Existuje veľa faktorov, ktoré ovplyvňujú, ktorá voda zamrzne rýchlejšie, či je horúca alebo studená, ale samotná otázka sa zdá byť trochu zvláštna. Z toho vyplýva, a to je známe z fyziky, že horúca voda ešte potrebuje čas na ochladenie na teplotu porovnávanej studenej vody, aby sa zmenila na ľad. Studená voda môže túto fázu preskočiť, a preto získava čas.

Ale odpoveď na otázku, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - studená alebo horúca - vonku v chlade, pozná každý obyvateľ severných zemepisných šírok. V skutočnosti sa vedecky ukazuje, že v každom prípade studená voda jednoducho rýchlejšie zamrzne.

Učiteľ fyziky, ktorého v roku 1963 oslovil školák Erasto Mpemba, si myslel to isté so žiadosťou o vysvetlenie, prečo studená zmes budúcej zmrzliny zmrzne dlhšie ako podobná, no horúca.

"Toto nie je univerzálna fyzika, ale nejaký druh fyziky Mpemba"

Učiteľ sa tomu vtedy iba zasmial, ale profesor fyziky Deniss Osborne, ktorý svojho času navštevoval rovnakú školu, kde študoval Erasto, experimentálne potvrdil prítomnosť takéhoto účinku, hoci vtedy na to nebolo žiadne vysvetlenie. V roku 1969 vyšiel v populárnom vedeckom časopise spoločný článok týchto dvoch ľudí, ktorí opísali tento zvláštny efekt.

Odvtedy, mimochodom, otázka, ktorá voda mrzne rýchlejšie - horúca alebo studená - má svoj vlastný názov - Mpemba efekt alebo paradox.

Otázka je tu už dlho

Prirodzene, takýto jav sa už predtým vyskytol a bol spomenutý v prácach iných vedcov. O túto problematiku sa zaujímal nielen školák, ale svojho času o nej uvažoval aj René Descartes a dokonca aj Aristoteles.

No prístupy k riešeniu tohto paradoxu začali hľadať až na konci dvadsiateho storočia.

Podmienky pre vznik paradoxu

Rovnako ako pri zmrzline, pri experimente nezamrzne len obyčajná voda. Aby sa mohli začať hádať, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - studená alebo horúca, musia byť prítomné určité podmienky. Čo ovplyvňuje priebeh tohto procesu?

Teraz, v 21. storočí, bolo predložených niekoľko možností, ktoré môžu vysvetliť tento paradox. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, horúca alebo studená, môže závisieť od skutočnosti, že má vyššiu rýchlosť odparovania ako studená voda. Zmenšuje sa teda jej objem a pri zmenšovaní objemu sa doba mrazenia skracuje, ako keby sme odobrali rovnaký počiatočný objem studenej vody.

Už je to nejaký čas, čo ste odmrazili mrazničku.

Ktorá voda zamrzne rýchlejšie a prečo sa to stane, môže byť ovplyvnené snehovou výstelkou, ktorá sa môže nachádzať v mrazničke chladničky použitej na experiment. Ak vezmete dve nádoby, ktoré majú rovnaký objem, ale jedna z nich obsahuje horúcu vodu a druhá studenú, nádoba s horúcou vodou roztopí sneh pod ňou, čím sa zlepší kontakt tepelnej hladiny so stenou chladničky. Nádoba so studenou vodou to nedokáže. Ak v chladiacom priestore takéto obloženie snehom nie je, studená voda by mala rýchlejšie zamrznúť.

Hore - dole

Tiež jav, ktorého voda rýchlejšie zamrzne - horúca alebo studená - je vysvetlený nasledovne. Pri dodržaní určitých zákonov začína studená voda zamŕzať z horných vrstiev, kým horúca voda naopak – začína zamŕzať zdola nahor. Ukazuje sa, že studená voda, ktorá má na vrchu studenú vrstvu s už vytvoreným ľadom, tak zhoršuje procesy konvekcie a tepelného žiarenia, čím sa vysvetľuje, ktorá voda mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca. Fotografie z amatérskych experimentov sú priložené a je to tu jasne viditeľné.

