ทำไมน้ำเย็นจึงร้อนเร็วกว่าน้ำร้อน? เอฟเฟกต์ mpemba หรือเหตุใดน้ำร้อนจึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

21.11.2017 11.10.2018 บ้าน

« อเล็กซานเดอร์ เฟิร์ตเซฟน้ำใดแข็งตัวเร็วกว่าเย็นหรือร้อน? "- ลองถามคำถามกับเพื่อน ๆ ส่วนใหญ่จะตอบว่าค้างเร็วขึ้นน้ำเย็น

- และพวกเขาจะทำผิดพลาด ในความเป็นจริงหากคุณใส่ภาชนะสองใบที่มีรูปร่างและปริมาตรเท่ากันในช่องแช่แข็งโดยภาชนะหนึ่งมีน้ำเย็นและอีกภาชนะร้อนก็จะแข็งเร็วขึ้น.

น้ำร้อน

ข้อความดังกล่าวอาจดูไร้สาระและไม่มีเหตุผล หากคุณทำตามตรรกะ น้ำร้อนจะต้องเย็นลงจนถึงอุณหภูมิน้ำเย็นก่อน และในเวลานี้น้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งแล้ว

แล้วเหตุใดน้ำร้อนจึงเอาชนะน้ำเย็นจนกลายเป็นน้ำแข็ง? ลองคิดดูสิ

ประวัติความเป็นมาของการสังเกตและการวิจัย ผู้คนสังเกตเห็นผลกระทบที่ขัดแย้งกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ แต่ไม่มีใครสังเกตเห็นความสำคัญพิเศษ - ดังนั้น Arestotle เช่นเดียวกับ Rene Descartes และ Francis Bacon จึงตั้งข้อสังเกตในบันทึกของพวกเขาถึงความไม่สอดคล้องกันของอัตราการแช่แข็งของน้ำเย็นและน้ำร้อนปรากฏการณ์ที่ไม่ธรรมดา

มักปรากฏให้เห็นในชีวิตประจำวัน

เป็นเวลานานแล้วที่ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้รับการศึกษา แต่อย่างใดและไม่กระตุ้นความสนใจในหมู่นักวิทยาศาสตร์มากนัก

การศึกษาผลกระทบที่ผิดปกตินี้เริ่มต้นขึ้นในปี 1963 เมื่อ Erasto Mpemba เด็กนักเรียนที่อยากรู้อยากเห็นจากแทนซาเนียสังเกตเห็นว่านมร้อนสำหรับไอศกรีมแข็งตัวเร็วกว่านมเย็น ด้วยความหวังที่จะได้รับคำอธิบายถึงสาเหตุของผลกระทบที่ผิดปกติ ชายหนุ่มจึงถามครูฟิสิกส์ที่โรงเรียน อย่างไรก็ตาม ครูเพียงแต่หัวเราะเยาะเขา

ต่อมา Mpemba ทำการทดลองซ้ำ แต่ในการทดลองของเขาเขาไม่ได้ใช้นมอีกต่อไป แต่ใช้น้ำ และผลที่ขัดแย้งกันก็เกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง

6 ปีต่อมาในปี 1969 Mpemba ได้ถามคำถามนี้กับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Dennis Osborn ซึ่งมาโรงเรียนของเขา ศาสตราจารย์สนใจในการสังเกตของชายหนุ่ม และเป็นผลให้มีการทดลองเพื่อยืนยันการมีอยู่ของผลกระทบ แต่ไม่ได้ระบุสาเหตุของปรากฏการณ์นี้ นับแต่นั้นมาก็ได้เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า.

เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา

ดังนั้นในปี 2012 British Royal Society of Chemistry จะประกาศการแข่งขันของสมมติฐานที่อธิบายผลกระทบของ Mpemba นักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลกเข้าร่วมการแข่งขัน มีผู้ลงทะเบียนทั้งสิ้น 22,000 คน งานทางวิทยาศาสตร์- แม้จะมีบทความจำนวนมากที่น่าประทับใจ แต่ก็ไม่มีบทความใดที่ทำให้เกิดความชัดเจนกับความขัดแย้งของ Mpemba

รูปแบบที่พบบ่อยที่สุดคือน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้นเพราะมันระเหยเร็วขึ้น ปริมาตรก็เล็กลง และเมื่อปริมาตรลดลง อัตราการทำความเย็นก็จะเพิ่มขึ้น เวอร์ชันที่พบบ่อยที่สุดถูกข้องแวะในที่สุดเนื่องจากมีการทดลองโดยไม่รวมการระเหย แต่อย่างไรก็ตามผลลัพธ์ก็ได้รับการยืนยัน

นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ เชื่อว่าสาเหตุของปรากฏการณ์ Mpemba คือการระเหยของก๊าซที่ละลายในน้ำ ในความเห็นของพวกเขาในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนก๊าซที่ละลายในน้ำจะระเหยออกไปซึ่งทำให้มีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำเย็น ดังที่ทราบกันดีว่าการเพิ่มความหนาแน่นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง คุณสมบัติทางกายภาพน้ำ (การนำความร้อนเพิ่มขึ้น) และส่งผลให้อัตราการทำความเย็นเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ยังมีการเสนอสมมติฐานจำนวนหนึ่งที่อธิบายอัตราการไหลเวียนของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การศึกษาจำนวนมากได้พยายามสร้างความสัมพันธ์ระหว่างวัสดุของภาชนะบรรจุซึ่งมีของเหลวอยู่ ทฤษฎีหลายทฤษฎีดูเป็นไปได้มาก แต่ก็ไม่สามารถยืนยันทางวิทยาศาสตร์ได้เนื่องจากขาดข้อมูลเบื้องต้น ความขัดแย้งในการทดลองอื่นๆ หรือเนื่องจากปัจจัยที่ระบุไม่สามารถเทียบเคียงได้กับอัตราการทำความเย็นของน้ำ นักวิทยาศาสตร์บางคนในงานของพวกเขาตั้งคำถามถึงการมีอยู่ของผลกระทบ

