Kāpēc karstais ūdens atdziest ātrāk nekā auksts. Kāpēc karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais

Ūdens no ķīmiskā viedokļa ir diezgan vienkārša viela, bet tajā pašā laikā tai ir vairākas neparastas īpašības, kas nebeidz pārsteigt zinātniekus. Zemāk ir daži fakti, par kuriem zina tikai daži cilvēki.

1. Kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts?

Paņemiet divus traukus ar ūdeni: vienā ielejiet karstu ūdeni, otrā - aukstu un ievietojiet tos saldētavā. Karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais, lai gan pēc lietu loģikas aukstajam ūdenim bija jābūt pirmajam, kas pārvērtās par ledu: galu galā karstajam ūdenim vispirms ir jāatdziest līdz aukstai temperatūrai, bet pēc tam - ledus, kamēr auksts ūdenim nav nepieciešams atdzist. Kāpēc tas notiek?

1963. gadā Tanzānijas students, vārdā Erasto B. Mpemba, sasaldējot gatavu saldējuma sacepumu, pamanīja, ka karstais novārījums saldētavā sacietē ātrāk nekā aukstais sacepums. Kad jaunietis dalījās atklājumā ar fizikas skolotāju, viņš par viņu tikai pasmējās. Par laimi, students bija neatlaidīgs un pārliecināja skolotāju veikt eksperimentu, kas apstiprināja viņa atklājumu: noteiktos apstākļos karsts ūdens tiešām sasalst ātrāk nekā auksts.

Tagad šo karstā ūdens sasalšanas fenomenu ātrāk nekā auksto ūdeni sauc par mpembas efekts". Tiesa, ilgi pirms viņa šo unikālo ūdens īpašību atzīmēja Aristotelis, Frensiss Bēkons un Renē Dekarts.

Zinātnieki joprojām pilnībā neizprot šīs parādības būtību, izskaidrojot to vai nu ar hipotermijas, iztvaikošanas, ledus veidošanās, konvekcijas atšķirībām, vai ar sašķidrinātu gāzu ietekmi uz karstu un aukstu ūdeni.

2. Viņa spēj uzreiz sasalt

To zina visi ūdens atdzesējot līdz 0 ° C vienmēr pārvēršas ledū ... izņemot atsevišķus gadījumus! Šāds gadījums, piemēram, ir pārdzesēšana, kas ir ļoti tīra ūdens īpašība palikt šķidrā pat atdzesētā zem sasalšanas temperatūras. Šī parādība kļūst iespējama tāpēc, ka vidē nav kristalizācijas centru vai kodolu, kas varētu izprovocēt ledus kristālu veidošanos. Tāpēc ūdens paliek šķidrā veidā, pat atdzesēts līdz temperatūrai zem nulles grādiem pēc Celsija.

Kristalizācijas process var izraisīt, piemēram, gāzes burbuļi, piemaisījumi (netīrumi), nevienmērīga trauka virsma. Bez tiem ūdens paliks šķidrs. Kad kristalizācijas process sākas, jūs varat novērot, kā pārdzesēts ūdens uzreiz pārvēršas ledū.

Ņemiet vērā, ka "pārkarsētais" ūdens arī paliek šķidrs, pat ja tas tiek uzkarsēts virs tā viršanas temperatūras.

3.19 ūdens stāvokļi

Bez vilcināšanās nosauciet, cik daudz dažādu valstu ir ūdenī? Ja jūs atbildējāt uz trim: ciets, šķidrs, gāzveida, tad jūs kļūdāties. Zinātnieki izšķir vismaz 5 dažādus ūdens stāvokļus šķidrā veidā un 14 stāvokļus saldētā veidā.

Vai atceraties sarunu par pārdzesētu ūdeni? Tātad, neatkarīgi no tā, ko jūs darāt, -38 ° C temperatūrā pat visattīrākais pārdzesētais ūdens pēkšņi pārvērtīsies par ledu. Kas notiek, kad temperatūra pazeminās vēl vairāk? -120 ° C temperatūrā ar ūdeni sāk notikt kaut kas dīvains: tas kļūst super viskozs vai viskozs, piemēram, melase, un temperatūrā, kas zemāka par -135 ° C, tā pārvēršas par "stikla" vai "stiklveida" ūdeni - cietu vielu, kurai trūkst kristāliskā struktūra.

4. Ūdens pārsteidz fiziķus

Molekulārā līmenī ūdens ir vēl pārsteidzošāks. 1995. gadā zinātnieku veiktais neitronu izkliedes eksperiments deva negaidītu rezultātu: fiziķi atklāja, ka uz ūdens molekulām vērstie neitroni "redz" par 25% mazāk ūdeņraža protonu nekā paredzēts.

