Kumpi vesi kovettuu nopeammin, on kylmä vai kuuma. Mitä et tiennyt vedestä

Monet tutkijat ovat esittäneet ja esittävät omia versioitaan siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Se vaikuttaisi paradoksilta - loppujen lopuksi kuuman veden on ensin jäähdyttävä jäätyäkseen. Tosiasia kuitenkin pysyy, ja tutkijat selittävät sen eri tavoin.

Tärkeimmät versiot

Päällä Tämä hetki On olemassa useita versioita, jotka selittävät tämän tosiasian:

1. Kun kuuma vesi haihtuu nopeammin, sen tilavuus pienenee. Vähemmän samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin.
2. Jääkaapin pakastinosastossa on lumipehmuste. Kuumavesisäiliö sulattaa lumen alta. Tämä parantaa lämpökosketusta pakastimen kanssa.
3. Kylmän veden jäätyminen, toisin kuin kuuma vesi, alkaa ylhäältä. Tässä tapauksessa konvektio ja lämpösäteily ja siten lämpöhäviö pahenevat.
4. V kylmä vesi siellä on kiteytyskeskuksia - siihen liuenneita aineita. Pienellä pitoisuudella niitä vedessä jäätyminen on vaikeaa, vaikka samalla se voi jäähtyä liikaa - pakkasessa se on nestemäistä.

Vaikka rehellisyyden nimissä voimme sanoa, että tätä vaikutusta ei aina havaita. Hyvin usein kylmä vesi jäätyy nopeammin kuin kuuma vesi.

Missä lämpötilassa vesi jäätyy

Miksi vesi jäätyy ylipäänsä? Se sisältää tietyn määrän mineraali- tai orgaanisia hiukkasia. Tämä voi esimerkiksi olla erittäin hienoja hiukkasia hiekkaa, pölyä tai savea. Kun ilman lämpötila laskee, nämä hiukkaset ovat keskuksia, joiden ympärille muodostuu jääkiteitä.

Kiteytysytimien roolia voivat olla myös ilmakuplat ja halkeamat vettä sisältävässä säiliössä. Veden jääksi muuttamisprosessin nopeuteen vaikuttaa suuresti tällaisten keskusten lukumäärä - jos niitä on paljon, neste jäätyy nopeammin. Normaaliolosuhteissa normaalilla ilmakehän paine, vesi muuttuu kiinteäksi olomuodoksi nesteestä 0 asteen lämpötilassa.

Mpemba-efektin ydin

Mpemba-ilmiö ymmärretään paradoksina, jonka ydin on, että tietyissä olosuhteissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Tämän ilmiön huomasivat Aristoteles ja Descartes. Kuitenkin vasta vuonna 1963 tansanialainen opiskelija Erasto Mpemba päätti, että kuuma jäätelö jäätyy lyhyemmässä ajassa kuin kylmä jäätelö. Hän teki tällaisen johtopäätöksen suorittaessaan ruoanlaittotehtävää.

Hänen piti liuottaa sokeria keitettyyn maitoon ja jäähdyttämisen jälkeen laittaa se jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei eronnut erityisestä innostuksesta ja alkoi suorittaa tehtävän ensimmäistä osaa viiveellä. Siksi hän ei odottanut maidon jäähtymistä, vaan laittoi sen jääkaappiin kuumana. Hän oli hyvin yllättynyt, kun se jäätyi jopa nopeammin kuin hänen luokkatoverinsa, jotka suorittivat työn annetun tekniikan mukaisesti.

Nuori mies oli erittäin kiinnostunut tästä tosiasiasta, ja hän aloitti kokeita puhtaalla vedellä. Vuonna 1969 Physics Education julkaisi Mpemban ja Dar es Salaamin yliopiston professorin Dennis Osbornen tutkimustulokset. Heidän kuvailemansa vaikutuksen nimi oli Mpemba. Ilmiölle ei kuitenkaan vielä tänä päivänä ole selkeää selitystä. Kaikki tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että päärooli tässä erossa jäähdytetyn ja kuuman veden ominaisuuksien välillä kuuluu, mutta ei tiedetä tarkasti, kumpi.