ในปี 2013 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยางในสิงคโปร์อ้างว่าสามารถไขความลึกลับของปรากฏการณ์ Mpemba ได้ จากการวิจัยของพวกเขา สาเหตุของปรากฏการณ์นี้ก็คือปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำเย็นและน้ำร้อนมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

วิธีการ การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นผลลัพธ์ดังต่อไปนี้: ยิ่งอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นเท่าใด ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากแรงผลักดันเพิ่มขึ้น ดังนั้นพันธะไฮโดรเจนของโมเลกุลจึงยืดตัวและกักเก็บ มากกว่าพลังงาน. เมื่อเย็นลง โมเลกุลจะเริ่มเคลื่อนที่เข้าใกล้กัน และปล่อยพลังงานออกจากพันธะไฮโดรเจน ในกรณีนี้การปล่อยพลังงานจะมาพร้อมกับอุณหภูมิที่ลดลง

ในเดือนตุลาคม 2017 นักฟิสิกส์ชาวสเปนในระหว่างการศึกษาอื่นพบว่ามีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของผลกระทบโดยการกำจัดสารออกจากสมดุล (การให้ความร้อนสูงก่อนที่จะเย็นตัวลงอย่างแรง) พวกเขากำหนดเงื่อนไขที่ความเป็นไปได้ของผลกระทบจะเกิดขึ้นสูงสุด นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์จากสเปนยังยืนยันการมีอยู่ของเอฟเฟกต์ Mpemba แบบย้อนกลับ พวกเขาพบว่าเมื่อถูกความร้อน ตัวอย่างที่เย็นกว่าจะมีอุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าตัวอย่างที่อุ่นกว่า

แม้จะมีข้อมูลที่ครอบคลุมและการทดลองมากมาย แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ตั้งใจที่จะศึกษาผลกระทบต่อไป

เอฟเฟ็กต์ Mpemba ในชีวิตจริง

คุณเคยสงสัยบ้างไหมว่าเหตุใดลานสเก็ตจึงถูกน้ำท่วมในฤดูหนาว? น้ำร้อนและไม่หนาวเหรอ? อย่างที่คุณเข้าใจแล้ว พวกเขาทำเช่นนี้เพราะลานสเก็ตที่เต็มไปด้วยน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าการเติมน้ำเย็น ด้วยเหตุผลเดียวกัน น้ำร้อนจึงถูกเทลงในสไลเดอร์ในเมืองน้ำแข็งในฤดูหนาว

ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับการมีอยู่ของปรากฏการณ์ทำให้ผู้คนประหยัดเวลาในการเตรียมสถานที่สำหรับกีฬาฤดูหนาว

นอกจากนี้ บางครั้งเอฟเฟกต์ Mpemba ยังใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อลดเวลาการแช่แข็งของผลิตภัณฑ์ สาร และวัสดุที่มีน้ำ

ดูเหมือนว่าสูตรเก่าที่ดี H 2 O ไม่มีความลับ แต่ในความเป็นจริง น้ำซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของชีวิตและของเหลวที่มีชื่อเสียงที่สุดในโลกนั้นเต็มไปด้วยความลึกลับมากมายที่แม้แต่นักวิทยาศาสตร์บางครั้งก็ไม่สามารถไขได้

นี่คือ 5 มากที่สุด ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเกี่ยวกับน้ำ:

1. น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

ให้เรานำน้ำสองภาชนะมาใส่: เทน้ำร้อนใส่อันหนึ่งและน้ำเย็นใส่อีกอันแล้วใส่ในช่องแช่แข็ง น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าตามตรรกะแล้ว น้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งก่อน หลังจากนั้น น้ำร้อนจะต้องทำให้เย็นลงเป็นอุณหภูมิเย็นก่อน แล้วจึงเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่น้ำเย็นไม่แข็งตัว จำเป็นต้องเย็น ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

ในปี 1963 Erasto B. Mpemba นักเรียนมัธยมปลาย โรงเรียนมัธยมปลายในประเทศแทนซาเนีย ขณะแช่แข็งส่วนผสมไอศกรีมที่เตรียมไว้ ฉันสังเกตเห็นว่าส่วนผสมที่ร้อนจะแข็งตัวในช่องแช่แข็งเร็วกว่าส่วนผสมที่เย็น เมื่อชายหนุ่มแบ่งปันการค้นพบของเขากับครูฟิสิกส์ เขาก็เพียงหัวเราะเยาะเขาเท่านั้น โชคดีที่นักเรียนคนนั้นยืนหยัดและโน้มน้าวให้ครูทำการทดลอง ซึ่งยืนยันการค้นพบของเขา: ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นจริงๆ

