Защо студената вода се загрява по-бързо от горещата? Топла и студена вода: тайните на замразяването

Мпемба ефект(Mpemba Paradox) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. танзанийският ученик Ерасто Мпемба установява, че горещата смес за сладолед замръзва по-бързо от студената.

Ерасто Мпемба е бил ученик в гимназията Магамбин в Танзания и се е занимавал с готварска практика. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и е протакал първата част от задачата. Страхувайки се, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещото мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология.

След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, вече като ученик в гимназията Мквава, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги сложете във фризера, след което във втория водата ще замръзне по-бързо, защо? Озбърн се заинтересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от своите експерименти в списанието "Physics Education". Оттогава ефектът, който откриха, се нарича Мпемба ефект.

Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури.

Парадоксът на ефекта Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C.

Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да бъде обяснен и в рамките на известната физика. Ето някои обяснения за ефекта Мпемба:

Изпарение

Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода със същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C.

Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява.

температурна разлика

Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма - следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо.

хипотермия

Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при -20 C.

Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед.

Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали.

Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се получава следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх.

Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед.

Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.

Конвекция

Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно , по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен.

При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, повдигайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата.

Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещи слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C.

Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени чрез конвекция.

газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температура е по-ниска. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.

Топлопроводимост

Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но недвусмислен отговор на въпроса - кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Mpemba - не е получен.

Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига преохладеното състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне.

В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отстраняват от нея, а при кипене някои разтворени в нея соли се утаяват.

Засега може да се твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект по същество зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

Това е вярно, макар и да звучи невероятно, защото в процеса на замразяване предварително загрятата вода трябва да премине температурата на студената вода. Междувременно този ефект се използва широко.Например ледените пързалки и пързалки се пълнят с гореща вода вместо със студена през зимата. Специалистите съветват шофьорите през зимата да наливат студена, а не топла вода в резервоара на пералнята. Парадоксът е известен в цял свят като "Ефектът на Мпемба".

Това явление е споменато по едно време от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. професорите по физика му обръщат внимание и се опитват да го изследват. Всичко започна, когато ученикът от Танзания Ерасто Мпемба забеляза, че подсладеното мляко, което използваше за направата на сладолед, се втвърдява по-бързо, ако беше предварително загрято, и предположи, че горещата вода замръзва по-бързо от студената. Той се обърна към учителя по физика за разяснение, но той само се изсмя на ученика, като каза следното: „Това не е световна физика, а физиката на Мпемба“.

За щастие един ден Денис Осборн, професор по физика от университета в Дар ес Салам, посети училището. И Мпемба се обърна към него със същия въпрос. Професорът беше по-малко скептичен, каза, че не може да прецени това, което никога не е виждал, и след завръщането си у дома помоли персонала да проведе подходящи експерименти. Изглежда те потвърдиха думите на момчето. Във всеки случай през 1969 г. Озбърн говори за работата си с Мпемба в списанието „Инг. Физикаобразование". През същата година Джордж Кел от Канадския национален съвет за научни изследвания публикува статия, описваща феномена на английски език. американскиЖурналнаФизика».

Има няколко възможни обяснения за този парадокс:

Горещата вода се изпарява по-бързо, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода със същата температура замръзва по-бързо. В херметически затворени контейнери студената вода трябва да замръзва по-бързо.
Наличието на снежна облицовка. Контейнерът за гореща вода топи снега отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт с охлаждащата повърхност. Студената вода не топи снега под нея. Без снежна обвивка, контейнерът със студена вода трябва да замръзне по-бързо.
Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. При допълнително механично разбъркване на водата в съдовете студената вода трябва да замръзне по-бързо.
Наличието на кристализационни центрове в охладената вода - вещества, разтворени в нея. При малък брой такива центрове в студена вода превръщането на водата в лед е трудно и дори е възможно нейното преохлаждане, когато тя остава в течно състояние с минусова температура.

Наскоро беше публикувано друго обяснение. Д-р Джонатан Кац от Вашингтонския университет изследва това явление и заключава, че важна роля за него играят веществата, разтворени във вода, които се утаяват при нагряване.
Под разтворени вещества д-р Кац има предвид калциевите и магнезиевите бикарбонати, открити в твърдата вода. Когато водата се нагрява, тези вещества се утаяват, водата става "мека". Водата, която никога не е била нагрявана, съдържа тези примеси и е „твърда“. При замръзване и образуване на ледени кристали концентрацията на примеси във водата се увеличава 50 пъти. Това понижава точката на замръзване на водата.

Това обяснение не ми изглежда убедително, т.к. не трябва да забравяме, че ефектът е открит при експерименти със сладолед, а не с твърда вода. Най-вероятно причините за явлението са топлофизични, а не химически.

Досега не е получено недвусмислено обяснение на парадокса на Мпемба. Трябва да кажа, че някои учени не смятат този парадокс за заслужаващ внимание. Въпреки това е много интересно, че един обикновен ученик е постигнал признание на физическия ефект и е спечелил популярност поради своето любопитство и постоянство.