Singaporen versio

Singaporen yliopiston fyysikot olivat myös kiinnostuneita kysymyksestä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä? Xi Zhangin johtama tutkijaryhmä selitti tämän paradoksin juuri veden ominaisuuksilla. Kaikki koulusta tietävät edelleen veden koostumuksen - happiatomin ja kaksi vetyatomia. Happi vetää jossain määrin elektroneja vedystä, joten molekyyli on eräänlainen "magneetti".

Seurauksena on, että tietyt vedessä olevat molekyylit vetäytyvät hieman toisiinsa ja ne yhdistyvät vetysidoksella. Sen lujuus on monta kertaa pienempi kuin kovalenttisen sidoksen. Singaporelaiset tutkijat uskovat, että selitys Mpemba-paradoksille on vetysidoksissa. Jos vesimolekyylit ovat hyvin tiiviisti sijoittuneet keskenään, niin vahva molekyylien välinen vuorovaikutus voi muuttaa kovalenttista sidosta itse molekyylin keskellä.

Mutta kun vettä lämmitetään, sitoutuneet molekyylit siirtyvät hieman poispäin toisistaan. Tämän seurauksena molekyylien keskellä tapahtuu kovalenttisten sidosten rentoutumista ylimääräisen energian vapautuessa ja siirtyessä alempaan. energiataso... Tämä johtaa siihen, että kuuma vesi alkaa jäähtyä kiihtyvällä nopeudella. Tekijä: vähintään, kuten singaporelaisten tutkijoiden suorittamat teoreettiset laskelmat osoittavat.

Veden välitön jäätyminen - 5 uskomatonta temppua: Video

Mpemba vaikutus(Mpemba paradoksi) - paradoksi, joka sanoo, että kuuma vesi jäätyy nopeammin tietyissä olosuhteissa kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätymisen aikana. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan samoissa olosuhteissa kuumenemman kappaleen jäähtyminen tiettyyn lämpötilaan kestää kauemmin kuin vähemmän kuumennetun kappaleen jäähtyminen samaan lämpötilaan.

Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.

Magabinskajan opiskelijana lukio Tansaniassa Erasto Mpemba teki käytännön työ ruoanlaitossa. Hänen täytyi tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja hän viivytteli tehtävän ensimmäisen osan suorittamista. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereiden maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.

Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä. Joka tapauksessa hän jo Mkvavskajan lukion opiskelijana esitti kysymyksen professori Dennis Osbornelle Dar es Salaamin yliopistosta (rehtori kutsui pitämään opiskelijoille luennon fysiikasta) erityisesti vedestä: "Jos otamme kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri vesimäärä niin, että yhdessä niistä veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laitamme ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi?" Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 hän ja Mpemba julkaisivat kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutus on ns Mpemba vaikutus.

Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja.

Mpemba-ilmiön paradoksi on, että aika, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Tässä vaikutuksessa vesi, jonka lämpötila on 100 ° C, jäähtyy 0 ° C lämpötilaan nopeammin kuin sama määrä vettä, jonka lämpötila on 35 ° C.

Tämä ei kuitenkaan vielä viittaa paradoksiin, sillä Mpemba-ilmiö voidaan selittää tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:

Haihtuminen

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan ​​0 C:een jäähdytettynä.

Haihdutusvaikutus - kaksoisvaikutus. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden määrää vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.

Lämpötila ero

Johtuen siitä, että lämpötilaero kuuma vesi ja enemmän kylmää ilmaa - siksi lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

Hypotermia

Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Joissakin olosuhteissa se voi joutua hypotermiaan ja pysyä nesteenä jäätymispisteen alapuolella. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:n lämpötilassa.

Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos niitä ei ole nestemäisessä vedessä, hypotermia jatkuu, kunnes lämpötila laskee niin paljon, että kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyessään muodostaa jäätä.

Kuuma vesi on alttiimmin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.

Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Jos kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tällöin aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa hitaampi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähtyneessä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.

Kun hypotermiaprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän.

Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.

Konvektio

Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.

Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden enimmäistiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se jää pinnalle muodostaen ohuen, kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jatkojäähdytysprosessi on hitaampi.

Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suurempi ero lämpötilat. Lisäksi kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa kerrosta lämmintä vettä pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.

Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta on oletettava, että kylmä ja kuuma vesikerrokset erottuvat ja itse konvektioprosessi jatkuu sen jälkeen. keskilämpötila vesi laskee alle 4 C.

Ei kuitenkaan ole olemassa kokeellista tietoa, joka tukisi tätä hypoteesia, jonka mukaan kylmät ja kuumat vesikerrokset erottuvat konvektiosta.

Veteen liuenneet kaasut

Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidi... Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Kun vettä kuumennetaan, nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen klo korkea lämpötila alla. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan pakastimeen jääkaappiosastossa pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa havaittiin, että kuumavesisäiliö sulattaa pakastimen jäätä alta, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinään ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu säiliöstä kuumalla vedellä nopeammin kuin kylmästä vedestä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla.

Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat Mpemba-ilmiön sataprosenttisen toiston - ei ole saatu.

Esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi, mikä tarkoittaa nopeampaa kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähtyneen tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä.

Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiemmin saatujen tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi voi saavuttaa enemmän alijäähdytystä, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.

Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.

On monia tekijöitä, jotka vaikuttavat siihen, mihin vesi jäätyy nopeammin, kuumana vai kylmänä, mutta itse kysymys vaikuttaa hieman oudolta. Väitetään, ja fysiikasta tiedetään, että kuuma vesi tarvitsee vielä aikaa jäähtyäkseen vastaavan kylmän veden lämpötilaan muuttuakseen jääksi. Kylmässä vedessä tämä vaihe voidaan ohittaa, ja vastaavasti se voittaa ajoissa.

Mutta vastauksen kysymykseen, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma - ulkona pakkasessa, tietää kuka tahansa pohjoisten leveysasteiden asukas. Itse asiassa tieteellisesti käy ilmi, että joka tapauksessa kylmän veden täytyy yksinkertaisesti jäätyä nopeammin.

Fysiikan opettaja, jota koulupoika Erasto Mpemba lähestyi vuonna 1963 ja pyysi selittämään, miksi tulevan jäätelön kylmä seos jäätyy pidempään kuin vastaava, mutta kuuma, ajatteli samalla tavalla.

"Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan jonkinlaista Mpemba-fysiikkaa"

Tuolloin opettaja vain nauroi tälle, mutta fysiikan professori Deniss Osborne, joka ajoi aikoinaan samaan kouluun, jossa Erasto opiskeli, vahvisti kokeellisesti tällaisen vaikutuksen olemassaolon, vaikka tälle ei silloin ollut selitystä. Vuonna 1969 suositussa tieteellinen lehti nämä kaksi henkilöä julkaisivat yhteisen artikkelin, jotka kuvasivat tätä erikoista vaikutusta.

Siitä lähtien kysymyksellä siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä - on muuten oma nimensä - Mpemban vaikutus tai paradoksi.

Kysymys on herännyt jo pitkään

Luonnollisesti tällainen ilmiö tapahtui aiemmin, ja se mainittiin muiden tutkijoiden töissä. Ei vain koulupoika ollut kiinnostunut tästä asiasta, vaan Rene Descartes ja jopa Aristoteles ajattelivat sitä aikanaan.

Tässä on vain lähestymistapoja tämän paradoksin ratkaisemiseen, jota alettiin tarkastella vasta 1900-luvun lopulla.

