Miksi kylmä vesi lämpenee nopeammin kuin kuuma vesi. Mpemba -vaikutus tai miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi

21.11.2017 11.10.2018 Aleksanteri Firtsev

« Mikä vesi jäätyy nopeammin kylmänä tai kuumana?"- yritä esittää kysymys ystävillesi, todennäköisesti useimmat heistä vastaavat, että se jäätyy nopeammin kylmä vesi- ja tehdä virheen.

Itse asiassa, jos laitat pakastimeen samanaikaisesti kaksi saman muotoista ja tilavuuden astiaa, joista toisessa on kylmää vettä ja toisessa kuumaa, se jäätyy nopeammin. kuuma vesi.

Tällainen väite voi tuntua järjettömältä ja järjettömältä. Jos noudatat logiikkaa, kuuman veden on ensin jäähdytettävä kylmään lämpötilaan, ja kylmän olisi pitänyt jo muuttua jääksi.

Joten miksi kuuma vesi ohittaa kylmän veden matkalla jäätymiseen? Yritetään selvittää se.

Havaintojen ja tutkimuksen historia

Ihmiset ovat havainneet paradoksaalisen vaikutuksen muinaisista ajoista lähtien, mutta kukaan ei antanut sitä erityisen tärkeä... Näin Arrestotel sekä René Descartes ja Francis Bacon totesivat muistiinpanoissaan, ettei kylmän ja kuuman veden jäätymisaste ole sattumaa. Epätavallinen ilmiö ilmenee usein jokapäiväisessä elämässä.

Ilmiötä ei pitkään tutkittu millään tavalla, eikä se herättänyt suurta kiinnostusta tutkijoiden keskuudessa.

Epätavallisen vaikutuksen tutkiminen alkoi vuonna 1963, kun utelias opiskelija Tansaniasta Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelö jäätyy nopeammin kuin kylmä maito. Toivoen saadakseen selityksen epätavallisen vaikutuksen syistä nuori mies kysyi fysiikan opettajaltaan koulussa. Opettaja kuitenkin vain nauroi hänelle.

Myöhemmin Mpemba toisti kokeen, mutta kokeessaan hän ei enää käyttänyt maitoa, vaan vettä, ja paradoksaalinen vaikutus toistui uudelleen.

Kuusi vuotta myöhemmin - vuonna 1969, Mpemba esitti tämän kysymyksen fysiikan professori Dennis Osbornelle, joka tuli kouluunsa. Professori oli kiinnostunut nuoren miehen havainnoista, minkä seurauksena suoritettiin koe, joka vahvisti vaikutuksen läsnäolon, mutta tämän ilmiön syitä ei vahvistettu.

Siitä lähtien ilmiötä on kutsuttu Mpemba -efekti.

Tieteellisen havainnon historian aikana on esitetty monia hypoteeseja ilmiön syistä.

Joten vuonna 2012 British Royal Chemical Society olisi ilmoittanut kilpailun hypoteeseista, jotka selittävät Mpemba -vaikutuksen. Kilpailuun osallistui tutkijoita kaikkialta maailmasta, yhteensä 22 000 henkilöä tieteellisiä teoksia... Huolimatta niin vaikuttavasta artikkeleiden määrästä, mikään niistä ei selventänyt Mpemba -paradoksia.

Yleisin versio oli, että kuuma vesi jäätyy nopeammin, koska se yksinkertaisesti haihtuu nopeammin, sen tilavuus pienenee ja kun tilavuus pienenee, sen jäähdytysnopeus kasvaa. Yleisin versio lopulta kiistettiin, kun suoritettiin koe, jossa haihtuminen suljettiin pois, mutta vaikutus kuitenkin vahvistettiin.

Muut tutkijat uskoivat, että Mpemba -ilmiön syy on veteen liuenneiden kaasujen haihtuminen. Heidän mielestään veteen liuenneet kaasut haihtuvat lämmityksen aikana, minkä vuoksi se saa suuremman tiheyden kuin kylmä vesi. Kuten tiedät, tiheyden lisääntyminen johtaa muutokseen fyysiset ominaisuudet vettä (lämmönjohtavuuden nousu) ja siten jäähdytysnopeuden kasvua.

Lisäksi on esitetty useita hypoteeseja, jotka kuvaavat veden kiertonopeutta lämpötilan funktiona. Monissa tutkimuksissa on yritetty saada selville suhde säiliöiden, joissa neste sijaitsee, materiaalin välillä. Monet teoriat näyttivät hyvin uskottavilta, mutta niiden tieteellistä vahvistamista ei ollut mahdollista, koska lähtötietoja ei ollut, ristiriitaisuuksia muissa kokeissa tai siksi, että paljastetut tekijät eivät yksinkertaisesti olleet verrattavissa veden jäähdytysnopeuteen. Jotkut tiedemiehet kyseenalaistivat teoksissaan vaikutuksen olemassaolon.

