Ātri auksts. Kāpēc karstais ūdens sasalst ātrāk nekā auksts ūdens?

Kurš ūdens sasalst ātrāk, karsts vai auksts, to ietekmē daudzi faktori, taču pats jautājums šķiet nedaudz dīvains. Tas nozīmē, un tas ir zināms no fizikas, ka karstajam ūdenim joprojām ir nepieciešams laiks, lai tas atdziest līdz salīdzināma aukstā ūdens temperatūrai, lai tas pārvērstos ledū. Auksts ūdens var izlaist šo posmu, un attiecīgi tas uzvar laikā.

Bet atbildi uz jautājumu, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts - uz ielas salnā, zina ikviens ziemeļu platuma grādu iedzīvotājs. Patiesībā zinātniski izrādās, ka jebkurā gadījumā auksts ūdens tikai jāsasalst ātrāk.

Tā arī fizikas skolotājs, pie kura 1963. gadā vērsās skolnieks Erasto Mpemba ar lūgumu paskaidrot, kāpēc topošā saldējuma aukstais maisījums sasalst ilgāk nekā līdzīgs, bet karsts.

"Tā nav pasaules fizika, bet sava veida Mpemba fizika"

Toreiz skolotājs par to tikai pasmējās, bet fizikas profesors Deniss Osborns, kurš savulaik mācījās tajā pašā skolā, kur mācījās Erasto, eksperimentāli apstiprināja šāda efekta esamību, lai gan toreiz tam nebija izskaidrojuma. . 1969. gadā populārzinātnisks žurnāls publicēja abu vīriešu kopīgu rakstu, kas aprakstīja šo savdabīgo efektu.

Kopš tā laika, starp citu, jautājumam par to, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts, ir savs nosaukums - efekts jeb paradokss, Mpemba.

Jautājums pastāv jau ilgu laiku

Likumsakarīgi, ka šāda parādība ir notikusi arī agrāk, un tā tika minēta arī citu zinātnieku darbos. Šis jautājums interesēja ne tikai skolnieku, bet savulaik par to domāja Renē Dekarts un pat Aristotelis.

Šeit ir tikai pieejas, kā atrisināt šo paradoksu, sāka meklēt tikai divdesmitā gadsimta beigās.

Nosacījumi paradoksa rašanās gadījumam

Tāpat kā ar saldējumu, eksperimenta laikā sasalst ne tikai parasts ūdens. Lai sāktu strīdēties par to, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts, ir jābūt noteiktiem apstākļiem. Kas ietekmē šo procesu?

Tagad, 21. gadsimtā, ir izvirzīti vairāki varianti, kas var izskaidrot šo paradoksu. Kurš ūdens sasalst ātrāk, karsts vai auksts, var būt atkarīgs no tā, ka tam ir lielāks iztvaikošanas ātrums nekā aukstam ūdenim. Tādējādi tā tilpums samazinās, un, samazinoties apjomam, sasalšanas laiks kļūst īsāks nekā tad, ja ņemam līdzīgu aukstā ūdens sākotnējo tilpumu.

Saldētava jau sen ir atkausēta

Kurš ūdens sasalst ātrāk un kāpēc tas tā notiek, to var ietekmēt sniega oderējums, kas var būt eksperimentam izmantotā ledusskapja saldētavā. Ja mēs ņemam divus konteinerus, kas ir identiski pēc tilpuma, bet vienā no tiem būs karsts ūdens, bet otrā - auksts, trauks ar karsts ūdens izkausē zem tā esošo sniegu, tādējādi uzlabojot termiskā līmeņa kontaktu ar ledusskapja sienu. Aukstā ūdens tvertne to nevar izdarīt. Ja ledusskapī šādas oderes ar sniegu nav, aukstam ūdenim vajadzētu ātrāk sasalst.

Augšā - apakšā

Tāpat parādība, ka ūdens sasalst ātrāk – karsts vai auksts, tiek skaidrota šādi. Ievērojot noteiktus likumus, aukstais ūdens sāk sasalt no augšējiem slāņiem, kad karstais ūdens to dara otrādi - tas sāk sasalt no apakšas uz augšu. Izrādās, ka aukstais ūdens, kam virsū ir auksta kārta ar jau vietām izveidojušos ledu, tādējādi pasliktina konvekcijas un termiskā starojuma procesus, tādējādi izskaidrojot, kurš ūdens sasalst ātrāk – auksts vai karsts. Ir pievienots foto no amatieru eksperimentiem, un šeit tas ir skaidri redzams.

Siltums iziet, tiecoties uz augšu, un tur tas sastopas ar ļoti vēsu slāni. Siltuma starojumam nav brīva ceļa, tāpēc dzesēšanas process kļūst sarežģīts. Karstā ūdens ceļā nav absolūti nekādu šādu šķēršļu. Kurš sasalst ātrāk – auksts vai karsts, no kura atkarīgs iespējamais iznākums, atbildi vari paplašināt, sakot, ka jebkurā ūdenī ir izšķīdušas noteiktas vielas.

