น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ผลกระทบของ Mpemba หรือเหตุใดน้ำร้อนจึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

บ้านเอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา (ความขัดแย้งของ Mpemba) ถือเป็นความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อน

ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในระหว่างกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ โดยที่ภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดมากกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าเพื่อทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

อริสโตเติล, ฟรานซิส เบคอน และเรเน เดส์การตส์สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ในคราวเดียว แต่ในปี 1963 Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียค้นพบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าไอศกรีมเย็น เป็นนักเรียนของ Magambinskayaโรงเรียนมัธยมปลาย ในแทนซาเนีย Erasto Mpemba ทำงานภาคปฏิบัติ

ในการปรุงอาหาร เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด โดยต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น ปล่อยให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง แล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและล่าช้าในการทำส่วนแรกของงานให้เสร็จล่าช้า ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองด้วยน้ำเปล่า - ไม่ว่าในกรณีใด ในฐานะนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkwava เขาขอให้ศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์น จากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์ เอส ซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายเรื่องฟิสิกส์แก่นักเรียน) โดยเฉพาะเกี่ยวกับน้ำ: “ถ้าคุณเรียน ภาชนะสองใบที่เหมือนกันซึ่งมีปริมาณน้ำเท่ากัน โดยภาชนะใบหนึ่งมีอุณหภูมิ 35°C และอีกใบมีอุณหภูมิ 100°C แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง จากนั้นในวินาทีนั้นน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม ออสบอร์นเริ่มสนใจประเด็นนี้ และในไม่ช้า ในปี 1969 เขาและเอ็มเพมบาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของพวกเขาในวารสาร Physics Education ตั้งแต่นั้นมา ผลกระทบที่พวกเขาค้นพบก็ถูกเรียกว่า.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีหลายเวอร์ชันก็ตาม ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวบนน้ำเมื่อ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน.

ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba คือช่วงเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิ สิ่งแวดล้อมจะต้องเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎนี้ก่อตั้งขึ้นโดยนิวตันและได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติหลายครั้งตั้งแต่นั้นมา ด้วยเหตุนี้ น้ำที่มีอุณหภูมิ 100°C จะเย็นลงถึงอุณหภูมิ 0°C เร็วกว่าน้ำที่มีอุณหภูมิ 35°C ในปริมาณเท่ากัน

อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากสามารถอธิบายเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ภายในกรอบของฟิสิกส์ที่รู้จัก ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายบางส่วนเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ จึงทำให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำน้อยลงที่อุณหภูมิเดียวกันก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนที่อุณหภูมิ 100 C จะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงเหลือ 0 C

ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองอุณหภูมิลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนจากเฟสน้ำไปเป็นเฟสไอน้ำลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากอุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่าง น้ำร้อนและมีอากาศเย็นมากขึ้น ดังนั้น การแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จะรุนแรงขึ้น และน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิร่างกายต่ำ

เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่แข็งตัวเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ตัวเครื่องอาจผ่านการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูลลิ่ง โดยยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำสามารถยังคงเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ –20 C

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัว จำเป็นต้องมีจุดศูนย์กลางการก่อตัวของคริสตัล หากไม่มีอยู่ในน้ำของเหลว ซูเปอร์คูลลิ่งจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่มีความเย็นยิ่งยวด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น กลายเป็นน้ำแข็งโคลน ซึ่งจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนจะไวต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติมากที่สุดเนื่องจากการให้ความร้อนจะขจัดก๊าซและฟองที่ละลายในน้ำ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งได้

เหตุใดภาวะอุณหภูมิต่ำจึงทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่ได้ทำความเย็นยิ่งยวดจะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ จะมีชั้นน้ำแข็งบางๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของภาชนะ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และป้องกันการระเหยออกไปอีก อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะลดลง ในกรณีของน้ำร้อนที่ต้องทำความเย็นแบบพิเศษ น้ำที่เย็นเป็นพิเศษนั้นจะไม่มีชั้นผิวป้องกันเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนได้เร็วกว่ามากเมื่อผ่านหลังคาแบบเปิด

เมื่อกระบวนการทำความเย็นยิ่งยวดสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะสูญเสียไปอย่างมาก และทำให้เกิดน้ำแข็งมากขึ้น

