Dlaczego zimna woda nagrzewa się szybciej niż ciepła woda? Ciepła i zimna woda: tajemnice zamrażania

Efekt mpemby(Paradoks Mpemby) to paradoks, który mówi, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż woda zimna, chociaż musi przejść temperaturę wody zimnej w procesie zamarzania. Ten paradoks jest faktem doświadczalnym, który przeczy utartym wyobrażeniom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach cieplejsze ciało potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie się do określonej temperatury niż ciało chłodniejsze na schłodzenie się do tej samej temperatury.

Zjawisko to zauważyli wówczas Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku tanzański uczeń Erasto Mpemba odkrył, że gorąca mieszanka lodów zamarza szybciej niż zimna.

Erasto Mpemba był uczniem Magambin High School w Tanzanii i wykonywał praktyczną pracę kulinarną. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, schłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był szczególnie pilnym uczniem i zwlekał z pierwszą częścią zadania. Obawiając się, że nie zdąży do końca lekcji, włożył jeszcze gorące mleko do lodówki. Ku jego zaskoczeniu zamarzło nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według danej technologii.

Następnie Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą. W każdym razie, będąc już uczniem liceum Mkvava, poprosił o wodę profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły o wygłoszenie dla uczniów wykładu z fizyki): „Jeśli bierzesz dwa identyczne pojemniki z równymi objętościami wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim - 100°C i wkładasz je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej. Dlaczego? Osborne zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce w 1969 roku wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie „Physics Education”. Od tego czasu efekt, który odkryli, nazywa się Efekt mpemby.

Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wytłumaczyć ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, choć jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, odparowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji, czy wpływ skroplonych gazów na wodę przy różne temperatury.

Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas, w którym ciało schładza się do temperatury otoczenia, musi być proporcjonalny do różnicy temperatur między tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu wielokrotnie było potwierdzane w praktyce. W tym samym efekcie woda o temperaturze 100°C schładza się do 0°C szybciej niż ta sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Jednak nie oznacza to jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można również wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby:

Odparowanie

Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym jego objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze szybciej zamarza. Woda podgrzana do 100 C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0 C.

Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, temperatura spada, ponieważ zmniejsza się ciepło parowania przejścia z fazy wodnej do fazy parowej.

różnica temperatur

Z uwagi na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa – stąd wymiana ciepła w tym przypadku jest intensywniejsza, a ciepła woda szybciej stygnie.

hipotermia

Gdy woda jest schładzana poniżej 0 C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulegać przechłodzeniu, zachowując jednocześnie płynność w temperaturach poniżej punktu zamarzania. W niektórych przypadkach woda może pozostać płynna nawet w temperaturze -20 C.

Powodem tego efektu jest to, że aby zaczęły się formować pierwsze kryształki lodu, potrzebne są centra tworzenia kryształów. Jeśli nie znajdują się w ciekłej wodzie, przechłodzenie będzie kontynuowane, dopóki temperatura nie spadnie na tyle, że kryształy zaczną się spontanicznie tworzyć. Kiedy zaczną formować się w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lodową błoto, która po zamrożeniu utworzy lód.

Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie eliminuje rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako ośrodki powstawania kryształków lodu.

Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, zachodzi co następuje. W takim przypadku na powierzchni naczynia utworzy się cienka warstwa lodu. Ta warstwa lodu będzie działać jak izolator między wodą a zimnym powietrzem i zapobiegnie dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia kryształków lodu w tym przypadku będzie mniejsza. W przypadku gorącej wody poddawanej przechłodzeniu, przechłodzona woda nie posiada ochronnej warstwy powierzchniowej lodu. W związku z tym znacznie szybciej traci ciepło przez otwartą górę.

Gdy proces przechłodzenia się kończy, a woda zamarza, znacznie więcej ciepła jest tracone, a zatem powstaje więcej lodu.

Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.

Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania i konwekcji ciepła, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.

Efekt ten tłumaczy się anomalią gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4 C. Jeśli schłodzisz wodę do 4 C i umieścisz ją w niższej temperaturze, warstwa powierzchniowa wody zamarznie szybciej. Ponieważ woda ta jest mniej gęsta niż woda o temperaturze 4°C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody w krótkim czasie utworzy się cienka warstwa lodu, ale ta warstwa lodu będzie służyła jako izolator chroniący dolne warstwy wody, która pozostanie w temperaturze 4 C. Dlatego , dalsze chłodzenie będzie wolniejsze.

W przypadku ciepłej wody sytuacja jest zupełnie inna. Warstwa powierzchniowa wody ochładza się szybciej z powodu parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, unosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury.

Ale dlaczego ten proces nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z tego punktu widzenia konwekcji, należałoby założyć, że warstwy zimnej i gorącej wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji jest kontynuowany po spadku średniej temperatury wody poniżej 4 C.

Jednak nie ma dowodów eksperymentalnych na poparcie tej hipotezy, że warstwy zimnej i gorącej wody są oddzielone konwekcją.

gazy rozpuszczone w wodzie

Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy - tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Gdy woda jest podgrzewana, gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie o wysokiej temperaturze jest mniejsza. Dlatego, gdy gorąca woda jest schładzana, zawsze jest w niej mniej rozpuszczonych gazów niż w nieogrzewanej zimnej wodzie. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Ten czynnik jest czasami uważany za główny w wyjaśnianiu efektu Mpemby, chociaż brak jest danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt.

Przewodność cieplna

Wszystkie te (jak i inne) warunki były badane w wielu eksperymentach, jednak nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie - które z nich zapewniają 100% odtworzenie efektu Mpemby - nie uzyskano.

Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzony, zamarza w wyższej temperaturze niż woda zimna, a zatem szybciej niż ta ostatnia. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzony szybciej niż woda gorąca, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie.

Ponadto wyniki Auerbacha zaprzeczały wcześniejszym danym, że gorąca woda jest w stanie osiągnąć większe przechłodzenie dzięki mniejszej liczbie centrów krystalizacji. Gdy woda jest podgrzewana, rozpuszczone w niej gazy są usuwane z niej, a gdy jest gotowana, niektóre rozpuszczone w niej sole wytrącają się.

Jak dotąd można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu zależy zasadniczo od warunków, w jakich przeprowadza się eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.

To prawda, choć brzmi to niewiarygodnie, ponieważ w procesie zamrażania podgrzana woda musi przekraczać temperaturę wody zimnej. Tymczasem ten efekt jest szeroko stosowany, np. lodowiska i zjeżdżalnie są wypełnione gorącą wodą zamiast zimnej w zimie. Eksperci zalecają kierowcom, aby zimą wlewali do zbiornika spryskiwacza raczej zimną niż gorącą wodę. Paradoks znany jest na całym świecie jako „efekt Mpemby”.

O zjawisku tym wspominali swego czasu Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku profesorowie fizyki zwrócili na nie uwagę i podjęli próbę jego zbadania. Wszystko zaczęło się, gdy tanzański uczeń Erasto Mpemba zauważył, że słodzone mleko, którego używał do robienia lodów, krzepło szybciej, jeśli zostało podgrzane, i zasugerował, że gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Zwrócił się do nauczyciela fizyki o wyjaśnienie, ale tylko śmiał się ze studenta, mówiąc: „To nie jest światowa fizyka, ale fizyka Mpemby”.