Piemaisījumi ūdens sastāvā kā rezultātu ietekmējošs faktors

Ja nekrāpjas un lieto ūdeni ar vienādu sastāvu, kur atsevišķu vielu koncentrācijas ir identiskas, tad aukstam ūdenim vajadzētu ātrāk sasalst. Bet, ja rodas situācija, kad izšķīdis ķīmiskie elementi pieejami tikai karstajā ūdenī, kamēr aukstam ūdenim to nav, tad ir iespēja karstajam ūdenim sasalt agrāk. Tas izskaidrojams ar to, ka ūdenī izšķīdušās vielas veido kristalizācijas centrus, un ar nelielu šo centru skaitu ūdens pārtapšana cietā stāvoklī ir apgrūtināta. Iespējama pat ūdens pārdzesēšana tādā nozīmē, ka mīnusā temperatūrā tas būs šķidrā stāvoklī.

Bet visas šīs versijas, acīmredzot, zinātniekiem nederēja līdz galam, un viņi turpināja strādāt pie šī jautājuma. 2013. gadā pētnieku komanda Singapūrā paziņoja, ka ir atrisinājusi mūžseno noslēpumu.

Ķīnas zinātnieku grupa apgalvo, ka šī efekta noslēpums slēpjas enerģijas daudzumā, kas tiek uzkrāts starp ūdens molekulām tās saitēs, ko sauc par ūdeņraža saitēm.

Ķīnas zinātnieku atbilde

Sīkāka informācija sekos, kuras izpratnei ir nepieciešamas zināmas zināšanas ķīmijā, lai saprastu, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts. Kā jūs zināt, tas sastāv no diviem H (ūdeņraža) atomiem un viena O (skābekļa) atoma, ko satur kovalentās saites.

Bet vienas molekulas ūdeņraža atomi tiek piesaistīti arī blakus esošajām molekulām, to skābekļa komponentam. Šīs saites sauc par ūdeņraža saitēm.

Vienlaikus der atcerēties, ka tajā pašā laikā ūdens molekulas viena uz otru iedarbojas atbaidoši. Zinātnieki atzīmēja, ka, sildot ūdeni, attālums starp tā molekulām palielinās, un to veicina atgrūdošie spēki. Izrādās, ka, aizņemot vienu attālumu starp molekulām aukstā stāvoklī, var teikt, ka tās stiepjas, un tām ir lielāks enerģijas krājums. Tieši šī enerģijas rezerve tiek atbrīvota, kad ūdens molekulas sāk tuvoties viena otrai, tas ir, notiek dzesēšana. Izrādās, ka lielāka enerģijas padeve karstajā ūdenī un lielāka tās izdalīšanās, atdzesējot līdz mīnuss temperatūrai, notiek ātrāk nekā aukstā ūdenī, kuram ir mazāka šādas enerģijas padeve. Tātad, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts? Uz ielas un laboratorijā vajadzētu parādīties Mpemba paradoksam, un karstam ūdenim vajadzētu ātrāk pārvērsties ledū.

Bet jautājums joprojām ir atklāts

Šim pavedienam ir tikai teorētisks apstiprinājums - tas viss ir rakstīts skaistas formulas un tas šķiet ticami. Bet, kad eksperimentālie dati, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts, tiks likti praktiskā nozīmē un tiks prezentēti to rezultāti, tad Mpemba paradoksa jautājumu varēs uzskatīt par slēgtu.

Ķīmija bija viens no maniem mīļākajiem priekšmetiem skolā. Reiz ķīmijas skolotājs mums uzdeva ļoti dīvainu un grūtu uzdevumu. Viņš iedeva mums jautājumu sarakstu, uz kuriem mums bija jāatbild ķīmijas jomā. Šim uzdevumam mums tika dotas vairākas dienas un tika atļauts izmantot bibliotēkas un citus pieejamos informācijas avotus. Viens no šiem jautājumiem attiecās uz ūdens sasalšanas punktu. Precīzi neatceros, kā izklausījās jautājums, bet tas bija par to, ka ja paņem divus vienāda izmēra koka spaiņus, vienu ar karstu ūdeni, otru ar aukstu ūdeni (tieši norādītajā temperatūrā), un novieto tos. kurā vidē ar noteiktu temperatūru viņi ātrāk sasals? Protams, atbilde uzreiz sevi ierosināja - spainis auksta ūdens, bet mums tas šķita pārāk vienkārši. Bet ar to nepietika, lai sniegtu pilnīgu atbildi, mums tas bija jāpierāda no ķīmiskā viedokļa. Neskatoties uz visu manu domāšanu un pētījumiem, es nevarēju izdarīt loģisku secinājumu. Šajā dienā es pat nolēmu izlaist šo nodarbību, tāpēc es tā arī neuzzināju šīs mīklas atrisinājumu.

