Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Kumpi vesi jäätyy nopeammin: kuuma vai kylmä? Mistä se riippuu

Mpemba vaikutus(Mpemba paradoksi) - paradoksi, joka sanoo sen kuuma vesi tietyissä olosuhteissa se jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyä tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan.

Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.

Erasto Mpemba opiskeli Tansaniassa Magamba High Schoolissa käytännön työ kulinaarisessa taiteessa. Hänen piti tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.

Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa myös tavallista vettä. Joka tapauksessa, ollessaan jo Mkvavan lukion opiskelija, hän kysyi professori Dennis Osbornea Dar es Salaamin yliopistosta (koulun johtaja kutsui pitämään luennon fysiikasta opiskelijoille) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä niin, että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laitat ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin Miksi? Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutus on nimeltään Mpemba vaikutus.

Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisen, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen toiminnan aikana. eri lämpötiloja.

Mpemba-ilmiön paradoksi on se aika, jonka aikana keho jäähtyy lämpötilaan ympäristöön, tulee olla verrannollinen tämän kehon ja ympäristön väliseen lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa.

Tämä ei kuitenkaan vielä tarkoita paradoksia, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää myös tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:

Haihtuminen

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan ​​0 C:een jäähdytettynä.

Haihdutusvaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.

lämpötilaero

Koska lämpötilaero kuuma vesi ja enemmän kylmää ilmaa - joten lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

hypotermia

Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:ssa.

Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä.

Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.

Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Siinä tapauksessa kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.

Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän.

Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.

Konvektio

Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.

Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden maksimitiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alhaisempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jatkojäähdytysprosessi on hitaampi.

Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja enemmän eroa lämpötilat. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.

Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta pitäisi olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerros eroavat toisistaan ​​ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila laskee alle 4 C.

Kuitenkaan ei ole olemassa kokeellisia todisteita, jotka tukevat tätä hypoteesia, jonka mukaan kylmät ja kuumat vesikerrokset erottuvat konvektiosta.

veteen liuenneet kaasut

Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Kun vettä kuumennetaan, nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden vesiliukoisuus on korkea lämpötila alla. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappipakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumaa vettä sisältävä säiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla.

Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100% Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu.

Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähdytetyn tilan nopeammin kuin kuuma, mikä kompensoi edellistä viivettä.

Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan suuremman alijäähdytyksen, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistetaan siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.

Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.

O. V. Mosin

Kirjallisuudenlähteet:

"Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Miksi se tekee niin?", Jearl Walker julkaisussa The Amateur Scientist, Scientific American, Voi. 237, nro 3, s. 246-257; syyskuuta, 1977.

"Kuuman ja kylmän veden jäätyminen", G.S. Kell julkaisussa American Journal of Physics, Voi. 37, nro. 5, s. 564-565; toukokuuta 1969.

"Supercooling and the Mpemba Effect", David Auerbach, American Journal of Physics, Voi. 63, nro. 10, s. 882-885; lokakuu, 1995.

"The Mpemba-ilmiö: kuuman ja kylmän veden jäätymisajat", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Voi. 64, nro. 5, s. 524; toukokuu, 1996.

Hei rakkaat rakastajat mielenkiintoisia seikkoja. Tänään puhumme aiheesta. Mutta mielestäni otsikon kysymys voi tuntua yksinkertaisesti absurdilta - mutta pitäisikö aina täysin luottaa pahamaineiseen" maalaisjärkeä”, tiukasti määritellyn vahvistuskokeilun sijaan. Yritetään selvittää, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?

Historiallinen viittaus

Aristoteleen teoksissa mainittiin kylmän ja kuuman veden jäätymisen yhteydessä "kaikki ei ole puhdasta", sitten samanlaisia ​​huomautuksia tekivät F. Bacon, R. Descartes ja J. Black. Lähihistoriassa tähän on liitetty nimi "Mpemba-paradoksi" - tanganyikalaisen koulupojan Erasto Mpemba -nimen mukaan, joka kysyi saman kysymyksen vierailevalle fysiikan professorille.

Pojan kysymys ei syntynyt tyhjästä, vaan puhtaasti henkilökohtaisista havainnoista jäätelöseosten jäähdytysprosessista keittiössä. Tietenkin luokkatoverit, jotka olivat paikalla, yhdessä koulun opettaja Mpembaa pilkattiin – professori D. Osbornen henkilökohtaisesti tekemän kokeellisen tarkastuksen jälkeen halu pilata Erastoa "haihtui" heistä. Lisäksi Mpemba julkaisi yhdessä professorin kanssa yksityiskohtaisen kuvauksen tästä vaikutuksesta vuonna 1969 Physics Educationissa - ja siitä lähtien yllä oleva nimi on kiinnitetty tieteelliseen kirjallisuuteen.

Mikä on ilmiön ydin?

Kokeen asetelma on varsin yksinkertainen: muiden asioiden ollessa samat, testataan identtisiä ohutseinäisiä astioita, joissa on tiukasti yhtä paljon vettä, jotka eroavat vain lämpötilaltaan. Astiat ladataan jääkaappiin, minkä jälkeen kirjataan aika ennen jään muodostumista kussakin niistä. Paradoksi on, että astiassa, jossa on alun perin kuumempi neste, tämä tapahtuu nopeammin.