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิร่างกายลดลงเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง ส่งผลให้สูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติของความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 C ถ้าคุณทำให้น้ำเย็นลงถึง 4 C และตั้งไว้ที่อุณหภูมิต่ำลง ชั้นผิวน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4 C น้ำจึงยังคงอยู่บนพื้นผิวจนเกิดเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำภายในระยะเวลาอันสั้น แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันชั้นล่างของน้ำซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 C ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นต่อจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและ ความแตกต่างที่ใหญ่กว่าอุณหภูมิ นอกจากนี้ชั้นน้ำเย็นยังมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลง ทำให้ชั้นน้ำอุ่นลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่เหตุใดกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน จำเป็นต้องถือว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากนั้น อุณหภูมิเฉลี่ยน้ำจะลดลงต่ำกว่า 4 C

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานเชิงทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกันโดยกระบวนการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำประกอบด้วยก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นเสมอ - ออกซิเจนและ คาร์บอนไดออกไซด์- ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากมีความสามารถในการละลายน้ำได้ อุณหภูมิสูงด้านล่าง. ดังนั้น เมื่อน้ำร้อนถูกทำให้เย็นลง มันจะมีก๊าซที่ละลายน้อยกว่าในน้ำที่ไม่อุ่นเสมอ น้ำเย็น- ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำร้อนจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น บางครั้งปัจจัยนี้ถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ยืนยันข้อเท็จจริงนี้ก็ตาม

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญในการใส่น้ำลงในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้สภาวะเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะบรรจุน้ำร้อนละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสความร้อนกับผนังช่องแช่แข็งและการนำความร้อน ส่งผลให้ความร้อนถูกดึงออกจากภาชนะน้ำร้อนได้เร็วกว่าภาชนะที่เย็น ในทางกลับกัน ภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ทำให้หิมะที่อยู่ด้านล่างละลาย

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงเงื่อนไขอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ไม่เคยได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามใดที่ให้การสร้างเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ร้อยเปอร์เซ็นต์

ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของน้ำที่มีความเย็นยิ่งยวดต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนซึ่งมีอุณหภูมิเย็นจัดเป็นพิเศษ จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และเร็วกว่าน้ำเย็นอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะเย็นยิ่งยวดเร็วกว่าน้ำร้อน จึงชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ที่ว่าน้ำร้อนสามารถให้ความเย็นยิ่งยวดได้มากขึ้นเนื่องจากมีศูนย์การตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อน ก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นจะถูกกำจัดออกไป และเมื่อถูกต้ม เกลือบางส่วนที่ละลายอยู่ในนั้นจะตกตะกอน

ในตอนนี้มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถระบุได้ - การสร้างเอฟเฟกต์นี้อย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลอง แม่นยำเพราะมันไม่ได้ทำซ้ำเสมอไป

น้ำเป็นหนึ่งในของเหลวที่น่าทึ่งที่สุดในโลกซึ่งมีคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดา เช่น น้ำแข็งเป็นสถานะของแข็งของของเหลว ความถ่วงจำเพาะต่ำกว่าระดับน้ำซึ่งทำได้มาก เหตุการณ์ที่เป็นไปได้และพัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลก นอกจากนี้ในหลอกวิทยาศาสตร์และ โลกวิทยาศาสตร์มีการพูดคุยกันว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น ใครก็ตามที่สามารถพิสูจน์ได้ว่าของเหลวร้อนแข็งตัวเร็วขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการและยืนยันวิธีแก้ปัญหาทางวิทยาศาสตร์จะได้รับรางวัล 1,000 ปอนด์จาก British Royal Society of Chemists

พื้นหลัง

ความจริงที่ว่าภายใต้เงื่อนไขหลายประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น เป็นที่สังเกตย้อนกลับไปในยุคกลาง Francis Bacon และ René Descartes ใช้ความพยายามอย่างมากในการอธิบายปรากฏการณ์นี้ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของวิศวกรรมความร้อนแบบคลาสสิก ความขัดแย้งนี้ไม่สามารถอธิบายได้ และพวกเขาพยายามที่จะปิดบังเรื่องนี้อย่างเขินอาย แรงผลักดันให้การอภิปรายดำเนินต่อไปคือเรื่องราวที่ค่อนข้างน่าสงสัยซึ่งเกิดขึ้นกับ Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียในปี 1963 วันหนึ่ง ระหว่างเรียนทำขนมหวานที่โรงเรียนสอนทำอาหาร เด็กชายซึ่งกำลังยุ่งอยู่กับสิ่งอื่น ไม่มีเวลาทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงทันเวลา และใส่น้ำตาลร้อนในนมลงในช่องแช่แข็ง เขาประหลาดใจที่ผลิตภัณฑ์เย็นตัวเร็วกว่าของเพื่อนผู้ปฏิบัติงานที่สังเกตอยู่บ้าง ระบอบการปกครองของอุณหภูมิทำไอศกรีม