ขณะนี้ ปรากฏการณ์น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็น เรียกว่า "ปรากฏการณ์เอ็มเพมบา" จริงอยู่ ก่อนหน้าเขามานานแล้ว คุณสมบัติพิเศษของน้ำนี้ได้รับการกล่าวถึงโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรอเน เดการ์ต

นักวิทยาศาสตร์ยังคงไม่เข้าใจธรรมชาติของปรากฏการณ์นี้อย่างถ่องแท้ โดยอธิบายได้จากความแตกต่างในด้านความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือโดยผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำร้อนและน้ำเย็น

หมายเหตุจาก X.RU ในหัวข้อ “น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น”

เนื่องจากปัญหาเรื่องการทำความเย็นอยู่ใกล้เรามากขึ้น ผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องทำความเย็น เราจะอนุญาตให้ตัวเองเจาะลึกเข้าไปในสาระสำคัญของปัญหานี้อีกเล็กน้อยและให้ความคิดเห็นสองประการเกี่ยวกับธรรมชาติของปัญหาดังกล่าว ปรากฏการณ์ลึกลับ.

1. นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันได้เสนอคำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์ลึกลับที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยอริสโตเติล: เหตุใดน้ำร้อนจึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ Mpemba ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น ผู้เชี่ยวชาญแนะนำให้ผู้ขับขี่รถยนต์เทน้ำเย็นไม่ใช่น้ำร้อนลงในอ่างเก็บน้ำเครื่องซักผ้าในฤดูหนาว แต่อะไรอยู่เบื้องหลังปรากฏการณ์นี้? เป็นเวลานานยังคงไม่ทราบ

ดร. Jonathan Katz จากมหาวิทยาลัย Washington ศึกษาปรากฏการณ์นี้และสรุปได้ว่า บทบาทที่สำคัญมันถูกเล่นโดยสสารที่ละลายในน้ำ ซึ่งจะตกตะกอนเมื่อถูกความร้อน EurekAlert รายงาน

ใต้ละลาย สารดร. Katz หมายถึงแคลเซียมและแมกนีเซียมไบคาร์บอเนตซึ่งพบได้ในน้ำกระด้าง เมื่อน้ำร้อน สารเหล่านี้จะตกตะกอนทำให้เกิดตะกรันบนผนังกาต้มน้ำ น้ำที่ไม่เคยได้รับความร้อนมีสิ่งเจือปนเหล่านี้ เมื่อมันกลายเป็นน้ำแข็งและเกิดผลึกน้ำแข็ง ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในน้ำจะเพิ่มขึ้น 50 เท่า ด้วยเหตุนี้จุดเยือกแข็งของน้ำจึงลดลง “และตอนนี้น้ำจะต้องเย็นลงอีกจึงจะกลายเป็นน้ำแข็ง” ดร. แคทซ์อธิบาย

มีเหตุผลประการที่สองที่ป้องกันไม่ให้น้ำที่ไม่ผ่านความร้อนกลายเป็นน้ำแข็ง การลดจุดเยือกแข็งของน้ำจะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสถานะของแข็งและของเหลว “เนื่องจากอัตราที่น้ำสูญเสียความร้อนขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ น้ำที่ไม่ได้รับความร้อนจะเย็นลงได้ไม่ดีนัก” ดร. แคทซ์ให้ความเห็น

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ทฤษฎีของเขาสามารถทดสอบได้ในเชิงทดลองเพราะ เอฟเฟกต์ Mpemba จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นสำหรับน้ำที่กระด้างขึ้น

2. ออกซิเจนบวกไฮโดรเจนบวกความเย็นทำให้เกิดน้ำแข็ง เมื่อมองแวบแรก สารโปร่งใสนี้ดูเรียบง่ายมาก ในความเป็นจริง น้ำแข็งเต็มไปด้วยความลึกลับมากมาย Ice สร้างขึ้นโดย African Erasto Mpemba ไม่ได้คิดถึงชื่อเสียง วันนั้นร้อน เขาต้องการ น้ำแข็งผลไม้- เขาหยิบกล่องน้ำผลไม้ไปแช่ในช่องแช่แข็ง เขาทำสิ่งนี้มากกว่าหนึ่งครั้งและสังเกตเห็นว่าน้ำผลไม้จะแข็งตัวเร็วเป็นพิเศษหากคุณถือไว้กลางแดดเป็นครั้งแรก - มันทำให้ร้อนขึ้นมาก! เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียคิดว่าสิ่งนี้แปลกซึ่งกระทำการตรงกันข้ามกับภูมิปัญญาทางโลก จำเป็นหรือไม่ที่ต้องอุ่นของเหลวก่อนเพื่อให้กลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น? ชายหนุ่มประหลาดใจมากจนบอกการเดาของเขากับอาจารย์ เขารายงานความอยากรู้อยากเห็นนี้ในสื่อ

เรื่องราวนี้เกิดขึ้นในช่วงอายุหกสิบเศษของศตวรรษที่ผ่านมา ขณะนี้ "เอฟเฟกต์ Mpemba" เป็นที่รู้จักกันดีในหมู่นักวิทยาศาสตร์ แต่ปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนเรียบง่ายนี้ยังคงเป็นปริศนามาเป็นเวลานาน ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

