstvo vode primijetili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.

Znanstvenici ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u hipotermiji, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili učinku ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.

Bilješka H.RU na temu "Vruća voda se smrzava brže od hladne vode".

Budući da je tema hlađenja bliža nama, hladnjačarima, dopustit ćemo si dublje ući u bit ovog problema i dati dva mišljenja o prirodi takvog misteriozni fenomen.

1. Znanstvenik sa Sveučilišta u Washingtonu ponudio je objašnjenje za misteriozni fenomen poznat još od vremena Aristotela: zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Fenomen, nazvan Mpemba efekt, naširoko se koristi u praksi. Na primjer, stručnjaci savjetuju vozačima da zimi u spremnik perilice toče hladnu, a ne toplu vodu. Ali što je u pozadini ovog fenomena? dugo vremena ostao nepoznat.

Dr. Jonathan Katz sa Sveučilišta Washington istraživao je ovaj fenomen i zaključio da važna uloga igraju ga tvari otopljene u vodi, koje se zagrijavanjem talože, navodi EurekAlert.

Pod otopljenim tvari dr Katz se odnosi na kalcijeve i magnezijeve bikarbonate koji se nalaze u tvrdoj vodi. Kada se voda zagrije, te se tvari talože, stvarajući kamenac na stijenkama kuhala za vodu. Voda koja se nikada nije zagrijavala sadrži te nečistoće. Kako se smrzava i stvaraju se kristali leda, koncentracija nečistoća u vodi povećava se 50 puta. Time se snižava točka smrzavanja vode. "A sada se voda mora ohladiti kako bi se smrznula", objašnjava dr. Katz.

Postoji i drugi razlog koji sprječava smrzavanje nezagrijane vode. Snižavanje točke ledišta vode smanjuje temperaturnu razliku između krute i tekuće faze. "Budući da brzina kojom voda gubi toplinu ovisi o ovoj temperaturnoj razlici, manja je vjerojatnost da će se voda koja nije grijana ohladiti", kaže dr. Katz.

Prema znanstveniku, njegova teorija može se testirati eksperimentalno, jer. efekt Mpemba postaje izraženiji za tvrđu vodu.

2. Kisik plus vodik plus hladnoća stvaraju led. Na prvi pogled ova prozirna tvar djeluje vrlo jednostavno. Zapravo, led je prepun mnogih misterija. Led koji je stvorio Afrikanac Erasto Mpemba nije razmišljao o slavi. Dani su bili vrući. On je htio voćni led. Uzeo je tetrapak soka i stavio ga u zamrzivač. To je učinio više puta i stoga je primijetio da se sok posebno brzo smrzava, ako ga prije toga držite na suncu - samo ga zagrijte! To je čudno, pomislio je tanzanijski školarac koji je postupio suprotno svjetovnoj mudrosti. Da li je moguće da se tekućina brže pretvara u led mora prvo ... biti zagrijana? Mladić je bio toliko iznenađen da je svoju pretpostavku ispričao učitelju. Ovu je zanimljivost izvijestio u tisku.

Ova se priča dogodila davnih šezdesetih godina prošlog stoljeća. Sada je "Mpemba efekt" dobro poznat znanstvenicima. Ali dugo je ovaj naizgled jednostavan fenomen ostao misterij. Zašto se topla voda smrzava brže od hladne?

Tek je 1996. godine fizičar David Auerbach pronašao rješenje. Kako bi odgovorio na to pitanje, provodio je pokus cijelu godinu: zagrijavao je vodu u čaši i ponovno je hladio. Pa što je otkrio? Prilikom zagrijavanja mjehurići zraka otopljeni u vodi isparavaju. Voda lišena plinova lakše se smrzava na stijenkama posude. "Naravno, voda s visokim sadržajem zraka također će se smrznuti", kaže Auerbach, "ali ne na nula Celzijevih stupnjeva, već samo na minus četiri do šest stupnjeva." Naravno, morat ćete čekati duže. Dakle, topla voda se smrzava prije hladne vode, to je znanstvena činjenica.

Teško da postoji tvar koja bi se pojavila pred našim očima s istom lakoćom kao led. Sastoji se samo od molekula vode - odnosno elementarnih molekula koje sadrže dva atoma vodika i jedan atom kisika. Međutim, led je možda najmisterioznija tvar u svemiru. Neka njegova svojstva znanstvenici dosad nisu uspjeli objasniti.

2. Superhlađenje i "flash" zamrzavanje

Svi znaju da se voda uvijek pretvara u led kada se ohladi na 0 °C... osim u nekim slučajevima! Takav slučaj je, na primjer, "superhlađenje", koje je svojstvo vrlo čista voda ostaju tekući čak i kada su ohlađeni ispod ledišta. Ovaj fenomen postaje moguć zbog činjenice da okolina ne sadrži kristalizacijske centre ili jezgre koje bi mogle izazvati stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tekućem obliku, čak i kada se ohladi na temperature ispod nula stupnjeva Celzijusa. Proces kristalizacije mogu potaknuti, na primjer, mjehurići plina, nečistoće (onečišćenje), neravna površina spremnika. Bez njih će voda ostati u tekućem stanju. Kada započne proces kristalizacije, možete vidjeti kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.