Vuonna 2013 Singaporen Nanyangin teknillisen yliopiston tutkijat sanoivat ratkaisseensa Mpemba -ilmiön mysteerin. Tutkimuksensa mukaan ilmiön syy on se, että kylmän ja kuuman veden molekyylien välisiin vetysidoksiin varastoituneen energian määrä on merkittävästi erilainen.

Menetelmät tietokone simulointi osoitti seuraavia tuloksia: mitä korkeampi veden lämpötila, sitä suurempi etäisyys molekyylien välillä johtuu siitä, että vastustuskyky kasvaa. Siksi molekyylien vetysidokset venytetään ja varastoidaan Suuri määrä energiaa. Jäähtyessään molekyylit alkavat lähestyä toisiaan vapauttaen energiaa vetysidoksista. Tässä tapauksessa energian vapautumiseen liittyy lämpötilan lasku.

Lokakuussa 2017 espanjalaiset fyysikot havaitsivat seuraavan tutkimuksensa aikana, että aineen poistamisella tasapainosta (voimakas lämmitys ennen voimakasta jäähdytystä) on suuri vaikutus vaikutuksen muodostumiseen. He tunnistivat olosuhteet, joissa vaikutuksen todennäköisyys on suurin. Lisäksi espanjalaiset tiedemiehet ovat vahvistaneet päinvastaisen Mpemba -vaikutuksen olemassaolon. He havaitsivat, että kuumennettaessa kylmempi näyte voi saavuttaa korkean lämpötilan nopeammin kuin lämmin näyte.

Kattavista tiedoista ja lukuisista kokeista huolimatta tutkijat aikovat jatkaa vaikutuksen tutkimista.

Mpemba -efekti tosielämässä

Oletko koskaan miettinyt, miksi talvella jäähalli on täynnä kuumaa vettä eikä kylmää? Kuten jo ymmärsit, he tekevät tämän, koska kuumalla vedellä täytetty jäähalli jäätyy nopeammin kuin jos se täytettäisiin kylmällä vedellä. Samasta syystä talvisten jääkaupunkien liukumäet tulvivat kuumaa vettä.

Näin ollen tieto ilmiön olemassaolosta antaa ihmisille mahdollisuuden säästää aikaa valmistautuessaan sivustoja talviurheiluun.

Lisäksi Mpemba -efektiä käytetään joskus teollisuudessa - elintarvikkeiden, vettä sisältävien aineiden ja materiaalien jäätymisajan lyhentämiseksi.

Vanhassa hyvässä kaavassa H 2O ei ilmeisesti ole salaisuuksia. Mutta itse asiassa vesi - elämän lähde ja maailman tunnetuin neste - on täynnä monia mysteerejä, joita joskus jopa tiedemiehet eivät pysty ratkaisemaan.

Tässä on 5 eniten mielenkiintoisia seikkoja vedestä:

1. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi

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

Vuonna 1963 Erasto B. Mpemba, lukion opiskelija lukio Tansaniassa, kun pakastin valmistettua jäätelöseosta, huomasin, että kuuma seos jähmettyy pakastimessa nopeammin kuin kylmä. Kun nuori mies kertoi löydöstään fysiikan opettajalle, hän vain nauroi hänelle. Onneksi oppilas oli sitkeä ja vakuutti opettajan tekemään kokeen, joka vahvisti hänen havaintonsa: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi todella jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Tätä ilmiötä, että kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmää vettä, kutsutaan "Mpemba -ilmiöksi". Totta, kauan ennen häntä tämän ainutlaatuisen veden ominaisuuden huomasivat Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Tutkijat eivät vieläkään täysin ymmärrä tämän ilmiön luonnetta ja selittävät sen joko hypotermian, haihtumisen, jään muodostumisen, konvektion tai erotuksen nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta kuumaan ja kylmään veteen.

Huomautus Х.RU: sta aiheeseen "Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi".

Koska jäähdytyskysymykset ovat lähempänä meitä, jääkaapit, annamme itsemme syventyä hieman tämän ongelman ytimeen ja annamme kaksi mielipidettä tällaisen ongelman luonteesta mystinen ilmiö.

1. Washingtonin yliopiston tiedemies tarjosi selityksen salaperäiselle ilmiölle, joka on tunnettu Aristotelesen ajoista lähtien: miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Ilmiötä nimeltä Mpemba -ilmiö käytetään laajalti käytännössä. Esimerkiksi asiantuntijat suosittelevat autoilijoita kaatamaan pesukoneen säiliöön talvella kylmää, ei kuumaa vettä. Mutta mikä on tämän ilmiön ydin, pitkä aika jäi tuntemattomaksi.