Teplo ide von, rúti sa nahor a tam sa stretáva s veľmi chladnou vrstvou. Neexistuje žiadna voľná cesta pre tepelné žiarenie, takže proces chladenia sa stáva ťažkým. Horúca voda nemá v ceste absolútne žiadne takéto prekážky. Ktorá z nich mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca, čo určuje pravdepodobný výsledok? Odpoveď môžete rozšíriť tým, že každá voda má v sebe rozpustené určité látky.

Nečistoty vo vode ako faktor ovplyvňujúci výsledok

Ak nebudete podvádzať a použijete vodu s rovnakým zložením, kde sú koncentrácie určitých látok totožné, tak by studená voda mala zamrznúť rýchlejšie. Ale ak nastane situácia, že rozpustené chemické prvky sú prítomné iba v horúcej vode a studená voda ich nemá, potom má horúca voda možnosť skôr zamrznúť. Vysvetľuje sa to tým, že rozpustené látky vo vode vytvárajú kryštalizačné centrá a pri malom počte týchto centier je premena vody do tuhého skupenstva náročná. Je dokonca možné, že voda bude podchladená v tom zmysle, že pri mínusových teplotách bude v tekutom stave.

Všetky tieto verzie však vedcom zjavne úplne nevyhovovali a pokračovali v práci na tejto otázke. V roku 2013 tím výskumníkov v Singapure povedal, že vyriešili starú záhadu.

Skupina čínskych vedcov tvrdí, že tajomstvo tohto efektu spočíva v množstve energie, ktorá je uložená medzi molekulami vody v jej väzbách, nazývaných vodíkové väzby.

Odpoveď čínskych vedcov

Nasleduje informácia, na pochopenie ktorej potrebujete mať nejaké znalosti z chémie, aby ste pochopili, ktorá voda mrzne rýchlejšie – horúca alebo studená. Ako je známe, pozostáva z dvoch atómov H (vodíka) a jedného atómu O (kyslíka), ktoré sú držané pohromade kovalentnými väzbami.

Ale aj atómy vodíka jednej molekuly sú priťahované k susedným molekulám, k ich kyslíkovej zložke. Tieto väzby sa nazývajú vodíkové väzby.

Stojí za to pripomenúť, že molekuly vody na seba súčasne pôsobia odpudivo. Vedci poznamenali, že keď sa voda zahrieva, vzdialenosť medzi jej molekulami sa zväčšuje, čo je uľahčené odpudivými silami. Ukazuje sa, že tým, že v studenom stave medzi molekulami zaberajú rovnakú vzdialenosť, možno povedať, že sa naťahujú a majú väčší prísun energie. Práve táto energetická rezerva sa uvoľní, keď sa molekuly vody začnú približovať k sebe, to znamená, že dôjde k ochladeniu. Ukazuje sa, že väčšia zásoba energie v horúcej vode a jej väčšie uvoľnenie pri ochladzovaní na mínusové teploty nastáva rýchlejšie ako v studenej vode, ktorá má menšiu zásobu takejto energie. Ktorá voda teda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca? Na ulici aj v laboratóriu by malo dôjsť k Mpembovmu paradoxu a horúca voda by sa mala rýchlejšie zmeniť na ľad.

Ale otázka je stále otvorená

Existuje iba teoretické potvrdenie tohto riešenia - to všetko je napísané v krásnych vzorcoch a zdá sa byť pravdepodobné. Keď sa však experimentálne údaje, o ktorých voda zmrazuje rýchlejšie - horúca alebo studená - prakticky použijú a prezentujú sa ich výsledky, možno otázku Mpembovho paradoxu považovať za uzavretú.