Na szczęście Dennis Osborn, profesor fizyki z Uniwersytetu Dar es Salaam, odwiedził kiedyś szkołę. A Mpemba zwrócił się do niego z tym samym pytaniem. Profesor był mniej sceptyczny, powiedział, że nie potrafi ocenić tego, czego nigdy nie widział, a po powrocie do domu poprosił personel o przeprowadzenie odpowiednich eksperymentów. Wygląda na to, że potwierdzili słowa chłopca. W każdym razie w 1969 roku Osborne mówił o współpracy z Mpembą w magazynie „Inż. FizykaEdukacja”. W tym samym roku George Kell z Canadian National Research Council opublikował artykuł opisujący to zjawisko w języku angielskim. amerykańskiDziennikzFizyka».

Istnieje kilka możliwych wyjaśnień tego paradoksu:

Gorąca woda odparowuje szybciej, dzięki czemu zmniejsza się jej objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze szybciej zamarza. W hermetycznych pojemnikach zimna woda powinna zamarzać szybciej.
Obecność podszewki śnieżnej. Zbiornik ciepłej wody topi znajdujący się pod spodem śnieg, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny z powierzchnią chłodzącą. Zimna woda nie topi pod nią śniegu. Bez podszewki śnieżnej pojemnik na zimną wodę powinien zamarznąć szybciej.
Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania i konwekcji ciepła, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu. Przy dodatkowym mechanicznym mieszaniu wody w pojemnikach zimna woda powinna szybciej zamarzać.
Obecność centrów krystalizacji w schłodzonej wodzie - rozpuszczonych w niej substancji. Przy niewielkiej liczbie takich ośrodków w zimnej wodzie przemiana wody w lód jest trudna, a nawet jej przechłodzenie jest możliwe, gdy pozostaje w stanie ciekłym, o temperaturze poniżej zera.

Niedawno opublikowano inne wyjaśnienie. Dr Jonathan Katz z University of Washington zbadał to zjawisko i stwierdził, że ważną rolę odgrywają w nim substancje rozpuszczone w wodzie, które wytrącają się po podgrzaniu.
Przez substancje rozpuszczone dr Katz rozumie wodorowęglany wapnia i magnezu znajdujące się w twardej wodzie. Gdy woda jest podgrzewana, substancje te wytrącają się, woda staje się „miękka”. Woda, która nigdy nie była podgrzana zawiera te zanieczyszczenia i jest „twarda”. Gdy zamarza i tworzą się kryształki lodu, stężenie zanieczyszczeń w wodzie wzrasta 50-krotnie. To obniża temperaturę zamarzania wody.

To wyjaśnienie nie wydaje mi się przekonujące, ponieważ. nie wolno nam zapominać, że efekt stwierdzono w eksperymentach z lodami, a nie z twardą wodą. Najprawdopodobniej przyczyny tego zjawiska są termofizyczne, a nie chemiczne.

Jak dotąd nie otrzymano jednoznacznego wyjaśnienia paradoksu Mpemby. Trzeba powiedzieć, że niektórzy naukowcy nie uważają tego paradoksu za godny uwagi. Jednak bardzo ciekawe jest to, że prosty uczeń zdobył uznanie efektu fizycznego i zyskał popularność dzięki swojej ciekawości i wytrwałości.

Dodano luty 2014

Notatka powstała w 2011 roku. Od tego czasu pojawiły się nowe badania nad efektem Mpemby i nowe próby jego wyjaśnienia. Tak więc w 2012 r. Królewskie Towarzystwo Chemiczne Wielkiej Brytanii ogłosiło międzynarodowy konkurs na rozwikłanie tajemnicy naukowej „Efekt Mpemby” z pulą nagród w wysokości 1000 funtów. Termin wyznaczono na 30 lipca 2012 roku. Zwycięzcą został Nikola Bregovik z laboratorium Uniwersytetu w Zagrzebiu. Opublikował swoją pracę, w której przeanalizował wcześniejsze próby wyjaśnienia tego zjawiska i doszedł do wniosku, że nie są one przekonujące. Zaproponowany przez niego model opiera się na podstawowych właściwościach wody. Zainteresowani mogą znaleźć pracę na http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp

Na tym badania się nie skończyły. W 2013 roku fizycy z Singapuru teoretycznie udowodnili przyczynę efektu Mepemby. Pracę można znaleźć pod adresem http://arxiv.org/abs/1310.6514.

Powiązane artykuły na stronie:

Inne artykuły sekcji

Uwagi:

Aleksiej Miszniew. , 06.10.2012 04:14

Dlaczego gorąca woda odparowuje szybciej? Naukowcy praktycznie udowodnili, że szklanka gorącej wody zamarza szybciej niż zimna. Naukowcy nie potrafią wyjaśnić tego zjawiska, ponieważ nie rozumieją istoty zjawisk: ciepła i zimna! Ciepło i zimno to odczucia fizyczne wywołane oddziaływaniem cząstek Materii, w postaci przeciwsprężenia fal magnetycznych, które poruszają się od strony kosmosu i od środka Ziemi. Dlatego im większa różnica potencjałów tego napięcia magnetycznego, tym szybsza wymiana energii odbywa się metodą przeciwprzenikania jednej fali w drugą. To znaczy przez dyfuzję! W odpowiedzi na mój artykuł jeden z przeciwników pisze: 1) „..Gorąca woda odparowuje SZYBCIEJ, przez co jest jej mniej, więc szybciej zamarza” Pytanie! Jaka energia sprawia, że woda szybciej odparowuje? 2) W moim artykule mówimy o szkle, a nie o drewnianym korycie, które przeciwnik przytacza jako kontrargument. Co jest nie tak! Odpowiadam na pytanie: „Z JAKIEGO POWODU PAROWANIE WODY W NATURZE?” Fale magnetyczne, które zawsze przemieszczają się ze środka Ziemi w kosmos, pokonując przeciwciśnienie fal kompresji magnetycznej (które zawsze przemieszczają się z kosmosu do środka Ziemi), jednocześnie rozpryskują cząsteczki wody, ponieważ poruszają się w kosmosie , zwiększają objętość. To znaczy, rozwiń! W przypadku pokonania magnetycznych fal ściskających, pary te ulegają ściśnięciu (kondensacji) i pod wpływem tych magnetycznych sił ściskających woda wraca do gruntu w postaci opadów! Z poważaniem! Aleksiej Miszniew. 6 października 2012 r.

Aleksiej Miszniew. , 06.10.2012 04:19

Czym jest temperatura. Temperatura to stopień naprężenia elektromagnetycznego fal magnetycznych z energią ściskania i rozszerzania. W przypadku stanu równowagi tych energii temperatura ciała lub substancji jest w stanie stabilnym. Jeśli stan równowagi tych energii zostanie zakłócony, w kierunku energii ekspansji, ciało lub substancja zwiększa objętość przestrzeni. W przypadku przekroczenia energii fal magnetycznych w kierunku kompresji, ciało lub substancja zmniejsza objętość przestrzeni. Stopień naprężenia elektromagnetycznego zależy od stopnia rozszerzenia lub skurczu ciała odniesienia. Aleksiej Miszniew.

Moiseeva Natalia, 23.10.2012 11:36 | VNIIM

Aleksiej, mówisz o artykule, który przedstawia twoje przemyślenia na temat pojęcia temperatury. Ale nikt tego nie czytał. Proszę o link. Ogólnie rzecz biorąc, twoje poglądy na fizykę są bardzo osobliwe. Nigdy nie słyszałem o „elektromagnetycznej ekspansji ciała odniesienia”.