Izrādījās, ka vienas attosekundes (10 -18 sekundes) ātrumā notiek neparasts kvantu efekts, un ūdens ķīmiskā formula nevis H2O, kļūst par H1.5O!

5. Ūdens atmiņa

Alternatīva parastajai medicīnai homeopātija teikts, ka atšķaidītam zāļu šķīdumam var būt ārstnieciska iedarbība uz ķermeni, pat ja atšķaidīšanas koeficients ir tik augsts, ka šķīdumā nepaliek nekas cits kā ūdens molekulas. Homeopātijas atbalstītāji šo paradoksu saista ar jēdzienu, kas saucas “ atmiņa par ūdeni", Saskaņā ar kuru ūdenim molekulārā līmenī ir vielas" atmiņa ", kas tajā reiz tika izšķīdināta un saglabā sākotnējās koncentrācijas šķīduma īpašības pēc tam, kad tajā nav palikusi neviena sastāvdaļas sastāvdaļa.

Starptautiska zinātnieku grupa, kuru vadīja Belfāstas Karalienes universitātes profesore Madeleine Ennis un kritizēja homeopātijas principus, 2002. gadā veica eksperimentu, lai vienreiz un uz visiem laikiem atspēkotu šo koncepciju. Rezultāts bija pretējs. Pēc tam zinātnieki teica, ka viņi spēja pierādīt efekta realitāti " atmiņa par ūdeni". Tomēr eksperimenti, kas veikti neatkarīgu ekspertu uzraudzībā, nedeva rezultātus. Strīdi par parādības esamību " atmiņa par ūdeni"Turpināt.

Ūdenim ir daudz citu neparastu īpašību, kuras mēs neesam aplūkojuši šajā rakstā. Piemēram, ūdens blīvums mainās atkarībā no temperatūras (ledus ir mazāk blīvs nekā ūdens); ūdenim ir diezgan augsts virsmas spraigums; šķidrā stāvoklī ūdens ir sarežģīts un dinamiski mainīgs ūdens kopu tīkls, un tieši kopu uzvedība ietekmē ūdens struktūru utt.

Par šīm un daudzām citām negaidītām funkcijām ūdens lasāms rakstā “ Nenormālas ūdens īpašības"Autors Martins Čaplins, Londonas universitātes profesors.

Mpembas efekts (Mpemba paradokss) ir paradokss, kas apgalvo, ka karstais ūdens noteiktos apstākļos sasalst ātrāk nekā auksts, lai gan sasalšanas procesā tam ir jāpārsniedz aukstā ūdens temperatūra. Šis paradokss ir eksperimentāls fakts, kas ir pretrunā ar parastajiem jēdzieniem, saskaņā ar kuriem vienādos apstākļos vairāk sakarsēta ķermeņa atdzišana līdz noteiktai temperatūrai prasa ilgāku laiku nekā mazāk apsildāma ķermeņa atdzišana līdz tai pašai temperatūrai.

Šo fenomenu tajā laikā pamanīja Aristotelis, Frensiss Bēkons un Renē Dekarts, taču tikai 1963. gadā Tanzānijas skolnieks Erasto Mpemba atklāja, ka karsts saldējuma maisījums sasalst ātrāk nekā auksts.

Būdams skolnieks Magambas vidusskolā Tanzānijā, Erasto Mpemba veica praktisku ēdienu gatavošanas darbu. Viņam vajadzēja pagatavot mājās gatavotu saldējumu - uzvārīt pienu, izšķīdināt tajā cukuru, atdzesēt līdz istabas temperatūrai un pēc tam ievietot ledusskapī, lai tas sasaltu. Acīmredzot Mpemba nebija īpaši centīgs students, un viņš aizkavēja uzdevuma pirmās daļas izpildi. Baidoties, ka līdz nodarbības beigām viņš nebūs laikus, viņš karsto pienu ielika ledusskapī. Viņam par pārsteigumu tas sastinga 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 Mkvavskajas vidusskolas students, viņš uzdeva jautājumu profesoram Denisam Osbornam no Dāresalāma Universitātes koledžas (kuru direktors uzaicināja studentiem lasīt fizikas lekcijas) tieši par ūdeni: mēs ņemam divus identiskus traukus ar vienādu ūdens daudzumu tā, lai vienā no tiem ūdens temperatūra būtu 35 ° C, bet otrā - 100 ° C, un ievietotu tos saldētavā, tad otrajā ūdens sasalst ātrāk. Kāpēc? " Osborns sāka interesēties par šo jautājumu, un drīz 1969. gadā viņš un Mpemba publicēja savu eksperimentu rezultātus žurnālā "Fizikas izglītība". Kopš tā laika tiek saukts viņu atklātais efekts mpembas efekts.