ด้วยความพยายามที่จะเข้าใจแก่นแท้ของปรากฏการณ์เด็กชายจึงหันไปหาครูฟิสิกส์ผู้ซึ่งเยาะเย้ยการทดลองทำอาหารของเขาโดยไม่ต้องลงรายละเอียด อย่างไรก็ตาม Erasto มีความโดดเด่นด้วยความดื้อรั้นที่น่าอิจฉาและทำการทดลองต่อไปไม่ใช่บนนม แต่ทำบนน้ำ เขาเชื่อว่าในบางกรณีน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

หลังจากเข้าเรียนที่มหาวิทยาลัย Dar es Salaam แล้ว Erasto Mpembe ได้เข้าร่วมการบรรยายโดยศาสตราจารย์ Denis G. Osborne หลังจากเสร็จสิ้น นักเรียนทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยด้วยปัญหาเกี่ยวกับอัตราการแช่แข็งของน้ำซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดี.จี. ออสบอร์นเยาะเย้ยการตั้งคำถามนี้ โดยประกาศด้วยความมั่นใจว่านักเรียนที่ยากจนคนใดรู้ว่าน้ำเย็นจะหยุดเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ความดื้อรั้นตามธรรมชาติของชายหนุ่มทำให้ตัวเองรู้สึกได้ เขาเดิมพันกับศาสตราจารย์โดยเสนอให้ทำการทดสอบทดลองที่นี่ในห้องทดลอง Erasto วางภาชนะใส่น้ำสองใบในช่องแช่แข็ง ภาชนะหนึ่งที่อุณหภูมิ 95°F (35°C) และอีกภาชนะที่อุณหภูมิ 212°F (100°C) ลองนึกภาพความประหลาดใจของศาสตราจารย์และ “แฟนๆ” ที่อยู่รอบๆ เมื่อน้ำในภาชนะที่สองแข็งตัวเร็วขึ้น ตั้งแต่นั้นมา ปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า "Mpemba Paradox"

อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีสมมติฐานทางทฤษฎีที่สอดคล้องกันที่อธิบาย "Mpemba Paradox" มันไม่ชัดเจนว่าอันไหน ปัจจัยภายนอก, องค์ประกอบทางเคมีน้ำ การปรากฏตัวของก๊าซและแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในนั้นมีอิทธิพลต่ออัตราการแช่แข็งของของเหลวที่อุณหภูมิต่างกัน ความขัดแย้งของ "ผลกระทบ Mpemba" ก็คือมันขัดแย้งกับกฎข้อหนึ่งที่ค้นพบโดย I. Newton ซึ่งระบุว่าเวลาในการทำความเย็นของน้ำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวและสิ่งแวดล้อม และหากของเหลวอื่น ๆ ทั้งหมดปฏิบัติตามกฎหมายนี้โดยสมบูรณ์ น้ำในบางกรณีก็เป็นข้อยกเว้น

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วขึ้น?ต

มีหลายสาเหตุที่ทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น สิ่งสำคัญคือ:

• น้ำร้อนระเหยเร็วขึ้นในขณะที่ปริมาตรลดลง และของเหลวที่มีปริมาตรน้อยลงจะเย็นลงเร็วขึ้น - เมื่อน้ำหล่อเย็นจาก + 100°C ถึง 0°C การสูญเสียปริมาตร ความดันบรรยากาศถึง 15%;
• ยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิยิ่งมาก ความแตกต่างของอุณหภูมิก็จะยิ่งมากขึ้น ความเข้มของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อมก็จะยิ่งสูงขึ้น ดังนั้นการสูญเสียความร้อนของน้ำเดือดจึงเกิดขึ้นเร็วขึ้น
• เมื่อน้ำร้อนเย็นตัวลง เปลือกน้ำแข็งจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว เพื่อป้องกันไม่ให้ของเหลวกลายเป็นน้ำแข็งและระเหยไปจนหมด
• ที่อุณหภูมิของน้ำสูง การพาความร้อนจะเกิดขึ้น ช่วยลดเวลาในการแช่แข็ง
• ก๊าซที่ละลายในน้ำจะลดจุดเยือกแข็งลง เพื่อขจัดพลังงานในการเกิดผลึก - ในน้ำร้อนจะไม่มีก๊าซละลาย