Jurij Kuzniecow , 12.12.2012 12:32

Zaproponowano hipotezę, że jest to praca rezonansu międzycząsteczkowego i generowanego przez niego przyciągania ponderomotorycznego między cząsteczkami. W zimnej wodzie cząsteczki poruszają się i wibrują losowo, z różnymi częstotliwościami. Gdy woda jest podgrzewana, wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji ich zakres zawęża się (zmniejsza się różnica częstotliwości od ciekłej gorącej wody do punktu parowania), częstotliwości oscylacji cząsteczek zbliżają się do siebie, w wyniku czego następuje rezonans między cząsteczkami. Po schłodzeniu rezonans ten jest częściowo zachowany, nie wygasa natychmiast. Spróbuj nacisnąć jedną z dwóch strun gitarowych, które są w rezonansie. Teraz puść – struna znów zacznie wibrować, rezonans przywróci jej wibracje. Tak więc w zamarzniętej wodzie zewnętrzne chłodzone cząsteczki próbują stracić amplitudę i częstotliwość drgań, ale „ciepłe” cząsteczki wewnątrz naczynia „cofają” drgania, działają jak wibratory, a zewnętrzne działają jak rezonatory. To właśnie pomiędzy wibratorami a rezonatorami powstaje przyciąganie ponderomotoryczne*. Gdy siła ponderomotoryczna staje się większa niż siła wywołana energią kinetyczną cząsteczek (które nie tylko drgają, ale również poruszają się liniowo), następuje przyspieszona krystalizacja – „Efekt Mpemby”. Połączenie ponderomotoryczne jest bardzo niestabilne, efekt Mpemby silnie zależy od wszystkich czynników towarzyszących: objętości wody do zamrożenia, charakteru jej nagrzewania, warunków zamarzania, temperatury, konwekcji, warunków wymiany ciepła, nasycenia gazem, wibracji agregatu chłodniczego , wentylacja, zanieczyszczenia, parowanie itp. Być może nawet od oświetlenia... Dlatego efekt ma wiele wyjaśnień i czasami jest trudny do odtworzenia. Z tego samego „rezonansowego” powodu przegotowana woda wrze szybciej niż surowa – rezonans przez pewien czas po zagotowaniu zachowuje intensywność drgań cząsteczek wody (strata energii podczas chłodzenia wynika głównie z utraty energii kinetycznej ruchu liniowego cząsteczek ). Przy intensywnym ogrzewaniu cząsteczki wibratora zmieniają role z cząsteczkami rezonatora w porównaniu z zamrażaniem - częstotliwość wibratorów jest mniejsza niż częstotliwość rezonatorów, co oznacza, że między cząsteczkami nie ma przyciągania, ale odpychanie, co przyspiesza przejście do drugiego stan agregacji (para).

Wład, 11.12.2012 03:42

Złamał mi mózg...

Anton , 04.02.2013 02:02

1. Czy ta ponderomotoryczna atrakcja naprawdę jest tak duża, że wpływa na proces wymiany ciepła? 2. Czy to oznacza, że gdy wszystkie ciała zostaną podgrzane do określonej temperatury, ich cząsteczki strukturalne wchodzą w rezonans? 3. Dlaczego ten rezonans znika po ochłodzeniu? 4. Czy to twoje przypuszczenie? Jeśli istnieje źródło, proszę wskazać. 5. Zgodnie z tą teorią kształt naczynia będzie odgrywał ważną rolę, a jeśli jest cienki i płaski, to różnica w czasie zamrażania nie będzie duża, tj. możesz to sprawdzić.

Gudrat , 11.03.2013 10:12 | METAK

Zimna woda ma już atomy azotu, a odległości między cząsteczkami wody są bliższe niż w gorącej wodzie. Czyli wniosek: gorąca woda szybciej pochłania atomy azotu, a jednocześnie szybko zamarza niż zimna woda - jest to porównywalne z twardnieniem żelaza, ponieważ gorąca woda zamienia się w lód, a gorące żelazo twardnieje po szybkim ochłodzeniu!

Włodzimierz , 13.03.2013 06:50

a może tak: gęstość gorącej wody i lodu jest mniejsza niż gęstość zimnej wody, a zatem woda nie musi zmieniać swojej gęstości, tracąc na tym trochę czasu i zamarza.

Aleksiej Miszniew , 21.03.2013 11:50

Zanim zaczniemy mówić o rezonansach, przyciąganiu i drganiach cząstek, trzeba zrozumieć i odpowiedzieć na pytanie: Jakie siły powodują drgania cząstek? Ponieważ bez energii kinetycznej nie może być kompresji. Bez kompresji nie może być ekspansji. Bez ekspansji nie może być energii kinetycznej! Kiedy zaczynasz mówić o rezonansie strun, najpierw starałeś się sprawić, by jedna z tych strun zaczęła wibrować! Mówiąc o przyciąganiu, musisz przede wszystkim wskazać siłę, która sprawia, że te ciała się przyciągają! Afirmuję, że wszystkie ciała są ściskane przez elektromagnetyczną energię atmosfery i która ściska wszystkie ciała, substancje i cząstki elementarne z siłą 1,33 kg. nie na cm2, ale na cząstkę elementarną.Ponieważ ciśnienie atmosfery nie może być selektywne!Nie myl go z wielkością siły!

Dodik , 31.05.2013 02:59

Wydaje mi się, że zapomniałeś o jednej prawdzie - "Nauka zaczyna się tam, gdzie zaczynają się pomiary". Jaka jest temperatura „gorącej” wody? Jaka jest temperatura „zimnej” wody? Artykuł nie mówi o tym ani słowa. Z tego możemy wywnioskować - cały artykuł to bzdura!

Grigorij, 06.04.2013 12:17

Dodik, zanim nazwiesz artykuł bzdurą, trzeba pomyśleć, żeby choć trochę się nauczyć. I nie tylko mierzyć.

Dmitrij , 24.12.2013 10:57

Cząsteczki gorącej wody poruszają się szybciej niż w zimnej, dzięki temu mają bliższy kontakt z otoczeniem, wydają się pochłaniać całe zimno, szybko zwalniając.

Iwan, 10.01.2014 05:53

Zaskakujące jest, że taki anonimowy artykuł pojawił się na tej stronie. Artykuł jest całkowicie nienaukowy. Zarówno autor, jak i komentatorzy rywalizowali ze sobą w poszukiwaniu wyjaśnienia zjawiska, nie zadając sobie trudu, aby dowiedzieć się, czy zjawisko w ogóle jest obserwowane, a jeśli jest obserwowane, to w jakich warunkach. Co więcej, nie ma nawet zgody co do tego, co faktycznie obserwujemy! Autor upiera się więc przy potrzebie wyjaśnienia efektu szybkiego zamrażania gorących lodów, choć z całego tekstu (i słów „efekt został odkryty w eksperymentach z lodami”) wynika, że on sam takich nie założył. eksperymenty. Z wymienionych w artykule wariantów „wyjaśnienia” zjawiska widać, że opisane są zupełnie inne eksperymenty, założone w różnych warunkach z różnymi roztworami wodnymi. Zarówno istota wyjaśnień, jak i zawarty w nich tryb łączący sugerują, że nie przeprowadzono nawet elementarnej weryfikacji wyrażonych idei. Ktoś przypadkowo usłyszał ciekawą historię i od niechcenia wyraził swój spekulacyjny wniosek. Przepraszam, ale to nie jest fizyczne badanie naukowe, ale rozmowa w palarni.