Līdz šim neviens nezina, kā precīzi izskaidrot šo dīvaino efektu. Zinātniekiem nav vienas versijas, lai gan to ir daudz. Tas viss attiecas uz karstā un aukstā ūdens īpašību atšķirību, taču vēl nav skaidrs, kurām īpašībām šajā gadījumā ir nozīme: atšķirība pārdzesēšanā, iztvaikošanā, ledus veidošanā, konvekcijā vai sašķidrinātu gāzu ietekme uz ūdeni pie dažādas temperatūras.

Mpembas efekta paradokss ir tāds, ka laikam, kurā ķermenis atdziest līdz apkārtējās vides temperatūrai, jābūt proporcionālam temperatūras starpībai starp šo ķermeni un vidi. Šo likumu izveidoja Ņūtons, un kopš tā laika tas ir daudzkārt apstiprināts praksē. Šajā sakarā ūdens ar 100 ° C temperatūru atdziest līdz 0 ° C temperatūrai ātrāk nekā tāds pats ūdens daudzums ar 35 ° C temperatūru.

Tomēr tas vēl neliecina par paradoksu, jo Mpemba efektu var izskaidrot plaši pazīstamas fizikas ietvaros. Šeit ir daži Mpemba efekta skaidrojumi:

Iztvaicēšana

Karstais ūdens no tvertnes iztvaiko ātrāk, tādējādi samazinot tā tilpumu, un mazāks ūdens daudzums ar tādu pašu temperatūru ātrāk sasalst. Līdz 100 C uzkarsēts ūdens, atdzesējot līdz 0 C, zaudē 16% no savas masas.

Iztvaikošanas efekts - divkāršs efekts. Pirmkārt, tiek samazināts dzesēšanai nepieciešamais ūdens daudzums. Un, otrkārt, temperatūra samazinās sakarā ar to, ka pārejas no ūdens fāzes uz tvaika fāzi iztvaikošanas siltums samazinās.

Temperatūras starpība

Sakarā ar to, ka temperatūras starpība starp karstu ūdeni un aukstu gaisu ir lielāka - tāpēc siltuma apmaiņa šajā gadījumā notiek intensīvāk un karstais ūdens atdziest ātrāk.

Hipotermija

Atdzesējot ūdeni zem 0 C, tas ne vienmēr sasalst. Dažos apstākļos tam var būt hipotermija, turpinot palikt šķidrā temperatūrā, kas ir zemāka par sasalšanas punktu. Dažos gadījumos ūdens var palikt šķidrs pat temperatūrā -20 C.

Šī efekta iemesls ir tāds, ka, lai sāktu veidoties pirmie ledus kristāli, ir nepieciešami kristālu veidošanās centri. Ja tie nav šķidrā ūdenī, tad hipotermija turpināsies, līdz temperatūra tik daudz pazemināsies, ka kristāli sāk spontāni veidoties. Kad tie sāks veidoties pārdzesētā šķidrumā, tie sāks augt ātrāk, veidojot ledus gļotu, kas, sasalstot, veidos ledu.

Karstais ūdens ir visvairāk uzņēmīgs pret hipotermiju, jo tā sildīšana noņem 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 šādi gadījumi. Šajā gadījumā uz trauka virsmas izveidosies plāns ledus slānis. Šis ledus slānis darbosies kā izolators starp ūdeni un aukstu gaisu un novērsīs turpmāku iztvaikošanu. Ledus kristālu veidošanās ātrums šajā gadījumā būs mazāks. Karstā ūdens gadījumā, kas pakļauts pārdzesēšanai, pārdzesētam ūdenim nav aizsargājoša ledus slāņa. Tāpēc caur atvērto virsmu tas zaudē siltumu daudz ātrāk.

Kad hipotermijas process beidzas un ūdens sasalst, tiek zaudēts daudz vairāk siltuma, un tāpēc veidojas vairāk ledus.

Daudzi šī efekta pētnieki hipotermiju uzskata par galveno faktoru Mpemba efekta gadījumā.

Konvekcija

Auksts 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.