Mpemba efekt alebo prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená? Mpembov efekt (Mpembov paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci počas procesu zmrazovania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore so zaužívanými predstavami, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá viac zohriatemu telesu na ochladenie na určitú teplotu viac času ako menej zohriatemu telesu na ochladenie na rovnakú teplotu. Tento jav si svojho času všimli aj Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, ale až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená. Erasto Mpemba ako študent strednej školy Magambi v Tanzánii vykonával praktickú prácu ako kuchár. Potreboval urobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s dokončením prvej časti úlohy meškal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie. Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwava sa profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar Es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) pýtal konkrétne na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. Prečo?" Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro, v roku 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt. Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty. Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa teleso ochladí na teplotu okolia, by malo byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol v praxi mnohokrát potvrdený. Pri tomto efekte sa voda s teplotou 100°C ochladí na teplotu 0°C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35°C. To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre Mpembov efekt: Odparovanie Horúca voda sa rýchlejšie vyparuje z nádoby, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stráca 16 % svojej hmoty pri ochladení na 0 C. Účinok vyparovania je dvojaký. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie klesá. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy. Teplotný rozdiel Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi teplou vodou a studeným vzduchom je väčší, výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie ochladzuje. Podchladenie Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom pri teplotách pod bodom mrazu zostane tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote -20 C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštáliky ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, aby sa kryštály spontánne vytvorili. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie, pričom sa vytvorí kašovitý ľad, ktorý zamrzne a vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie odstraňuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov. Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, sa stane nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade horúcej vody podrobenej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu. Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu. Konvekcia Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj tepelné straty, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri teplote 4 C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkeho času vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude slúžiť ako izolant, chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Okrem toho sú vrstvy studenej vody hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody zdvihne na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C. Neexistuje však experimentálne údaje, ktoré by potvrdili túto hypotézu, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené procesom konvekcie. Plyny rozpustené vo vode Voda vždy obsahuje v sebe rozpustené plyny – kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode je pri vysokých teplotách nižšia. Preto, keď sa horúca voda ochladí, vždy obsahuje menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť. Tepelná vodivosť Tento mechanizmus môže zohrávať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladiacom priestore s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztopí ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zasa neroztopí sneh pod ňou. Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli skúmané v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu Mpembovho efektu – nikdy nezískali. Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach skúmal vplyv podchladzovacej vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda bola schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej. Zatiaľ možno konštatovať len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje. O. V. Mosin

Zdá sa zrejmé, že studená voda zamrzne rýchlejšie ako horúca voda, pretože za rovnakých podmienok horúcej vode trvá dlhšie ochladenie a následné zamrznutie. Tisíce rokov pozorovaní, ale aj moderných experimentov však ukázali, že to platí aj naopak: horúca voda za určitých podmienok zamrzne rýchlejšie ako studená. Vedecký kanál Scientium vysvetľuje tento jav:

Ako je vysvetlené vo videu vyššie, fenomén horúcej vody zmrazovania rýchlejšie ako studenej vody je známy ako Mpembov efekt, pomenovaný po Erastovi Mpembovi, tanzánijskom študentovi, ktorý vyrobil zmrzlinu ako súčasť školského projektu v roku 1963. Študenti museli zmes smotany a cukru priviesť do varu, nechať vychladnúť a potom dať do mrazničky.

Namiesto toho Erasto vložil svoju zmes okamžite, horúcu, bez toho, aby čakal, kým vychladne. Výsledkom bolo, že po 1,5 hodine bola jeho zmes už zmrazená, ale zmesi ostatných študentov nie. Mpemba, ktorý sa o tento fenomén zaujímal, začal túto problematiku študovať s profesorom fyziky Denisom Osbornom a v roku 1969 publikovali prácu, v ktorej sa uvádza, že teplá voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Bola to prvá recenzovaná štúdia svojho druhu, ale samotný fenomén sa spomína v Aristotelových spisoch, ktoré sa datujú do 4. storočia pred Kristom. e. Tento jav zaznamenali vo svojich štúdiách aj Francis Bacon a Descartes.