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการทดสอบซ้ำหลายครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง David Auerbach นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันค้นพบว่าอุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนจะสูงกว่าน้ำเย็นเล็กน้อย ซึ่งทำให้อุณหภูมิในการตกผลึกของน้ำร้อนเร็วขึ้นเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ต่อมาการทดลองของเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์ และนักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" ซึ่งกำหนดว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น สามารถทำซ้ำได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น ซึ่งไม่มีใครค้นหาและระบุจนถึงขณะนี้

บ้าน(ความขัดแย้งของ Mpemba) - ความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางประการจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ โดยที่ภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดมากกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าเพื่อทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในระหว่างกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ โดยที่ภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดมากกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าเพื่อทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่ Magambi High School ในประเทศแทนซาเนีย โดยทำงานภาคปฏิบัติเป็นพ่อครัว เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด โดยต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น ปล่อยให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง แล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและล่าช้าในการทำส่วนแรกของงานให้เสร็จล่าช้า ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำธรรมดาด้วย ไม่ว่าในกรณีใด ในฐานะนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkwava เขาขอให้ศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์น จากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์ เอส ซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายเรื่องฟิสิกส์แก่นักเรียน) โดยเฉพาะเกี่ยวกับน้ำ: “ถ้าคุณเรียน ภาชนะสองใบที่เหมือนกันซึ่งมีปริมาณน้ำเท่ากัน โดยภาชนะใบหนึ่งมีอุณหภูมิ 35°C และอีกใบมีอุณหภูมิ 100°C แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง จากนั้นในวินาทีนั้นน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม ออสบอร์นเริ่มสนใจประเด็นนี้ และในไม่ช้า ในปี 1969 เขาและเอ็มเพมบาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของพวกเขาในวารสาร Physics Education ตั้งแต่นั้นมา ผลกระทบที่พวกเขาค้นพบก็ถูกเรียกว่า - ไม่ว่าในกรณีใด ในฐานะนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkwava เขาขอให้ศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์น จากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์ เอส ซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายเรื่องฟิสิกส์แก่นักเรียน) โดยเฉพาะเกี่ยวกับน้ำ: “ถ้าคุณเรียน ภาชนะสองใบที่เหมือนกันซึ่งมีปริมาณน้ำเท่ากัน โดยภาชนะใบหนึ่งมีอุณหภูมิ 35°C และอีกใบมีอุณหภูมิ 100°C แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง จากนั้นในวินาทีนั้นน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม ออสบอร์นเริ่มสนใจประเด็นนี้ และในไม่ช้า ในปี 1969 เขาและเอ็มเพมบาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของพวกเขาในวารสาร Physics Education ตั้งแต่นั้นมา ผลกระทบที่พวกเขาค้นพบก็ถูกเรียกว่า.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีหลายเวอร์ชันก็ตาม ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวที่มีต่อน้ำที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba ก็คือช่วงเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิโดยรอบควรเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎนี้ก่อตั้งขึ้นโดยนิวตันและได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติหลายครั้งตั้งแต่นั้นมา ด้วยเหตุนี้ น้ำที่มีอุณหภูมิ 100°C จะเย็นลงถึงอุณหภูมิ 0°C เร็วกว่าน้ำที่มีอุณหภูมิ 35°C ในปริมาณเท่ากัน

อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากสามารถอธิบายเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ภายในกรอบของฟิสิกส์ที่รู้จัก ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายบางส่วนเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ จึงทำให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำน้อยลงที่อุณหภูมิเดียวกันก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนที่อุณหภูมิ 100 C จะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงเหลือ 0 C

ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองอุณหภูมิลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนจากเฟสน้ำไปเป็นเฟสไอน้ำลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและอากาศเย็นมีมากกว่า ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงมีความรุนแรงมากขึ้นและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิร่างกายต่ำ

เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่แข็งตัวเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ตัวเครื่องอาจผ่านการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูลลิ่ง โดยยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำสามารถยังคงเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ –20 C

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัว จำเป็นต้องมีจุดศูนย์กลางการก่อตัวของคริสตัล หากไม่มีอยู่ในน้ำของเหลว ซูเปอร์คูลลิ่งจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่มีความเย็นยิ่งยวด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น กลายเป็นน้ำแข็งโคลน ซึ่งจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนจะไวต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติมากที่สุดเนื่องจากการให้ความร้อนจะขจัดก๊าซและฟองที่ละลายในน้ำ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งได้