Šo efektu izskaidro ūdens blīvuma anomālija. Ūdens maksimālais blīvums ir 4 ° C. Ja jūs atdzesējat ūdeni līdz 4 ° C un ievietojat to zemākā temperatūrā, ūdens virsmas slānis ātrāk sasalst. 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 īsu brīdi izveidosies plāns ledus slānis, taču šī ledus kārta kalpos kā izolators, kas aizsargās apakšējos ūdens slāņus, kas saglabāsies 4 C temperatūrā. , turpmākais dzesēšanas process būs lēnāks.

Karstā ūdens gadījumā situācija ir pilnīgi atšķirīga. Ūdens virsmas slānis iztvaikošanas un lielākas temperatūras starpības dēļ atdzisīs ātrāk. Turklāt aukstā ūdens slāņi ir blīvāki nekā karstā ūdens slāņi, tāpēc aukstā ūdens slānis nogrims uz leju, paaugstinot siltā ūdens slāni uz virsmas. Šī ūdens cirkulācija nodrošina ātru temperatūras pazemināšanos.

Bet kāpēc šis process nespēj sasniegt līdzsvara punktu? Lai izskaidrotu Mpembas efektu no šī konvekcijas viedokļa, jāpieņem, ka aukstā un karstā ūdens slāņi tiek atdalīti un pats konvekcijas process turpinās pēc tam, kad vidējā ūdens temperatūra nokrītas zem 4 C.

Tomēr nav eksperimentālu datu, kas apstiprinātu šo hipotēzi, ka aukstā un karstā ūdens slānis tiek atdalīts ar konvekciju.

Gāzes, kas izšķīdinātas ūdenī

Ūdens vienmēr satur tajā izšķīdinātas gāzes - skābekli un oglekļa dioksīdu. Šīs gāzes spēj samazināt ūdens sasalšanas temperatūru. Sildot ūdeni, šīs gāzes izdalās no ūdens, jo to šķīdība ūdenī augstā temperatūrā ir zemāka. Tāpēc, atdzesējot karstu ūdeni, tajā vienmēr ir mazāk izšķīdušo gāzu nekā neapsildītā aukstā ūdenī. Tāpēc sasildītā ūdens sasalšanas temperatūra ir augstāka, un tas sasalst ātrāk. Šis faktors dažreiz tiek uzskatīts par galveno, izskaidrojot Mpemba efektu, lai gan nav eksperimentālu datu, kas apstiprinātu šo faktu.

Siltumvadītspēja

Šim mehānismam var būt nozīmīga loma, ja ūdeni ievieto saldētavā ledusskapja nodalījumā mazos traukos. Šādos apstākļos ir novērots, ka trauks ar karstu ūdeni izkausē zem tā esošo saldētavas ledu, tādējādi uzlabojot termisko kontaktu ar saldētavas sienu un siltuma vadītspēju. Tā rezultātā siltums no trauka ar karstu ūdeni tiek noņemts ātrāk nekā no aukstā ūdens. Savukārt konteiners ar aukstu ūdeni zem tā nekausē sniegu.

Visi šie (kā arī citi) apstākļi tika pētīti daudzos eksperimentos, taču viennozīmīga atbilde uz jautājumu - kurš no tiem nodrošina simtprocentīgu Mpemba efekta atražošanu - nav iegūts.

Piemēram, 1995. gadā vācu fiziķis Deivids Auerbahs pētīja ūdens pārdzesēšanas ietekmi uz šo efektu. Viņš atklāja, ka karsts ūdens, sasniedzot pārdzesētu stāvokli, sasalst augstākā temperatūrā nekā auksts ūdens, kas nozīmē ātrāk nekā pēdējais. Bet auksts ūdens pārdzesētu stāvokli sasniedz ātrāk nekā karsts ūdens, tādējādi kompensējot iepriekšējo kavēšanos.

Turklāt Auerbaha rezultāti bija pretrunā ar iepriekš iegūtajiem datiem, ka ar karstu ūdeni mazāku kristalizācijas centru dēļ var panākt lielāku pārdzesēšanu. Karsējot ūdeni, no tā tiek izvadītas tajā izšķīdušās gāzes, un, kad tas ir vārīts, nogulsnējas daži tajā izšķīdināti sāļi.

Pagaidām var apgalvot tikai vienu - šī efekta atveidošana būtībā ir atkarīga no apstākļiem, kādos notiek eksperiments. Tieši tāpēc, ka tas ne vienmēr tiek reproducēts.

Lielbritānijas Karaliskā ķīmijas biedrība piedāvā £ 1000 balvu ikvienam, kurš var zinātniski izskaidrot, kāpēc dažos gadījumos karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais.