Iwan , 01.10.2014 06:10

Odnośnie uwag w artykule na temat napełniania wałków zbiornikami gorącej wody i zimnej spryskiwacza. Wszystko jest proste z punktu widzenia fizyki elementarnej. Lodowisko jest wypełnione gorącą wodą tylko dlatego, że zamarza wolniej. Lodowisko musi być równe i gładkie. Spróbuj napełnić go zimną wodą - dostaniesz uderzeń i "napływów", ponieważ. woda _szybko_ zamarznie, nie mając czasu na rozprowadzenie się w jednolitej warstwie. A gorący będzie miał czas na równomierne rozprowadzenie i stopi istniejące nierówności lodu i śniegu. Z myjką również nie jest to trudne: nie ma sensu wlewać czystej wody na zimno - zamarza na szkle (nawet na gorąco); i gorący płyn niezamarzający może doprowadzić do pękania zimnego szkła, dodatkowo będzie miał podwyższony punkt zamarzania na szkle ze względu na przyspieszone parowanie alkoholi w drodze do szkła (czy każdy zna zasadę działania bimbru nadal? - alkohol odparowuje, woda pozostaje).

Iwan, 10.01.2014 06:34

Ale w rzeczywistości to zjawisko głupie jest pytać, dlaczego dwa różne eksperymenty w różnych warunkach przebiegają inaczej. Jeśli eksperyment jest zorganizowany czysto, musisz wziąć gorącą i zimną wodę o tym samym składzie chemicznym - pobieramy wstępnie schłodzoną wrzącą wodę z tego samego czajnika. Wlać do identycznych naczyń (na przykład cienkościennych szklanek). Stawiamy nie na śniegu, ale na tym samym równym, suchym podłożu, na przykład na drewnianym stole. I to nie w mikrozamrażarce, ale w wystarczająco obszernym termostacie - kilka lat temu przeprowadziłem eksperyment na wsi, kiedy na zewnątrz panowała stabilna mroźna pogoda, około -25C. Woda krystalizuje w określonej temperaturze po uwolnieniu ciepła krystalizacji. Hipoteza sprowadza się do stwierdzenia, że gorąca woda stygnie szybciej (co prawda, zgodnie z fizyką klasyczną szybkość wymiany ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatur), ale utrzymuje zwiększoną szybkość chłodzenia nawet wtedy, gdy jej temperatura jest równa temperaturze zimnej wody. Pytanie brzmi, czym różni się woda, która ostygła do temperatury +20C na zewnątrz, od dokładnie tej samej wody, która ostygła do temperatury +20C godzinę wcześniej, ale w pomieszczeniu? Fizyka klasyczna (nawiasem mówiąc, oparta nie na paplaninie w palarni, ale na setkach tysięcy i milionach eksperymentów) mówi: tak, nic, dalsza dynamika chłodzenia będzie taka sama (tylko wrząca woda osiągnie później punkt +20 ). A eksperyment pokazuje to samo: kiedy w szklance początkowo zimnej wody jest już twarda skorupa lodu, gorąca woda nawet nie pomyślała o zamarznięciu. PS Do komentarzy Jurija Kuzniecowa. Obecność określonego efektu można uznać za ustaloną, gdy opisane są warunki jego wystąpienia i jest on stabilnie odtwarzany. A kiedy mamy niezrozumiałe eksperymenty z nieznanymi warunkami, przedwczesne jest budowanie teorii ich wyjaśnienia, a to nic nie daje z naukowego punktu widzenia. PS. Cóż, nie da się przeczytać komentarzy Aleksieja Miszniewa bez łez emocji - człowiek żyje w jakimś fikcyjnym świecie, który nie ma nic wspólnego z fizyką i prawdziwymi eksperymentami.

Grigorij, 13.01.2014 10:58

Ivan, rozumiem, że odrzucasz efekt Mpemby? Nie istnieje, jak pokazują twoje eksperymenty? Dlaczego jest tak sławny w fizyce i dlaczego wielu próbuje to wyjaśnić?

Iwan , 14.02.2014 01:51

Dzień dobry, Gregory! Istnieje efekt nieczysto zainscenizowanego eksperymentu. Ale, jak rozumiesz, nie jest to powód do szukania nowych wzorców w fizyce, ale powód do doskonalenia umiejętności eksperymentatora. Jak już zauważyłem w komentarzach, we wszystkich wspomnianych próbach wyjaśnienia „efektu Mpemby” badacze nie potrafią nawet jednoznacznie wyartykułować, co dokładnie i w jakich warunkach mierzą. I chcesz powiedzieć, że to są fizycy eksperymentalni? Nie rozśmieszaj mnie. Efekt znany jest nie w fizyce, ale w pseudonaukowych dyskusjach na różnych forach i blogach, jakimi jest obecnie morze. Jako realny efekt fizyczny (w sensie jako konsekwencja jakichś nowych praw fizycznych, a nie jako konsekwencja błędnej interpretacji czy po prostu mitu) postrzegają go ludzie, którzy są dalecy od fizyki. Nie ma więc powodu, aby mówić o jednym efekcie fizycznym o wynikach różnych eksperymentów przeprowadzonych w zupełnie innych warunkach.

Paweł, 18.02.2014 09:59

hmm, chłopaki... artykuł do "Speed Info"... Bez obrazy... ;) Ivan ma rację we wszystkim...

Grzegorz, 19.02.2014 12:50

Ivan, zgadzam się, że jest teraz wiele pseudonaukowych stron publikujących niezweryfikowane, sensacyjne materiały.? W końcu efekt Mpemby jest wciąż badany. Ponadto prowadzą badania naukowcy z uniwersytetów. Na przykład w 2013 roku ten efekt badała grupa z Uniwersytetu Technologicznego w Singapurze. Spójrz na link http://arxiv.org/abs/1310.6514. Uważają, że znaleźli wyjaśnienie tego efektu. Nie będę pisał szczegółowo o istocie odkrycia, ale ich zdaniem efekt związany jest z różnicą energii zmagazynowanych w wiązaniach wodorowych.

Moiseeva N.P. , 19.02.2014 03:04

Dla wszystkich zainteresowanych badaniem efektu Mpemby nieco uzupełniłem materiał artykułu i udostępniłem linki, w których można zapoznać się z najnowszymi wynikami (patrz tekst). Dzięki za komentarze.

Ildar , 24.02.2014 04:12 | nie ma sensu wymieniać wszystkiego

Jeśli ten efekt Mpemby rzeczywiście ma miejsce, to wyjaśnienia należy szukać, jak sądzę, w molekularnej strukturze wody. Woda (jak dowiedziałem się z literatury popularnonaukowej) istnieje nie jako pojedyncze cząsteczki H2O, ale jako skupiska kilku (nawet kilkudziesięciu) cząsteczek. Wraz ze wzrostem temperatury wody wzrasta prędkość ruchu cząsteczek, klastry rozpadają się nawzajem, a wiązania walencyjne cząsteczek nie mają czasu na składanie dużych klastrów. Formowanie klastrów zajmuje trochę więcej czasu niż spowolnienie prędkości cząsteczek. A ponieważ klastry są mniejsze, tworzenie sieci krystalicznej jest szybsze. W zimnej wodzie najwyraźniej duże, dość stabilne skupiska zapobiegają tworzeniu się sieci, ich zniszczenie zajmuje trochę czasu. Sam widziałem w telewizji ciekawy efekt, gdy zimna woda stojąca spokojnie w słoiku pozostawała płynna przez kilka godzin na mrozie. Ale jak tylko słoik został podniesiony, to znaczy lekko przeniesiony ze swojego miejsca, woda w słoiku natychmiast skrystalizowała się, stała się nieprzezroczysta i słoik pękł. Otóż ksiądz, który wykazał ten efekt, tłumaczył to faktem, że woda była konsekrowana. Przy okazji okazuje się, że woda bardzo zmienia swoją lepkość w zależności od temperatury. My, jako duże stworzenia, tego nie zauważamy, a na poziomie małych (mm i mniej) skorupiaków, a tym bardziej bakterii, lepkość wody jest bardzo istotnym czynnikiem. Myślę, że ta lepkość wynika również z wielkości skupisk wody.