จนกระทั่งปี 1996 นักฟิสิกส์ David Auerbach พบวิธีแก้ปัญหา เพื่อตอบคำถามนี้ เขาได้ทำการทดลองตลอดทั้งปี โดยต้มน้ำในแก้วแล้วทำให้เย็นอีกครั้ง แล้วเขาค้นพบอะไร? เมื่อถูกความร้อน ฟองอากาศที่ละลายในน้ำจะระเหยไป น้ำที่ไม่มีก๊าซจะแข็งตัวบนผนังของถังได้ง่ายขึ้น “แน่นอนว่าน้ำที่มีปริมาณอากาศสูงก็จะแข็งตัวเช่นกัน” Auerbach กล่าว “แต่ไม่ใช่ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส แต่จะอยู่ที่ลบ 4-6 องศาเท่านั้น” แน่นอนว่าคุณจะต้องรออีกต่อไป ดังนั้น น้ำร้อนจะแข็งตัวก่อนน้ำเย็น นี่เป็นข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์

แทบจะไม่มีสสารใดปรากฏต่อหน้าต่อตาเราได้ง่ายเหมือนน้ำแข็ง ประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำเท่านั้น นั่นคือโมเลกุลเบื้องต้นที่ประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม อย่างไรก็ตาม น้ำแข็งอาจเป็นสสารที่ลึกลับที่สุดในจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติบางประการของมันได้

2. การทำความเย็นแบบพิเศษและการแช่แข็ง "ทันที"

ทุกคนรู้ดีว่าน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเสมอเมื่อเย็นลงถึง 0°C... ยกเว้นในบางกรณี! ตัวอย่างเช่นกรณีดังกล่าวคือ "supercooling" ซึ่งเป็นคุณสมบัติของ very น้ำสะอาดยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าจะเย็นลงถึงจุดเยือกแข็งก็ตาม ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากสภาพแวดล้อมไม่มีศูนย์กลางหรือนิวเคลียสของการตกผลึกที่สามารถกระตุ้นให้เกิดผลึกน้ำแข็งได้ ดังนั้นน้ำจึงยังคงอยู่ในสถานะของเหลวแม้ว่าจะเย็นลงจนต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียสก็ตาม กระบวนการตกผลึกสามารถถูกกระตุ้นได้ เช่น โดยฟองก๊าซ สิ่งเจือปน (สารปนเปื้อน) หรือพื้นผิวภาชนะที่ไม่เรียบ หากไม่มีพวกมัน น้ำก็จะคงอยู่ในสถานะของเหลว เมื่อกระบวนการตกผลึกเริ่มต้นขึ้น คุณสามารถชมน้ำเย็นจัดที่กลายเป็นน้ำแข็งได้ในทันที

ชมวิดีโอ (2,901 KB, 60 วินาที) จาก Phil Medina (www.mrsciguy.com) และดูด้วยตัวคุณเอง >>

ความคิดเห็นน้ำร้อนยวดยิ่งยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าจะถูกให้ความร้อนเหนือจุดเดือดก็ตาม

3. น้ำ “แก้ว”

ได้อย่างรวดเร็วและไม่ต้องคิดให้ทายว่าน้ำมีกี่สถานะ?

หากคุณตอบสามข้อ (ของแข็ง ของเหลว แก๊ส) แสดงว่าคุณผิด นักวิทยาศาสตร์ระบุสถานะน้ำของเหลวได้อย่างน้อย 5 สถานะและน้ำแข็ง 14 สถานะ

จำบทสนทนาเกี่ยวกับน้ำเย็นจัดได้ไหม? ดังนั้นไม่ว่าคุณจะทำอะไร ที่อุณหภูมิ -38 °C แม้แต่น้ำที่เย็นจัดที่สุดที่บริสุทธิ์ที่สุดก็กลายเป็นน้ำแข็งทันที จะเกิดอะไรขึ้นกับการลดลงอีก?

อุณหภูมิ? ที่อุณหภูมิ -120 °C สิ่งแปลกประหลาดเริ่มเกิดขึ้นกับน้ำ น้ำจะมีความหนืดสูงมากหรือหนืด เช่น กากน้ำตาล และที่อุณหภูมิต่ำกว่า -135 °C น้ำจะกลายเป็นน้ำ "คล้ายแก้ว" หรือ "น้ำคล้ายแก้ว" ซึ่งเป็นสารของแข็งที่ไม่มีโครงสร้างผลึก .

4. คุณสมบัติควอนตัมของน้ำ

บน ระดับโมเลกุลน้ำก็ยิ่งน่าประหลาดใจมากขึ้นไปอีก ในปี 1995 การทดลองการกระเจิงนิวตรอนที่ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ได้ให้ผล ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด: นักฟิสิกส์ได้ค้นพบว่านิวตรอนที่มุ่งเป้าไปที่โมเลกุลของน้ำ “มองเห็น” โปรตอนไฮโดรเจนน้อยกว่าที่คาดไว้ถึง 25%

ปรากฎว่าด้วยความเร็วหนึ่งอัตโตวินาที (10 -18 วินาที) เอฟเฟกต์ควอนตัมที่ผิดปกติเกิดขึ้นและ สูตรเคมีน้ำแทนปกติ - H 2 O กลายเป็น H 1.5 O!

5. น้ำมีความทรงจำหรือไม่?