Video obsahuje niekoľko možností, ako vysvetliť, čo sa deje:

1. Mráz je dielektrikum, a preto mrazivá studená voda uchováva teplo lepšie ako teplé sklo, ktoré pri kontakte s ľadom roztopí
2. Studená voda má viac rozpustených plynov ako teplá voda a vedci špekulujú, že to môže hrať úlohu v rýchlosti ochladzovania, aj keď zatiaľ nie je jasné, ako
3. Horúca voda stráca viac molekúl vody vyparovaním, takže ich zostáva na zamrznutie menej
4. Teplá voda sa môže rýchlejšie ochladiť v dôsledku zvýšených konvekčných prúdov. Tieto prúdy vznikajú, pretože voda v pohári sa ochladzuje najskôr na povrchu a po stranách, čo spôsobuje, že studená voda klesá a horúca stúpa. V teplom pohári sú konvekčné prúdy aktívnejšie, čo môže ovplyvniť rýchlosť chladenia.

V roku 2016 však prebehla starostlivo kontrolovaná štúdia, ktorá ukázala opak: horúca voda mrzla oveľa pomalšie ako studená. Vedci si zároveň všimli, že zmena polohy termočlánku – zariadenia, ktoré určuje zmeny teploty – len o centimeter vedie k vzniku Mpemba efektu. Štúdia iných podobných štúdií ukázala, že vo všetkých prípadoch, kde bol tento efekt pozorovaný, došlo k posunutiu termočlánku v rámci centimetra.

V roku 1963 položil tanzánsky školák menom Erasto Mpemba svojmu učiteľovi hlúpu otázku – prečo teplá zmrzlina v jeho mrazničke zamrzla rýchlejšie ako studená?

Erasto Mpemba ako študent strednej školy Magambi v Tanzánii vykonával praktickú prácu ako kuchár. Potreboval urobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s dokončením prvej časti úlohy meškal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Obrátil sa na učiteľa fyziky so žiadosťou o vysvetlenie, ale ten sa študentovi iba vysmial a povedal: „Toto nie je univerzálna fyzika, ale fyzika Mpemba. Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou.

V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwava sa profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar Es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) pýtal konkrétne na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. Prečo?" Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro, v roku 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt.

Zaujíma vás, prečo sa to deje? Len pred pár rokmi sa vedcom podarilo tento jav vysvetliť...

Mpembov efekt (Mpembov paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci počas procesu zmrazovania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore so zaužívanými predstavami, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá viac zohriatemu telesu na ochladenie na určitú teplotu viac času ako menej zohriatemu telesu na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si vo svojej dobe všimli Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes. Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty. Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa teleso ochladí na teplotu okolia, by malo byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol v praxi mnohokrát potvrdený. Pri tomto efekte sa voda s teplotou 100°C ochladí na teplotu 0°C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35°C.

Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna bola nasledovná: časť horúcej vody sa najskôr jednoducho odparí a potom, keď jej zostane menej, voda rýchlejšie zamrzne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najobľúbenejšou, ale vedcov úplne neuspokojila.

Teraz tím výskumníkov z technologickej univerzity Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga tvrdí, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda zamŕza rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski odborníci, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.

Ako viete, molekuly vody pozostávajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka držaných pohromade kovalentnými väzbami, čo na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalším známym faktom je, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl – vznikajú vodíkové väzby.

Zároveň sa molekuly vody vo všeobecnosti navzájom odpudzujú. Vedci zo Singapuru si všimli: čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku zvýšenia odpudivých síl. V dôsledku toho sa vodíkové väzby naťahujú, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľní, keď sa voda ochladí – molekuly sa priblížia k sebe. A uvoľňovanie energie, ako je známe, znamená ochladzovanie.

Tu sú predpoklady predložené vedcami:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 °C stratí pri ochladení na 0 °C 16 % svojej hmoty. Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie klesá. A po druhé, v dôsledku vyparovania sa jeho teplota znižuje.

Teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi teplou vodou a studeným vzduchom je väčší, výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.