SZARY , 15.03.2014 05:30

wszystko, co widzimy, to cechy powierzchniowe (właściwości), więc za energię bierzemy tylko to, co możemy zmierzyć lub w jakikolwiek sposób udowodnić istnienie, w przeciwnym razie jest to ślepy zaułek. Zjawisko to, efekt Mpemby, można wyjaśnić jedynie prostą teorią wolumetryczną, która połączy wszystkie modele fizyczne w jedną strukturę interakcji. właściwie to proste

Nikita, 06.06.2014 04:27 | samochód

ale jak sprawić, by woda pozostała zimna i nie była ciepła, kiedy jedziesz samochodem!

aleksiej, 03.10.2014 01:09

A oto kolejne „odkrycie”, w drodze. Woda w plastikowej butelce zamarza znacznie szybciej przy otwartym korku. Dla zabawy wielokrotnie eksperymentowałem przy silnym mrozie. Efekt jest oczywisty. Witajcie teoretycy!

Eugeniusz , 27.12.2014 08:40

Zasada chłodnicy wyparnej. Bierzemy dwie hermetycznie zamknięte butelki z zimną i gorącą wodą. Wkładamy to na zimno. Zimna woda zamarza szybciej. Teraz bierzemy te same butelki z zimną i gorącą wodą, otwieramy je i wkładamy na zimno. Gorąca woda zamarznie szybciej niż zimna woda. Jeśli weźmiemy dwie umywalki z zimną i gorącą wodą, to gorąca woda zamarznie znacznie szybciej. Wynika to z faktu, że zwiększamy kontakt z atmosferą. Im intensywniejsze parowanie, tym szybszy spadek temperatury. Tutaj należy wspomnieć o czynniku wilgotności. Im niższa wilgotność, tym silniejsze parowanie i silniejsze chłodzenie.

szary TOMSK, 03.01.2015 10:55

SZARY, 15.03.2014 05:30 - ciąg dalszy To, co wiesz o temperaturze to nie wszystko. Jest coś jeszcze. Jeśli poprawnie skomponujesz fizyczny model temperatury, stanie się on kluczem do opisania procesów energetycznych od dyfuzji, topnienia i krystalizacji do takich skal, jak wzrost temperatury ze wzrostem ciśnienia, wzrost ciśnienia ze wzrostem temperatury. Nawet fizyczny model energii słonecznej stanie się jasny z powyższego. Jestem w zimie. . wczesną wiosną 2001 roku, po zapoznaniu się z modelami temperatury, opracowałem ogólny model temperatury. Po kilku miesiącach przypomniałem sobie paradoks temperatury, a potem zdałem sobie sprawę… że mój model temperatury również opisuje paradoks Mpemby. To było w maju - czerwcu 2013 roku. Spóźniony rok, ale tak będzie najlepiej. Mój model fizyczny to stopklatka, którą można przewijać zarówno do przodu, jak i do tyłu, i ma zdolności motoryczne działania, tej samej aktywności, w której wszystko się porusza. Mam 8 klas szkolnych i 2 lata studiów z powtórką tematu. Minęło 20 lat. Nie mogę więc przypisywać żadnych fizycznych modeli znanych naukowców, ani formuł. Tak mi przykro.

Andrzej , 08.11.2015 08:52

Ogólnie mam pomysł, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. A w moich wyjaśnieniach wszystko jest bardzo proste, jeśli jesteś zainteresowany, napisz do mnie e-mail: [e-mail chroniony]

Andrzej , 08.11.2015 08:58

Przepraszam, podałem złą skrzynkę pocztową, oto poprawny e-mail: [e-mail chroniony]

Wiktor , 23.12.2015 10:37

Wydaje mi się, że wszystko jest prostsze, śnieg pada z nami, odparowuje gaz, schładza więc może w mrozie szybciej się schładza bo gorąco bo odparowuje i od razu krystalizuje daleko od wznoszenia, a woda w stanie gazowym stygnie szybciej niż w płynie )

Bekzhan , 28.01.2016 09:18

Nawet gdyby ktoś ujawnił te prawa świata, które są związane z tym efektem, nie napisałby tutaj.Z mojego punktu widzenia nie byłoby logiczne ujawnianie swoich tajemnic internautom, skoro może je opublikować w znanych czasopismach naukowych i udowodnić to sam przed ludźmi.Więc, co tu będzie napisane o tym efekcie, cała ta większość nie jest logiczna.)))

Alex , 22.02.2016 12:48

Cześć Eksperymentatorzy Masz rację mówiąc, że nauka zaczyna się tam, gdzie... nie pomiary, ale obliczenia. „Eksperyment” - wieczny i nieodzowny argument dla osób pozbawionych wyobraźni i myślenia liniowego Obrażał wszystkich, teraz w przypadku E \u003d mc2 - czy wszyscy pamiętają? Prędkość cząsteczek wylatujących z zimnej wody do atmosfery determinuje ilość energii, jaką wyprowadzają z wody (chłodzenie - strata energii) Prędkość cząsteczek z gorącej wody jest znacznie większa, a energia wynoszona do kwadratu (szybkość chłodzenia pozostała masa wody) To wszystko, jeśli wyjdziesz z „eksperymentów” i pamiętasz Podstawy nauki

Włodzimierz , 25.04.2016 10:53 | Meteo

W tamtych czasach, gdy płyn niezamarzający był rzadkością, woda z układu chłodzenia samochodów w nieogrzewanym garażu floty samochodowej była spuszczana po dniu roboczym, aby nie odmrozić bloku cylindrów lub chłodnicy - czasami oba razem. Rano wylano ciepłą wodę. Przy silnym mrozie silniki uruchamiały się bez problemów. Jakoś z braku ciepłej wody wylano wodę z kranu. Woda natychmiast zamarzła. Eksperyment był kosztowny - dokładnie tyle, ile kosztuje zakup i wymiana bloku cylindrów i chłodnicy samochodu ZIL-131. Kto nie wierzy, niech sprawdzi. a Mpemba eksperymentował z lodami. W lodach krystalizacja przebiega inaczej niż w wodzie. Spróbuj odgryźć kawałek lodów i kawałek lodu zębami. Najprawdopodobniej nie zamarzł, ale zgęstniał w wyniku ochłodzenia. A świeża woda, czy to gorąca czy zimna, zamarza w temperaturze 0*C. Zimna woda jest szybka, ale gorąca woda potrzebuje czasu, aby się ochłodzić.