เหตุใดภาวะอุณหภูมิต่ำจึงทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่ได้ทำความเย็นยิ่งยวดจะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ จะมีชั้นน้ำแข็งบางๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของภาชนะ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และป้องกันการระเหยออกไปอีก อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะลดลง ในกรณีของน้ำร้อนที่ต้องทำความเย็นแบบพิเศษ น้ำที่เย็นเป็นพิเศษนั้นจะไม่มีชั้นผิวป้องกันเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนได้เร็วกว่ามากเมื่อผ่านหลังคาแบบเปิด

เมื่อกระบวนการทำความเย็นยิ่งยวดสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะสูญเสียไปอย่างมาก และทำให้เกิดน้ำแข็งมากขึ้น

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิร่างกายลดลงเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง ส่งผลให้สูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติของความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 C ถ้าคุณทำให้น้ำเย็นลงถึง 4 C และตั้งไว้ที่อุณหภูมิต่ำลง ชั้นผิวน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4 C น้ำจึงยังคงอยู่บนพื้นผิวจนเกิดเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำภายในระยะเวลาอันสั้น แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันชั้นล่างของน้ำซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 C ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นต่อจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ชั้นน้ำเย็นยังมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลง ทำให้ชั้นน้ำอุ่นลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่เหตุใดกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน จำเป็นต้องถือว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากที่อุณหภูมิของน้ำเฉลี่ยลดลงต่ำกว่า 4 C

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานเชิงทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกันโดยกระบวนการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำจะลดลงที่อุณหภูมิสูง ดังนั้น เมื่อน้ำร้อนเย็นลง ก็จะมีก๊าซที่ละลายน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่อุ่นเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำร้อนจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น บางครั้งปัจจัยนี้ถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ยืนยันข้อเท็จจริงนี้ก็ตาม

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญในการใส่น้ำลงในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้สภาวะเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะบรรจุน้ำร้อนละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสความร้อนกับผนังช่องแช่แข็งและการนำความร้อน ส่งผลให้ความร้อนถูกดึงออกจากภาชนะน้ำร้อนได้เร็วกว่าภาชนะที่เย็น ในทางกลับกัน ภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ทำให้หิมะที่อยู่ด้านล่างละลาย

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงเงื่อนไขอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ไม่เคยได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามใดที่ให้การสร้างเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ร้อยเปอร์เซ็นต์

ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของน้ำที่มีความเย็นยิ่งยวดต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนซึ่งมีอุณหภูมิเย็นจัดเป็นพิเศษ จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และเร็วกว่าน้ำเย็นอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะเย็นยิ่งยวดเร็วกว่าน้ำร้อน จึงชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ที่ว่าน้ำร้อนสามารถให้ความเย็นยิ่งยวดได้มากขึ้นเนื่องจากมีศูนย์การตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อน ก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นจะถูกกำจัดออกไป และเมื่อถูกต้ม เกลือบางส่วนที่ละลายอยู่ในนั้นจะตกตะกอน

ในตอนนี้มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถระบุได้ - การสร้างเอฟเฟกต์นี้อย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลอง แม่นยำเพราะมันไม่ได้ทำซ้ำเสมอไป

โอ.วี. โมซิน

วรรณกรรมแหล่งที่มา:

“น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่า น้ำเย็น- ทำไมจึงทำเช่นนั้น?", Jerl Walker ใน The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"การแช่แข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", G.ส. เคลล์ใน American Journal of Physics, Vol. 37, เลขที่. 5, หน้า 564-565; พฤษภาคม 1969.

“ซุปเปอร์คูลลิ่ง และ Mpemba effect", David Auerbach ใน American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, หน้า 882-885; ต.ค. 1995

"ผลกระทบของ Mpemba: เวลาเยือกแข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", Charles A. Knight, ใน American Journal of Physics, Vol. 64, เลขที่. 5, หน้า 524; พฤษภาคม 1996

เห็นได้ชัดว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำร้อนตั้งแต่นั้นมา เงื่อนไขที่เท่าเทียมกันน้ำร้อนจะใช้เวลานานกว่าในการทำให้เย็นลงและกลายเป็นน้ำแข็งในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตาม การสังเกตการณ์หลายพันปีตลอดจนการทดลองสมัยใหม่ได้แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ช่องวิทยาศาสตร์วิทยาศาสตร์ อธิบายปรากฏการณ์นี้:

ตามที่อธิบายไว้ในวิดีโอด้านบน ปรากฏการณ์น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็น เรียกว่าปรากฏการณ์ Mpemba ซึ่งตั้งชื่อตาม Erasto Mpemba นักเรียนชาวแทนซาเนียที่ทำไอศกรีมโดยเป็นส่วนหนึ่งของ โครงการโรงเรียน- นักเรียนต้องนำส่วนผสมของครีมและน้ำตาลไปต้ม ปล่อยให้เย็น แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง

Erasto ใส่ส่วนผสมของเขาทันทีโดยร้อนโดยไม่ต้องรอให้เย็นลง ผลก็คือ หลังจากผ่านไป 1.5 ชั่วโมง ส่วนผสมของเขาก็ถูกแช่แข็งแล้ว แต่ส่วนผสมของนักเรียนคนอื่นกลับไม่แข็งตัว ด้วยความสนใจในปรากฏการณ์นี้ Mpemba จึงเริ่มศึกษาปัญหานี้กับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Denis Osborne และในปี 1969 พวกเขาได้ตีพิมพ์บทความที่ระบุว่าน้ำอุ่นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น นี่เป็นการศึกษาแบบ peer-reviewed ครั้งแรกในประเภทนี้ แต่ปรากฏการณ์ดังกล่าวได้รับการกล่าวถึงในเอกสารของอริสโตเติล ย้อนหลังไปถึงศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช จ. Francis Bacon และ Descartes ยังตั้งข้อสังเกตถึงปรากฏการณ์นี้ในการศึกษาของพวกเขาด้วย

วิดีโอแสดงรายการตัวเลือกต่างๆ เพื่ออธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น:

1. ฟรอสต์เป็นอิเล็กทริก ดังนั้นน้ำเย็นที่เย็นจัดจะเก็บความร้อนได้ดีกว่าแก้วอุ่น ซึ่งจะละลายน้ำแข็งเมื่อสัมผัสกับมัน
2. น้ำเย็นมีก๊าซละลายมากกว่าน้ำอุ่น และนักวิจัยคาดการณ์ว่าสิ่งนี้อาจมีบทบาทต่ออัตราการทำความเย็น แม้ว่าจะยังไม่ชัดเจนว่าทำอย่างไร
3. น้ำร้อนสูญเสียโมเลกุลของน้ำมากขึ้นเนื่องจากการระเหย ดังนั้นจึงเหลือการแช่แข็งน้อยลง
4. น้ำอุ่นสามารถเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากกระแสการพาความร้อนเพิ่มขึ้น กระแสน้ำเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากน้ำในแก้วเย็นตัวลงที่พื้นผิวและด้านข้างก่อน ทำให้น้ำเย็นจมและน้ำร้อนลอยขึ้น ในแก้วที่อุ่น กระแสการพาความร้อนจะทำงานมากกว่า ซึ่งอาจส่งผลต่ออัตราการทำความเย็นได้

อย่างไรก็ตาม ในปี 2016 ได้มีการศึกษาที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวังซึ่งแสดงให้เห็นสิ่งที่ตรงกันข้าม นั่นคือ น้ำร้อนแข็งตัวช้ากว่าน้ำเย็นมาก ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นว่าการเปลี่ยนตำแหน่งของเทอร์โมคัปเปิลซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่กำหนดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพียง 1 เซนติเมตรจะทำให้เกิดเอฟเฟกต์ Mpemba การศึกษาการศึกษาอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันแสดงให้เห็นว่าในทุกกรณีที่สังเกตเห็นผลกระทบนี้ มีการกระจัดของเทอร์โมคัปเปิลภายในหนึ่งเซนติเมตร

มีหลายปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการที่น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น ร้อนหรือเย็น แต่คำถามนั้นดูแปลกไปเล็กน้อย ความหมายโดยนัยซึ่งทราบจากฟิสิกส์ก็คือ น้ำร้อนยังต้องใช้เวลาในการทำให้เย็นลงเมื่อเทียบกับอุณหภูมิของน้ำเย็นที่ถูกเปรียบเทียบเพื่อที่จะกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำเย็นสามารถข้ามขั้นตอนนี้ได้และด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้น

แต่คำตอบสำหรับคำถามที่ว่าน้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน - ข้างนอกในที่เย็นผู้อยู่อาศัยในละติจูดตอนเหนือรู้ดี ในความเป็นจริง ตามทางวิทยาศาสตร์ ปรากฎว่าไม่ว่าในกรณีใด น้ำเย็นมักจะแข็งตัวเร็วขึ้น