Edellytykset paradoksille

Kuten jäätelön kohdalla, kokeen aikana ei jäädytä pelkkä vesi. Tietyt olosuhteet täytyy olla olemassa, jotta voidaan alkaa kiistellä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Mikä vaikuttaa tämän prosessin kulkuun?

Nyt, 2000-luvulla, on esitetty useita vaihtoehtoja, jotka voivat selittää tämän paradoksin. Kumpi vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, voi riippua siitä, että sen haihtumisnopeus on nopeampi kuin kylmällä vedellä. Siten sen tilavuus pienenee, ja tilavuuden pienentyessä jäätymisajasta tulee lyhyempi kuin jos otamme samanlaisen alkuperäisen tilavuuden kylmää vettä.

Sulata pakastimessa pitkään

Se, mikä vesi jäätyy nopeammin ja miksi niin tapahtuu, voi vaikuttaa kokeeseen käytetyn jääkaapin pakastimesta löytyvällä lumivuorella. Jos otat kaksi tilavuudeltaan identtistä astiaa, mutta toisessa on kuumaa vettä ja toisessa kylmää vettä, kuumaa vettä sisältävä säiliö sulattaa lumen alla ja parantaa siten lämpötason kosketusta kotelon seinään. jääkaappi. Kylmävesisäiliö ei pysty siihen. Jos jääkaappiosastossa ei ole tällaista lumella vuorausta, kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin.

Yläosa - alaosa

Myös ilmiö, jossa vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, selitetään seuraavasti. Tiettyjen lakien mukaisesti kylmä vesi alkaa jäätyä ylemmistä kerroksista, kun kuuma vesi tekee sen päinvastoin - se alkaa jäätyä alhaalta ylöspäin. Samalla käy ilmi, että kylmä vesi, jonka päällä on kylmä kerros, jossa on paikoin jo muodostunut jäätä, huonontaa siten konvektio- ja lämpösäteilyprosesseja, mikä selittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Liitteenä on valokuva amatöörikokeista, ja tämä näkyy selvästi täällä.

Lämpö menee ulos, suuntautuu ylöspäin, ja siellä se kohtaa hyvin jäähtyneen kerroksen. Lämpösäteilylle ei ole vapaata polkua, joten jäähdytysprosessi vaikeutuu. Kuumalla vedellä ei ole tällaisia ​​esteitä. Kumpi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma, josta todennäköinen lopputulos riippuu, voit laajentaa vastausta sillä, että mihin tahansa veteen on liuennut tiettyjä aineita.

Veden epäpuhtaudet tulokseen vaikuttavana tekijänä

Jos et huijaa ja käytä vettä, jolla on sama koostumus, jossa tiettyjen aineiden pitoisuudet ovat samat, kylmän veden tulisi jäätyä nopeammin. Mutta jos tilanne syntyy, kun hajotetaan kemiallisia alkuaineita saatavilla vain kuumassa vedessä, eikä kylmässä vedessä ole niitä, niin kuumalla vedellä on mahdollisuus jäätyä aikaisemmin. Tämä selittyy sillä, että veteen liuenneet aineet muodostavat kiteytyskeskuksia, ja pienellä määrällä näitä keskuksia veden muuttuminen kiinteäksi olomuodoksi on vaikeaa. Veden ylijäähdytys on jopa mahdollista siinä mielessä, että pakkasessa se on nestemäisessä tilassa.

Mutta kaikki nämä versiot eivät ilmeisesti täysin sopineet tutkijoille, ja he jatkoivat työskentelyä tämän asian parissa. Vuonna 2013 tutkijaryhmä Singaporessa sanoi ratkaissensa ikivanhan mysteerin.

Ryhmä kiinalaisia ​​tutkijoita väittää salaisuuden tämä vaikutus koostuu energiamäärästä, joka varastoituu vesimolekyylien väliin sen sidoksissa, joita kutsutaan vetysidoksiksi.