Добавен февруари 2014 г

Бележката е написана през 2011 г. Оттогава се появиха нови изследвания на ефекта Мпемба и нови опити за обяснението му. Така през 2012 г. Кралското химическо дружество на Великобритания обяви международен конкурс за разкриване на научната мистерия „Ефектът Мпемба“ с награден фонд от 1000 паунда. Крайният срок беше 30 юли 2012 г. Победител стана Никола Бреговик от лабораторията на Загребския университет. Той публикува своя труд, в който анализира предишни опити за обяснение на този феномен и стига до извода, че те не са убедителни. Предложеният от него модел се основава на фундаменталните свойства на водата. Желаещите могат да си намерят работа на http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp

Изследването не свърши дотук. През 2013 г. физици от Сингапур теоретично доказаха причината за ефекта Мепемба. Работата може да бъде намерена на http://arxiv.org/abs/1310.6514.

Свързани статии в сайта:

Други статии от раздела

коментари:

Алексей Мишнев. , 06.10.2012 04:14 ч

Защо горещата вода се изпарява по-бързо? Учените практически са доказали, че чаша гореща вода замръзва по-бързо от студена вода. Учените не могат да обяснят това явление поради причината, че не разбират същността на явленията: топлина и студ! Топлината и студът са физически усещания, причинени от взаимодействието на частици на материята, под формата на насрещна компресия на магнитни вълни, които се движат от страната на космоса и от центъра на земята. Следователно, колкото по-голяма е потенциалната разлика на това магнитно напрежение, толкова по-бързо се извършва обменът на енергия чрез метода на противопроникване на една вълна в друга. Тоест чрез дифузия! В отговор на статията ми един опонент пише: 1) “..Топлата вода се изпарява ПО-БЪРЗО, в резултат на което има по-малко от нея, така че замръзва по-бързо” Въпрос! Каква енергия кара водата да се изпарява по-бързо? 2) В статията ми става дума за чаша, а не за дървено корито, което опонентът цитира като контрааргумент. Какво не е правилно! Отговарям на въпроса: „ПОРАДИ КАКВА ПРИЧИНА СЕ ИЗПАРЯВА ВОДАТА В ПРИРОДАТА?“ Магнитните вълни, които винаги се движат от центъра на земята в космоса, преодолявайки противоналягането на магнитните компресионни вълни (които винаги се движат от космоса към центъра на земята), в същото време пръскат водни частици, тъй като се движат в космоса , увеличават обема си. Тоест разширяване! В случай на преодоляване на магнитните вълни на компресия, тези водни пари се компресират (кондензират) и под въздействието на тези магнитни компресионни сили водата се връща на земята под формата на валежи! На Ваше разположение! Алексей Мишнев. 6 октомври 2012 г.

Алексей Мишнев. , 06.10.2012 04:19 ч

Какво е температура. Температурата е степента на електромагнитно напрежение на магнитните вълни с енергията на компресия и разширение. В случай на равновесно състояние на тези енергии температурата на тялото или веществото е в стабилно състояние. Ако се наруши равновесното състояние на тези енергии, към енергията на разширяване, тялото или веществото се увеличава в обема на пространството. В случай на превишаване на енергията на магнитните вълни в посока на компресия, тялото или веществото намаляват в обема на пространството. Степента на електромагнитно напрежение се определя от степента на разширяване или свиване на еталонното тяло. Алексей Мишнев.

Моисеева Наталия, 23.10.2012 11:36 | ВНИИМ

Алексей, вие говорите за някаква статия, която очертава вашите мисли относно понятието температура. Но никой не го прочете. Моля, дайте ми линк. Като цяло вашите възгледи за физиката са много особени. Никога не съм чувал за "електромагнитно разширение на еталонното тяло".

Юрий Кузнецов , 04.12.2012 12:32

Предлага се хипотеза, че това е работата на междумолекулния резонанс и генерираното от него пондеромоторно привличане между молекулите. В студена вода молекулите се движат и вибрират произволно, с различни честоти. Когато водата се нагрява, с увеличаване на честотата на трептенията, техният диапазон се стеснява (разликата в честотата от течна гореща вода до точката на изпаряване намалява), честотите на трептене на молекулите се приближават една към друга, в резултат на което възниква резонанс между молекулите. При охлаждане този резонанс се запазва частично, не изчезва веднага. Опитайте да натиснете една от двете китарни струни, които са в резонанс. Сега пуснете - струната ще започне да вибрира отново, резонансът ще възстанови вибрациите си. Така че в замръзналата вода външните охладени молекули се опитват да загубят амплитудата и честотата на трептенията, но „топлите“ молекули вътре в съда „дърпат“ трептенията обратно, действат като вибратори, а външните действат като резонатори. Именно между вибраторите и резонаторите възниква пондеромоторното привличане*. Когато пондеромоторната сила стане по-голяма от силата, причинена от кинетичната енергия на молекулите (които не само вибрират, но и се движат линейно), настъпва ускорена кристализация - "Ефектът на Мпемба". Пондеромоторната връзка е много нестабилна, ефектът Mpemba силно зависи от всички съпътстващи фактори: обемът на водата, която трябва да бъде замразена, естеството на нейното нагряване, условията на замръзване, температурата, конвекцията, условията на топлообмен, насищането с газ, вибрациите на хладилния агрегат , вентилация, нечистотии, изпарения и т.н. Може би дори от осветление... Следователно ефектът има много обяснения и понякога е труден за възпроизвеждане. Поради същата „резонансна“ причина преварената вода кипи по-бързо от непреварената вода - резонансът известно време след кипене запазва интензитета на вибрациите на водните молекули (загубата на енергия по време на охлаждане се дължи главно на загубата на кинетична енергия на линейното движение на молекулите ). При интензивно нагряване вибраторните молекули сменят ролите си с резонаторни молекули в сравнение със замръзване - честотата на вибраторите е по-малка от честотата на резонаторите, което означава, че между молекулите няма привличане, а отблъскване, което ускорява прехода към друг агрегатно състояние (двойка).