Tohtori Jonathan Katz Washingtonin yliopistosta tutki tätä ilmiötä ja päätyi siihen tärkeä rooli siihen leikkii veteen liuenneita aineita, jotka saostuvat kuumennettaessa, raportoi EurekAlert.

Liuenneen alla aineet dr Katz viittaa kovassa vedessä oleviin kalsium- ja magnesiumbikarbonaateihin. Kun vettä kuumennetaan, nämä aineet kerääntyvät ja muodostavat vedenkeittimen seinille asteikon. Vesi, jota ei ole koskaan lämmitetty, sisältää näitä epäpuhtauksia. Kun se jäätyy ja muodostuu jääkiteitä, epäpuhtauksien pitoisuus vedessä kasvaa 50 kertaa. Tämä alentaa veden jäätymispistettä. "Ja nyt veden täytyy vielä jäähtyä jäätyäkseen", kertoo tohtori Katz.

On toinenkin syy, joka estää lämmittämättömän veden jäätymisen. Veden jäätymispisteen laskeminen pienentää kiinteän ja nestefaasin välistä lämpötilaeroa. "Koska nopeus, jolla vesi menettää lämpöä, riippuu tästä lämpötilaerosta, vesi, jota ei ole lämmitetty, jäähtyy huonommin", sanoo tohtori Katz.

Tiedemiehen mukaan hänen teoriaansa voidaan testata kokeellisesti, koska Mpemba -vaikutus korostuu kovemman veden tapauksessa.

2. Happi ja vety sekä kylmä tekevät jäästä. Ensi silmäyksellä tämä läpinäkyvä aine vaikuttaa hyvin yksinkertaiselta. Todellisuudessa jää on täynnä monia mysteerejä. Afrikkalaisen Erasto Mpemban luoma jää ei haaveillut kuuluisuudesta. Oli kuumia päiviä. Hän halusi hedelmäjäätä... Hän otti pakkauksen mehua ja laittoi sen pakastimeen. Hän teki tämän useammin kuin kerran ja huomasi siksi, että mehu jäätyy erityisen nopeasti, jos pidät sitä auringossa etukäteen - se on todella kuuma! Tämä on outoa, ajatteli tansanialainen koulupoika, joka toimi vastoin maallista viisautta. Oikeasti, jotta neste muuttuisi nopeammin jääksi, se on ensin ... lämmitettävä? Nuori mies oli niin yllättynyt, että hän kertoi arvauksensa opettajalle. Hän kertoi tästä uteliaisuudesta lehdistössä.

Tämä tarina tapahtui viime vuosisadan 60 -luvulla. Nyt "Mpemba -vaikutus" on tiedemiesten hyvin tiedossa. Mutta pitkään tämä näennäisesti yksinkertainen ilmiö jäi mysteeriksi. Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?

Fyysikko David Auerbach löysi ratkaisun vasta vuonna 1996. Vastatakseen tähän kysymykseen hän teki kokeen koko vuoden: hän lämmitti vettä lasissa ja jäähdytti sen uudelleen. Mitä hän sitten sai selville? Kuumennettaessa veteen liuotetut ilmakuplat haihtuvat. Kaasuton vesi jäätyy helpommin astian seinille. "Tietenkin myös korkea ilmanpitoisuus sisältävä vesi jäätyy", sanoo Auerbach, "mutta ei nollassa, mutta vain miinus neljä tai kuusi astetta." On selvää, että odotus kestää kauemmin. Joten kuuma vesi jäätyy ennen kylmää vettä, tämä on tieteellinen tosiasia.

Tuskin on ainetta, joka ilmestyisi silmiemme eteen yhtä helposti kuin jää. Se koostuu vain vesimolekyyleistä - eli alkeismolekyyleistä, jotka sisältävät kaksi vetyatomia ja yhden hapen. Kuitenkin jää on epäilemättä maailman salaperäisin aine. Tutkijat eivät ole vielä kyenneet selittämään joitain sen ominaisuuksia.