Pagāja gadi, un es uzzināju daudz ikdienas mītu par ūdens viršanas un sasalšanas temperatūru, un viens mīts teica: "karsts ūdens sasalst ātrāk." Es apskatīju daudzas tīmekļa vietnes, bet informācija bija pārāk pretrunīga. Un tie bija tikai viedokļi, no zinātnes viedokļa nepamatoti. Un es nolēmu vadīt savu pieredzi. Tā kā es nevarēju atrast koka spaiņus, es izmantoju saldētavu, plīts virsmu, nedaudz ūdens un digitālo termometru. Par savas pieredzes rezultātiem pastāstīšu nedaudz vēlāk. Pirmkārt, es dalīšos ar jums dažiem interesantiem argumentiem par ūdeni:

Karstais ūdens sasalst ātrāk nekā auksts ūdens. Lielākā daļa ekspertu saka, ka auksts ūdens sasalst ātrāk nekā karsts ūdens. Bet viena smieklīga parādība (tā sauktais Memba efekts) nezināmu iemeslu dēļ pierāda pretējo: karstais ūdens sasalst ātrāk nekā auksts ūdens. Viens no vairākiem skaidrojumiem ir iztvaikošanas process: ja ļoti karstu ūdeni ievieto aukstā vidē, tad ūdens sāks iztvaikot (atlikušais ūdens daudzums sasalst ātrāk). Un saskaņā ar ķīmijas likumiem tas nav nekāds mīts, un, visticamāk, tas ir tas, ko skolotāja vēlējās dzirdēt no mums.

Vārīts ūdens sasalst ātrāk nekā krāna ūdens. Neskatoties uz iepriekšējo skaidrojumu, daži eksperti iebilst, ka vārītam ūdenim, kas atdzisis līdz istabas temperatūrai, vajadzētu ātrāk sasalst, jo vārot samazinās skābekļa daudzums.

Auksts ūdens uzvārās ātrāk nekā karsts ūdens. Ja karstais ūdens sasalst ātrāk, tad aukstais ūdens var uzvārīties ātrāk! Tas ir pretrunā veselajam saprātam, un zinātnieki apgalvo, ka tā vienkārši nevar būt. Karstam krāna ūdenim faktiski vajadzētu vārīties ātrāk nekā aukstam ūdenim. Bet, vārīšanai izmantojot karstu ūdeni, jūs neietaupāt enerģiju. Jūs varat izmantot mazāk gāzes vai elektrības, bet ūdens sildītājs patērēs tikpat daudz enerģijas, cik nepieciešams aukstā ūdens sildīšanai. (Saules enerģija ir nedaudz atšķirīga.) Sildot ūdeni ar ūdens sildītāju, var veidoties nosēdumi, tāpēc ūdens uzsilšana prasīs ilgāku laiku.

Ja pievienosi ūdenim sāli, tas uzvārīsies ātrāk. Sāls paaugstina viršanas temperatūru (un līdz ar to pazemina sasalšanas temperatūru – tāpēc dažas mājsaimnieces saldējumam pievieno nedaudz akmeņsāli). Bet šajā gadījumā mūs interesē cits jautājums: cik ilgi ūdens vārīsies un vai viršanas temperatūra šajā gadījumā var paaugstināties virs 100 ° C). Neskatoties uz pavārgrāmatu teikto, zinātnieki saka, ka sāls daudzums, ko pievienojam verdošam ūdenim, nav pietiekams, lai ietekmētu vārīšanās laiku vai temperatūru.

Bet lūk, ko es saņēmu:

Auksts ūdens: es izmantoju trīs 100 ml stikla vārglāzes ar attīrītu ūdeni: vienu istabas temperatūru (72 °F/22 °C), vienu karstu ūdeni (115 °F/46 °C) un vienu vārītu (212 °F/100 °C). C). Visas trīs glāzes ievietoju saldētavā -18°C. Un, tā kā zināju, ka ūdens uzreiz nepārvērtīsies ledū, sasalšanas pakāpi noteicu pēc “koka pludiņa”. Kad kociņš, kas novietots glāzes centrā, vairs neskāra pamatni, noticēju, ka ūdens ir sasalis. Es pārbaudīju brilles ik pēc piecām minūtēm. Un kādi ir mani rezultāti? Pirmajā glāzē ūdens sasala pēc 50 minūtēm. Karstais ūdens sasala pēc 80 minūtēm. Vārīts - pēc 95 minūtēm. Mani secinājumi: Ņemot vērā apstākļus saldētavā un izmantoto ūdeni, es nevarēju reproducēt Memba efektu.