Влад, 11.12.2012 03:42

Разби ми мозъка...

Антон , 04.02.2013 02:02

1. Това пондеромоторно привличане наистина ли е толкова голямо, че да повлияе на процеса на пренос на топлина? 2. Това означава ли, че когато всички тела се нагреят до определена температура, техните структурни частици влизат в резонанс? 3. Защо този резонанс изчезва при охлаждане? 4. Това ли е вашето предположение? Ако има източник, посочете. 5. Според тази теория формата на съда ще играе важна роля и ако той е тънък и плосък, тогава разликата във времето за замразяване няма да е голяма, т.е. можете да го проверите.

Гудрат , 11.03.2013 10:12 | МЕТАК

Студената вода вече има азотни атоми и разстоянията между водните молекули са по-близки, отколкото в горещата вода. Тоест изводът: горещата вода абсорбира азотните атоми по-бързо и в същото време бързо замръзва от студената вода - това е сравнимо с втвърдяването на желязото, тъй като горещата вода се превръща в лед, а горещото желязо се втвърдява при бързо охлаждане!

Владимир , 13.03.2013 06:50

или може би това: плътността на горещата вода и леда е по-малка от плътността на студената вода и следователно водата не трябва да променя плътността си, губейки известно време за това и замръзвайки.

Алексей Мишнев , 21.03.2013 11:50 ч

Преди да говорим за резонанси, привличане и вибрации на частиците, е необходимо да разберем и да отговорим на въпроса: Какви сили карат частиците да вибрират? Тъй като без кинетична енергия не може да има компресия. Без компресия не може да има разширение. Без разширение не може да има кинетична енергия! Когато започнете да говорите за резонанса на струните, първо сте направили усилие да накарате една от тези струни да започне да вибрира! Когато говорим за привличане, трябва преди всичко да посочим силата, която кара тези тела да се привличат! Твърдя, че всички тела са компресирани от електромагнитната енергия на атмосферата, която компресира всички тела, вещества и елементарни частици със сила от 1,33 kg. не на cm2,а на елементарна частица.Тъй като налягането на атмосферата не може да бъде избирателно!Не го бъркайте с количеството сила!

Додик , 31.05.2013 02:59

Струва ми се, че сте забравили една истина - "Науката започва там, където започват измерванията." Каква е температурата на "топлата" вода? Каква е температурата на "студената" вода? Статията не казва нито дума за това. От това можем да заключим - цялата статия е глупост!

Григорий, 06/04/2013 12:17

Додик, преди да нарече една статия глупост, човек трябва да помисли да се научи поне малко. И не само мярка.

Дмитрий , 24.12.2013 г. 10:57 ч

Молекулите на гореща вода се движат по-бързо, отколкото в студена вода, поради това има по-близък контакт с околната среда, те сякаш абсорбират целия студ, бързо забавяйки се.

Иван, 10.01.2014 05:53

Изненадващо е, че такава анонимна статия се появи на този сайт. Статията е напълно ненаучна. И авторът, и коментаторите се надпреварваха в търсене на обяснение на явлението, без да си правят труда да разберат дали явлението изобщо се наблюдава и ако се наблюдава - при какви условия. Освен това дори няма съгласие какво всъщност наблюдаваме! Така авторът настоява за необходимостта от обяснение на ефекта от бързото замразяване на горещ сладолед, въпреки че от целия текст (и думите „ефектът е открит при експерименти със сладолед“) следва, че той самият не е създавал такъв експерименти. От изброените в статията варианти на "обяснение" на явлението се вижда, че са описани съвсем различни експерименти, поставени при различни условия с различни водни разтвори. Както същността на обясненията, така и подчинителното наклонение в тях подсказват, че не е извършена дори елементарна проверка на изразените идеи. Някой случайно чу любопитна история и небрежно изрази спекулативното си заключение. Съжалявам, но това не е физическо научно изследване, а разговор в пушалня.