Vihje kiinalaisilta tutkijoilta

Tätä seuraa tietoa, jonka ymmärtämiseksi tarvitaan jonkin verran tietoa kemiasta, jotta voidaan selvittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Kuten tiedät, se koostuu kahdesta H-atomista (vety) ja yhdestä O-atomista (happi), joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset.

Mutta myös yhden molekyylin vetyatomit vetoavat viereisiin molekyyleihin, niiden happikomponenttiin. Juuri näitä sidoksia kutsutaan vetysidoksiksi.

On syytä muistaa, että samalla vesimolekyylit ovat vastenmielisiä toisilleen. Tutkijat totesivat, että kun vettä lämmitetään, sen molekyylien välinen etäisyys kasvaa, ja tätä helpottavat vain hylkivät voimat. Osoittautuu, että kun ne vievät yhden etäisyyden molekyylien välillä kylmässä tilassa, ne venyvät ja niillä on enemmän energiaa. Juuri tämä energiavarasto vapautuu, kun vesimolekyylit alkavat lähestyä toisiaan, eli tapahtuu jäähtymistä. Osoittautuu, että suurempi energian saanti kuumassa vedessä ja sen suurempi vapautuminen jäähtyneenä pakkaselle tapahtuu nopeammin kuin kylmässä vedessä, jossa on vähemmän energiaa. Joten kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma? Kadulla ja laboratoriossa pitäisi tapahtua Mpemba-paradoksi, ja kuuman veden pitäisi muuttua jääksi nopeammin.

Mutta kysymys on edelleen avoin

Tälle vihjeelle on vain teoreettinen vahvistus - kaikki tämä on kirjoitettu kauniilla kaavoilla ja näyttää uskottavalta. Mutta kun kokeelliset tiedot, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä, asetetaan käytännölliseen merkitykseen ja niiden tulokset esitetään, niin kysymystä Mpemba-paradoksista voidaan pitää suljettuna.

Hei rakkaat rakastajat mielenkiintoisia seikkoja... Tänään puhumme aiheesta. Mutta mielestäni otsikon kysymys saattaa tuntua yksinkertaisesti absurdilta - mutta pitäisikö aina täysin luottaa pahamaineiseen " maalaisjärkeä", Eikä tiukasti asetettu testauskokemus. Yritetään selvittää, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?

Historiallinen viittaus

Aristoteleen kirjoituksissa mainittiin kylmän ja kuuman veden jäädyttämistä koskevassa kysymyksessä "kaikki ei ole puhdasta", sitten samanlaisia ​​huomautuksia tekivät F. Bacon, R. Descartes ja J. Black. V lähihistoria tämä efekti nimettiin "Mpemban paradoksiksi" - Tanganykista kotoisin olevan opiskelijan Erasto Mpemban mukaan, joka kysyi saman kysymyksen vierailevalle fysiikan professorille.

Pojan kysymys ei noussut tyhjästä, vaan puhtaasti henkilökohtaisista havainnoista jäätelöseosten jäähdytysprosessista keittiössä. Tietenkin luokkatoverit, jotka olivat paikalla, yhdessä koulun opettaja Naurava Mpemba - professori D. Osbornen henkilökohtaisen kokeellisen tarkastuksen jälkeen halu pilata Erastoa he "haihtuivat". Lisäksi Mpemboy julkaistiin yhdessä fysiikan kasvatustieteen professorin kanssa vuonna 1969 Yksityiskohtainen kuvaus tämä vaikutus - ja siitä lähtien edellä mainittu nimi on juuttunut tieteelliseen kirjallisuuteen.

Mikä on ilmiön ydin?

Kokeen asetus on melko yksinkertainen: muiden kanssa yhtäläiset olosuhteet identtiset ohutseinäiset astiat testataan, niissä - tiukasti yhtä suuret määrät vettä, jotka eroavat vain lämpötilasta. Astiat ladataan jääkaappiin, minkä jälkeen ajastetaan aika, jonka jälkeen jää muodostuu jokaiseen niistä. Paradoksi on, että astiassa, jossa on alun perin kuumempi neste, tämä tapahtuu nopeammin.