Podchladenie
Keď sa voda ochladí pod 0 °C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom pri teplotách pod bodom mrazu zostane tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote -20°C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštály ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, aby sa kryštály spontánne vytvorili. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie, pričom sa vytvorí kašovitý ľad, ktorý zamrzne a vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie odstraňuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov. Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, dochádza k nasledovnému: na jej povrchu sa vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá pôsobí ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom, a tým zabraňuje ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade horúcej vody podrobenej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu. Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.
Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj tepelné straty, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4°C. Ak vodu schladíte na 4°C a umiestnite ju do prostredia s nižšou teplotou, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4°C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkej doby vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude pôsobiť ako izolant, chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4°C. . Preto bude ďalší proces chladenia pomalší. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody dostane na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpembovho efektu z pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4°C. Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené procesom konvekcie.

Plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode je pri vysokých teplotách nižšia. Preto, keď sa horúca voda ochladí, vždy obsahuje menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladiacom priestore s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztopí ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zasa neroztopí sneh pod ňou. Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli skúmané v mnohých experimentoch, no jednoznačná odpoveď na otázku - ktoré z nich zabezpečujú 100% reprodukciu Mpembovho efektu - sa nikdy nepodarilo získať. Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach skúmal vplyv podchladzovacej vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda bola schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej. Zatiaľ možno konštatovať len jedno: reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

Ale ako sa hovorí, najpravdepodobnejší dôvod.

Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý možno nájsť na predtlačovej stránke arXiv.org, vodíkové väzby sú silnejšie v horúcej vode ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že vo vodíkových väzbách horúcej vody sa ukladá viac energie, čo znamená, že pri ochladzovaní na mínusové teploty sa jej uvoľňuje viac. Z tohto dôvodu dochádza k rýchlejšiemu vytvrdzovaniu.

Vedci dodnes túto záhadu vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, otázku, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, možno považovať za uzavretú.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Fircev

« Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, studená alebo horúca?“- skúste položiť otázku svojim priateľom, s najväčšou pravdepodobnosťou väčšina z nich odpovie, že studená voda zamrzne rýchlejšie - a urobia chybu.

V skutočnosti, ak súčasne umiestnite do mrazničky dve nádoby rovnakého tvaru a objemu, z ktorých jedna obsahuje studenú vodu a druhá horúcu, potom je to horúca voda, ktorá zamrzne rýchlejšie.

Takéto vyhlásenie sa môže zdať absurdné a nerozumné. Ak dodržíte logiku, tak horúca voda musí najskôr vychladnúť na teplotu studenej vody a studená by sa už v tomto čase mala zmeniť na ľad.

Prečo teda horúca voda poráža studenú na ceste k zamrznutiu? Skúsme na to prísť.

História pozorovaní a výskumov

Ľudia tento paradoxný efekt pozorovali už od pradávna, no nikto mu neprikladal veľký význam. A tak Arestotle, ako aj René Descartes a Francis Bacon vo svojich poznámkach zaznamenali nezrovnalosti v rýchlosti zamŕzania studenej a horúcej vody. Nezvyčajný jav sa často objavoval v každodennom živote.

Úkaz dlho nebol nijako skúmaný a medzi vedcami nevzbudil veľký záujem.

Štúdium tohto nezvyčajného efektu sa začalo v roku 1963, keď si zvedavý školák z Tanzánie Erasto Mpemba všimol, že horúce mlieko na zmrzlinu mrzne rýchlejšie ako studené. V nádeji, že dostane vysvetlenie dôvodov neobvyklého efektu, sa mladý muž opýtal svojho učiteľa fyziky v škole. Učiteľ sa mu však iba vysmial.

Neskôr Mpemba experiment zopakoval, no vo svojom experimente už nepoužíval mlieko, ale vodu a paradoxný efekt sa opäť zopakoval.

O 6 rokov neskôr, v roku 1969, položil Mpemba túto otázku profesorovi fyziky Dennisovi Osbornovi, ktorý prišiel do jeho školy. Profesor sa zaujímal o pozorovanie mladého muža a v dôsledku toho sa uskutočnil experiment, ktorý potvrdil prítomnosť účinku, ale dôvody tohto javu neboli stanovené.

Odvtedy sa tomuto javu hovorí Mpemba efekt.

Počas histórie vedeckých pozorovaní bolo predložených veľa hypotéz o príčinách tohto javu.