Иван , 01/10/2014 06:10

Относно коментарите в статията за пълнене на ролките с гореща вода и резервоари за студена шайба. Всичко е просто от гледна точка на елементарната физика. Пързалката се пълни с гореща вода само защото замръзва по-бавно. Пързалката трябва да е равна и гладка. Опитайте се да го напълните със студена вода - ще получите удари и "напливи", т.к. водата _бързо_ ще замръзне, без да има време да се разнесе в равномерен слой. И горещият ще има време да се разпространи в равномерен слой и ще разтопи съществуващите ледени и снежни неравности. С шайба също не е трудно: няма смисъл да се налива чиста вода в замръзване - тя замръзва върху стъкло (дори горещо); и гореща незамръзваща течност може да доведе до напукване на студено стъкло, плюс това ще има повишена точка на замръзване на стъклото поради ускореното изпаряване на алкохолите по пътя към стъклото (всеки ли е запознат с принципа на работа на лунната светлина все още? - алкохолът се изпарява, водата остава).

Иван , 01.10.2014 06:34

Но всъщност феноменът е глупаво да се питаме защо два различни експеримента при различни условия протичат по различен начин. Ако експериментът е настроен чисто, тогава трябва да вземете топла и студена вода със същия химичен състав - вземаме предварително охладена вряла вода от същия чайник. Изсипете в еднакви съдове (например чаши с тънки стени). Поставяме не върху снега, а върху същата равна, суха основа, например дървена маса. И не в микрофризер, а в достатъчно обемен термостат - проведох експеримент преди няколко години в страната, когато навън имаше стабилно мразовито време, около -25C. Водата кристализира при определена температура след отделяне на топлината на кристализация. Хипотезата се свежда до твърдението, че горещата вода се охлажда по-бързо (това е вярно, според класическата физика скоростта на топлопреминаване е пропорционална на температурната разлика), но поддържа повишена скорост на охлаждане дори когато нейната температура е равна на температурата на студената вода . Въпросът е по какво вода, охладена до +20C навън, се различава от точно същата вода, охладена до +20C час преди това, но в стая? Класическата физика (между другото, базирана не на бърборене в стая за пушене, а на стотици хиляди и милиони експерименти) казва: да, нищо, по-нататъшната динамика на охлаждане ще бъде същата (само врящата вода ще достигне точка +20 по-късно ). И експериментът показва същото: когато в чаша с първоначално студена вода вече има твърда ледена кора, горещата вода дори не е помисляла да замръзне. P.S. Към коментарите на Юрий Кузнецов. Наличието на определен ефект може да се счита за установено, когато са описани условията за възникването му и той е устойчиво възпроизведен. И когато имаме непонятни експерименти с неизвестни условия, е преждевременно да се изграждат теории за тяхното обяснение и това не дава нищо от научна гледна точка. P.P.S. Е, невъзможно е да четете коментарите на Алексей Мишнев без сълзи на емоции - човек живее в някакъв измислен свят, който няма нищо общо с физиката и реалните експерименти.

Григорий, 13.01.2014 г. 10:58 ч

Иване, разбирам, че опровергаваш Мпемба ефекта? Не съществува, както показват вашите експерименти? Защо е толкова известен във физиката и защо мнозина се опитват да го обяснят?

Иван , 14.02.2014 01:51

Добър ден, Грегъри! Ефектът от нечисто инсцениран експеримент е налице. Но, както разбирате, това не е причина да се търсят нови модели във физиката, а причина да се подобри умението на експериментатора. Както вече отбелязах в коментарите, във всички споменати опити за обяснение на „ефекта на Мпемба“ изследователите дори не могат ясно да формулират какво точно и при какви условия измерват. И искате да кажете, че това са физици експериментатори? Не ме карай да се смея. Ефектът е известен не във физиката, а в псевдонаучните дискусии по различни форуми и блогове, от които морето е вече. Като реален физичен ефект (в смисъл като следствие от някакви нови физични закони, а не като следствие от неправилна интерпретация или просто мит), хората, които са далеч от физиката, го възприемат. Така че няма причина да се говори за единичен физически ефект за резултатите от различни експерименти, поставени при напълно различни условия.

Павел, 18.02.2014 09:59

хм, момчета... статия за "Speed Info"... Без обиди... ;) Иван е прав за всичко...

Григорий, 19.02.2014 г. 12:50 ч

Иване, съгласен съм, че сега има много псевдонаучни сайтове, които публикуват непроверени сензационни материали.? В крайна сметка ефектът от Mpemba все още се проучва. Освен това учените от университетите правят изследвания. Например през 2013 г. този ефект е изследван от група от Технологичния университет в Сингапур. Вижте връзката http://arxiv.org/abs/1310.6514. Те смятат, че са намерили обяснение за този ефект. Няма да пиша подробно за същността на откритието, но според тях ефектът е свързан с разликата в енергиите, съхранявани във водородните връзки.