Miten moderni fysiikka selittää tämän?

Paradoksille ei ole universaalia selitystä, koska useat rinnakkaiset prosessit etenevät yhdessä, joiden panos voi poiketa tietyistä alkuehdoista - mutta yhtenäisellä tuloksella:

• nesteen kyky hypotermiaan - aluksi kylmä vesi on alttiimpi hypotermialle, ts. pysyy nestemäisenä, kun sen lämpötila on jo jäätymispisteen alapuolella
• nopeutettu jäähdytys - kuuman veden höyry muuttuu jäämikrokiteiksi, jotka putoaessaan takaisin nopeuttavat prosessia toimien ylimääräisenä "ulkoisena lämmönvaihtimena"
• eristysvaikutus - toisin kuin kuuma vesi, kylmä vesi jäätyy ylhäältä, mikä johtaa lämmönsiirron vähenemiseen konvektion ja säteilyn vaikutuksesta

On monia muita selityksiä ( viime kerta British Royal Society of Chemistry järjesti kilpailun parhaasta hypoteesista äskettäin, vuonna 2012) - mutta silti ei ole olemassa yksiselitteistä teoriaa kaikille syöttöehtojen yhdistelmille ...

Vesi on melko yksinkertainen aine kemiallisesta näkökulmasta, mutta samalla sillä on useita epätavallisia ominaisuuksia, jotka eivät koskaan lakkaa hämmästyttämästä tutkijoita. Alla on joitain tosiasioita, joista harvat tietävät.

1. Kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma?

Ota kaksi vesisäiliötä: kaada kuumaa vettä toiseen ja kylmää vettä toiseen ja laita ne pakastimeen. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka loogisesti ajatellen kylmän veden olisi pitänyt muuttua ensimmäisenä jääksi: kuuman veden on loppujen lopuksi ensin jäähdytettävä kylmään ja sitten muututtava jääksi, kun taas kylmän veden ei tarvitse jäähtyä. viilentyä. Miksi tämä tapahtuu?

Tansanialainen Erasto B. Mpemba-niminen opiskelija vuonna 1963 pakastaessaan valmistettua jäätelöseosta huomasi, että kuuma seos kovetti pakastimessa nopeammin kuin kylmä seos. Kun nuori mies jakoi löytönsä fysiikan opettajalle, hän vain nauroi hänelle. Onneksi opiskelija oli sinnikäs ja vakuutti opettajan suorittamaan kokeen, joka vahvisti hänen löytönsä: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi todella jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Nyt tätä ilmiötä, jossa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, kutsutaan " Mpemba vaikutus". Totta, kauan ennen häntä tämän ainutlaatuisen veden ominaisuuden panivat merkille Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Tutkijat eivät vieläkään täysin ymmärrä tämän ilmiön luonnetta, selittäen sen joko erolla hypotermiassa, haihtumisen, jään muodostumisessa, konvektiossa tai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksella kuumaan ja kylmään veteen.

2. Hän pystyy jäätymään välittömästi

Kaikki tietävät sen vettä muuttuu aina jääksi, kun se jäähdytetään 0 °C:seen ... paitsi joissain tapauksissa! Tällainen tapaus on esimerkiksi alijäähdytys, joka on erittäin ominaisuus puhdas vesi pysyy nesteenä myös jäähtyneenä jäätymispisteen alapuolelle. Tämä ilmiö tulee mahdolliseksi johtuen siitä, että ympäristöön ei sisällä kiteytyskeskuksia tai -ytimiä, jotka voisivat aiheuttaa jääkiteiden muodostumista. Ja siksi vesi pysyy nestemäisessä muodossa, vaikka se jäähtyy alle nollan celsiusasteen lämpötiloihin.

Kiteytysprosessi voivat laukaista esimerkiksi kaasukuplat, epäpuhtaudet (lika), säiliön epätasainen pinta. Ilman niitä vesi pysyy nestemäisenä. Kun kiteytysprosessi alkaa, voit tarkkailla kuinka alijäähdytetty vesi muuttuu hetkessä jääksi.