โฮมีโอพาธีย์ทางเลือก ยาอย่างเป็นทางการระบุว่าเป็นสารละลายเจือจาง ผลิตภัณฑ์ยาสามารถมีผลการรักษาต่อร่างกายได้แม้ว่าปัจจัยการเจือจางจะสูงจนไม่เหลืออะไรเลยในสารละลายยกเว้นโมเลกุลของน้ำ ผู้เสนอโฮมีโอพาธีอธิบายความขัดแย้งนี้ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า "ความทรงจำของน้ำ" โดยที่น้ำในระดับโมเลกุลมี "ความทรงจำ" ของสารเมื่อละลายเข้าไปแล้วและยังคงรักษาคุณสมบัติของสารละลายของความเข้มข้นดั้งเดิมไว้หลังจากนั้นไม่แม้แต่ครั้งเดียว โมเลกุลของส่วนผสมยังคงอยู่ในนั้น

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยศาสตราจารย์แมดเดอลีน เอนนิส จากมหาวิทยาลัยควีนส์แห่งเบลฟัสต์ ซึ่งวิพากษ์วิจารณ์หลักการของโฮมีโอพาธีย์ ได้ทำการทดลองในปี 2545 เพื่อหักล้างแนวคิดนี้ครั้งแล้วครั้งเล่า ผลลัพธ์ที่ได้กลับตรงกันข้าม สามารถพิสูจน์ความเป็นจริงของปรากฏการณ์ "ความทรงจำของน้ำ" ได้ อย่างไรก็ตาม การทดลองที่ดำเนินการภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญอิสระไม่ได้ให้ผลลัพธ์ใดๆ

น้ำมีคุณสมบัติที่ผิดปกติอื่นๆ อีกมากมายที่เราไม่ได้พูดถึงในบทความนี้

วรรณกรรม.

1. 5 เรื่องแปลกๆ เกี่ยวกับน้ำ / http://www.neatorama.com
2. ความลึกลับของน้ำ: มีการสร้างทฤษฎีเอฟเฟกต์ Aristotle-Mpemba / http://www.o8ode.ru
3. เนโปมยาชชี่ เอ็น.เอ็น. ความลับ ธรรมชาติที่ไม่มีชีวิต- สสารลึกลับที่สุดในจักรวาล / http://www.bibliotekar.ru

British Royal Society of Chemistry เสนอรางวัล 1,000 ปอนด์แก่ใครก็ตามที่สามารถอธิบายได้ จุดทางวิทยาศาสตร์ทำความเข้าใจว่าทำไมในบางกรณีน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

“วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ยังคงไม่สามารถตอบคำถามที่ดูเหมือนง่ายนี้ได้ ผู้ผลิตไอศกรีมและบาร์เทนเดอร์ใช้เอฟเฟกต์นี้ในการทำงานประจำวัน แต่ไม่มีใครรู้ว่าทำไมมันถึงได้ผล ปัญหานี้ทราบกันมานานนับพันปี โดยนักปรัชญาเช่นอริสโตเติลและเดส์การตส์ก็คิดเรื่องนี้อยู่” ศาสตราจารย์เดวิด ฟิลลิปส์ ประธาน British Royal Society of Chemistry กล่าวในข่าวประชาสัมพันธ์ของ Society

พ่อครัวจากแอฟริกาเอาชนะศาสตราจารย์ฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้อย่างไร

นี่ไม่ใช่เรื่องตลกในวันเอพริลฟูล แต่เป็นความจริงทางกายภาพอันโหดร้าย วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ซึ่งดำเนินการได้ง่ายกับกาแลคซีและหลุมดำ และสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์เพื่อค้นหาควาร์กและโบซอน ไม่สามารถอธิบายได้ว่า "ทำงาน" ของน้ำเบื้องต้นได้อย่างไร หนังสือเรียนของโรงเรียนระบุไว้อย่างชัดเจนว่าต้องใช้เวลาในการทำให้ร่างกายที่ร้อนเย็นลงมากกว่าการทำให้ร่างกายที่เย็นเย็นลง แต่สำหรับน้ำ กฎข้อนี้ไม่ได้ปฏิบัติตามเสมอไป อริสโตเติลดึงความสนใจไปที่ความขัดแย้งนี้ในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช จ. นี่คือสิ่งที่ชาวกรีกโบราณเขียนไว้ในหนังสือ Meteorologica I ของเขา: “การที่น้ำถูกอุ่นจะทำให้น้ำแข็งตัว ดังนั้น หลายๆ คนเมื่อต้องการให้น้ำร้อนเย็นเร็วขึ้น ให้นำไปตากแดดก่อน…” ในยุคกลาง ฟรานซิส เบคอน และเรอเน เดการ์ต พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้ อนิจจาทั้งนักปรัชญาผู้ยิ่งใหญ่และนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่พัฒนาเทอร์โมฟิสิกส์แบบคลาสสิกไม่ประสบความสำเร็จในเรื่องนี้ดังนั้นข้อเท็จจริงที่ไม่สะดวกดังกล่าวจึงถูก "ลืม" มาเป็นเวลานาน

และในปี 1968 เท่านั้นที่พวกเขา "จำได้" ต้องขอบคุณเด็กนักเรียน Erasto Mpembe จากแทนซาเนียซึ่งห่างไกลจากวิทยาศาสตร์ใด ๆ ขณะที่เรียนที่โรงเรียนศิลปะการทำอาหารในปี 2506 Mpembe วัย 13 ปีได้รับมอบหมายให้ทำไอศกรีม ตามเทคโนโลยีจำเป็นต้องต้มนมละลายน้ำตาลแล้วทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องแล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันและลังเล ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมไว้ตามกฎทั้งหมด