ครูฟิสิกส์ซึ่งได้รับการติดต่อจากเด็กนักเรียน Erasto Mpemba ในปีพ. ศ. 2506 คิดแบบเดียวกันโดยขอให้อธิบายว่าเหตุใดส่วนผสมเย็นของไอศกรีมในอนาคตจึงใช้เวลาในการแข็งตัวนานกว่าไอศกรีมที่คล้ายกัน แต่ร้อน

“นี่ไม่ใช่ฟิสิกส์สากล แต่เป็นฟิสิกส์ Mpemba บางประเภท”

ในเวลานั้นครูเพียงหัวเราะกับสิ่งนี้ แต่เดนิสออสบอร์นศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ซึ่งครั้งหนึ่งเคยไปเยี่ยมโรงเรียนเดียวกันกับที่ Erasto ศึกษาอยู่ยืนยันการทดลองแล้วว่ามีผลกระทบดังกล่าวแม้ว่าจะไม่มีคำอธิบายก็ตาม ในปี พ.ศ.2512 ได้รับความนิยม วารสารวิทยาศาสตร์บทความร่วมถูกตีพิมพ์โดยคนสองคนนี้ซึ่งบรรยายถึงผลกระทบที่แปลกประหลาดนี้

ตั้งแต่นั้นมาคำถามที่ว่าน้ำใดที่แข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - มีชื่อของตัวเอง - เอฟเฟกต์ Mpemba หรือความขัดแย้ง

คำถามนี้มีมานานแล้ว

โดยธรรมชาติแล้วปรากฏการณ์ดังกล่าวเคยเกิดขึ้นมาก่อนและมีการกล่าวถึงในผลงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ไม่เพียงแต่เด็กนักเรียนเท่านั้นที่สนใจปัญหานี้ แต่ Rene Descartes และแม้แต่ Aristotle ก็คิดถึงเรื่องนี้ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งด้วย

แต่พวกเขาเริ่มมองหาแนวทางในการแก้ไขความขัดแย้งนี้เมื่อปลายศตวรรษที่ 20 เท่านั้น

เงื่อนไขที่ Paradox จะเกิดขึ้น

เช่นเดียวกับไอศกรีม ไม่ใช่แค่น้ำเปล่าเท่านั้นที่จะแข็งตัวในระหว่างการทดลอง ต้องมีเงื่อนไขบางประการเพื่อที่จะเริ่มโต้เถียงว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน อะไรมีอิทธิพลต่อกระบวนการนี้?

ในปัจจุบัน ในศตวรรษที่ 21 มีการเสนอทางเลือกหลายประการที่สามารถอธิบายความขัดแย้งนี้ได้ น้ำแบบไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า ร้อนหรือเย็น อาจขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่ามีอัตราการระเหยสูงกว่าน้ำเย็น ดังนั้น ปริมาตรจึงลดลง และเมื่อปริมาตรลดลง ระยะเวลาการแช่แข็งจะสั้นลงกว่าถ้าเราใช้น้ำเย็นที่มีปริมาตรเริ่มแรกเท่าเดิม

คุณละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งมานานแล้ว

น้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่าและเหตุใดจึงเกิดขึ้นอาจได้รับอิทธิพลจากชั้นหิมะที่อาจมีอยู่ในช่องแช่แข็งของตู้เย็นที่ใช้ในการทดลอง หากคุณนำภาชนะสองใบที่มีปริมาตรเท่ากัน แต่ภาชนะหนึ่งมีน้ำร้อนและอีกภาชนะเย็น ภาชนะที่มีน้ำร้อนจะทำให้หิมะละลายอยู่ข้างใต้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสระดับความร้อนกับผนังตู้เย็น ภาชนะใส่น้ำเย็นไม่สามารถทำได้ หากไม่มีหิมะในช่องตู้เย็น น้ำเย็นควรจะแข็งเร็วขึ้น

บน-ล่าง

นอกจากนี้ ปรากฏการณ์ที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - อธิบายได้ดังนี้ ตามกฎหมายบางประการ น้ำเย็นจะเริ่มแข็งตัวจากชั้นบน เมื่อน้ำร้อนทำสิ่งที่ตรงกันข้าม - จะเริ่มแข็งตัวจากล่างขึ้นบน ปรากฎว่าน้ำเย็นซึ่งมีชั้นเย็นอยู่ด้านบนโดยมีน้ำแข็งก่อตัวอยู่แล้วทำให้กระบวนการพาความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนแย่ลงจึงอธิบายว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน มีการแนบภาพถ่ายจากการทดลองสมัครเล่นมาด้วย ซึ่งมองเห็นได้ชัดเจนที่นี่

