Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Milline vesi külmub kiiremini: kuum või külm? Millest see oleneb

Mpemba efekt(Mpemba paradoks) – paradoks, mis seda ütleb kuum vesi teatud tingimustel külmub see kiiremini kui külm vesi, kuigi peab külmumise käigus ületama külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt vajab kuumem keha samades tingimustes teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui jahedam keha sama temperatuurini jahtumiseks.

Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm.

Tansaanias Magamba keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktiline töö kokakunstis. Ta pidi valmistama isetehtud jäätist – keetma piima, lahustama selles suhkur, jahutama toatemperatuurini ja panema siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja venitas ülesande esimese osaga. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi.

Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igal juhul, olles juba Mkvava keskkooli üliõpilane, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professor Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsika loengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega nii, et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetate need sügavkülma, siis teises vesi külmub. kiiremini Miks? Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldasid nad koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nn Mpemba efekt.

Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid.

Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub temperatuurini keskkond, peaks olema proportsionaalne selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sama efektiga jahtub vesi temperatuuril 100 °C kiiremini 0 °C-ni kui sama kogus vett 35 °C juures.

See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada ka tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:

Aurustumine

Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist.

Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee massi. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.

temperatuuri erinevus

Kuna temperatuuride vahe kuum vesi ja rohkem külma õhku – seega soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.

hüpotermia

Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi -20 C juures.

Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui need ei ole vedelas vees, jätkub ülejahutamine, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmub jääks.

Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine kõrvaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.

Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Juhul kui külm vesi, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Alajahutusega kuuma vee korral ei ole alajahtunud vees kaitsvat jääpinda. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.

Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd.

Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.

Konvektsioon

Külm vesi hakkab ülevalt külmuma, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt.

Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , on edasine jahutusprotsess aeglasem.

Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pindmine kiht jahtub aurustumise tõttu kiiremini ja rohkem erinevust temperatuurid. Samuti on külmaveekihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külmaveekiht vajub allapoole, tõstes sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.

Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast tuleks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.

Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid selle hüpoteesi toetuseks, et külm ja kuum veekiht eraldatakse konvektsiooniga.

vees lahustunud gaasid

Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumispunkti. Kui vett kuumutatakse, eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees at kõrge temperatuur allpool. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi selle fakti kinnitamiseks puuduvad eksperimentaalsed andmed.

Soojusjuhtivus

See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikusse sügavkülma. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust soojus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata enda all lund.

Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – millised neist tagavad Mpemba efekti 100% taasesituse – pole saadud.

Nii näiteks uuris saksa füüsik David Auerbach 1995. aastal vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Aga külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum, kompenseerides sellega eelneva mahajäämuse.

Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse selles lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.

Seni saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.

O. V. Mosin

Kirjanduslikallikatest:

"Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see nii teeb?", Jearl Walker ajakirjas The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, lk 246–257; september 1977.

"Kuuma ja külma vee külmutamine", G.S. Kell ajakirjas American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, lk 564–565; mai 1969.

"Supercooling and the Mpemba efekt", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, lk 882–885; oktoober 1995.

"The Mpemba efekt: kuuma ja külma vee külmumisajad", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, lk 524; mai, 1996.

Tere kallid armastajad huvitavaid fakte. Täna räägime sellest. Kuid ma arvan, et pealkirjas olev küsimus võib tunduda lihtsalt absurdne – aga kas kurikuulsat tuleb alati täielikult usaldada. terve mõistus”, mitte rangelt seatud kinnituskatse. Proovime välja mõelda, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi?

Ajalooline viide

Et külma ja kuuma vee jäätumise küsimuses mainiti Aristotelese teostes “kõik pole puhas”, siis tegid sarnaseid märkmeid F. Bacon, R. Descartes ja J. Black. Lähiajaloos on sellele lisatud nimetus “Mpemba paradoks” – Tanganjika koolipoisi Erasto Mpemba nime järgi, kes esitas sama küsimuse külalisfüüsikaprofessorile.

Poisi küsimus tekkis mitte nullist, vaid puhtalt isiklikest tähelepanekutest jäätisesegude jahutamise protsessist köögis. Muidugi ka klassikaaslased, kes seal kohal olid, koos kooli õpetaja Mpembat naeruvääristati – pärast professor D. Osborne’i isiklikult eksperimentaalset kontrollimist «haihtus» neist soov Erasto üle nalja heita. Pealegi avaldas Mpemba koos professoriga selle efekti üksikasjaliku kirjelduse 1969. aastal ajakirjas Physics Education – ja sellest ajast alates on ülaltoodud nimi teaduskirjanduses fikseeritud.

Mis on nähtuse olemus?