Моисеева Н.П. , 19.02.2014 03:04 ч

За всички, които се интересуват от изследване на ефекта Mpemba, аз леко допълних материала на статията и предоставих връзки, където можете да се запознаете с последните резултати (вижте текста). Благодаря за коментарите

Илдар , 24.02.2014 04:12 | няма смисъл да изброявам всичко

Ако този ефект на Мпемба наистина се осъществява, тогава обяснението трябва да се търси според мен в молекулярната структура на водата. Водата (както разбрах от научно-популярната литература) съществува не като отделни H2O молекули, а като клъстери от няколко молекули (дори десетки). С повишаване на температурата на водата скоростта на движение на молекулите се увеличава, клъстерите се разпадат един срещу друг и валентните връзки на молекулите нямат време да съберат големи клъстери. Отнема малко повече време за образуване на клъстери, отколкото за забавяне на скоростта на молекулите. И тъй като клъстерите са по-малки, образуването на кристалната решетка е по-бързо. В студена вода, очевидно, големи, сравнително стабилни клъстери предотвратяват образуването на решетка; отнема известно време за тяхното унищожаване. Самият аз видях по телевизията любопитен ефект, когато студена вода, която стои тихо в буркан, остава течна няколко часа на студено. Но веднага щом бурканът беше вдигнат, тоест леко преместен от мястото му, водата в буркана веднага кристализира, стана непрозрачна и бурканът се спука. Е, свещеникът, който показа този ефект, го обясни с факта, че водата е осветена. Между другото, оказва се, че водата силно променя вискозитета си в зависимост от температурата. Ние, като големи същества, не забелязваме това, но на ниво малки (mm и по-малко) ракообразни и още повече бактерии, вискозитетът на водата е много важен фактор. Мисля, че този вискозитет също се определя от размера на водните клъстери.

СИВО , 15.03.2014 05:30ч

всичко наоколо, което виждаме, е повърхностни характеристики (свойства), така че приемаме за енергия само това, което можем да измерим или да докажем съществуването по някакъв начин, в противен случай е задънена улица. Това явление, ефектът на Мпемба, може да се обясни само с проста обемна теория, която ще обедини всички физически модели в една структура на взаимодействие. всъщност е просто

Никита, 06.06.2014 04:27 | кола

но как да накарате водата да остане студена и да не е топла, когато влизате в колата!

алексей, 03.10.2014 01:09

И ето още едно "откритие", в движение. Водата в пластмасова бутилка замръзва много по-бързо с отворена запушалка. В името на забавлението експериментирах много пъти в силна слана. Ефектът е очевиден. Здравейте теоретици!

Евгений , 27.12.2014 г. 08:40

Принципът на изпарителния охладител. Взимаме две херметически затворени бутилки със студена и топла вода. Слагаме на студено. Студената вода замръзва по-бързо. Сега вземаме същите бутилки със студена и гореща вода, отваряме и поставяме на студено. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената вода. Ако вземем два басейна със студена и топла вода, тогава горещата вода ще замръзне много по-бързо. Това се дължи на факта, че увеличаваме контакта с атмосферата. Колкото по-интензивно е изпарението, толкова по-бързо пада температурата. Тук е необходимо да се спомене факторът влажност. Колкото по-ниска е влажността, толкова по-силно е изпарението и толкова по-силно е охлаждането.

сив ТОМСК, 03/01/2015 10:55

GREY, 15.03.2014 05:30 - продължение Това, което знаете за температурата, не е всичко. Има нещо друго. Ако правилно съставите физически модел на температурата, тогава той ще стане ключът към описанието на енергийните процеси от дифузия, топене и кристализация до такива мащаби като повишаване на температурата с повишаване на налягането, увеличаване на налягането с повишаване на температурата. Дори физическият модел на енергията на Слънцето ще стане ясен от горното. Аз съм през зимата. . в ранната пролет на 20013 г., след като разгледах температурните модели, съставих общ температурен модел. След няколко месеца си спомних температурния парадокс и тогава разбрах... че моят температурен модел също описва парадокса на Мпемба. Това беше май-юни 2013 г. Година закъснение, но това е за добро. Моят физически модел е стоп рамка и може да се превърта както напред, така и назад и притежава двигателните умения на дейността, самата дейност, при която всичко се движи. Имам 8 класа училище и 2 години колеж с повтаряне на темата. Минаха 20 години. Така че не мога да припиша никакви физически модели на известни учени, както и формули. Много съжелявам.

Андрей , 08.11.2015 08:52

Като цяло имам представа защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. И в моите обяснения всичко е много просто, ако се интересувате, тогава ми пишете имейл: [имейл защитен]

Андрей , 08.11.2015 08:58

Съжалявам, дадох грешна пощенска кутия, ето правилния имейл: [имейл защитен]

Виктор , 23.12.2015 10:37 ч

Струва ми се, че всичко е по-просто, сняг пада с нас, той е изпарен газ, охладен, така че може би в слана се охлажда по-бързо горещо, защото се изпарява и веднага кристализира далеч от издигане, а водата в газообразно състояние се охлажда по-бързо, отколкото в течност )

Бекжан , 28.01.2016 09:18

Дори някой да разкрие тези закони на света, които са свързани с този ефект, той няма да пише тук.От моя гледна точка не би било логично да разкрива тайните си на интернет потребителите, когато може да ги публикува в известни научни списания и докажи го сам пред хората.Та какво ще се пише за този ефект тук,цялото това мнозинство не е логично.)))