ความร้อนออกไปพุ่งขึ้นด้านบนและไปพบกับชั้นที่เย็นมาก ไม่มีเส้นทางอิสระสำหรับการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นจึงทำได้ยาก น้ำร้อนไม่มีอุปสรรคขวางทางอย่างแน่นอน อันไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน อะไรเป็นตัวกำหนดผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ คุณสามารถขยายคำตอบได้โดยบอกว่าน้ำใด ๆ มีสารบางอย่างละลายอยู่ในนั้น

สิ่งเจือปนในน้ำเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อผลลัพธ์

หากคุณไม่โกงและใช้น้ำที่มีส่วนประกอบเหมือนกันซึ่งมีความเข้มข้นของสารบางชนิดเท่ากัน น้ำเย็นก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น แต่หากเกิดสถานการณ์เมื่อเลิกกิจการแล้ว องค์ประกอบทางเคมีมีเฉพาะในน้ำร้อนเท่านั้นและน้ำเย็นไม่มีดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ที่น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าสารที่ละลายในน้ำจะสร้างจุดศูนย์กลางการตกผลึก และด้วยจุดศูนย์กลางเหล่านี้จำนวนไม่มาก การเปลี่ยนน้ำให้เป็นสถานะของแข็งจึงเป็นเรื่องยาก อาจเป็นไปได้ด้วยซ้ำว่าน้ำจะถูกทำให้เย็นลงเป็นพิเศษ ในแง่ที่ว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ น้ำจะอยู่ในสถานะของเหลว

แต่เห็นได้ชัดว่าเวอร์ชันเหล่านี้ไม่เหมาะกับนักวิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์และพวกเขายังคงดำเนินการในประเด็นนี้ต่อไป ในปี 2013 ทีมนักวิจัยในสิงคโปร์กล่าวว่าพวกเขาได้ไขปริศนาอันเก่าแก่ได้

นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนกลุ่มหนึ่งอ้างว่าเป็นความลับ เอฟเฟกต์นี้ประกอบด้วยปริมาณพลังงานที่สะสมไว้ระหว่างโมเลกุลของน้ำในพันธะที่เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

คำตอบจากนักวิทยาศาสตร์ชาวจีน

ต่อไปนี้เป็นข้อมูลเพื่อทำความเข้าใจว่าคุณต้องมีความรู้ด้านเคมีอะไรบ้างเพื่อที่จะเข้าใจว่าน้ำใดแข็งตัวเร็วกว่า - ร้อนหรือเย็น ดังที่ทราบกันดีว่าประกอบด้วยอะตอม H (ไฮโดรเจน) สองอะตอมและอะตอม O (ออกซิเจน) หนึ่งอะตอมซึ่งยึดติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์

แต่อะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลหนึ่งก็ถูกดึงดูดไปยังโมเลกุลข้างเคียงด้วยไปยังส่วนประกอบของออกซิเจน พันธะเหล่านี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

เป็นที่น่าจดจำว่าในเวลาเดียวกันโมเลกุลของน้ำก็มีผลที่น่ารังเกียจต่อกัน นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าเมื่อน้ำร้อน ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของมันจะเพิ่มขึ้น และสิ่งนี้จะอำนวยความสะดวกด้วยแรงผลัก ปรากฎว่าเมื่ออยู่ในระยะห่างเท่ากันระหว่างโมเลกุลในสภาวะเย็น พวกมันสามารถยืดออกได้และมีพลังงานมากขึ้น มันเป็นพลังงานสำรองที่ปล่อยออกมาเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มเคลื่อนที่เข้ามาใกล้กันนั่นคือการระบายความร้อนเกิดขึ้น ปรากฎว่าพลังงานสำรองที่มากขึ้นในน้ำร้อน และการปลดปล่อยพลังงานที่มากขึ้นเมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์นั้น เกิดขึ้นเร็วกว่าในน้ำเย็น ซึ่งมีพลังงานสำรองน้อยกว่า แล้วน้ำไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน? บนท้องถนนและในห้องปฏิบัติการ ความขัดแย้งของ Mpemba ควรเกิดขึ้น และน้ำร้อนควรกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น

แต่คำถามยังคงเปิดอยู่

มีเพียงการยืนยันทางทฤษฎีของวิธีแก้ปัญหานี้ - ทั้งหมดนี้เขียนด้วยสูตรที่สวยงามและดูเป็นไปได้ แต่เมื่อนำข้อมูลการทดลองที่ทำให้น้ำเย็นเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - ถูกนำมาใช้จริงและนำเสนอผลลัพธ์ คำถามเกี่ยวกับความขัดแย้งของ Mpemba ก็ถือว่าปิดได้