เมื่อ Mpemba แบ่งปันการค้นพบของเขากับครูฟิสิกส์ เขาก็หัวเราะเยาะเขาต่อหน้าทั้งชั้น Mpemba จำคำดูถูกนั้นได้ ห้าปีต่อมา เขาเป็นนักศึกษาอยู่ที่มหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลามอยู่แล้ว เขาได้เข้าร่วมการบรรยายโดยนักฟิสิกส์ชื่อดัง เดนิส จี. ออสบอร์น หลังจากการบรรยาย เขาถามคำถามนักวิทยาศาสตร์ว่า “ถ้าคุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบและมีน้ำในปริมาณเท่ากัน ใบหนึ่งที่อุณหภูมิ 35 °C (95 °F) และอีกใบที่อุณหภูมิ 100 °C (212 °F) แล้ววางลงไป ในช่องแช่แข็งแล้วน้ำในภาชนะที่ร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม?" คุณคงจินตนาการถึงปฏิกิริยาของอาจารย์ชาวอังกฤษต่อคำถามของชายหนุ่มจาก Godforsaken Tanzania เขาล้อนักเรียน อย่างไรก็ตาม Mpemba พร้อมสำหรับคำตอบดังกล่าวและท้าทายนักวิทยาศาสตร์ให้เดิมพัน ข้อพิพาทของพวกเขาจบลงด้วยการทดสอบทดลองที่ยืนยันว่า Mpemba ถูกต้องและ Osborne พ่ายแพ้ ดังนั้น พ่อครัวฝึกหัดจึงได้เขียนชื่อของเขาไว้ในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ และจากนี้ไปปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" เป็นไปไม่ได้ที่จะทิ้งมันไปเพื่อประกาศว่า "ไม่มีอยู่จริง" ปรากฏการณ์นี้มีอยู่จริง และดังที่กวีเขียนไว้ว่า “มันไม่เจ็บเลย”

อนุภาคฝุ่นและตัวถูกละลายเป็นโทษหรือไม่?

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา หลายคนพยายามไขปริศนาของน้ำที่กลายเป็นน้ำแข็ง มีการเสนอคำอธิบายมากมายสำหรับปรากฏการณ์นี้: การระเหย การพาความร้อน อิทธิพลของสารที่ละลาย - แต่ไม่มีปัจจัยใดที่สามารถพิจารณาว่าเป็นที่แน่ชัดได้ นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งอุทิศทั้งชีวิตให้กับปรากฏการณ์ Mpemba เจ้าหน้าที่กรมความปลอดภัยทางรังสี มหาวิทยาลัยของรัฐนิวยอร์ก – เจมส์ บราวน์ริดจ์ – อิน เวลาว่างได้ศึกษาเรื่องความขัดแย้งมานานกว่าทศวรรษแล้ว หลังจากทำการทดลองหลายร้อยครั้ง นักวิทยาศาสตร์อ้างว่ามีหลักฐานของ "ความผิด" ของภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติ บราวน์ริดจ์อธิบายว่าที่อุณหภูมิ 0°C น้ำจะมีความเย็นยิ่งยวดเท่านั้น และเริ่มแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า จุดเยือกแข็งถูกควบคุมโดยสิ่งสกปรกในน้ำ - พวกมันเปลี่ยนอัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง สิ่งเจือปน เช่น อนุภาคฝุ่น แบคทีเรีย และเกลือที่ละลายอยู่ มีอุณหภูมินิวเคลียสที่เป็นลักษณะเฉพาะเมื่อผลึกน้ำแข็งก่อตัวรอบๆ จุดศูนย์กลางการตกผลึก เมื่อมีองค์ประกอบหลายอย่างอยู่ในน้ำพร้อมกัน จุดเยือกแข็งจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบที่มีอุณหภูมินิวเคลียสสูงที่สุด

สำหรับการทดลอง บราวน์ริดจ์ได้นำตัวอย่างน้ำ 2 ตัวอย่างที่มีอุณหภูมิเท่ากันแล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง เขาค้นพบว่าตัวอย่างชิ้นหนึ่งมักจะแข็งตัวก่อนชิ้นอื่นเสมอ อาจเป็นเพราะส่วนผสมของสิ่งเจือปนต่างกัน

Brownridge เคลมว่าน้ำร้อนเย็นเร็วขึ้นเนื่องจาก ความแตกต่างที่ใหญ่กว่าระหว่างอุณหภูมิของน้ำและช่องแช่แข็ง - ช่วยให้ถึงจุดเยือกแข็งก่อนที่น้ำเย็นจะถึงจุดเยือกแข็งตามธรรมชาติซึ่งต่ำกว่า อย่างน้อยที่อุณหภูมิ 5° C

อย่างไรก็ตาม การให้เหตุผลของ Brownridge ทำให้เกิดคำถามมากมาย ดังนั้นผู้ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ Mpemba ในแบบของตนเองได้มีโอกาสแข่งขันเพื่อเงินหนึ่งพันปอนด์จาก British Royal Society of Chemistry