Алекс , 22.02.2016 12:48 ч

Здравейте експериментатори Прави сте като казвате, че науката започва там, където... не измерванията, а изчисленията. "Експеримент" - вечен и незаменим аргумент за лишените от въображение и линейно мислене. Обидени всички, сега в случая с E \u003d mc2 - всички ли си спомнят? Скоростта на молекулите, излитащи от студена вода в атмосферата, определя количеството енергия, което те отнасят от водата (охлаждане - загуба на енергия) Скоростта на молекулите от гореща вода е много по-висока и отнесената енергия е на квадрат (скоростта на охлаждане на останалата маса вода) Това е всичко, ако излезете от " експериментирането " и си спомните Основите на науката

Владимир , 25.04.2016 10:53 | Метео

В онези дни, когато антифризът беше рядкост, водата от охладителната система на автомобили в неотопляем гараж на автомобилен парк се източваше след работен ден, за да не се размрази цилиндровият блок или радиаторът - понякога и двете заедно. На сутринта се наля топла вода. При силен студ двигателите стартираха без проблеми. По някакъв начин поради липсата на топла вода се наля вода от чешмата. Водата веднага замръзна. Експериментът беше скъп - точно толкова, колкото струва закупуването и смяната на цилиндровия блок и радиатора на автомобил ЗИЛ-131. Който не вярва нека провери. и Мпемба експериментира със сладолед. В сладоледа кристализацията протича по различен начин, отколкото във водата. Опитайте да отхапете със зъби парче сладолед и парче лед. Най-вероятно не е замръзнал, а се е сгъстил в резултат на охлаждане. А прясната вода, независимо дали е топла или студена, замръзва при 0*C. Студената вода е бърза, но горещата вода се нуждае от време, за да се охлади.

Скитник , 06.05.2016 12:54 | на Алекс

"c" - скорост на светлината във вакуум E=mc^2 - формула, изразяваща еквивалентността на маса и енергия

Алберт, 27.07.2016 08:22

Първо, аналогия с твърди вещества (няма процес на изпаряване). Наскоро запоени медни водопроводни тръби. Процесът се осъществява чрез нагряване на газовата горелка до температурата на топене на спойката. Времето за нагряване на една връзка със съединителя е приблизително една минута. Запоих едната връзка със съединителя и след няколко минути разбрах, че съм я запоил грешно. Отне малко, за да превъртите тръбата в съединителя. Започнах отново да загрявам фугата с горелка и учудващо отне 3-4 минути, за да загрея фугата до точката на топене. Как така!? В крайна сметка тръбата все още е гореща и изглежда, че е необходима много по-малко енергия, за да се загрее до точката на топене, но всичко се оказа точно обратното. Всичко се дължи на топлопроводимостта, която е много по-висока за вече загрята тръба и границата между нагрятата и студената тръба успя да се премести далеч от кръстовището за две минути. Сега за водата. Ще оперираме с понятията горещ и полунагрят съд. В горещ съд се образува тясна температурна граница между горещи, силно подвижни частици и бавно движещи се, студени, която се движи сравнително бързо от периферията към центъра, тъй като на тази граница бързите частици бързо предават енергията си (хладно ) от частици от другата страна на границата. Тъй като обемът на външните студени частици е по-голям, бързите частици, предавайки топлинната си енергия, не могат значително да загреят външните студени частици. Следователно процесът на охлаждане на гореща вода протича сравнително бързо. Полузагрятата вода, от друга страна, има много по-ниска топлопроводимост и ширината на границата между полузагрятите и студените частици е много по-широка. Преместването към центъра на такава широка граница става много по-бавно, отколкото в случая на горещ съд. В резултат на това горещ съд се охлажда по-бързо от топъл. Смятам, че е необходимо да се проследи динамиката на процеса на охлаждане на вода с различни температури, като се поставят няколко температурни сензора от средата до ръба на съда.

Макс , 19.11.2016 05:07

Проверено е: в Ямал, в слана, тръба с гореща вода замръзва и трябва да се затопли, но не студена!

Артем, 09.12.2016 01:25

Трудно е, но мисля, че студената вода е по-плътна от топлата, дори по-добра от преварената вода и тогава има ускорение при охлаждане, т.е. топлата вода стига студената температура и я изпреварва, а ако се вземе предвид факта, че топлата вода замръзва отдолу, а не отгоре, както е написано по-горе, това много ускорява процеса!

Александър Сергеев, 21.08.2017 10:52

Няма такъв ефект. уви През 2016 г. в Nature е публикувана подробна статия по темата: https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect От нея става ясно, че ако експериментите се провеждат внимателно (ако пробите от топла и студена вода са същото във всичко, с изключение на температурата), ефектът не се наблюдава.

Headlab, 22.08.2017 05:31

Виктор , 27.10.2017 03:52 ч

"Наистина е." - ако училището не разбира какво представлява топлинният капацитет и законът за запазване на енергията. Лесно е да се провери - за това са ви необходими: желание, глава, ръце, вода, хладилник и будилник. А пързалките, както пишат експертите, се замразяват (пълнят) със студена вода, а с топла вода изравняват нарязания лед. А през зимата трябва да налеете антифриз в резервоара на шайбата, а не вода. Водата така или иначе ще замръзне, а студената вода ще замръзне по-бързо.