Takže v roku 2012 Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu vyhlásila súťaž hypotéz vysvetľujúcich Mpembov efekt. Do súťaže sa zapojili vedci z celého sveta, celkovo bolo prihlásených 22 000 vedeckých prác. Napriek takémuto pôsobivému počtu článkov žiadny z nich nepriniesol objasnenie Mpembovho paradoxu.

Najbežnejšia verzia bola, podľa ktorej horúca voda zamŕza rýchlejšie, pretože sa jednoducho rýchlejšie vyparuje, jej objem sa zmenšuje a so znižovaním objemu sa zvyšuje rýchlosť ochladzovania. Najbežnejšia verzia bola nakoniec vyvrátená, pretože sa uskutočnil experiment, pri ktorom bolo vyparovanie vylúčené, no účinok sa napriek tomu potvrdil.

Iní vedci sa domnievali, že príčinou Mpemba efektu bolo odparovanie plynov rozpustených vo vode. Podľa ich názoru sa počas procesu ohrevu odparujú plyny rozpustené vo vode, vďaka čomu získava vyššiu hustotu ako studená voda. Ako je známe, zvýšenie hustoty vedie k zmene fyzikálnych vlastností vody (zvýšenie tepelnej vodivosti), a teda k zvýšeniu rýchlosti ochladzovania.

Okrem toho bolo predložených niekoľko hypotéz popisujúcich rýchlosť cirkulácie vody v závislosti od teploty. Mnoho štúdií sa pokúšalo stanoviť vzťah medzi materiálom nádob, v ktorých bola kvapalina umiestnená. Mnohé teórie sa zdali veľmi pravdepodobné, ale nemohli byť vedecky potvrdené pre nedostatok počiatočných údajov, rozpory v iných experimentoch alebo preto, že zistené faktory jednoducho neboli porovnateľné s rýchlosťou ochladzovania vody. Niektorí vedci vo svojich prácach existenciu účinku spochybňovali.

V roku 2013 vedci z technologickej univerzity Nanyang v Singapure tvrdili, že vyriešili záhadu Mpemba efektu. Podľa ich výskumu dôvod javu spočíva v tom, že množstvo energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami studenej a horúcej vody je výrazne odlišné.

Metódy počítačového modelovania ukázali nasledujúce výsledky: čím vyššia je teplota vody, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami v dôsledku toho, že sa zvyšujú odpudivé sily. V dôsledku toho sa vodíkové väzby molekúl naťahujú a ukladajú viac energie. Po ochladení sa molekuly začnú približovať k sebe, čím sa uvoľní energia z vodíkových väzieb. V tomto prípade je uvoľňovanie energie sprevádzané poklesom teploty.

V októbri 2017 španielski fyzici v rámci inej štúdie zistili, že hlavnú úlohu pri vytváraní efektu zohráva odstránenie látky z rovnováhy (silné zahrievanie pred silným ochladením). Stanovili podmienky, za ktorých je pravdepodobnosť výskytu účinku maximálna. Vedci zo Španielska navyše potvrdili existenciu reverzného Mpemba efektu. Zistili, že pri zahriatí môže chladnejšia vzorka dosiahnuť vysokú teplotu rýchlejšie ako teplejšia.

Napriek obsiahlym informáciám a početným experimentom majú vedci v úmysle pokračovať v skúmaní účinku.

Mpemba efekt v reálnom živote

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo je v zime klzisko naplnené horúcou vodou a nie studenou? Ako ste už pochopili, robia to preto, že klzisko naplnené horúcou vodou zamrzne rýchlejšie, ako keby bolo naplnené studenou vodou. Z rovnakého dôvodu sa v zimných ľadových mestách nalieva horúca voda do šmykľaviek.

Znalosť existencie fenoménu teda umožňuje ľuďom ušetriť čas pri príprave lokalít pre zimné športy.

Okrem toho sa v priemysle niekedy používa Mpembov efekt na skrátenie doby tuhnutia produktov, látok a materiálov obsahujúcich vodu.