2. Ylijäähdytys ja "pikapakastus"

Kaikki tietävät, että vesi muuttuu aina jääksi, kun se on jäähtynyt 0 ° C: seen ... paitsi joissakin tapauksissa! Tällainen tapaus on esimerkiksi "jäähdytys", joka on erittäin ominaisuus puhdas vesi jää nesteeksi, vaikka se jäähtyisi jäätymispisteen alapuolelle. Tämä ilmiö tulee mahdolliseksi, koska ympäristö ei sisällä kiteytymiskeskuksia tai -ytimiä, jotka voisivat aiheuttaa jääkiteiden muodostumista. Ja siksi vesi pysyy nestemäisessä muodossa, vaikka se jäähdytetään alle nollaan celsiusasteeseen. Kiteytymisprosessi voi käynnistyä esimerkiksi kaasukuplien, epäpuhtauksien (epäpuhtauksien) tai epätasaisen säiliön pinnan vuoksi. Ilman niitä vesi jää nestemäiseksi. Kun kiteytysprosessi alkaa, voit tarkkailla, kuinka ylikuumentunut vesi muuttuu hetkessä jääksi.

Katso Phil Medinan (www.mrsciguy.com) video (2901 Kb, 60 sek) ja katso itse >>

Kommentti. Ylikuumentunut vesi pysyy myös nestemäisenä, vaikka se lämmitetään kiehumispisteen yläpuolelle.

3. "Lasi" vesi

Nimeä nopeasti ja epäröimättä, kuinka monta eri tilaa vedellä on?

Jos vastasit kolmeen (kiinteä, nestemäinen, kaasumainen), olet väärässä. Tutkijat erottavat vähintään viisi nestemäisen veden tilaa ja 14 jäätilaa.

Muistatko keskustelun ylikuumennetusta vedestä? Riippumatta siitä, mitä teet, jopa -38 ° C: n lämpötilassa jopa puhtain jäähdytetty vesi muuttuu yhtäkkiä jääksi. Mitä tapahtuu edelleen vähentyessä

lämpötila? -120 ° C: ssa vedelle alkaa tapahtua jotain outoa: siitä tulee erittäin viskoosia tai viskoosia, kuten melassia, ja alle -135 ° C: n lämpötilassa se muuttuu "lasi-" tai "lasimaiseksi" vedeksi -kiinteäksi aineeksi, josta puuttuu kiteinen rakenne.

4. Veden kvanttiominaisuudet

Päällä molekyylitasolla vesi yllättää vielä enemmän. Vuonna 1995 tutkijoiden tekemä neutronien hajotuskokeilu antoi odottamattoman tuloksen: fyysikot havaitsivat, että vesimolekyyleihin suunnatut neutronit "näkevät" 25% vähemmän vetyproteoneja kuin odotettiin.

Kävi ilmi, että epätavallinen kvanttivaikutus tapahtuu yhden attosekunnin nopeudella (10-18 sekuntia), ja kemiallinen kaava Vesi tavallisen H20 sijaan, tulee H 1,5 O!

5. Onko vedellä muisti?

Homeopatia, vaihtoehto virallinen lääke, väittää, että laimennettu liuos lääkevalmiste voi olla terapeuttinen vaikutus kehoon, vaikka laimennussuhde on niin suuri, että liuokseen ei jää muuta kuin vesimolekyylejä. Homeopatian kannattajat selittävät tämän paradoksin käsitteellä nimeltä "veden muisti", jonka mukaan molekyylitasolla olevalla vedellä on "muisti" aineesta, joka oli kerran liuennut siihen ja joka säilyttää liuoksen ominaisuudet sen alkuperäisen konsentraation jälkeen. siihen ei jää yhtään ainesosan molekyyliä.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johtaa professori Madeleine Ennis Queen's Belfastin yliopistosta ja kritisoi homeopatian periaatteita, teki vuonna 2002 kokeen, jolla kumottiin tämä käsite lopullisesti. "Veden muistin" vaikutuksesta. Riippumattomien asiantuntijoiden valvonnassa tehdyt kokeet eivät kuitenkaan ole tuottaneet tuloksia. Kiistat "vesimuistin" ilmiön olemassaolosta jatkuvat.

Vedellä on monia muita epätavallisia ominaisuuksia, joita emme ole käsitelleet tässä artikkelissa.

Kirjallisuus.

1.5 Todella outoja asioita vedestä/http://www.neatorama.com.
2. Veden mysteeri: Aristoteles-Mpemba-ilmiön teoria on luotu/http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Salaisuuksia eloton luonto... Maailmankaikkeuden salaperäisin aine/http://www.bibliotekar.ru.

British Royal Society of Chemistry tarjoaa £ 1000 palkinnon kaikille, jotka osaavat selittää tieteellinen pointti miksi joissakin tapauksissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

”Nykytiede ei vieläkään pysty vastaamaan tähän näennäisesti yksinkertaiseen kysymykseen. Jäätelönvalmistajat ja baarimikot käyttävät tätä vaikutusta päivittäisessä työssään, mutta kukaan ei tiedä, miksi se toimii. Tämä ongelma on ollut tiedossa vuosituhansien ajan, filosofit kuten Aristoteles ja Descartes ovat pohtineet sitä ”, sanoi Britannian kuninkaallisen kemian yhdistyksen presidentti, professori David Philips, lainaten yhdistyksen lehdistötiedotteessa.