Wędrowiec , 06.05.2016 12:54 | do Aleksego

"c" - prędkość światła w próżni E=mc^2 - wzór wyrażający równoważność masy i energii

Albert , 27.07.2016 08:22

Po pierwsze, analogia z ciałami stałymi (nie ma procesu parowania). Ostatnio lutowane miedziane rury wodne. Proces odbywa się poprzez podgrzanie palnika gazowego do temperatury topnienia lutu. Czas nagrzewania jednego złącza ze złączką wynosi około jednej minuty. Przylutowałem jedno złącze ze złączką i po kilku minutach zorientowałem się, że źle go przylutowałem. Trochę zajęło przewijanie rury w złączu. Zacząłem ponownie podgrzewać fugę palnikiem i, o dziwo, rozgrzanie fugi do temperatury topnienia zajęło mi o dziwo 3-4 minuty. Jak to!? W końcu rura wciąż jest gorąca i wydawałoby się, że do jej ogrzania do temperatury topnienia potrzeba znacznie mniej energii, ale wszystko okazało się odwrotne. Chodzi o przewodność cieplną, która jest znacznie wyższa dla już nagrzanej rury, a granica między rurami nagrzanymi i zimnymi zdołała odsunąć się daleko od złącza w ciągu dwóch minut. Teraz o wodzie. Będziemy pracować z koncepcjami gorącego i półogrzewanego statku. W gorącym naczyniu tworzy się wąska granica temperaturowa pomiędzy gorącymi, wysoce ruchliwymi cząsteczkami a wolno poruszającymi się, zimnymi cząsteczkami, która stosunkowo szybko przemieszcza się z obrzeża do środka, ponieważ na tej granicy szybkie cząsteczki szybko oddają swoją energię (chłodne ) przez cząstki po drugiej stronie granicy. Ponieważ objętość zewnętrznych zimnych cząstek jest większa, szybkie cząstki, oddając swoją energię cieplną, nie mogą znacząco ogrzać zewnętrznych zimnych cząstek. Dlatego proces schładzania gorącej wody przebiega stosunkowo szybko. Natomiast woda częściowo podgrzana ma znacznie mniejszą przewodność cieplną, a szerokość granicy między cząstkami częściowo podgrzanymi i zimnymi jest znacznie szersza. Przemieszczenie do środka tak szerokiej granicy następuje znacznie wolniej niż w przypadku gorącego naczynia. W rezultacie gorące naczynie chłodzi się szybciej niż ciepłe. Myślę, że konieczne jest śledzenie dynamiki procesu chłodzenia wody o różnych temperaturach poprzez umieszczenie kilku czujników temperatury od środka do krawędzi naczynia.

Maks. , 19.11.2016 05:07

Zostało to sprawdzone: na Jamale w mrozie zamarza fajka z gorącą wodą i trzeba ją podgrzać, ale nie zimną!

Artem, 09.12.2016 01:25

To trudne, ale myślę, że zimna woda jest gęstsza niż gorąca, nawet lepsza niż przegotowana, a potem następuje przyspieszenie chłodzenia, tj. gorąca woda osiąga zimną temperaturę i ją wyprzedza, a jeśli weźmiesz pod uwagę fakt, że gorąca woda zamarza od dołu, a nie od góry, jak napisano powyżej, to bardzo przyspiesza ten proces!

Aleksander Siergiejew, 21.08.2017 10:52

Nie ma takiego efektu. Niestety. W 2016 roku w Nature ukazał się szczegółowy artykuł na ten temat: https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect Z tego widać, że jeśli eksperymenty są przeprowadzane ostrożnie (jeśli próbki ciepłej i zimnej wody są to samo we wszystkim oprócz temperatury), efekt nie jest obserwowany.

Laboratorium, 22.08.2017 05:31

Wiktor , 27.10.2017 03:52

"Naprawdę jest." - jeśli szkoła nie rozumiała, czym jest pojemność cieplna i zasada zachowania energii. Łatwo to sprawdzić - do tego potrzebujesz: pożądania, głowy, rąk, wody, lodówki i budzika. A lodowiska, jak piszą eksperci, są zamrożone (wypełnione) zimną wodą, a ciepłą wodą wyrównują pocięty lód. A zimą do zbiornika spryskiwacza trzeba wlać płyn niezamarzający, a nie wodę. Woda i tak zamarznie, a zimna woda zamarznie szybciej.

Irina , 02.01.2018 10:58

naukowcy z całego świata zmagają się z tym paradoksem od czasów Arystotelesa, a najmądrzejsi okazali się Wiktor, Zavlab i Siergiejew.

Denis , 02.01.2018 08:51

W artykule wszystko się zgadza. Ale powód jest nieco inny. W procesie wrzenia rozpuszczone w nim powietrze odparowuje z wody, dlatego gdy wrząca woda ochładza się, jej gęstość będzie mniejsza niż surowa woda o tej samej temperaturze. Nie ma innych powodów innej przewodności cieplnej poza inną gęstością.

Headlab, 03.01.2018 08:58 | główne laboratorium

Irina :), "naukowcy z całego świata" nie walczą z tym "paradoksem", dla prawdziwych naukowców ten "paradoks" po prostu nie istnieje - łatwo to zweryfikować w dobrze odtwarzalnych warunkach. „Paradoks” pojawił się za sprawą niepowtarzalnych eksperymentów afrykańskiego chłopca Mpemby i został napompowany przez podobnych „naukowców” :)

Efekt mpemby(Mpemba paradox) - paradoks, który mówi, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż woda zimna, chociaż musi przejść temperaturę wody zimnej w procesie zamarzania. Ten paradoks jest faktem doświadczalnym, który przeczy utartym wyobrażeniom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach cieplejsze ciało potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie się do określonej temperatury niż ciało chłodniejsze na schłodzenie się do tej samej temperatury.

Zjawisko to zauważyli wówczas Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku tanzański uczeń Erasto Mpemba odkrył, że gorąca mieszanka lodów zamarza szybciej niż zimna.

Jednak nie oznacza to jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można również wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby:

Odparowanie

różnica temperatur

Z uwagi na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa – stąd wymiana ciepła w tym przypadku jest intensywniejsza, a ciepła woda szybciej stygnie.

hipotermia

Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie eliminuje rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako ośrodki powstawania kryształków lodu.

Gdy proces przechłodzenia się kończy, a woda zamarza, znacznie więcej ciepła jest tracone, a zatem powstaje więcej lodu.

Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.

Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania i konwekcji ciepła, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.

Jednak nie ma dowodów eksperymentalnych na poparcie tej hipotezy, że warstwy zimnej i gorącej wody są oddzielone konwekcją.

gazy rozpuszczone w wodzie

Przewodność cieplna

Jak dotąd można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu zależy zasadniczo od warunków, w jakich przeprowadza się eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.

O. V. Mosin

Literackiźródła:

„Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Dlaczego to robi?”, Jearl Walker w The Amateur Scientist, Scientific American, tom. 237, nie. 3, s. 246-257; wrzesień 1977.

„Zamrażanie ciepłej i zimnej wody”, G.S. Kell w American Journal of Physics, tom. 37, nie. 5, s. 564-565; Maj 1969.

„Przechłodzenie i efekt Mpemby”, David Auerbach, w American Journal of Physics, tom. 63, nie. 10, s. 882-885; Październik 1995.

„Efekt Mpemby: czasy zamarzania gorącej i zimnej wody”, Charles A. Knight, w American Journal of Physics, tom. 64, nie. 5, s. 524; Maj 1996.

W 1963 roku uczeń z Tanzanii Erasto Mpemba zadał swojemu nauczycielowi głupie pytanie - dlaczego ciepłe lody zamarzają szybciej niż zimne lody w jego zamrażarce?

Zwrócił się do nauczyciela fizyki o wyjaśnienie, ale tylko śmiał się ze studenta, mówiąc: „To nie jest światowa fizyka, ale fizyka Mpemby”. Następnie Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą.

W każdym razie, będąc już uczniem Mkwawa High School, poprosił profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły o wygłoszenie dla studentów wykładu z fizyki) o wodę: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równymi objętościami wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35 ° C, aw drugim - 100 ° C i włóż je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej. Czemu?" Osborn zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce w 1969 wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od tego czasu efekt, który odkryli, nazywa się efektem Mpemby.