Izmēģināju šo eksperimentu arī ar iepriekš vārītu ūdeni, kas atdzesēts līdz istabas temperatūrai. Tas sasala 60 minūtēs – sasalšana joprojām prasīja ilgāku laiku nekā auksts ūdens.

Vārīts ūdens: paņēmu litru ūdens istabas temperatūrā un uzliku uz uguns. Viņa uzvārījās 6 minūtēs. Tad atkal atdzesēju līdz istabas temperatūrai un pievienoju karstajam. Ar to pašu uguni karstu ūdeni uzvārīja 4 stundās un 30 minūtēs. Secinājums: kā gaidīts, karstais ūdens uzvārās daudz ātrāk.

Vārīts ūdens (ar sāli): 1 litram ūdens pievienoju 2 lielas ēdamkarotes galda sāls. Tas uzvārījās 6 minūtēs 33 sekundēs un, kā rādīja termometrs, sasniedza 102°C temperatūru. Neapšaubāmi, sāls ietekmē viršanas temperatūru, bet ne daudz. Secinājums: sāls ūdenī īpaši neietekmē temperatūru un vārīšanās laiku. Es godīgi atzīstu, ka manu virtuvi ir grūti nosaukt par laboratoriju, un, iespējams, mani secinājumi ir pretrunā ar realitāti. Mana saldētava var sasaldēt pārtiku nevienmērīgi. Manas stikla brilles varētu būt neregulāra forma, utt. Taču, lai kas arī notiktu laboratorijā, kad runa ir par ūdens sasaldēšanu vai vārīšanu virtuvē, svarīgākais ir veselais saprāts.

saite no interesanti fakti par ūdenivisi par ūdeni
kā ieteikts forumā forum.ixbt.com, šis efekts (karstā ūdens sasaldēšana ātrāk nekā aukstā ūdenī) tiek saukts par "Aristoteļa-Mpembas efektu".

Tie. vārīts ūdens (atdzesēts) sasalst ātrāk nekā "jēls"