Kuinka kokki Afrikasta voitti brittiläisen fysiikan professorin

Tämä ei ole huhtikuun vitsi, vaan ankara fyysinen todellisuus. Nykyinen tiede, joka toimii helposti galaksien ja mustien aukkojen kanssa, rakentaa jättimäisiä kiihdyttimiä etsimään kvarkkeja ja bosoneja, ei voi selittää, kuinka alkeellinen vesi "toimii". Koulun oppikirja toteaa yksiselitteisesti, että lämpimämmän kehon jäähdyttämiseen kuluu enemmän aikaa kuin kylmään. Mutta veden osalta tätä lakia ei aina noudateta. Aristoteles kiinnitti huomion tähän paradoksiin 4. vuosisadalla eKr. NS. Muinainen kreikkalainen kirjoitti Meteorologica I -kirjassaan: ”Se, että vesi on esilämmitetty, jäätyy. Siksi monet ihmiset, kun he haluavat nopeasti jäähdyttää kuumaa vettä, laittavat sen ensin aurinkoon ... ”Keskiajalla Francis Bacon ja René Descartes yrittivät selittää tämän ilmiön. Valitettavasti suuret filosofit tai lukuisat klassista lämpöfysiikkaa kehittäneet tutkijat eivät onnistuneet tässä, ja siksi tämä epämiellyttävä tosiasia "unohdettiin" pitkään.

Ja vasta vuonna 1968 he "muistivat" tansanialaisen Erasto Mpemban koululaisen ansiosta, kaukana mistään tieteestä. Opiskellessaan kokkikoulussa vuonna 1963 13-vuotias Mpembe sai tehtäväkseen jäätelön valmistuksen. Tekniikan mukaan oli tarpeen keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut ahkera opiskelija ja epäröi. Peläten, ettei hän olisi ajoissa oppitunnin lopussa, hän laittoi kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin kaikkien sääntöjen mukaisesti valmistettu tovereiden maito.

Kun Mpemba kertoi löydöstään fysiikan opettajalle, hän pilkkasi häntä koko luokan edessä. Mpemba muisti loukkaantumisen. Viisi vuotta myöhemmin, jo opiskelijana Dar es Salaamin yliopistossa, hän oli kuuluisan fyysikon Denis G. Osbornen luennolla. Luennon jälkeen hän esitti tiedemiehelle kysymyksen: ”Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on sama määrä vettä, toinen 35 ° C (95 ° F) ja toinen 100 ° C (212 ° F), ja laita ne pakastimessa, niin vesi kuumassa astiassa jäätyy nopeammin. Miksi?" Voit kuvitella brittiläisen professorin reaktion Jumalan hylätyn Tansanian nuoren miehen kysymykseen. Hän nauroi opiskelijalle. Mpemba oli kuitenkin valmis tällaiseen vastaukseen ja haastoi tutkijan lyömään vetoa. Heidän riidansa päättyi kokeelliseen testiin, joka vahvisti Mpemban oikeellisuuden ja Osbornen tappion. Joten oppilaskokki kirjoitti nimensä tieteen historiaan, ja tästä lähtien tätä ilmiötä kutsutaan "Mpemba-ilmiöksi". Sen hylkääminen, sen julistaminen "olemattomaksi" ei toimi. Ilmiö on olemassa, ja kuten runoilija kirjoitti, "ei hampaisiin asti".

Ovatko pöly ja liuenneet aineet syyllisiä?

Vuosien mittaan monet ovat yrittäneet selvittää veden jäätymisen mysteerin. Tälle ilmiölle on ehdotettu joukko selityksiä: haihtuminen, konvektio, liuenneiden aineiden vaikutus - mutta mitään näistä tekijöistä ei voida pitää lopullisena. Monet tutkijat ovat omistaneet koko elämänsä Mpemba -ilmiölle. Säteilyturvallisuusosaston työntekijä Osavaltion yliopisto New York - James Brownridge - sisään vapaa-aika on tutkinut paradoksia yli vuosikymmenen ajan. Suoritettuaan satoja kokeita tiedemies väittää saaneensa todisteita hypotermian "syyllisyydestä". Brownridge selittää, että 0 ° C: ssa vesi jäähtyy vain ylikuumenemisen jälkeen ja alkaa jäätyä, kun lämpötila laskee alle. Jäätymispistettä ohjaavat veden epäpuhtaudet - ne muuttavat jääkiteiden muodostumisnopeutta. Epäpuhtauksilla, kuten pölyjyvillä, bakteereilla ja liuenneilla suoloilla, on niille ominainen ydintämislämpötila, kun kiteytymiskeskusten ympärille muodostuu jääkiteitä. Kun vedessä on useita alkuaineita kerralla, jäätymispiste määräytyy sen mukaan, missä ydintämislämpötila on korkein.