Ирина , 23.01.2018 10:58

С този парадокс се борят учени от цял свят още от времето на Аристотел, а Виктор, Завлаб и Сергеев се оказват най-умни.

Денис , 01.02.2018 08:51

Всичко е точно в статията. Но причината е малко по-различна. В процеса на кипене въздухът, разтворен в него, се изпарява от водата, следователно, тъй като врящата вода се охлажда, в резултат на това нейната плътност ще бъде по-малка от тази на сурова вода със същата температура. Няма други причини за различната топлопроводимост освен различната плътност.

Headlab, 3.01.2018 08:58 | началник лаборатория

Ирина :), "учените от целия свят" не се борят с този "парадокс", за истинските учени този "парадокс" просто не съществува - това лесно се проверява в добре възпроизводими условия. "Парадоксът" се появи поради невъзпроизводимите експерименти на африканското момче Мпемба и беше раздухван от подобни "учени" :)

Мпемба ефект(Парадокс на Мпемба) - парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура.

Изпарение

температурна разлика

хипотермия

Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.

Конвекция

газове, разтворени във вода

Топлопроводимост

О. В. Мосин

Литературенизточници:

„Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода. Защо го прави?“, Джърл Уокър в The Amateur Scientist, Scientific American, том. 237, бр. 3, стр. 246-257; септември 1977 г.

„Замръзването на топла и студена вода“, Г.С. Кел в American Journal of Physics, Vol. 37, бр. 5, стр. 564-565; май 1969 г.

„Преохлаждане и ефектът на Мпемба“, Дейвид Ауербах, в American Journal of Physics, том. 63, бр. 10, стр. 882-885; октомври 1995 г.

„Ефектът Mpemba: Времената на замръзване на гореща и студена вода“, Charles A. Knight, в American Journal of Physics, том. 64, бр. 5, стр. 524; май 1996 г.

През 1963 г. ученик от Танзания на име Ерасто Мпемба задава глупав въпрос на учителя си - защо топлият сладолед замръзва по-бързо от студения сладолед във фризера му?

Ерасто Мпемба е бил ученик в гимназията Магамбин в Танзания и се е занимавал с готварска практика. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и е протакал първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология.

Той се обърна към учителя по физика за разяснение, но той само се изсмя на ученика, като каза следното: „Това не е световна физика, а физиката на Мпемба“. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода.

Във всеки случай, вече като ученик в гимназията Мквава, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги сложете във фризера, след което във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осборн се интересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от експериментите си в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба.

Любопитни ли сте защо се случва това? Само преди няколко години учените успяха да обяснят този феномен ...

Ефектът Mpemba (Mpemba Paradox) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C.

Оттогава се изказват различни версии, една от които е следната: част от горещата вода първо просто се изпарява, а след това, когато остане по-малко количество, водата се втвърдява по-бързо. Тази версия, поради своята простота, стана най-популярна, но учените не бяха напълно доволни.

Сега екип от изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур, ръководен от химика Си Джан, казва, че е разрешил вековната мистерия защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Както установиха китайски експерти, тайната се крие в количеството енергия, съхранявана във водородните връзки между водните молекули.

Както знаете, водните молекули се състоят от един кислороден атом и два водородни атома, държани заедно чрез ковалентни връзки, което на ниво частица изглежда като обмен на електрони. Друг добре известен факт е, че водородните атоми се привличат към кислородни атоми от съседни молекули - в този случай се образуват водородни връзки.

В същото време водните молекули като цяло се отблъскват взаимно. Учени от Сингапур забелязаха, че колкото по-топла е водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите на течността поради увеличаването на отблъскващите сили. В резултат на това водородните връзки се разтягат и следователно съхраняват повече енергия. Тази енергия се освобождава, когато водата се охлади - молекулите се приближават една към друга. А връщането на енергията, както знаете, означава охлаждане.

Ето какви са хипотезите на учените:

Изпарение

Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода със същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100°C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0°C. Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, поради изпарението температурата му намалява.

температурна разлика

Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма - следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и горещата вода се охлажда по-бързо.

хипотермия
Когато водата се охлади под 0°C, тя не винаги замръзва. При определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при -20°C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? В случай на студена вода, която не е преохладена, на повърхността й се образува тънък слой лед, който действа като изолатор между водата и студения въздух и по този начин предотвратява по-нататъшното изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.
Конвекция

Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4°C. Ако охладите водата до 4°C и я поставите в среда с по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата ще се образува тънък слой лед за кратко време, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при 4°C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-големи температурни разлики. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, повдигайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4°C. Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че слоевете студена и гореща вода са разделени чрез конвекция.

газове, разтворени във вода

Топлопроводимост

Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя в хладилник с фризер в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него. Всички тези (както и други) състояния са изследвани в много експерименти, но не е получен еднозначен отговор на въпроса кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Мпемба. Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

И ето най-вероятната причина.

Както пишат химиците в статията си, която може да бъде намерена на сайта за предпечат на arXiv.org, водородните връзки се разтягат по-силно в гореща вода, отколкото в студена вода. Така се оказва, че повече енергия се съхранява във водородните връзки на горещата вода, което означава, че повече от нея се отделя при охлаждане до минусови температури. Поради тази причина замразяването става по-бързо.