Mpemba efekts jeb kāpēc karstais ūdens sasalst ātrāk nekā auksts? Mpemba efekts (Mpemba paradokss) ir paradokss, kas nosaka, ka karstais ūdens noteiktos apstākļos sasalst ātrāk nekā auksts, lai gan sasalšanas procesā tam ir jāpārvar aukstā ūdens temperatūra. Šis paradokss ir eksperimentāls fakts, kas ir pretrunā ar ierastajām idejām, saskaņā ar kurām vienādos apstākļos karstākam ķermenim ir nepieciešams vairāk laika, lai atdziestu līdz noteiktai temperatūrai, nekā vēsākam ķermenim, lai atdziestu līdz tādai pašai temperatūrai. Šo parādību toreiz pamanīja Aristotelis, Frensiss Bēkons un Renē Dekarts, taču tikai 1963. gadā Tanzānijas skolnieks Erasto Mpemba atklāja, ka karsts saldējuma maisījums sasalst ātrāk nekā auksts. Kā Magambas students vidusskola Tanzānijā to izdarīja Erasto Mpemba praktiskais darbs kulinārijas mākslā. Viņam bija jāpagatavo paštaisīts saldējums - jāuzvāra piens, jāizšķīdina tajā cukurs, jāatdzesē līdz istabas temperatūrai un tad jāliek ledusskapī sasalst. Acīmredzot Mpemba nebija īpaši uzcītīgs students un vilcinājās ar uzdevuma pirmo daļu. Baidīdamies, ka līdz nodarbības beigām nepanāks, viņš vēl karsto pienu ielika ledusskapī. Viņam par pārsteigumu tas sasala pat agrāk nekā viņa biedru piens, kas sagatavots pēc noteiktas tehnoloģijas. Pēc tam Mpemba eksperimentēja ne tikai ar pienu, bet arī ar parasto ūdeni. Jebkurā gadījumā, jau būdams Mkwawa vidusskolas students, viņš jautāja profesoram Denisam Osbornam no Dāresalāmas Universitātes koledžas (skolas direktors uzaicināja studentiem lasīt lekciju par fiziku) par ūdeni: "Ja jūs ņemtu divus identiskus traukus ar vienādiem ūdens tilpumiem, lai vienā no tiem ūdens temperatūra būtu 35 ° C, bet otrā - 100 ° C, un ievietojiet tos saldētavā, tad otrajā ūdens sasalst ātrāk. Kāpēc? Osborns sāka interesēties par šo jautājumu un drīz 1969. gadā kopā ar Mpembu publicēja savu eksperimentu rezultātus žurnālā "Physics Education". Kopš tā laika viņu atklāto efektu sauc par Mpemba efektu. Līdz šim neviens precīzi nezina, kā izskaidrot šo dīvaino efektu. Zinātniekiem nav vienas versijas, lai gan to ir daudz. Tas viss ir par karstā un aukstā ūdens īpašību atšķirību, taču vēl nav skaidrs, kuras īpašības šajā gadījumā spēlē: atšķirības pārdzesē, iztvaikošana, ledus veidošanās, konvekcija vai sašķidrināto gāzu ietekme uz ūdeni plkst. dažādas temperatūras. Mpemba efekta paradokss ir tāds, ka laiks, kurā ķermenis atdziest līdz temperatūrai vide , jābūt proporcionālam temperatūras starpībai starp šo ķermeni un vidi. Šo likumu noteica Ņūtons, un kopš tā laika tas ir daudzkārt apstiprināts praksē. Tādā pašā efektā ūdens 100 ° C temperatūrā atdziest līdz 0 ° C ātrāk nekā tāds pats ūdens daudzums 35 ° C temperatūrā. Tomēr tas vēl nenozīmē paradoksu, jo Mpemba efektu var izskaidrot arī zināmās fizikas ietvaros. Šeit ir daži Mpemba efekta skaidrojumi: Iztvaikošana Karstais ūdens no trauka iztvaiko ātrāk, tādējādi samazinot tā tilpumu, un mazāks ūdens daudzums tajā pašā temperatūrā sasalst ātrāk. Līdz 100 C uzkarsēts ūdens zaudē 16% no savas masas, atdzesējot līdz 0 C. Iztvaikošanas efekts ir divkāršs efekts. Pirmkārt, tiek samazināta dzesēšanai nepieciešamā ūdens masa. Un, otrkārt, temperatūra samazinās, jo samazinās iztvaikošanas siltums pārejā no ūdens fāzes uz tvaika fāzi. Temperatūras starpība Sakarā ar to, ka temperatūras starpība starp karsto ūdeni un auksto gaisu ir lielāka - līdz ar to siltuma apmaiņa šajā gadījumā ir intensīvāka un karstais ūdens atdziest ātrāk. Atdzesēšana Kad ūdens ir atdzesēts zem 0 C, tas ne vienmēr sasalst. Noteiktos apstākļos tas var tikt pārdzesēts, turpinot palikt šķidrs temperatūrā, kas zemāka par sasalšanas punktu. Atsevišķos gadījumos ūdens var palikt šķidrs pat pie temperatūras -20 C. Šīs ietekmes cēlonis ir tas, ka, lai sāktu veidoties pirmie ledus kristāli, ir nepieciešami kristālu veidošanās centri. Ja tie neatrodas šķidrā ūdenī, tad pārdzesēšana turpināsies, līdz temperatūra pazemināsies tik daudz, ka sāk spontāni veidoties kristāli. Kad tie sāks veidoties pārdzesētajā šķidrumā, tie sāks augt ātrāk, veidojot ledus dubļus, kas sasalst, veidojot ledu. Karsts ūdens ir visvairāk uzņēmīgs pret hipotermiju, jo tā karsēšana izvada izšķīdušās gāzes un