Kokeessa Brownridge otti kaksi saman lämpöisen vesinäytettä ja laittoi ne pakastimeen. Hän havaitsi, että yksi näytteistä jäätyy aina ennen toista - oletettavasti johtuen erilaisesta epäpuhtauksien yhdistelmästä.

Brownridge väittää, että kuuma vesi jäähtyy nopeammin suurempi ero veden ja pakastimen lämpötilojen välillä - tämä auttaa sitä saavuttamaan jäätymispisteen ennen kuin kylmä vesi saavuttaa luonnollisen jäätymispisteen, joka on alhaisempi vähintään, 5 ° C: ssa.

Brownridgen päättely herättää kuitenkin monia kysymyksiä. Siksi niillä, jotka voivat selittää Mpemba -vaikutuksen omalla tavallaan, on mahdollisuus kilpailla tuhannesta punnasta British Royal Chemical Society -yhtiöltä.

Yksi lempiaiheistani koulussa oli kemia. Kerran kemian opettaja antoi meille hyvin outon ja vaikean tehtävän. Hän antoi meille luettelon kysymyksistä, joihin meidän oli vastattava kemian suhteen. Saimme useita päiviä tähän tehtävään ja saimme käyttää kirjastoja ja muita saatavilla olevia tietolähteitä. Yksi näistä kysymyksistä koski veden jäätymispistettä. En muista tarkalleen, miltä kysymys kuulosti, mutta se koski sitä tosiasiaa, että jos otat kaksi samankokoista puukauhaa, joista toisessa on kuumaa vettä, toisessa kylmää vettä (täsmälleen määritetyssä lämpötilassa) ja asetat ne mikä ympäristössä, jossa on tietty lämpötila, jäädyttää ne nopeammin? Tietenkin vastaus ehdotti heti itseään - ämpäri kylmää vettä, mutta se tuntui meille liian yksinkertaiselta. Mutta tämä ei riittänyt täydellisen vastauksen antamiseen, meidän oli todistettava se kemiallisesta näkökulmasta. Kaikesta ajattelustani ja tutkimuksestani huolimatta en voinut tehdä loogista johtopäätöstä. Tänä päivänä päätin jopa ohittaa tämän opetusohjelman, joten en koskaan keksinyt ratkaisua tähän arvoitukseen.

Vuosia kului, ja opin paljon kotitalouden myyttejä veden kiehumis- ja jäätymispisteestä, ja yksi myytti sanoi: "kuuma vesi jäätyy nopeammin." Katsoin monia verkkosivustoja, mutta tiedot olivat liian ristiriitaisia. Ja nämä olivat vain mielipiteitä, jotka olivat perusteettomia tieteen kannalta. Ja päätin tehdä oman kokemukseni. Koska en löytänyt puisia kauhoja, käytin pakastinta, liesitasoa, vettä ja digitaalista lämpömittaria. Puhun kokemukseni tuloksista hieman myöhemmin. Ensinnäkin jaan kanssasi mielenkiintoisia argumentteja vedestä:

Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Useimmat asiantuntijat väittävät, että kylmä vesi jäätyy nopeammin kuin kuuma vesi. Mutta yksi hauska ilmiö (ns. Memb-ilmiö) osoittaa tuntemattomista syistä päinvastaisen: kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Yksi useista selityksistä on haihdutusprosessi: jos erittäin kuuma vesi asetetaan kylmään ympäristöön, vesi alkaa haihtua (jäljellä oleva vesimäärä jäätyy nopeammin). Ja kemian lakien mukaan tämä ei ole ollenkaan myytti, ja todennäköisesti tämä on se, mitä opettaja halusi kuulla meiltä.

Keitetty vesi jäätyy nopeammin vesijohtovettä... Edellisestä selityksestä huolimatta jotkut asiantuntijat väittävät, että huoneenlämpöiseksi jäähtyneen keitetyn veden pitäisi jäätyä nopeammin, koska kiehuminen vähentää happea.