Към днешна дата учените са решили тази загадка само теоретично. Когато представят убедителни доказателства за своята версия, тогава въпросът защо топлата вода замръзва по-бързо от студената може да се счита за приключен.

Коя вода замръзва по-бързо, топла или студена, се влияе от много фактори, но самият въпрос изглежда малко странен. Разбираемо е и е известно от физиката, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на сравнима студена вода, за да се превърне в лед. Студената вода може да прескочи този етап и съответно печели във времето.

Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - на улицата в слана, всеки жител на северните ширини знае. Всъщност научно се оказва, че във всеки случай студената вода просто трябва да замръзне по-бързо.

Така направи и учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г. с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва по-дълго от подобна, но гореща.

„Това не е световна физика, а някакъв вид физика на Мпемба“

По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осборн, професор по физика, който по едно време отиде в същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди съществуването на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това . През 1969 г. популярно научно списание публикува съвместна статия на двамата мъже, които описват този особен ефект.

Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, има свое име - ефектът или парадоксът Mpemba.

Въпросът стои отдавна

Естествено, подобно явление се е случвало и преди и е споменато в трудовете на други учени. Не само ученикът се интересуваше от този въпрос, но Рене Декарт и дори Аристотел мислеха за това по едно време.

Ето само подходите за разрешаване на този парадокс започнаха да се търсят едва в края на ХХ век.

Условия за възникване на парадокс

Както при сладоледа, по време на експеримента не замръзва обикновена вода. Трябва да са налице определени условия, за да започнем да спорим коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща. Какво влияе върху този процес?

Сега, в 21-ви век, бяха представени няколко варианта, които могат да обяснят този парадокс. Коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, може да зависи от факта, че има по-висока скорост на изпарение от студената вода. Така нейният обем намалява, а с намаляване на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем подобен първоначален обем студена вода.

Фризерът отдавна е размразен

Коя вода замръзва по-бързо и защо го прави, може да бъде повлияно от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземете два еднакви по обем контейнера, но в единия ще има топла вода, а в другия студена вода, съдът с гореща вода ще разтопи снега отдолу, като по този начин ще подобри контакта на термичното ниво със стената на хладилника. Контейнер със студена вода не може да направи това. Ако в хладилника няма такава подплата със сняг, студената вода трябва да замръзне по-бързо.

Горе долу

Също така феноменът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, се обяснява по следния начин. Следвайки определени закони, студената вода започва да замръзва от горните слоеве, когато топлата го прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. Оказва се, че студената вода, имайки студен слой отгоре с вече образуван лед на някои места, по този начин влошава процесите на конвекция и топлинно излъчване, като по този начин обяснява коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща. Приложена е снимка от любителски опити и тук се вижда ясно.

Топлината излиза навън, като се стреми нагоре и там среща много хладен слой. Няма свободен път за топлинно излъчване, така че процесът на охлаждане става труден. Топлата вода няма абсолютно никакви такива бариери по пътя си. Кое замръзва по-бързо - студено или горещо, от което зависи вероятният резултат, можете да разширите отговора, като кажете, че всяка вода има определени вещества, разтворени в нея.

Примесите в състава на водата като фактор, влияещ върху резултата

Ако не мамите и използвате вода със същия състав, където концентрациите на определени вещества са идентични, тогава студената вода трябва да замръзне по-бързо. Но ако възникне ситуация, когато разтворените химични елементи присъстват само в гореща вода, докато студената вода не ги притежава, тогава горещата вода има възможност да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените във водата вещества създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори преохлаждане на водата, в смисъл, че при минусови температури тя ще бъде в течно състояние.

Но всички тези версии, очевидно, не отговарят на учените до края и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековната мистерия.

Група китайски учени твърдят, че тайната на този ефект се крие в количеството енергия, което се съхранява между водните молекули в нейните връзки, наречени водородни връзки.

Отговорът на китайски учени

Следва допълнителна информация, за чието разбиране е необходимо да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както знаете, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), държани заедно чрез ковалентни връзки.

Но водородните атоми на една молекула също се привличат към съседните молекули, към техния кислороден компонент. Тези връзки се наричат водородни връзки.

В същото време си струва да запомните, че в същото време водните молекули действат отблъскващо една на друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че заемайки едно разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, че те се разтягат и имат по-голям запас от енергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започнат да се приближават една към друга, тоест настъпва охлаждане. Оказва се, че по-големият запас от енергия в горещата вода и по-голямото й освобождаване при охлаждане до минусови температури става по-бързо, отколкото в студената вода, която има по-малък запас от такава енергия. И така, коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща? На улицата и в лабораторията трябва да се случи парадоксът Mpemba и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.

Но въпросът все още е отворен

Има само теоретично потвърждение на тази следа - всичко това е написано в красиви формули и изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни, коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, бъдат поставени в практически смисъл и резултатите от тях бъдат представени, тогава ще бъде възможно да се счита въпросът за парадокса на Мпемба за приключен.