“Mūsdienu zinātne joprojām nevar atbildēt uz šo šķietami vienkāršo jautājumu. Saldējuma ražotāji un bārmeņi izmanto šo efektu ikdienas darbā, taču neviens īsti nezina, kāpēc tas darbojas. Šī problēma ir bijusi pazīstama gadu tūkstošiem, par to domājuši tādi filozofi kā Aristotelis un Dekarts, ”sacīja Lielbritānijas Karaliskās ķīmijas biedrības prezidents profesors Deivids Filipss, citējot biedrības paziņojumā presei.

Kā pavārs no Āfrikas uzvarēja britu fizikas profesoru

Tas nav aprīļa joks, bet skarba fiziskā realitāte. Pašreizējā zinātne, kas viegli darbojas ar galaktikām un melnajiem caurumiem, būvē milzu paātrinātājus, lai meklētu kvarkus un bozonus, nevar izskaidrot, kā "darbojas" elementārais ūdens. Skolas mācību grāmatā skaidri teikts, ka siltāka ķermeņa atdzišana prasa ilgāku laiku nekā vēsāka ķermeņa atdzišana. Bet attiecībā uz ūdeni šis likums ne vienmēr tiek ievērots. Aristotelis pievērsa uzmanību šim paradoksam 4. gadsimtā pirms mūsu ēras. e. To senais grieķis rakstīja grāmatā Meteorologica I: “Tas, ka ūdens ir uzkarsēts, liek tam sasalt. Tāpēc daudzi cilvēki, kad vēlas ātri atdzesēt karstu ūdeni, vispirms to ieliek saulē ... ”Viduslaikos šo parādību centās izskaidrot Frensiss Bēkons un Renē Dekarts. Diemžēl tas neizdevās ne lielajiem filozofiem, ne daudziem zinātniekiem, kuri izstrādāja klasisko termisko fiziku, un tāpēc šis neērtais fakts ilgu laiku tika "aizmirsts".

Un tikai 1968. gadā viņi "atcerējās", pateicoties skolas zēnam Erasto Mpembai no Tanzānijas, tālu no jebkuras zinātnes. Apmeklējot pavārskolu, 1963. gadā 13 gadus vecajam Mpembe tika uzdots pagatavot saldējumu. Saskaņā ar tehnoloģiju bija nepieciešams vārīt pienu, izšķīdināt tajā cukuru, atdzesēt līdz istabas temperatūrai un pēc tam ievietot ledusskapī, lai tas sasaltu. Acīmredzot Mpemba nebija čakls students un vilcinājās. Baidoties, ka līdz nodarbības beigām viņš nebūs laikus, viņš karsto pienu ielika ledusskapī. Viņam par pārsteigumu tas sastinga pat agrāk nekā biedru piens, kas sagatavots pēc visiem noteikumiem.

Kad Mpemba dalījās atklājumā ar fizikas skolotāju, viņš visas klases priekšā viņu ņirgājās. Mpemba atcerējās ievainoto. Piecus gadus vēlāk viņš, jau būdams Dāresalāma universitātes students, apmeklēja slavenā fiziķa Denisa G. Osborna lekciju. Pēc lekcijas viņš uzdeva zinātniekam jautājumu: “Ja jūs paņemat divus identiskus traukus ar vienādu daudzumu ūdens, vienu 35 ° C (95 ° F) un otru 100 ° C (212 ° F) temperatūrā, un noliekat tos saldētavā, tad ūdens karstā traukā sasals ātrāk. Kāpēc? " Jūs varat iedomāties kāda britu profesora reakciju uz jautājumu par jaunu vīrieti no Dieva pamestās Tanzānijas. Viņš ņirgājās par studentu. Tomēr Mpemba bija gatavs šādai atbildei un izaicināja zinātnieku uz likmi. Viņu strīds beidzās ar eksperimentālu pārbaudi, kas apstiprināja Mpembas un Osborna sakāves pareizību. Tātad skolnieks-pavārs ierakstīja savu vārdu zinātnes vēsturē, un turpmāk šo parādību sauc par "Mpemba efektu". To nav iespējams izmest, pasludināt, it kā tā nebūtu. Fenomens pastāv, un, kā rakstīja dzejnieks, "ne līdz zobiem".

Vai pie tā ir vainīgas putekļu daļiņas un izšķīdušās vielas?