Pogledajte video (2 901 Kb, 60 c) Phila Medine (www.mrsciguy.com) i uvjerite se sami >>

Komentar. Pregrijana voda također ostaje tekuća čak i kada se zagrije iznad točke vrenja.

3. "Staklena" voda

Brzo i bez oklijevanja navedite koliko različitih stanja ima voda?

Ako ste odgovorili na tri (krutina, tekućina, plin), tada niste u pravu. Znanstvenici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tekućem obliku i 14 stanja leda.

Sjećate li se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, bez obzira što radite, na -38 °C, čak i najčišća super ohlađena voda odjednom se pretvara u led. Što se događa s daljnjim smanjenjem

temperatura? Na -120 °C s vodom se počinje događati nešto čudno: ona postaje superviskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama nižim od -135 °C prelazi u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrsta, kojoj nedostaje kristalna struktura.

4. Kvantna svojstva vode

Na molekularnoj razini, voda je još nevjerojatnija. Godine 1995. eksperiment raspršivanja neutrona koji su proveli znanstvenici dao je neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje protona vodika nego što se očekivalo.

Pokazalo se da pri brzini od jedne atosekunde (10 -18 sekundi) dolazi do neobičnog kvantnog efekta, te kemijska formula vode umjesto uobičajene - H 2 O, postaje H 1,5 O!

5. Ima li voda memoriju?

Homeopatija, alternativa konvencionalnoj medicini, tvrdi da je razrijeđena otopina medicinski proizvod može imati terapeutski učinak na tijelo, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko velik da u otopini nije ostalo ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije ovaj paradoks objašnjavaju konceptom zvanim "pamćenje vode", prema kojem voda na molekularnoj razini ima "sjećanje" na tvar koja je jednom u njoj otopljena i zadržava svojstva otopine izvorne koncentracije nakon što se ne otopi jedna molekula sastojka ostaje u njemu.

Međunarodni tim znanstvenika predvođen profesoricom Madeleine Ennis sa Sveučilišta Queen's u Belfastu, koji je kritizirao principe homeopatije, proveo je 2002. eksperiment kako bi opovrgao ovaj koncept jednom zauvijek. Rezultat je bio suprotan. Nakon čega su znanstvenici rekli da uspjeli su dokazati stvarnost učinka "pamćenja vode". Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom neovisni stručnjaci, nije donio rezultate. Sporovi o postojanju fenomena "pamćenja vode" se nastavljaju.

Voda ima mnogo drugih neobična svojstva koje nismo obradili u ovom članku.

Književnost.

1. 5 stvarno čudnih stvari o vodi / http://www.neatorama.com.
2. Misterij vode: stvorena je teorija Aristotel-Mpemba efekta / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. tajne nežive prirode. Najmisterioznija tvar u svemiru / http://www.bibliotekar.ru.

Mpemba učinak(Mpemba Paradox) je paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uvjetima smrzava brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama prema kojima, pod istim uvjetima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.

Ovu su pojavu svojedobno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, no tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća smjesa za sladoled smrzava brže od hladne.

Erasto Mpemba bio je učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuharskim radom. Morao je napraviti domaći sladoled - skuhati mlijeko, otopiti u njemu šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadaće. U strahu da neće stići na vrijeme do kraja sata, još vruće mlijeko stavio je u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema zadanoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik Gimnazije Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar es Salaamu (pozvan od ravnatelja škole da učenicima održi predavanje iz fizike) o vodi: "Ako uzmete dvije identične posude s jednakim volumenom vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, a zatim će se u drugoj voda smrznuti brže. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovu problematiku i ubrzo 1969. zajedno s Mpembom objavljuju rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba učinak.

Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature.

Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tijekom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno razlici temperature između tog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U istom se učinku voda na 100°C hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.

Međutim, to još ne implicira paradoks, budući da se Mpemba efekt može objasniti i unutar poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za Mpemba učinak:

Isparavanje

Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manja količina vode iste temperature se brže smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.

Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u parnu fazu.

temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.

hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uvjetima, može se podvrgnuti superhlađenju dok ostaje u tekućem stanju na temperaturama ispod točke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na -20 C.

Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli stvarati. Ako nisu u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano stvarati. Kada se počnu stvarati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, tvoreći ledenu bljuzgavicu koja će se zamrznuti i stvoriti led.

Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda.

Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda djelovat će kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju tople vode koja se pothlađuje, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh.

Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.

Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.

Konvekcija

Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo.

Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima najveću gustoću na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na 4°C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim će se uvjetima na površini vode kratkotrajno stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , daljnji proces hlađenja bit će sporiji.

Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže ohladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Također, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature.

Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, trebalo bi pretpostaviti da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.

Međutim, nema eksperimentalnih dokaza koji bi poduprli ovu hipotezu da su hladni i vrući slojevi vode odvojeni konvekcijom.

plinovi otopljeni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi manja. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju ovu činjenicu.

Toplinska vodljivost

Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda u malim posudama stavlja u zamrzivač hladnjaka. Pod tim uvjetima, primijećeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude tople vode nego iz posude za hladnu vodu. Zauzvrat, posuda s hladnom vodom ne topi snijeg ispod nje.

Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.

Tako je, primjerice, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj superhlađenja vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati proturječili su ranijim podacima da vruća voda može postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke u njoj otopljene soli.

Zasad se može ustvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.