Katse ülesehitus on üsna lihtne: kui muud asjad on võrdsed, katsetatakse identseid õhukeseseinalisi anumaid, milles on rangelt võrdsed veekogused, mis erinevad ainult temperatuuri poolest. Anumad laaditakse külmkappi, mille järel registreeritakse aeg enne jää moodustumist igas neist. Paradoks on see, et algselt kuumema vedelikuga anumas toimub see kiiremini.

Kuidas kaasaegne füüsika seda seletab?

Paradoksil pole universaalset seletust, kuna koos kulgevad mitmed paralleelsed protsessid, mille panus võib erineda konkreetsetest algtingimustest – kuid ühesuguse tulemusega:

• vedeliku võime ülejahtuda – algselt külm vesi on altim alajahtumisele, s.t. jääb vedelaks, kui selle temperatuur on juba alla külmumispunkti
• kiirendatud jahutamine - kuumast veest saadav aur muundatakse jää mikrokristallideks, mis tagasi langedes kiirendavad protsessi, töötades täiendava "välise soojusvahetina"
• isolatsiooniefekt - erinevalt kuumast veest külm vesi külmub ülalt, mis viib soojusülekande vähenemiseni konvektsiooni ja kiirguse tõttu

Seletusi on mitmeid teisigi (viimati korraldas parima hüpoteesi konkursi Briti Kuninglik Keemia Selts hiljuti, 2012. aastal) – kuid endiselt pole üheselt mõistetavat teooriat kõigi sisendtingimuste kombinatsioonide puhul ...

Vesi on üks hämmastavamaid vedelikke maailmas, millel on ebatavalised omadused. Näiteks jää on vedel tahke olek, mille erikaal on väiksem kui vee enda, mis on palju ära teinud võimalik esinemine ja elu areng maa peal. Lisaks arutletakse peaaegu teaduslikus ja tegelikult ka teadusmaailmas selle üle, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Kes tõestab kuuma vedeliku kiiremat külmumist teatud tingimustel ja põhjendab oma otsust teaduslikult, saab Briti Kuningliku Keemikute Ühingu auhinna 1000 naela.

Taust

Asjaolu, et paljudes tingimustes on kuum vesi külmumiskiiruselt külmast ees, märgati juba keskajal. Francis Bacon ja René Descartes on selle nähtuse selgitamiseks palju vaeva näinud. Klassikalise soojustehnika seisukohalt ei saa seda paradoksi aga seletada ja seda üritati häbelikult maha vaikida. Vaidluse jätkamise tõukejõuks oli mõneti kurioosne lugu, mis juhtus Tansaania koolipoisi Erasto Mpembaga (Erasto Mpemba) 1963. aastal. Kord ühes kokakoolis magustoidu valmistamise tunnis ei jõudnud muust segatud poisil jäätisesegu õigel ajal maha jahutada ja kuuma piimaga suhkrulahust sügavkülma panna. Tema üllatuseks jahtus toode mõnevõrra kiiremini kui tema jälginud kaaspraktikud temperatuuri režiim jäätise valmistamine.

Püüdes mõista nähtuse olemust, pöördus poiss füüsikaõpetaja poole, kes detailidesse laskumata naeruvääristas tema kulinaarseid katseid. Erasto aga paistis silma kadestamisväärse visadusega ja jätkas katseid mitte enam piima, vaid vee peal. Ta jälgis, et mõnel juhul külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi.

Dar es Salaami ülikooli astudes osales Erasto Mpembe professor Dennis G. Osborne’i loengus. Pärast kooli lõpetamist hämmastas tudeng teadlast vee külmumiskiiruse probleemiga sõltuvalt selle temperatuurist. DG Osborne naeruvääristas küsimuse püstitamist, kinnitades, et iga kaotaja teab, et külm vesi külmub kiiremini. Küll aga andis tunda noormehe loomulik visadus. Ta vedas professoriga kihla, pakkudes siin, laboris, eksperimentaalset katset läbi viia. Erasto pani sügavkülma kaks veemahutit, ühe 35 °C (95 °F) ja teise 100 °C (212 °F) juurde. Mis oli professori ja ümberkaudsete "fännide" üllatus, kui teises anumas vesi kiiremini külmus. Sellest ajast alates on seda nähtust kutsutud "Mpemba paradoksiks".

Kuid siiani pole ühtset teoreetilist hüpoteesi, mis selgitaks "Mpemba paradoksi". Pole selge, milline välised tegurid, keemiline koostis vesi, lahustunud gaaside olemasolu selles ja mineraalid mõjutada vedelike külmumiskiirust erinevatel temperatuuridel. "Mpemba efekti" paradoks seisneb selles, et see läheb vastuollu ühe I. Newtoni avastatud seadusega, mis väidab, et vee jahtumisaeg on otseselt võrdeline vedeliku ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Ja kui kõik muud vedelikud alluvad täielikult sellele seadusele, on vesi mõnel juhul erand.