Gadu gaitā daudzi ir mēģinājuši atklāt ūdens nosalšanas noslēpumu. Ir ierosināts vesels ķekars skaidrojumu šai parādībai: iztvaikošana, konvekcija, izšķīdušo vielu ietekme - taču nevienu no šiem faktoriem nevar uzskatīt par galīgu. Vairāki zinātnieki visu savu dzīvi ir veltījuši Mpembas efektam. Džeimss Braunridžs, Ņujorkas Valsts universitātes Radiācijas drošības departamenta darbinieks, brīvajā laikā ir pētījis paradoksu vairāk nekā desmit gadus. Pēc simtiem eksperimentu veikšanas zinātnieks apgalvo, ka viņam ir pierādījumi par hipotermijas "vainu". Braunridžs paskaidro, ka 0 ° C temperatūrā ūdens tikai pārdzesē un sāk sasalt, kad temperatūra nokrītas zemāk. Sasalšanas punktu kontrolē piemaisījumi ūdenī - tie maina ledus kristālu veidošanās ātrumu. Piemaisījumiem, un tie ir putekļu graudi, baktērijas un izšķīdināti sāļi, tiem raksturīga kodola temperatūra, kad ap kristalizācijas centriem veidojas ledus kristāli. Ja ūdenī vienlaikus ir vairāki elementi, sasalšanas punktu nosaka tas, kuram ir visaugstākā kodola temperatūra.

Eksperimentam Braunridžs paņēma divus vienas temperatūras ūdens paraugus un ievietoja tos saldētavā. Viņš atklāja, ka viens no paraugiem vienmēr sasalst pirms otra - iespējams, atšķirīgas piemaisījumu kombinācijas dēļ.

Braunridža apgalvo, ka karstais ūdens atdziest ātrāk, jo ir lielāka temperatūras starpība starp ūdeni un saldētavu - tas palīdz sasniegt sasalšanas punktu, pirms aukstais ūdens sasniedz dabisko sasalšanas punktu, kas ir vismaz par 5 ° C zemāks.

Tomēr Brownridge argumentācija rada daudz jautājumu. Tāpēc tiem, kas var izskaidrot Mpembas efektu savā veidā, ir iespēja sacensties par tūkstoš mārciņām no Lielbritānijas Karaliskās ķīmijas biedrības.

Daudzi pētnieki ir izvirzījuši un izvirza savas versijas, kāpēc karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais. Tas šķistu paradokss - galu galā, lai sasaltu, karstajam ūdenim vispirms ir jāatdziest. Tomēr fakts paliek, un zinātnieki to izskaidro dažādos veidos.

Galvenās versijas

Šobrīd ir vairākas versijas, kas izskaidro šo faktu:

1. Tā kā karstais ūdens iztvaiko ātrāk, tā tilpums samazinās. Mazāk tādas pašas temperatūras ūdens sasalst ātrāk.
2. Ledusskapja saldētavas nodalījumā ir sniega spilventiņš. Karstā ūdens trauks izkausē sniegu zem tā. Tas uzlabo termisko kontaktu ar saldētavu.
3. Aukstā ūdens sasalšana, atšķirībā no karstā ūdens, sākas no augšas. Šajā gadījumā pasliktinās konvekcija un siltuma starojums, un līdz ar to arī siltuma zudumi.
4. Aukstā ūdenī ir kristalizācijas centri - tajā izšķīdinātas vielas. Ja to saturs ūdenī ir mazs, apledojums ir grūti, lai gan tajā pašā laikā tas var būt pārāk atdzisis - kad zem nulles temperatūras tas ir šķidrā stāvoklī.

Lai gan godīgi mēs varam teikt, ka šis efekts ne vienmēr tiek novērots. Ļoti bieži auksts ūdens sasalst ātrāk nekā karsts ūdens.

Kādā temperatūrā ūdens sasalst

Kāpēc ūdens vispār sasalst? Tas satur noteiktu daudzumu minerālu vai organisko daļiņu. Tās, piemēram, var būt ļoti smalkas smilšu, putekļu vai māla daļiņas. Kad gaisa temperatūra pazeminās, šīs daļiņas ir centri, ap kuriem veidojas ledus kristāli.

Kristalizācijas kodolu lomu var spēlēt arī gaisa burbuļi un plaisas traukā, kas satur ūdeni. Ūdens pārvēršanas ledū procesa ātrumu lielā mērā ietekmē šādu centru skaits - ja to ir daudz, šķidrums sasalst ātrāk. Normālos apstākļos ar normālu atmosfēras spiedienu ūdens no šķidruma 0 grādu temperatūrā pārvēršas cietā stāvoklī.