Huomaa, että "tulistettu" vesi pysyy myös nestemäisenä, vaikka se kuumennetaan sen kiehumispisteen yläpuolelle.

3,19 veden tilaa

Nimeä epäröimättä kuinka monta eri tilaa vedellä on? Jos vastasit kolmeen: kiinteä, nestemäinen, kaasumainen, olet väärässä. Tiedemiehet erottavat vähintään 5 erilaista vettä nestemäisessä muodossa ja 14 tilaa jäätyneessä muodossa.

Muistatko keskustelun alijäähdyttetystä vedestä? Joten mitä tahansa teetkin, -38 °C:n lämpötilassa puhtainkin alijäähdytetty vesi muuttuu yhtäkkiä jääksi. Mitä tapahtuu, jos lämpötila laskee edelleen? -120 °C:ssa vedelle alkaa tapahtua jotain outoa: se muuttuu superviskoosiksi tai viskoosiksi, kuten melassi, ja alle -135 °C:n lämpötiloissa se muuttuu "lasiksi" tai "lasimaiseksi" vedeksi - kiinteäksi aineeksi, josta puuttuu kiderakenne.

4. Vesi yllättää fyysikot

Päällä molekyylitaso vesi yllättää vielä enemmän. Vuonna 1995 tutkijoiden suorittama neutronien sirontakoe antoi odottamattoman tuloksen: fyysikot havaitsivat, että vesimolekyyleihin suunnatut neutronit "näkevät" 25 % odotettua vähemmän vetyprotoneja.

Kävi ilmi, että epätavallinen kvanttiefekti tapahtuu yhden attosekunnin (10 -18 sekunnin) nopeudella, ja kemiallinen kaava vettä sen sijaan H2O, muuttuu H1.5O!

5. Veden muisti

Vaihtoehtoinen virallinen lääketiede homeopatia väittää, että laimennettu liuos lääkettä voi olla parantava vaikutus kehoon, vaikka laimennussuhde on niin suuri, ettei liuokseen jää mitään muuta kuin vesimolekyylejä. Homeopaattisten kannattajien mukaan tämä paradoksi johtuu käsitteestä nimeltä " muisto vedestä”, jonka mukaan vesi molekyylitasolla "muistia" siihen kerran liuenneesta aineesta ja säilyttää alkuperäisen pitoisuutensa liuoksen ominaisuudet sen jälkeen, kun siihen ei ole jäänyt yhtään ainesosamolekyyliä.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johti professori Madeleine Ennis Belfastin Queen's Universitystä ja kritisoi homeopatian periaatteita, suoritti vuonna 2002 kokeen kumotakseen tämän käsityksen lopullisesti. Tulos oli päinvastainen. Sen jälkeen tiedemiehet sanoivat pystyneensä todistamaan vaikutuksen todellisuuden " muisto vedestä". Riippumattomien asiantuntijoiden valvonnassa tehdyt kokeet eivät kuitenkaan tuottaneet tuloksia. Kiistat ilmiön olemassaolosta" muisto vedestä"Jatkaa.

Vedellä on monia muita epätavallisia ominaisuuksia, joita emme ole käsitelleet tässä artikkelissa. Esimerkiksi veden tiheys muuttuu lämpötilan mukaan (jää on vähemmän tiheää kuin vesi); vedellä on melko korkea pintajännitys; nestemäisessä tilassa vesi on monimutkainen ja dynaamisesti muuttuva vesiklusteriverkosto, ja juuri klustereiden käyttäytyminen vaikuttaa veden rakenteeseen jne.

Tietoja näistä ja monista muista odottamattomista ominaisuuksista vettä voi lukea artikkelista " Veden epänormaalit ominaisuudet"Kirjoittanut Martin Chaplin, Lontoon yliopiston professori.