Miks kuum vesi külmub kiiremini?T

Selle kohta, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, on mitu versiooni. Peamised neist on:

• kuum vesi aurustub kiiremini, samal ajal kui selle maht väheneb ja väiksem kogus vedelikku jahtub kiiremini - kui vesi jahutatakse temperatuurilt + 100 ° C kuni 0 ° C, ulatuvad mahukadud atmosfäärirõhul 15% -ni;
• vedeliku ja keskkonna vahelise soojusvahetuse intensiivsus on seda suurem, seda suurem on temperatuuride erinevus, mistõttu keeva vee soojuskadu möödub kiiremini;
• kuuma vee jahtumisel moodustub selle pinnale jääkoorik, mis ei lase vedelikul täielikult külmuda ja aurustuda;
• vee kõrgel temperatuuril toimub selle konvektsiooniga segunemine, mis vähendab külmumisaega;
• vees lahustunud gaasid alandavad külmumistemperatuuri, võttes energiat kristallide moodustumiseks – kuumas vees lahustunud gaase pole.

Kõiki neid tingimusi on korduvalt katseliselt kontrollitud. Eelkõige avastas Saksa teadlane David Auerbach, et kuuma vee kristalliseerumistemperatuur on veidi kõrgem kui külma vee oma, mis võimaldab esimest kiiremini külmutada. Hiljem aga kritiseeriti tema katseid ja paljud teadlased on veendunud, et "Mpemba efekti", mille kohta vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt, saab reprodutseerida ainult teatud tingimustel, mida keegi pole seni otsinud ja konkretiseerinud.

Vesi- keemilisest seisukohast üsna lihtne aine, kuid sellel on mitmeid ebatavalised omadused mis ei lakka teadlasi hämmastamast. Allpool on mõned faktid, millest vähesed teavad.

1. Milline vesi külmub kiiremini – külm või kuum?

Võtke kaks anumat vett: valage ühte kuum vesi ja teise külm vesi ning asetage need sügavkülma. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, kuigi loogiliselt võttes oleks külm vesi pidanud esmalt jääks muutuma: kuum vesi peab ju esmalt jahtuma külma temperatuurini ja seejärel muutuma jääks, külm vesi aga ei pea jahtuma. Miks see juhtub?

1963. aastal märkas Tansaania üliõpilane Erasto B. Mpemba valmistatud jäätisesegu külmutades, et kuum segu tahkub sügavkülmas kiiremini kui külm. Kui noormees oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle vaid. Õnneks oli õpilane visa ja veenis õpetajat katset tegema, mis kinnitas tema avastust: teatud tingimustel külmub kuum vesi tõesti kiiremini kui külm vesi.

Nüüd nimetatakse seda nähtust, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi " Mpemba efekt". Tõsi, ammu enne seda ainulaadne vara vett märkisid Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Teadlased ei mõista selle nähtuse olemust täielikult, selgitades seda kas hüpotermia, aurustumise, jää moodustumise, konvektsiooni või veeldatud gaaside mõjuga kuumale ja külmale veele.

2. Ta suudab koheselt külmuda

Kõik teavad seda vesi muutub temperatuurini 0 °C jahutamisel alati jääks ... välja arvatud mõnel juhul! Selline juhtum on näiteks ülejahutus, mis on omadus väga puhas vesi jääma vedelaks ka siis, kui jahutatakse alla külmumistemperatuuri. See nähtus saab võimalikuks tänu sellele, et keskkond ei sisalda kristallisatsioonikeskusi ega tuumasid, mis võiksid provotseerida jääkristallide teket. Ja nii jääb vesi vedelaks isegi siis, kui see jahutatakse temperatuurini alla null kraadi Celsiuse järgi.

kristallisatsiooniprotsess võivad esile kutsuda näiteks gaasimullid, lisandid (reostus), anuma ebaühtlane pind. Ilma nendeta jääb vesi sisse vedel olek. Kui kristalliseerumisprotsess algab, saate jälgida, kuidas ülijahtunud vesi muutub hetkega jääks.

Pange tähele, et "ülekuumutatud" vesi jääb vedelaks ka siis, kui seda kuumutatakse üle keemistemperatuuri.

3. 19 vee olekut

Nimetage kõhklemata, mitu erinevat olekut veel on? Kui vastasite kolm: tahke, vedel, gaasiline, siis eksite. Teadlased eristavad vees vähemalt 5 erinevat olekut vedelal kujul ja 14 olekut külmutatud kujul.

Kas mäletate vestlust ülijahutatud veest? Nii et hoolimata sellest, mida teete, muutub -38 ° C juures isegi puhtaim ülijahutatud vesi ootamatult jääks. Mis juhtub, kui temperatuur veelgi langeb? -120°C juures hakkab veega juhtuma midagi kummalist: see muutub üliviskoosseks või viskoosseks nagu melass ja temperatuuril alla -135°C muutub see "klaasjaks" või "klaasjaks" veeks. tahke, millel puudub kristallstruktuur.