วิชาหนึ่งที่ฉันชอบที่โรงเรียนคือวิชาเคมี ครั้งหนึ่งครูสอนเคมีให้งานที่แปลกและยากแก่เรา เขาให้รายการคำถามที่เราต้องตอบในแง่ของเคมี เราได้รับเวลาหลายวันสำหรับงานนี้และได้รับอนุญาตให้ใช้ห้องสมุดและแหล่งข้อมูลอื่นๆ ที่มีอยู่ คำถามข้อหนึ่งเกี่ยวข้องกับจุดเยือกแข็งของน้ำ ฉันจำไม่ได้ว่าคำถามฟังดูเป็นอย่างไร แต่มันเกี่ยวกับความจริงที่ว่าถ้าคุณนำถังไม้ที่มีขนาดเท่ากันสองถัง ใบหนึ่งใส่น้ำร้อน อีกใบหนึ่งใส่น้ำเย็น (โดยมีอุณหภูมิที่ระบุอย่างแม่นยำ) แล้ววางไว้ในนั้น สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิคงที่ อันไหนจะแข็งตัวเร็วกว่ากัน? แน่นอนว่าคำตอบนั้นแนะนำตัวเองทันที - ถังน้ำเย็น แต่เราคิดว่ามันง่ายเกินไป แต่นี่ไม่เพียงพอที่จะให้คำตอบที่สมบูรณ์ เราต้องพิสูจน์จากมุมมองทางเคมี แม้ว่าฉันจะคิดและค้นคว้ามาทั้งหมดแล้ว แต่ฉันก็ไม่สามารถสรุปได้เชิงตรรกะ ฉันตัดสินใจข้ามบทเรียนนี้ไปในวันนั้นด้วยซ้ำ ดังนั้นฉันจึงไม่เคยเรียนรู้วิธีแก้ปัญหาของปริศนานี้เลย

หลายปีผ่านไป และฉันได้เรียนรู้ตำนานมากมายในชีวิตประจำวันเกี่ยวกับจุดเดือดและจุดเยือกแข็งของน้ำ และตำนานหนึ่งกล่าวว่า "น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น" ฉันดูเว็บไซต์หลายแห่ง แต่ข้อมูลขัดแย้งกันเกินไป และนี่เป็นเพียงความคิดเห็นที่ไม่มีมูลจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ และฉันตัดสินใจทำการทดลองของตัวเอง เนื่องจากฉันหาถังไม้ไม่เจอ ฉันจึงใช้ช่องแช่แข็ง เตา น้ำ และเทอร์โมมิเตอร์แบบดิจิตอล ฉันจะบอกคุณเกี่ยวกับผลลัพธ์ของประสบการณ์ของฉันในภายหลัง ก่อนอื่น ฉันจะแบ่งปันข้อโต้แย้งที่น่าสนใจเกี่ยวกับน้ำกับคุณ:

น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่กล่าวว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำร้อน แต่ปรากฏการณ์ตลกอย่างหนึ่ง (ที่เรียกว่า Memba effect) โดยไม่ทราบสาเหตุ ได้พิสูจน์สิ่งที่ตรงกันข้าม: น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น คำอธิบายประการหนึ่งคือกระบวนการระเหย: หากวางน้ำร้อนจัดในสภาพแวดล้อมที่เย็น น้ำจะเริ่มระเหย (ปริมาณน้ำที่เหลือจะแข็งตัวเร็วขึ้น) และตามกฎของเคมี นี่ไม่ใช่ตำนานแต่อย่างใด และเป็นไปได้มากว่านี่คือสิ่งที่ครูต้องการจะได้ยินจากเรา

น้ำต้มสุกแข็งเร็วขึ้น น้ำประปา- แม้จะมีคำอธิบายก่อนหน้านี้ แต่ผู้เชี่ยวชาญบางคนแย้งว่าน้ำต้มสุกที่เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องควรแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากการเดือดจะลดปริมาณออกซิเจน

น้ำเย็นเดือดเร็วกว่าน้ำร้อน หากน้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำเย็นอาจเดือดเร็วขึ้น! สิ่งนี้ขัดแย้งกัน สามัญสำนึกและนักวิทยาศาสตร์บอกว่าสิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ น้ำประปาร้อนควรเดือดเร็วกว่าน้ำเย็นจริงๆ แต่การใช้น้ำร้อนต้มไม่ได้ช่วยประหยัดพลังงาน คุณอาจใช้แก๊สหรือไฟน้อยลง แต่เครื่องทำน้ำอุ่นจะใช้พลังงานเท่ากันในการทำความร้อนน้ำเย็น (ด้วยพลังงานแสงอาทิตย์สถานการณ์จะแตกต่างออกไปเล็กน้อย) จากการให้น้ำร้อนด้วยเครื่องทำน้ำอุ่น อาจมีตะกอนเกิดขึ้น ส่งผลให้น้ำใช้เวลาในการทำความร้อนนานขึ้น

หากเติมเกลือลงในน้ำก็จะเดือดเร็วขึ้น เกลือจะเพิ่มจุดเดือด (และลดจุดเยือกแข็งลงด้วย ด้วยเหตุนี้แม่บ้านบางคนจึงเติมเกลือสินเธาว์เล็กน้อยลงในไอศกรีม) แต่ในกรณีนี้ เราสนใจอีกคำถามหนึ่งว่า น้ำจะเดือดนานเท่าใด และจุดเดือดในกรณีนี้สามารถเพิ่มขึ้นเกิน 100°C ได้หรือไม่ แม้จะมีสิ่งที่พวกเขากล่าวไว้ในตำราอาหาร แต่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าปริมาณเกลือที่เราเติมลงในน้ำเดือดไม่เพียงพอที่จะส่งผลต่อเวลาหรืออุณหภูมิในการเดือด