Mpembas efekta būtība

Mpembas efektu saprot kā paradoksu, kura būtība ir tāda, ka noteiktos apstākļos karsts ūdens sasalst ātrāk nekā auksts. Šo fenomenu pamanīja Aristotelis un Dekarts. Tomēr tikai 1963. gadā Tanzānijas skolnieks Erasto Mpemba noteica, ka karstais saldējums sasalst īsākā laikā nekā aukstais. Viņš izdarīja šādu secinājumu, veicot ēdiena gatavošanas uzdevumu.

Viņam vajadzēja izšķīdināt cukuru vārītajā pienā un pēc atdzesēšanas ievietot ledusskapī, lai tas sasaltu. Acīmredzot Mpemba neatšķīrās pēc īpašas degsmes un sāka veikt pirmo uzdevuma daļu ar kavēšanos. Tāpēc viņš negaidīja piena atdzišanu un karstu ievietoja ledusskapī. Viņš bija ļoti pārsteigts, kad tas sastinga pat ātrāk nekā klasesbiedri, kuri darbu veica atbilstoši dotajai tehnoloģijai.

Jaunais vīrietis ļoti interesējās par šo faktu, un viņš sāka eksperimentus ar tīru ūdeni. 1969. gadā Fizikas izglītība publicēja Mpembas un profesora Denisa Osborna no Dāresalāma universitātes pētījumu rezultātus. Viņu aprakstītais efekts tika nosaukts par Mpemba. Tomēr arī šodien fenomenam nav skaidra izskaidrojuma. Visi zinātnieki ir vienisprātis, ka galvenā loma šajā atdzesētā un karstā ūdens īpašību atšķirībā ir, taču nav precīzi zināms, kurš no tiem.

Singapūras versija

Arī fiziķus vienā no Singapūras universitātēm interesēja jautājums, kurš ūdens ātrāk sasalst - karsts vai auksts? Sji Dzhana vadītā pētnieku grupa šo paradoksu izskaidroja tieši ar ūdens īpašībām. Ikviens zina ūdens sastāvu no skolas - skābekļa atomu un divus ūdeņraža atomus. Skābeklis zināmā mērā piesaista elektronus no ūdeņraža, tāpēc molekula ir sava veida "magnēts".

Tā rezultātā dažas ūdenī esošās molekulas nedaudz pievilina viena otru, un tās vieno ūdeņraža saite. Tās stiprums ir daudzkārt mazāks nekā kovalentā saite. Singapūras pētnieki uzskata, ka Mpemba paradoksa izskaidrojums ir ūdeņraža saites. Ja ūdens molekulas ir ļoti cieši novietotas savā starpā, tad tik spēcīga molekulu mijiedarbība var deformēt kovalento saiti pašas molekulas vidū.

Bet, sildot ūdeni, saistītās molekulas nedaudz attālinās viena no otras. Tā rezultātā molekulu vidū notiek kovalento saišu relaksācija, atbrīvojot lieko enerģiju un pārejot uz zemāku enerģijas līmeni. Tas noved pie tā, ka karsts ūdens sāk atdzist paātrinātā ātrumā. Vismaz to parāda Singapūras zinātnieku veiktie teorētiskie aprēķini.

Tūlītēja ūdens sasalšana - 5 neticami triki: Video

Ūdens ir viens no apbrīnojamākajiem šķidrumiem pasaulē ar neparastām īpašībām. Piemēram, ledus ir ciets šķidruma stāvoklis, tam ir mazāks īpatnējais svars nekā pašam ūdenim, kas daudzos veidos ļāva dzīvības parādīšanos un attīstību uz Zemes. Turklāt pseidozinātniskajā un zinātniskajā pasaulē notiek diskusijas par to, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts. Ikviens, kurš pierāda ātrāku karsto šķidrumu sasaldēšanu noteiktos apstākļos un zinātniski pamato savu lēmumu, saņems Lielbritānijas Karaliskās Ķīmiķu biedrības apbalvojumu £ 1000 apmērā.

Emisijas vēsture

Fakts, ka, ja tiek izpildīti vairāki nosacījumi, karstais ūdens sasalšanas ātruma ziņā ir ātrāks nekā aukstais, tika pamanīts viduslaikos. Frensiss Bēkons un Renē Dekarts ir pielikuši daudz pūļu, lai izskaidrotu šo parādību. Tomēr no klasiskās apkures inženierijas viedokļa šo paradoksu nevar izskaidrot, un viņi mēģināja kautrīgi par to noklusēt. Impulss strīdu turpināšanai bija nedaudz kuriozs stāsts, kas notika ar Tanzānijas skolnieku Erasto Mpembu 1963. gadā. Reiz pavāru skolas nodarbībā par desertu gatavošanu zēnam, kurš bija izklaidējies no svešām lietām, nebija laika savlaicīgi atdzesēt saldējuma maisījumu un saldētavā ievietot karstu cukura šķīdumu pienā. Viņam par pārsteigumu produkts atdzisa nedaudz ātrāk nekā citiem praktizētājiem, ievērojot temperatūras režīmu saldējuma pagatavošanai.