Czy jesteś ciekawy, dlaczego tak się dzieje? Jeszcze kilka lat temu naukowcom udało się wyjaśnić to zjawisko…

Efekt Mpemby (Mpemba Paradox) to paradoks, który mówi, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż woda zimna, chociaż musi przejść temperaturę zimnej wody w procesie zamarzania. Ten paradoks jest faktem doświadczalnym, który przeczy utartym wyobrażeniom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach cieplejsze ciało potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie się do określonej temperatury niż ciało chłodniejsze na schłodzenie się do tej samej temperatury.

Zjawisko to zauważyli swego czasu Arystoteles, Francis Bacon i Kartezjusz. Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wytłumaczyć ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, choć jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, odparowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji, czy wpływ skroplonych gazów na wodę przy różne temperatury. Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas, w którym ciało schładza się do temperatury otoczenia, musi być proporcjonalny do różnicy temperatur między tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu wielokrotnie było potwierdzane w praktyce. W tym samym efekcie woda o temperaturze 100°C schładza się do 0°C szybciej niż ta sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Od tego czasu pojawiły się różne wersje, z których jedna była następująca: część gorącej wody najpierw po prostu odparowuje, a następnie, gdy pozostaje mniejsza ilość, woda szybciej krzepnie. Ta wersja, ze względu na swoją prostotę, stała się najbardziej popularna, ale naukowcy nie byli w pełni usatysfakcjonowani.

Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze, kierowany przez chemika Xi Zhanga, twierdzi, że rozwiązał odwieczną zagadkę, dlaczego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna. Jak odkryli chińscy eksperci, tajemnica tkwi w ilości energii zgromadzonej w wiązaniach wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody.

Jak wiecie, cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniami kowalencyjnymi, co na poziomie cząstek wygląda jak wymiana elektronów. Innym dobrze znanym faktem jest to, że atomy wodoru są przyciągane do atomów tlenu z sąsiednich cząsteczek - powstają wiązania wodorowe.

Jednocześnie cząsteczki wody jako całość odpychają się nawzajem. Naukowcy z Singapuru zauważyli, że im cieplejsza woda, tym większa odległość między cząsteczkami cieczy ze względu na wzrost sił odpychania. W rezultacie wiązania wodorowe są rozciągane, a zatem magazynują więcej energii. Ta energia jest uwalniana, gdy woda się ochładza - cząsteczki zbliżają się do siebie. A zwrot energii, jak wiadomo, oznacza chłodzenie.

Oto hipotezy postawione przez naukowców:

Odparowanie

Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym jego objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze szybciej zamarza. Woda podgrzana do 100°C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0°C. Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, z powodu parowania spada jego temperatura.

różnica temperatur

Z uwagi na to, że różnica temperatur między ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa – w związku z tym wymiana ciepła w tym przypadku jest intensywniejsza, a gorąca woda szybciej się schładza.

hipotermia
Gdy woda jest schładzana poniżej 0°C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulegać przechłodzeniu, zachowując jednocześnie płynność w temperaturach poniżej punktu zamarzania. W niektórych przypadkach woda może pozostać płynna nawet w temperaturze -20°C. Powodem tego efektu jest to, że aby zaczęły się formować pierwsze kryształki lodu, potrzebne są centra tworzenia kryształów. Jeśli nie znajdują się w ciekłej wodzie, przechłodzenie będzie kontynuowane, dopóki temperatura nie spadnie na tyle, że kryształy zaczną się spontanicznie tworzyć. Kiedy zaczną formować się w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lodową błoto, która po zamrożeniu utworzy lód. Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie eliminuje rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako ośrodki powstawania kryształków lodu. Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, na jej powierzchni tworzy się cienka warstwa lodu, która działa jak izolator między wodą a zimnym powietrzem, zapobiegając w ten sposób dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia kryształków lodu w tym przypadku będzie mniejsza. W przypadku gorącej wody poddawanej przechłodzeniu, przechłodzona woda nie posiada ochronnej warstwy powierzchniowej lodu. W związku z tym znacznie szybciej traci ciepło przez otwartą górę. Gdy proces przechłodzenia się kończy, a woda zamarza, znacznie więcej ciepła jest tracone, a zatem powstaje więcej lodu. Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.
Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania i konwekcji ciepła, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu. Efekt ten tłumaczy się anomalią gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4°C. Jeśli schłodzisz wodę do 4°C i umieścisz ją w środowisku o niższej temperaturze, wierzchnia warstwa wody będzie zamarzać szybciej. Ponieważ woda ta jest mniej gęsta niż woda o temperaturze 4°C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody przez krótki czas utworzy się cienka warstwa lodu, która posłuży jako izolator chroniący dolne warstwy wody, które pozostaną w temperaturze 4°C. Dlatego dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy. W przypadku ciepłej wody sytuacja jest zupełnie inna. Warstwa powierzchniowa wody ochładza się szybciej z powodu parowania i większych różnic temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, unosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury. Ale dlaczego ten proces nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z punktu widzenia konwekcji, należałoby założyć, że warstwy zimnej i gorącej wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji jest kontynuowany po spadku średniej temperatury wody poniżej 4°C. Jednak nie ma dowodów doświadczalnych na poparcie tej hipotezy, że warstwy zimnej i gorącej wody są oddzielone konwekcją.

gazy rozpuszczone w wodzie

Przewodność cieplna

Mechanizm ten może odgrywać znaczącą rolę, gdy woda jest umieszczana w lodówce-zamrażarce w małych pojemnikach. W tych warunkach zaobserwowano, że pojemnik z gorącą wodą topi pod sobą lód zamrażarki, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny ze ścianką zamrażarki i przewodność cieplną. Dzięki temu ciepło jest szybciej odprowadzane z zasobnika ciepłej wody niż z zimnego. Z kolei pojemnik z zimną wodą nie topi pod nim śnieg. Wszystkie te (jak i inne) warunki były badane w wielu eksperymentach, jednak nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie - które z nich zapewniają 100% odtworzenie efektu Mpemby - nie uzyskano. Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzony, zamarza w wyższej temperaturze niż woda zimna, a zatem szybciej niż ta ostatnia. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzony szybciej niż woda gorąca, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie. Ponadto wyniki Auerbacha zaprzeczały wcześniejszym danym, że gorąca woda jest w stanie osiągnąć większe przechłodzenie dzięki mniejszej liczbie centrów krystalizacji. Gdy woda jest podgrzewana, rozpuszczone w niej gazy są usuwane z niej, a gdy jest gotowana, niektóre rozpuszczone w niej sole wytrącają się. Na razie można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu w znacznym stopniu zależy od warunków, w jakich przeprowadzany jest eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.

A oto najbardziej prawdopodobny powód.

Jak piszą chemicy w swoim artykule, który można znaleźć na stronie preprintów arXiv.org, wiązania wodorowe rozciągają się silniej w gorącej wodzie niż w zimnej. Okazuje się więc, że więcej energii jest magazynowane w wiązaniach wodorowych gorącej wody, co oznacza, że więcej jej uwalnia się po schłodzeniu do ujemnych temperatur. Z tego powodu zamrażanie jest szybsze.

Do tej pory naukowcy rozwiązali tę zagadkę tylko teoretycznie. Kiedy przedstawią przekonujące dowody swojej wersji, to pytanie, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, można uznać za zamknięte.