Kylmä vesi kiehuu nopeammin kuin kuuma. Jos kuuma vesi jäätyy nopeammin, kylmä vesi voi kiehua nopeammin! Tämä on ristiriidassa tervettä järkeä ja tutkijat väittävät, että tämä ei yksinkertaisesti voi olla. Kuuman vesijohtoveden pitäisi itse asiassa kiehua nopeammin kuin kylmä vesi. Mutta kun käytät kuumaa vettä kiehumiseen, et säästä energiaa. Voit käyttää vähemmän kaasua tai valoa, mutta vedenlämmitin käyttää yhtä paljon energiaa kuin tarvitaan kylmän veden lämmittämiseen. (Tämä on hieman eri asia aurinkoenergian kanssa.) Vedenlämmittimen lämmittäessä vettä voi esiintyä sakkaa, joten veden lämpeneminen kestää kauemmin.

Jos lisäät veteen suolaa, se kiehuu nopeammin. Suola lisää kiehumispistettä (ja alentaa jäätymispistettä - siksi jotkut kotiäidit lisäävät jäätelöön hieman kivisuolaa). Mutta tässä tapauksessa meitä kiinnostaa toinen kysymys: kuinka kauan vesi kiehuu ja voi kiehumispiste tässä tapauksessa nousta yli 100 ° C). Huolimatta siitä, mitä he kirjoittavat keittokirjoihin, tutkijat sanovat, että kiehuvaan veteen lisäämämme suolamäärä ei riitä vaikuttamaan kiehumisaikaan tai lämpötilaan.

Mutta tässä on mitä sain:

Kylmä vesi: Käytin kolmea 100 ml: n lasipulloa puhdistettua vettä: yhden huoneenlämmössä (72 ° F / 22 ° C), toisen kuumalla vedellä (115 ° F / 46 ° C) ja toisen keitetyllä vedellä (212 ° F / 100 ° C). Laitoin kaikki kolme lasia pakastimeen -18 ° C: een. Ja koska tiesin, että vesi ei muutu heti jääksi, määritin "puukellukkeen" jäätymisasteen. Kun tikku, joka oli asetettu lasin keskelle, ei enää koskenut pohjaan, oletin, että vesi oli jäätynyt. Tarkistin lasit viiden minuutin välein. Ja mitkä ovat tulokseni? Ensimmäisen lasin vesi jäätyi 50 minuutin kuluttua. Kuuma vesi jäätyi 80 minuutin kuluttua. Keitetty - 95 minuutin kuluttua. Tulokseni: Kun otetaan huomioon pakastimen olosuhteet ja käyttämäni vesi, en pystynyt toistamaan Memb -vaikutusta.

Kokeilin myös tätä kokeilua aiemmin keitetyllä vedellä, joka oli jäähdytetty huoneenlämpötilaan. Hän jäätyi 60 minuutin kuluttua - kesti silti kauemmin kuin kylmän veden jäätyminen.

Keitetty vesi: Otin litran vettä huoneenlämpöiseksi ja laitoin sen tuleen. Se kiehui 6 minuutissa. Sitten jäähdytin huoneenlämpöiseksi ja lisäsin sen kuumaan. Samassa lämmössä kuumaa vettä keitettiin 4 tunnissa ja 30 minuutissa. Johtopäätös: Kuten odotettiin, kuuma vesi kiehuu paljon nopeammin.

Keitetty vesi (suolalla): Lisäsin 2 suurta ruokalusikallista ruokasuolaa 1 litraan vettä. Se kiehui 6 minuutin 33 sekunnin kuluttua, ja lämpömittari osoitti sen saavuttaneen 102 ° C: n lämpötilan. Epäilemättä suola vaikuttaa kiehumispisteeseen, mutta ei paljon. Johtopäätös: suola vedessä ei vaikuta voimakkaasti lämpötilaan ja kiehumisaikaan. Myönnän rehellisesti, että keittiötäni tuskin voidaan kutsua laboratorioksi, ja ehkä johtopäätökseni ovat todellisuuden vastaisia. Pakastinosastoni voi pakastaa ruokaa epätasaisesti. Silmälasini ovat olleet epäsäännölliset jne. Mutta mitä tapahtuu laboratorio -olosuhteissa, milloin se tulee veden jäädyttämisestä tai kiehumisesta keittiössä tärkeintä on maalaisjärki.

viittaus viihdyttäviä faktoja noin vettä
Kuten foorumissa forum.ixbt.com ehdotettiin, tätä vaikutusta (vaikutus kuuman veden jäädyttämiseen nopeammin kuin kylmää vettä) kutsutaan "Aristoteles-Mpemba-ilmiöksi"

Nuo. keitetty vesi (jäähdytetty) jäätyy nopeammin kuin "raaka"

Mpemba -efekti(Mpemba -paradoksi) on paradoksi, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätymisprosessin aikana. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavanomaisten käsitteiden kanssa, joiden mukaan samoissa olosuhteissa lämpimämmän kehon jäähtyminen tiettyyn lämpötilaan kestää kauemmin kuin vähemmän kuumennetun ruumiin jäähtyminen samaan lämpötilaan.