Mēģinot izprast parādības būtību, zēns vērsās pie sava fizikas skolotāja, kurš, neiedziļinoties sīkumos, izsmēja viņa kulinārijas eksperimentus. Tomēr Erasto izcēlās ar apskaužamu neatlaidību un eksperimentus turpināja vairs nevis ar pienu, bet gan ar ūdeni. Viņš bija pārliecināts, ka dažos gadījumos karsts ūdens sasalst ātrāk nekā auksts.

Pēc iestāšanās Dāresalāma universitātē Erasto Mpembe apmeklēja profesora Denisa G. Osborna lekciju. Pēc absolvēšanas students mulsināja zinātnieku ar ūdens sasalšanas ātruma problēmu atkarībā no tā temperatūras. D.G. Osborns izsmēja pašu jautājumu, ar apņēmību paziņojot, ka jebkurš nabadzīgs students zināja, ka auksts ūdens sasalst ātrāk. Tomēr jaunā vīrieša dabiskā spītība lika par sevi manīt. Viņš noslēdza derības ar profesoru, ierosinot šeit, laboratorijā, veikt eksperimentālu pārbaudi. Erasto saldētavā ievietoja divus ūdens traukus, vienu 95 ° F (35 ° C) un otru 212 ° F (100 ° C) temperatūrā. Iedomājieties profesora un apkārtējo "fanu" pārsteigumu, kad ūdens otrajā traukā sastinga ātrāk. Kopš tā laika šo parādību sauc par "Mpemba paradoksu".

Tomēr līdz šim nav saskaņotas teorētiskas hipotēzes, kas izskaidrotu "Mpemba paradoksu". Nav skaidrs, kādi ārējie faktori, ūdens ķīmiskais sastāvs, izšķīdušo gāzu un minerālu klātbūtne tajā ietekmē šķidrumu sasalšanas ātrumu dažādās temperatūrās. "Mpemba efekta" paradokss ir tāds, ka tas ir pretrunā ar vienu no I. Ņūtona atklātajiem likumiem, kurā teikts, ka ūdens atdzišanas laiks ir tieši proporcionāls šķidruma un vides temperatūras starpībai. Un, ja visi pārējie šķidrumi pilnībā ievēro šo likumu, tad ūdens dažos gadījumos ir izņēmums.

Kāpēc karstais ūdens sasalst ātrākt

Ir vairākas versijas, kāpēc karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais. Galvenie no tiem ir:

• karstais ūdens iztvaiko ātrāk, kamēr tā tilpums samazinās, un mazāks šķidruma daudzums atdziest ātrāk - ūdeni atdzesējot no + 100 ° C līdz 0 ° C, tilpuma zudumi atmosfēras spiedienā sasniedz 15%;
• siltuma apmaiņas intensitāte starp šķidrumu un vidi ir lielāka, jo lielāka ir temperatūras starpība, tāpēc verdoša ūdens siltuma zudumi pāriet ātrāk;
• karstam ūdenim atdziestot, uz tā virsmas veidojas ledus garoza, kas novērš šķidruma pilnīgu sasalšanu un tā iztvaikošanu;
• augstā ūdens temperatūrā notiek tā konvekcijas sajaukšanās, kas samazina sasalšanas laiku;
• ūdenī izšķīdinātas gāzes pazemina sasalšanas temperatūru, atņemot enerģiju kristālu veidošanai - karstā ūdenī nav izšķīdušas gāzes.

Visi šie apstākļi ir atkārtoti pārbaudīti eksperimentāli. Jo īpaši vācu zinātnieks Deivids Auerbahs atklāja, ka karstā ūdens kristalizācijas temperatūra ir nedaudz augstāka nekā aukstā ūdens, kas ļauj pirmajam sasalt ātrāk. Tomēr vēlāk viņa eksperimenti tika kritizēti un daudzi zinātnieki ir pārliecināti, ka "Mpemba efektu", par kuru ūdens sasalst ātrāk - karstu vai aukstu, var reproducēt tikai noteiktos apstākļos, kuru meklēšana un precizēšana līdz šim nav bijusi iesaistīta.