To, która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, zależy od wielu czynników, ale samo pytanie wydaje się trochę dziwne. Zrozumiałe jest, i wiadomo z fizyki, że gorąca woda wciąż potrzebuje czasu, aby schłodzić się do temperatury porównywalnej zimnej wody, aby zamienić się w lód. Zimna woda może pominąć ten etap, a zatem wygrywa z czasem.

Ale odpowiedź na pytanie, która woda zamarza szybciej - zimna lub gorąca - na ulicy w mrozie, wie każdy mieszkaniec północnych szerokości geograficznych. W rzeczywistości, z naukowego punktu widzenia, okazuje się, że tak czy inaczej zimna woda musi po prostu szybciej zamarzać.

Podobnie jak nauczyciel fizyki, do którego w 1963 roku uczeń Erasto Mpemba zwrócił się z prośbą o wyjaśnienie, dlaczego zimna mieszanka przyszłych lodów zamarza dłużej niż podobna, ale gorąca.

„To nie jest światowa fizyka, ale jakaś fizyka Mpemby”

W tym czasie nauczyciel tylko się z tego śmiał, ale Deniss Osborn, profesor fizyki, który kiedyś chodził do tej samej szkoły, w której studiował Erasto, eksperymentalnie potwierdził istnienie takiego efektu, chociaż wtedy nie było na to wytłumaczenia . W 1969 roku popularnonaukowe czasopismo opublikowało wspólny artykuł dwóch mężczyzn, którzy opisali ten osobliwy efekt.

Od tego czasu, nawiasem mówiąc, pytanie, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna, ma swoją nazwę - efekt, czyli paradoks, Mpemba.

Pytanie istnieje od dawna

Naturalnie takie zjawisko miało już miejsce wcześniej i zostało wspomniane w pracach innych naukowców. Nie tylko uczeń był zainteresowany tym pytaniem, ale kiedyś myśleli o tym Kartezjusz, a nawet Arystoteles.

Oto właśnie podejścia do rozwiązania tego paradoksu zaczęto szukać dopiero pod koniec XX wieku.

Warunki do zaistnienia paradoksu

Podobnie jak w przypadku lodów, nie tylko zwykła woda zamarza podczas eksperymentu. Aby można było się spierać, która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca, muszą być spełnione pewne warunki. Co wpływa na ten proces?

Teraz, w XXI wieku, zaproponowano kilka opcji, które mogą wyjaśnić ten paradoks. To, która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, może zależeć od tego, że ma ona większą szybkość parowania niż woda zimna. W ten sposób zmniejsza się jego objętość, a wraz ze spadkiem objętości czas zamrażania staje się krótszy, niż gdybyśmy wzięli podobną początkową objętość zimnej wody.

Zamrażarka od dawna jest rozmrażana

Na to, która woda zamarza szybciej i dlaczego tak się dzieje, może mieć wpływ warstwa śniegu, która może znajdować się w zamrażarce lodówki używanej do eksperymentu. Jeśli weźmiesz dwa pojemniki o identycznej objętości, ale jeden z nich będzie miał gorącą wodę, a drugi zimną, pojemnik z gorącą wodą stopi pod nim śnieg, poprawiając w ten sposób kontakt poziomu termicznego ze ścianą lodówki. Pojemnik na zimną wodę tego nie zrobi. Jeśli w lodówce nie ma takiej podszewki ze śniegiem, zimna woda powinna zamarzać szybciej.

Góra dół

Również zjawisko szybszego zamarzania wody - gorącej lub zimnej, wyjaśniono w następujący sposób. Zgodnie z pewnymi prawami, zimna woda zaczyna zamarzać od górnych warstw, a gorąca odwrotnie – zaczyna zamarzać od dołu do góry. Okazuje się, że zimna woda, mająca na wierzchu zimną warstwę z lodem już uformowanym w niektórych miejscach, pogarsza w ten sposób procesy konwekcji i promieniowania cieplnego, wyjaśniając w ten sposób, która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca. Załączam zdjęcie z eksperymentów amatorskich, które tutaj jest wyraźnie widoczne.

Ciepło gaśnie, dążąc do góry, i tam spotyka się z bardzo chłodną warstwą. Nie ma swobodnej drogi promieniowania ciepła, więc proces chłodzenia staje się trudny. Ciepła woda nie ma absolutnie żadnych takich przeszkód na swojej drodze. Która zamarza szybciej - zimna lub gorąca, od czego zależy prawdopodobny wynik, możesz rozszerzyć odpowiedź, mówiąc, że w każdej wodzie są rozpuszczone pewne substancje.

Zanieczyszczenia w składzie wody jako czynnik wpływający na wynik

Jeśli nie oszukujesz i nie używasz wody o tym samym składzie, gdzie stężenia niektórych substancji są identyczne, to zimna woda powinna zamarzać szybciej. Ale jeśli zdarzy się sytuacja, że rozpuszczone pierwiastki chemiczne są obecne tylko w gorącej wodzie, a zimna ich nie posiada, to gorąca woda ma możliwość zamarznięcia wcześniej. Wyjaśnia to fakt, że rozpuszczone w wodzie substancje tworzą centra krystalizacji, a przy niewielkiej liczbie tych centrów przekształcenie wody w stan stały jest trudne. Możliwe jest nawet przechłodzenie wody, w tym sensie, że w temperaturach poniżej zera będzie ona w stanie ciekłym.

Ale najwyraźniej wszystkie te wersje nie pasowały do naukowców do końca i nadal pracowali nad tym problemem. W 2013 roku zespół naukowców z Singapuru powiedział, że rozwiązał odwieczną zagadkę.

Grupa chińskich naukowców twierdzi, że sekret tego efektu tkwi w ilości energii, która jest magazynowana między cząsteczkami wody w jej wiązaniach, zwanych wiązaniami wodorowymi.

Odpowiedź chińskich naukowców

Pojawią się dalsze informacje, dla zrozumienia których konieczna jest wiedza chemiczna, aby dowiedzieć się, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna. Jak wiecie, składa się on z dwóch atomów H (wodoru) i jednego atomu O (tlenu) połączonych wiązaniami kowalencyjnymi.

Ale atomy wodoru jednej cząsteczki są również przyciągane do sąsiednich cząsteczek, do ich składnika tlenowego. Wiązania te nazywane są wiązaniami wodorowymi.

Jednocześnie warto pamiętać, że jednocześnie cząsteczki wody działają na siebie odpychająco. Naukowcy zauważyli, że gdy woda jest podgrzewana, zwiększa się odległość między jej cząsteczkami, a ułatwiają to siły odpychające. Okazuje się, że zajmując jedną odległość między cząsteczkami w stanie zimnym można powiedzieć, że się rozciągają i mają większy zapas energii. To właśnie ta rezerwa energii jest uwalniana, gdy cząsteczki wody zaczynają się do siebie zbliżać, to znaczy następuje chłodzenie. Okazuje się, że większa podaż energii w gorącej wodzie i jej większe uwalnianie po schłodzeniu do ujemnych temperatur następuje szybciej niż w zimnej wodzie, która ma mniejszą podaż takiej energii. Więc która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca? Na ulicy iw laboratorium powinien wystąpić paradoks Mpemby, a gorąca woda powinna szybciej zamieniać się w lód.

Ale pytanie jest nadal otwarte

Istnieje tylko teoretyczne potwierdzenie tej wskazówki - wszystko to jest napisane pięknymi formułami i wydaje się prawdopodobne. Ale kiedy dane eksperymentalne, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna, zostaną przedstawione w sensie praktycznym, a ich wyniki zostaną zaprezentowane, to będzie można rozważyć kwestię paradoksu Mpemby jako zamkniętą.