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

Erasto Mpemba opiskeli Magamban lukiossa Tansaniassa käytännön työ ruoanlaittoon. Hänen täytyi valmistaa kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivästytti tehtävän ensimmäisen osan suorittamista. Peläten, ettei hän olisi ajoissa oppitunnin lopussa, hän laittoi kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyn tekniikan mukaisesti.

Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa myös tavallista vettä. Joka tapauksessa, jo ollessaan Mkvavskayan lukion opiskelija, hän esitti kysymyksen professori Dennis Osbornelle Dar es Salaamin yliopistollisesta korkeakoulusta (rehtorin kutsusta pitämään oppilaille luennon fysiikasta) nimenomaan vedestä: ”Jos otamme kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä paljon vettä, niin että toisessa niistä veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laitamme ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi? " Osborne kiinnostui tästä asiasta ja pian vuonna 1969 hän ja Mpemba julkaisivat kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien niiden löytämää vaikutusta kutsutaan Mpemba -efekti.

Tähän asti kukaan ei tiedä tarkalleen, miten selittää tämä outo vaikutus. Tiedemiehillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien erosta, mutta ei ole vielä selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero jäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa tai nesteytettyjen kaasujen vaikutus veteen eri lämpötiloissa.

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

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

Haihdutus

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä vähentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä vettä samassa lämpötilassa jäätyy nopeammin. 100 ° C: seen lämmitetty vesi menettää 16% massastaan, kun se jäähdytetään 0 ° C: seen.

Haihtumisvaikutus - kaksinkertainen vaikutus. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittava vesimäärä vähenee. Ja toiseksi lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö vähenee.

Lämpötilaero

Koska lämpötilaero kuuman veden ja kylmän ilman välillä on suurempi - lämmönvaihto tässä tapauksessa on voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

Hypotermia

Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jääty. Joissakin olosuhteissa se voi kärsiä hypotermiasta ja pysyä nestemäisenä jäätymispisteen alapuolella. Joissakin tapauksissa vesi voi jäädä nestemäiseksi jopa -20 ° C: n lämpötilassa.

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

Kuuma vesi on alttiimpia hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneita kaasuja ja kuplia, jotka puolestaan ​​voivat toimia keskuksina jääkiteiden muodostumiselle.

Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Jos kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole jäähdytetty, tapahtuu seuraava. Tässä tapauksessa astian pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristäjänä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen edelleen. Tässä tapauksessa jääkiteiden muodostumisnopeus on hitaampi. Ylikuumennettaessa kuumaa vettä ylijäähdytetyssä vedessä ei ole suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan kautta.

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

Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa tärkeimpänä tekijänä Mpemba -ilmiön tapauksessa.

Kiertoilma

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

Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavuudella. Veden enimmäistiheys on 4 ° C. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 ° C: ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen, kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu ohut jääkerros lyhyeksi ajaksi, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C: n lämpötilassa. , seuraava jäähdytysprosessi on hitaampi.

Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin toinen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Lisäksi kylmät vesikerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmä vesikerros vajoaa alas kohottaen kerrosta lämmintä vettä pintaan. Tämä veden kierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.

Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba -ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta on oletettava, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan ja konvektioprosessi jatkuu keskilämpötila vesi putoaa alle 4 C.

Ei kuitenkaan ole kokeellisia tietoja, jotka tukisivat tätä hypoteesia siitä, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan konvektiolla.

Kaasut liuotetaan veteen

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, kun kuumaa vettä jäähdytetään, siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus tärkeimpänä tekijänä Mpemba -vaikutuksen selittämisessä, vaikka tätä tosiasiaa vahvistavia kokeellisia tietoja ei ole.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan pakastimeen jääkaappiosaston pieniin astioihin. Näissä olosuhteissa huomattiin, että kuuman veden säiliö sulattaa pakastimen jään sen alle, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinään ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu astiasta kuumalla vedellä nopeammin kuin kylmästä vedestä. Sen sijaan kylmän veden säiliö ei sulata lunta sen alla.

Kaikkia näitä (samoin kuin muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat sataprosenttisen Mpemba -vaikutuksen toistamisen - ei ole saatu.

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

Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiemmin saatujen tietojen kanssa siitä, että kuuma vesi voi saavuttaa enemmän ylikuumenemista, koska kiteytymiskeskuksia on vähemmän. Kun vettä kuumennetaan, siihen liuenneet kaasut poistetaan siitä, ja kun se keitetään, jotkut siihen liuenneet suolat saostuvat.

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