burbuļus, kas savukārt var kalpot par ledus kristālu veidošanās centriem. Kāpēc hipotermija izraisa karstā ūdens ātrāku sasalšanu? Aukstā ūdens gadījumā, kas nav pārdzesēts, notiek sekojošais. Šajā gadījumā uz trauka virsmas izveidosies plāns ledus slānis. Šis ledus slānis darbosies kā izolators starp ūdeni un auksto gaisu un novērsīs turpmāku iztvaikošanu. Ledus kristālu veidošanās ātrums šajā gadījumā būs mazāks. Ja karstajam ūdenim tiek veikta apakšdzesēšana, tad atdzesētajam ūdenim nav aizsargājoša virsmas ledus slāņa. Tāpēc caur atvērto augšpusi tas zaudē siltumu daudz ātrāk. Kad pārdzesēšanas process beidzas un ūdens sasalst, tiek zaudēts daudz vairāk siltuma un līdz ar to veidojas vairāk ledus. Daudzi šī efekta pētnieki uzskata hipotermiju par galveno faktoru Mpemba efekta gadījumā. Konvekcija Aukstais ūdens sāk sasalt no augšas, tādējādi pasliktinot siltuma starojuma un konvekcijas procesus un līdz ar to arī siltuma zudumus, savukārt karstais ūdens sāk sasalt no apakšas. Šis efekts ir izskaidrojams ar ūdens blīvuma anomāliju. Ūdenim maksimālais blīvums ir 4 C. Ja ūdeni atdzesē līdz 4 C un novieto zemākā temperatūrā, ūdens virskārta sasalst ātrāk. Tā kā šis ūdens ir mazāk blīvs nekā ūdens 4°C temperatūrā, tas paliks uz virsmas, veidojot plānu aukstu slāni. Šādos apstākļos uz ūdens virsmas uz neilgu laiku veidosies plāna ledus kārtiņa, bet šī ledus kārta kalpos kā izolators, kas aizsargā zemākos ūdens slāņus, kas saglabāsies 4 C temperatūrā. , turpmākais dzesēšanas process būs lēnāks. Karstā ūdens gadījumā situācija ir pavisam cita. Ūdens virsmas slānis ātrāk atdzisīs iztvaikošanas un lielākas temperatūras starpības dēļ. Arī aukstā ūdens slāņi ir blīvāki nekā karstā ūdens slāņi, tāpēc aukstā ūdens slānis nogrims, paceļot siltā ūdens slāni uz virsmas. Šāda ūdens cirkulācija nodrošina strauju temperatūras pazemināšanos. Bet kāpēc šis process nesasniedz līdzsvara punktu? Lai izskaidrotu Mpemba efektu no šī konvekcijas viedokļa, pieņemtu, ka aukstais un karstais ūdens slānis tiek atdalīts un pats konvekcijas process turpinās pēc vidējās ūdens temperatūras pazemināšanās zem 4 C. Taču eksperimentālu datu nav. kas apstiprinātu šo hipotēzi, ka aukstā un karstā ūdens slāņi tiek atdalīti ar konvekciju. Ūdenī izšķīdinātās gāzes Ūdenī vienmēr ir izšķīdinātas gāzes – skābeklis un oglekļa dioksīds. Šīm gāzēm ir spēja pazemināt ūdens sasalšanas punktu. Karsējot ūdeni, šīs gāzes izdalās no ūdens, jo to šķīdība ūdenī augstā temperatūrā ir zemāka. Tāpēc, atdzesējot karsto ūdeni, tajā vienmēr ir mazāk izšķīdušo gāzu nekā nesildītā aukstā ūdenī. Tāpēc uzkarsētam ūdenim sasalšanas temperatūra ir augstāka un tas ātrāk sasalst. Šis faktors dažkārt tiek uzskatīts par galveno Mpemba efekta izskaidrošanā, lai gan nav eksperimentālu datu, kas apstiprinātu šo faktu. Siltumvadītspēja Šim mehānismam var būt nozīmīga loma, ja ūdens tiek ievietots ledusskapja saldētavā mazos traukos. Šādos apstākļos ir novērots, ka trauks ar karstu ūdeni izkausē zem sevis saldētavas ledu, tādējādi uzlabojot termisko kontaktu ar saldētavas sienu un siltuma vadītspēju. Rezultātā siltums no karstā ūdens tvertnes tiek noņemts ātrāk nekā no aukstā. Savukārt trauks ar aukstu ūdeni zem tā nekausē sniegu. Visi šie (kā arī citi) apstākļi ir pētīti daudzos eksperimentos, taču nepārprotama atbilde uz jautājumu - kurš no tiem nodrošina 100% Mpemba efekta atveidojumu - nav iegūts. Tā, piemēram, 1995. gadā vācu fiziķis Deivids Auerbahs pētīja ūdens pārdzesēšanas ietekmi uz šo efektu. Viņš atklāja, ka karstais ūdens, sasniedzot pārdzesētu stāvokli, sasalst augstākā temperatūrā nekā aukstais ūdens un līdz ar to ātrāk nekā pēdējais. Bet auksts ūdens sasniedz pārdzesētu stāvokli ātrāk nekā karsts ūdens, tādējādi kompensējot iepriekšējo kavēšanos. Turklāt Auerbaha rezultāti bija pretrunā iepriekšējiem datiem, ka karstais ūdens spēj panākt lielāku pārdzesēšanu, jo ir mazāk kristalizācijas centru. Sildot ūdeni, no tā tiek izvadītas tajā izšķīdušās gāzes, un, to vārot, izgulsnējas daži tajā izšķīdinātie sāļi. Pagaidām var apgalvot tikai vienu - šī efekta atkārtošanās būtībā ir atkarīga no apstākļiem, kādos eksperiments tiek veikts. Tieši tāpēc, ka tas ne vienmēr tiek atveidots. O. V. Mosins