แต่นี่คือสิ่งที่ฉันได้รับ:

น้ำเย็น: ฉันใช้แก้วน้ำบริสุทธิ์ขนาด 100 มล. สามแก้ว: แก้วหนึ่งมีอุณหภูมิห้อง (72°F/22°C) แก้วหนึ่งมีน้ำร้อน (115°F/46°C) และอีกแก้วมีน้ำต้มสุก (212 °F/100°C) ฉันวางแก้วทั้งสามใบในช่องแช่แข็งที่อุณหภูมิ -18°C และเนื่องจากฉันรู้ว่าน้ำจะไม่กลายเป็นน้ำแข็งในทันที ฉันจึงกำหนดระดับความเยือกแข็งโดยใช้ "ทุ่นไม้" เมื่อไม้ที่วางอยู่ตรงกลางกระจกไม่แตะฐานอีกต่อไป ฉันถือว่าน้ำกลายเป็นน้ำแข็งแล้ว ฉันตรวจดูแว่นตาทุกๆ ห้านาที และผลลัพธ์ของฉันคืออะไร? น้ำในแก้วแรกกลายเป็นน้ำแข็งหลังจากผ่านไป 50 นาที น้ำร้อนแข็งตัวหลังจากผ่านไป 80 นาที ต้ม - หลังจาก 95 นาที สิ่งที่ฉันค้นพบ: เมื่อพิจารณาจากสภาพในช่องแช่แข็งและน้ำที่ฉันใช้ ฉันไม่สามารถสร้างเอฟเฟกต์ Memba ได้

ฉันยังทดลองการทดลองนี้กับน้ำต้มก่อนหน้านี้ที่ทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิห้องด้วย แข็งตัวภายใน 60 นาที แต่ยังใช้เวลานานกว่าน้ำเย็นในการแข็งตัว

น้ำต้มสุก: ฉันเอาน้ำหนึ่งลิตรที่อุณหภูมิห้องแล้วนำไปตั้งไฟ มันต้มใน 6 นาที จากนั้นฉันก็ทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องและเติมลงไปในขณะที่ยังร้อน ด้วยไฟเดียวกันต้มน้ำร้อนใน 4 ชั่วโมง 30 นาที สรุป: ตามที่คาดไว้ น้ำร้อนเดือดเร็วกว่ามาก

น้ำต้มสุก (พร้อมเกลือ): ฉันเติมเกลือแกง 2 ช้อนโต๊ะใหญ่ต่อน้ำ 1 ลิตร ต้มใน 6 นาที 33 วินาที และตามที่เทอร์โมมิเตอร์แสดง อุณหภูมิก็สูงถึง 102°C ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเกลือส่งผลต่อจุดเดือด แต่ก็ไม่มากนัก สรุป: เกลือในน้ำไม่ส่งผลต่ออุณหภูมิและเวลาในการเดือดมากนัก ฉันยอมรับโดยสุจริตว่าห้องครัวของฉันแทบจะเรียกได้ว่าเป็นห้องทดลองไม่ได้และบางทีข้อสรุปของฉันอาจขัดแย้งกับความเป็นจริง ตู้แช่แข็งของฉันอาจแช่แข็งอาหารได้ไม่เท่ากัน แก้วของฉันอาจมีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ เป็นต้น แต่ไม่ว่าจะเกิดอะไรขึ้นในห้องปฏิบัติการเมื่อไหร่ก็ตามเรากำลังพูดถึง

เมื่อพูดถึงการแช่แข็งหรือต้มน้ำในห้องครัว สิ่งที่สำคัญที่สุดคือสามัญสำนึก เชื่อมโยงกับข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ
เกี่ยวกับน้ำเกี่ยวกับน้ำ

ตามที่แนะนำใน forum.ixbt.com เอฟเฟกต์นี้ (เอฟเฟกต์ของน้ำร้อนที่แข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น) เรียกว่า "เอฟเฟกต์ Aristotle-Mpemba"

เหล่านั้น. น้ำต้ม (แช่เย็น) แข็งตัวเร็วกว่าน้ำ "ดิบ"เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา

(ความขัดแย้งของ Mpemba) เป็นความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางประการจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในระหว่างกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ โดยที่ภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดมากกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าเพื่อทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

อริสโตเติล, ฟรานซิส เบคอน และเรเน เดส์การตส์สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ในคราวเดียว แต่ในปี 1963 Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียค้นพบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าไอศกรีมเย็น Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่ Magambi Secondary School ในประเทศแทนซาเนียในการปรุงอาหาร เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด โดยต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น ปล่อยให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง แล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและล่าช้าในการทำส่วนแรกของงานให้เสร็จล่าช้า ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองด้วย น้ำเปล่า- 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 นับแต่นั้นมาก็ได้เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีหลายเวอร์ชันก็ตาม ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวที่มีต่อน้ำที่ 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

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 ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลงทำให้ชั้นสูงขึ้น น้ำอุ่นสู่พื้นผิว การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่เหตุใดกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน จำเป็นต้องถือว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากนั้น อุณหภูมิเฉลี่ยน้ำจะลดลงต่ำกว่า 4 C

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานเชิงทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกันโดยกระบวนการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำประกอบด้วยก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นเสมอ - ออกซิเจนและ คาร์บอนไดออกไซด์- ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากมีความสามารถในการละลายน้ำได้ อุณหภูมิสูงด้านล่าง. 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