4. Vesi üllatab füüsikuid

Molekulaarsel tasandil on vesi veelgi üllatavam. 1995. aastal andis teadlaste läbiviidud neutronite hajumise katse ootamatu tulemuse: füüsikud leidsid, et veemolekulidele suunatud neutronid “näevad” oodatust 25% vähem vesiniku prootoneid.

Selgus, et ühe attosekundi (10 -18 sekundi) kiirusel toimub ebatavaline kvantefekt ja keemiline valem hoopis vett H2O, muutub H1,5O!

5. Veemälu

Alternatiivne ametlik meditsiin homöopaatia märgib, et lahjendatud lahus ravimtoode saab pakkuda tervendav toime organismile, isegi kui lahjendustegur on nii suur, et lahusesse ei jää midagi peale veemolekulide. Homöopaatia pooldajad selgitavad seda paradoksi mõistega " veemälu”, mille kohaselt on vees molekulaarsel tasemel "mälu" selles lahustunud aine kohta ja see säilitab esialgse kontsentratsiooniga lahuse omadused pärast seda, kui sellesse pole jäänud ainsatki koostisosa molekuli.

Rahvusvaheline teadlaste meeskond eesotsas Belfasti Queeni ülikooli professori Madeleine Ennisega, kes kritiseeris homöopaatia põhimõtteid, viis 2002. aastal läbi eksperimendi, et see kontseptsioon lõplikult ümber lükata. Tulemus oli vastupidine. Pärast seda ütlesid teadlased, et neil õnnestus tõestada mõju tegelikkust " veemälu". Sõltumatute ekspertide järelevalve all tehtud katsed aga tulemusi ei andnud. Vaidlused nähtuse olemasolu üle " veemälu» jätka.

Veel on palju muid ebatavalisi omadusi, mida me selles artiklis ei käsitlenud. Näiteks vee tihedus muutub sõltuvalt temperatuurist (jää tihedus on väiksem kui vee tihedus); vesi on üsna suur pind pinevus; vedelas olekus on vesi kompleksne ja dünaamiliselt muutuv veekogumite võrgustik ning just klastrite käitumine mõjutab vee struktuuri jne.

Nende ja paljude teiste kohta ootamatud omadused vesi saab lugeda artiklist Vee anomaalsed omadused”, mille autor on Londoni ülikooli professor Martin Chaplin.

Mpemba efekt(Mpemba Paradox) on paradoks, mis väidab, et teatud tingimustel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi, kuigi külmumise käigus peab see läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt vajab kuumem keha samades tingimustes teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui jahedam keha sama temperatuurini jahtumiseks.

Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm.

Erasto Mpemba õppis Tansaanias Magambini keskkoolis praktilist kokatööd. Ta pidi valmistama isetehtud jäätist – keetma piima, lahustama selles suhkur, jahutama toatemperatuurini ja panema siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja venitas ülesande esimese osaga. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi.

Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igal juhul, olles juba Mkvava keskkooli üliõpilane, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professor Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsika loengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega nii, et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetate need sügavkülma, siis teises vesi külmub. kiiremini Miks? Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldasid nad koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nn Mpemba efekt.

Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid.

Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peab olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sama efektiga jahtub vesi temperatuuril 100 °C kiiremini 0 °C-ni kui sama kogus vett 35 °C juures.

See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada ka tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:

Aurustumine

Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist.

Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee massi. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.

temperatuuri erinevus

Tulenevalt sellest, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem – seega soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.

hüpotermia

Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi -20 C juures.

Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui need ei ole vedelas vees, jätkub ülejahutamine, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmub jääks.

Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine kõrvaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.

Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Alajahutusega kuuma vee korral ei ole alajahtunud vees kaitsvat jääpinda. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.

Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd.

Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.

Konvektsioon

Külm vesi hakkab ülevalt külmuma, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt.

Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , on edasine jahutusprotsess aeglasem.

Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Samuti on külmaveekihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külmaveekiht vajub allapoole, tõstes sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.

Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast tuleks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.

Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid selle hüpoteesi toetuseks, et külm ja kuum veekiht eraldatakse konvektsiooniga.

vees lahustunud gaasid

Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumispunkti. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees kõrgel temperatuuril on madalam. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi selle fakti kinnitamiseks puuduvad eksperimentaalsed andmed.

Soojusjuhtivus

See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikusse sügavkülma. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust soojus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata enda all lund.

Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – millised neist tagavad Mpemba efekti 100% taasesituse – pole saadud.

Nii näiteks uuris saksa füüsik David Auerbach 1995. aastal vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse.

Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse selles lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.

Seni saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.