Šķiet skaidrs, ka auksts ūdens sasalst ātrāk nekā karsts, jo vienādos apstākļos karstais ūdens atdziest un pēc tam sasalst ilgāk. Taču gadu tūkstošiem ilgušie novērojumi, kā arī mūsdienu eksperimenti ir pierādījuši, ka ir arī otrādi: noteiktos apstākļos karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais. Zinātnes kanāls Sciencium izskaidro šo fenomenu:

Kā paskaidrots augstāk esošajā videoklipā, parādība, kad karstais ūdens sasalst ātrāk nekā auksts, ir pazīstama kā Mpemba efekts, kas nosaukts Erasto Mpembas, studenta no Tanzānijas vārdā, kurš 1963. gadā pagatavoja saldējumu kā daļu no skolas projekts. Skolēniem bija jāuzvāra krējuma un cukura maisījums, jāļauj tam atdzist un tad jāieliek saldētavā.

Tā vietā Erasto uzreiz uzstādīja maisījumu karstu, negaidot, kamēr tas atdziest. Rezultātā pēc 1,5 stundas viņa maisījums jau bija sasalis, bet citu skolēnu maisījumi nebija. Ieinteresēts par šo fenomenu, Mpemba sāka pētīt šo jautājumu kopā ar fizikas profesoru Denisu Osbornu, un 1969. gadā viņi publicēja rakstu, kurā teikts, ka silts ūdens sasalst ātrāk nekā auksts ūdens. Šis bija pirmais recenzētais šāda veida pētījums, taču pati parādība ir minēta Aristoteļa rakstos, kas datēti ar 4. gadsimtu pirms mūsu ēras. e. Šo fenomenu savos pētījumos atzīmēja arī Frensiss Bēkons un Dekarts.

Videoklipā ir uzskaitītas vairākas iespējas, kā izskaidrot notiekošo:

1. Sals ir dielektriķis, un tāpēc sals auksts ūdens uzglabā siltumu labāk nekā silts stikls, kas, saskaroties ar to, izkausē ledu.
2. Aukstā ūdenī ir vairāk izšķīdušo gāzu nekā siltajā ūdenī, un pētnieki uzskata, ka tas var ietekmēt dzesēšanas ātrumu, lai gan vēl nav skaidrs, kā tas notiek.
3. Karstā ūdens iztvaikošanas rezultātā zaudē vairāk ūdens molekulu, atstājot mazāk sasalšanas
4. Silts ūdens var atdzist ātrāk, jo palielinās konvektīvās strāvas. Šīs straumes rodas tāpēc, ka ūdens glāzē vispirms atdziest uz virsmas un sāniem, izraisot aukstā ūdens nogrimšanu un karstā ūdens pacelšanos. Siltā stiklā konvektīvās strāvas ir aktīvākas, kas var ietekmēt dzesēšanas ātrumu.

Taču 2016. gadā tika veikts rūpīgi kontrolēts pētījums, kas liecināja par pretējo: karstais ūdens sasala daudz lēnāk nekā aukstais. Tajā pašā laikā zinātnieki pamanīja, ka termopāra - ierīces, kas nosaka temperatūras atšķirības - atrašanās vietas maiņa tikai par centimetru noved pie Mpemba efekta parādīšanās. Pārbaudot citus līdzīgus darbus, tika konstatēts, ka visos gadījumos, kad tika novērots šis efekts, notika termopāra nobīde centimetra robežās.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandrs Fircevs

« Kurš ūdens ātrāk sasalst auksts vai karsts?”- mēģiniet uzdot jautājumu saviem draugiem, visticamāk, vairums no viņiem atbildēs, ka auksts ūdens sasalst ātrāk - un kļūdīsies.

Faktiski, ja vienlaikus saldētavā ievietosiet divus vienādas formas un tilpuma traukus, no kuriem vienā būs auksts ūdens, bet otrā karsts, tad karstais ūdens sasals ātrāk.

Šāds apgalvojums var šķist absurds un nepamatots. Loģiski, ka karstajam ūdenim vispirms ir jāatdziest līdz aukstai temperatūrai, un aukstam ūdenim šajā laikā jau vajadzētu pārvērsties ledū.

Tātad, kāpēc karstais ūdens apsteidz auksto ūdeni ceļā uz sasalšanu? Mēģināsim to izdomāt.

Novērojumu un pētījumu vēsture

Cilvēki paradoksālo efektu ir novērojuši kopš seniem laikiem, taču neviens tam nepiešķīra lielu nozīmi. Tātad pretrunas aukstā un karstā ūdens sasalšanas ātrumā savās piezīmēs atzīmēja Arestotel, kā arī Renē Dekarts un Frensiss Bekons. Ikdienā bieži izpaudās neparasta parādība.

Ilgu laiku šī parādība nekādā veidā netika pētīta un neizraisīja lielu zinātnieku interesi.

Neparastā efekta izpēte sākās 1963. gadā, kad zinātkārs students no Tanzānijas Erasto Mpemba pamanīja, ka karstais piens saldējumam sasalst ātrāk nekā auksts piens. Cerot iegūt skaidrojumu par neparastā efekta cēloņiem, jaunietis jautāja skolā savam fizikas skolotājam. Tomēr skolotājs par viņu tikai pasmējās.

Vēlāk Mpemba eksperimentu atkārtoja, taču savā eksperimentā viņš vairs neizmantoja pienu, bet ūdeni, un paradoksālais efekts atkārtojās vēlreiz.

Sešus gadus vēlāk, 1969. gadā, Mpemba uzdeva šo jautājumu fizikas profesoram Denisam Osbornam, kurš ieradās viņa skolā. Profesoru ieinteresēja jaunieša novērojums, kā rezultātā tika veikts eksperiments, kas apstiprināja efekta esamību, taču šīs parādības cēloņi netika noskaidroti.

Kopš tā laika fenomenu sauc Mpemba efekts.

Visā zinātnisko novērojumu vēsturē ir izvirzītas daudzas hipotēzes par parādības cēloņiem.

Tātad 2012. gadā Lielbritānijas Karaliskā ķīmijas biedrība izsludinās hipotēžu konkursu, lai izskaidrotu Mpemba efektu. Konkursā piedalījās zinātnieki no visas pasaules, kopumā tika reģistrēti 22 000 zinātniskie darbi. Neskatoties uz tik iespaidīgo rakstu skaitu, neviens no tiem neizskaidroja Mpemba paradoksu.

Visizplatītākā bija versija, saskaņā ar kuru karstais ūdens sasalst ātrāk, jo tas vienkārši ātrāk iztvaiko, tā tilpums kļūst mazāks, un, samazinoties tilpumam, tā dzesēšanas ātrums palielinās. Visizplatītākā versija galu galā tika atspēkota, jo tika veikts eksperiments, kurā iztvaikošana tika izslēgta, taču efekts tomēr tika apstiprināts.

Citi zinātnieki uzskatīja, ka Mpemba efekta iemesls ir ūdenī izšķīdušo gāzu iztvaikošana. Viņuprāt, karsēšanas procesā ūdenī izšķīdušās gāzes iztvaiko, kā rezultātā tas iegūst vairāk liels blīvums nekā auksts. Kā zināms, blīvuma palielināšanās noved pie izmaiņām fizikālās īpašībasūdens (siltuma vadītspējas palielināšanās), un tādējādi palielināt dzesēšanas ātrumu.

Turklāt ir izvirzītas vairākas hipotēzes, kas raksturo ūdens cirkulācijas ātrumu kā temperatūras funkciju. Daudzos pētījumos tika mēģināts noskaidrot attiecības starp konteineru materiāliem, kuros atradās šķidrums. Daudzas teorijas šķita ļoti ticamas, taču tās nevarēja zinātniski apstiprināt sākotnējo datu trūkuma, pretrunu citos eksperimentos vai tāpēc, ka identificētie faktori vienkārši nebija salīdzināmi ar ūdens atdzišanas ātrumu. Daži zinātnieki savos darbos apšaubīja efekta esamību.

2013. gadā Singapūras Nanjangas Tehnoloģiskās universitātes pētnieki apgalvoja, ka ir atrisinājuši Mpemba efekta noslēpumu. Pēc viņu veiktā pētījuma, fenomena cēlonis ir fakts, ka ūdeņraža saitēs starp aukstā un karstā ūdens molekulām uzkrātās enerģijas daudzums būtiski atšķiras.

Datormodelēšanas metodes ir uzrādījušas šādus rezultātus: jo augstāka ir ūdens temperatūra, jo lielāks attālums starp molekulām, jo ​​palielinās atgrūšanas spēki. Un līdz ar to molekulu ūdeņraža saites tiek izstieptas, uzkrājoties liels daudzums enerģiju. Atdzesējot, molekulas sāk tuvoties viena otrai, atbrīvojot enerģiju no ūdeņraža saitēm. Šajā gadījumā enerģijas izdalīšanos pavada temperatūras pazemināšanās.

2017. gada oktobrī spāņu fiziķi cita pētījuma gaitā noskaidroja, ka tieši vielas izņemšanai no līdzsvara (spēcīga karsēšana pirms spēcīgas dzesēšanas) ir liela nozīme efekta veidošanā. Viņi noteica apstākļus, kādos efekta iespējamība ir maksimāla. Turklāt zinātnieki no Spānijas ir apstiprinājuši apgrieztā Mpemba efekta esamību. Viņi atklāja, ka, karsējot, var sasniegt aukstāku paraugu paaugstināta temperatūraātrāk nekā silts.

Neskatoties uz izsmeļošu informāciju un daudziem eksperimentiem, zinātnieki plāno turpināt pētīt efektu.

Mpemba efekts reālajā dzīvē

Vai esat kādreiz aizdomājušies, kāpēc ziemā slidotava ir piepildīta ar karstu ūdeni, nevis aukstu? Kā jūs jau sapratāt, viņi to dara tāpēc, ka slidotava, kas piepildīta ar karstu ūdeni, sasals ātrāk nekā tad, ja tā būtu piepildīta ar aukstu ūdeni. Tā paša iemesla dēļ slidkalniņi ziemas ledus pilsētās tiek aplieti ar karstu ūdeni.

Tādējādi zināšanas par fenomena esamību ļauj cilvēkiem ietaupīt laiku, sagatavojot vietnes ziemas skati sports.

Turklāt Mpemba efektu dažkārt izmanto rūpniecībā – lai samazinātu ūdeni saturošu produktu, vielu un materiālu sasalšanas laiku.