Miten moderni fysiikka selittää tämän?

Paradoksille ei ole yleispätevää selitystä, koska useat rinnakkaiset prosessit etenevät yhdessä, joiden osuus voi poiketa tietyistä alkuehdoista - mutta yhtenäisellä tuloksella:

• nesteen kyky ylijäähtyä - aluksi kylmä vesi on alttiimpi hypotermialle, ts. pysyy nestemäisenä, kun sen lämpötila on jo jäätymispisteen alapuolella
• nopeutettu jäähdytys - kuuman veden höyry muuttuu jäämikrokiteiksi, jotka putoaessaan takaisin nopeuttavat prosessia toimien ylimääräisenä "ulkoisena lämmönvaihtimena"
• eristysvaikutus - toisin kuin kuuma vesi, kylmä vesi jäätyy ylhäältä, mikä johtaa lämmönsiirron vähenemiseen konvektiolla ja säteilyllä

On olemassa useita muita selityksiä (viimeksi kilpailun parhaasta hypoteesista järjesti British Royal Society of Chemistry äskettäin, vuonna 2012) - mutta silti ei ole olemassa yksiselitteistä teoriaa kaikille syöttöehtojen yhdistelmille ...

Vesi on yksi maailman hämmästyttävimmistä nesteistä, jolla on epätavallisia ominaisuuksia. Esimerkiksi jää on kiinteä nestemäinen tila, jonka ominaispaino on pienempi kuin itse veden, mikä on tehnyt paljon mahdollinen esiintyminen ja elämän kehittyminen maan päällä. Lisäksi lähes tieteellisessä ja todellakin tieteellisessä maailmassa keskustellaan siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Joka todistaa kuuman nesteen nopeamman jäätymisen tietyissä olosuhteissa ja perustelee päätöksensä tieteellisesti, saa 1 000 punnan palkinnon British Royal Society of Chemists -järjestöltä.

Tausta

Se tosiasia, että kuuma vesi on jäätymisnopeudella useissa olosuhteissa kylmää vettä edellä, havaittiin jo keskiajalla. Francis Bacon ja René Descartes ovat nähneet paljon vaivaa selittääkseen tämän ilmiön. Klassisen lämpötekniikan näkökulmasta tätä paradoksia ei kuitenkaan voida selittää, ja sitä yritettiin röyhkeästi vaimentaa. Sysäyksenä kiistan jatkamiselle oli hieman outo tarina, joka tapahtui tansanialaiselle koulupojalle Erasto Mpemballe (Erasto Mpemba) vuonna 1963. Kerran keittokoulun jälkiruokien valmistustunnilla muusta hajamielinen poika ei ehtinyt jäähdyttää jäätelöseosta ajoissa ja laittaa pakastimeen sokeriliuosta kuumassa maidossa. Hänen yllätyksekseen tuote jäähtyi jonkin verran nopeammin kuin hänen tarkkailijoidensa harjoittajatoverit lämpötilajärjestelmä jäätelön valmistus.

Yrittäessään ymmärtää ilmiön olemusta poika kääntyi fysiikan opettajan puoleen, joka yksityiskohtiin menemättä pilkkasi kulinaarisia kokeitaan. Erasto erottui kuitenkin kadehdittavasta sinnikkyydestään ja jatkoi kokeitaan ei enää maidolla, vaan vedellä. Hän varmisti, että joissain tapauksissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Erasto Mpembe saapui Dar es Salaamin yliopistoon ja osallistui professori Dennis G. Osbornen luennolle. Valmistumisensa jälkeen opiskelija ymmärsi tiedemiehen ongelmasta, joka koskee veden jäätymisnopeutta sen lämpötilasta riippuen. DG Osborne pilkkasi kysymyksen esittämistä ja totesi tylysti, että jokainen häviäjä tietää, että kylmä vesi jäätyy nopeammin. Nuoren miehen luonnollinen sitkeys kuitenkin tuntui. Hän teki vedon professorin kanssa ja tarjoutui tekemään kokeellisen testin täällä, laboratoriossa. Erasto asetti kaksi vesisäiliötä pakastimeen, toisen 35 °C:seen ja toisen 100 °C:seen. Mikä oli professorin ja ympäröivien "fanien" yllätys, kun toisessa astiassa oleva vesi jäätyi nopeammin. Siitä lähtien tätä ilmiötä on kutsuttu "Mpemba-paradoksiksi".

Toistaiseksi ei kuitenkaan ole olemassa yhtenäistä teoreettista hypoteesia, joka selittäisi "Mpemba-paradoksia". Ei ole selvää mikä ulkoiset tekijät, kemiallinen koostumus vesi, liuenneiden kaasujen läsnäolo siinä ja mineraaleja vaikuttaa nesteiden jäätymisnopeuteen eri lämpötiloissa. "Mpemba-ilmiön" paradoksi on, että se on ristiriidassa yhden I. Newtonin löytämän lain kanssa, jonka mukaan veden jäähtymisaika on suoraan verrannollinen nesteen ja ympäristön lämpötilaeroon. Ja jos kaikki muut nesteet ovat täysin tämän lain alaisia, vesi on joissakin tapauksissa poikkeus.

Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin?T

On olemassa useita versioita siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Tärkeimmät ovat:

• kuuma vesi haihtuu nopeammin, kun taas sen tilavuus pienenee ja pienempi nestemäärä jäähtyy nopeammin - kun vesi jäähdytetään + 100 ° C: sta 0 ° C: een, tilavuushäviöt ilmakehän paineessa saavuttavat 15%;
• nesteen ja ympäristön välisen lämmönvaihdon intensiteetti on mitä suurempi, sitä suurempi lämpötilaero, joten kiehuvan veden lämpöhäviö kulkee nopeammin;
• kuuman veden jäähtyessä sen pinnalle muodostuu jääkuori, joka estää nesteen täydellisen jäätymisen ja haihtumisen;
• korkeassa veden lämpötilassa sen konvektiosekoittuminen tapahtuu, mikä vähentää jäätymisaikaa;
• veteen liuenneet kaasut alentavat jäätymispistettä ja vievät energiaa kiteen muodostumiseen - kuumassa vedessä ei ole liuenneita kaasuja.

Kaikille näille olosuhteille on tehty toistuva kokeellinen tarkastus. Erityisesti saksalainen tiedemies David Auerbach havaitsi, että kuuman veden kiteytyslämpötila on hieman korkeampi kuin kylmän veden, mikä mahdollistaa entisen jäätymisen nopeammin. Myöhemmin hänen kokeitaan kritisoitiin ja monet tutkijat ovat vakuuttuneita siitä, että "Mpemba-ilmiö", josta vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, voidaan toistaa vain tietyissä olosuhteissa, joita kukaan ei ole toistaiseksi etsinyt ja konkretisoinut.

Vesi- kemiallisesti melko yksinkertainen aine, mutta sillä on useita epätavallisia ominaisuuksia jotka eivät lakkaa hämmästyttämästä tiedemiehiä. Alla on joitain tosiasioita, joista harvat tietävät.

1. Kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma?

Ota kaksi vesisäiliötä: kaada kuumaa vettä toiseen ja kylmää vettä toiseen ja laita ne pakastimeen. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka loogisesti ajatellen kylmän veden olisi pitänyt muuttua ensin jääksi: kuuman veden on loppujen lopuksi ensin jäähdyttävä kylmään ja sitten muututtava jääksi, kun taas kylmän veden ei tarvitse jäähtyä. Miksi tämä tapahtuu?

Tansanialainen Erasto B. Mpemba-niminen opiskelija vuonna 1963 pakastaessaan valmistettua jäätelöseosta huomasi, että kuuma seos jähmettyi pakastimessa nopeammin kuin kylmä. Kun nuori mies jakoi löytönsä fysiikan opettajalle, hän vain nauroi hänelle. Onneksi opiskelija oli sinnikäs ja vakuutti opettajan suorittamaan kokeen, joka vahvisti hänen löytönsä: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi todella jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Nyt tätä ilmiötä, jossa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, kutsutaan " Mpemba vaikutus". Totta, kauan ennen sitä ainutlaatuinen omaisuus veden panivat merkille Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Tutkijat eivät täysin ymmärrä tämän ilmiön luonnetta, vaan selittävät sen joko hypotermian, haihtumisen, jään muodostumisen, konvektion tai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksella kuumaan ja kylmään veteen.

2. Hän pystyy jäätymään välittömästi

Kaikki tietävät sen vettä muuttuu aina jääksi, kun se jäähdytetään 0 °C:seen ... paitsi joissain tapauksissa! Tällainen tapaus on esimerkiksi alijäähdytys, joka on erittäin ominaisuus puhdas vesi pysyy nesteenä myös jäähtyneenä. Tämä ilmiö tulee mahdolliseksi, koska ympäristössä ei ole kiteytyskeskuksia tai ytimiä, jotka voisivat aiheuttaa jääkiteiden muodostumista. Ja niin vesi pysyy nestemäisessä muodossa, vaikka se jäähtyy alle nollan celsiusasteen lämpötiloihin.

kiteytysprosessi voi aiheuttaa esimerkiksi kaasukuplat, epäpuhtaudet (saasteet), säiliön epätasainen pinta. Ilman niitä vesi pysyy sisällä nestemäinen tila. Kun kiteytysprosessi alkaa, voit seurata kuinka superjäähdytetty vesi muuttuu hetkessä jääksi.

Huomaa, että "tulistettu" vesi pysyy myös nestemäisenä, vaikka se kuumennetaan kiehumispisteensä yläpuolelle.

3. Veden 19 tilaa

Nimeä epäröimättä kuinka monta eri tilaa vedellä on? Jos vastasit kolmeen: kiinteä, nestemäinen, kaasumainen, olet väärässä. Tutkijat erottavat ainakin 5 erilaista nestemäistä ja 14 jäätynyttä tilaa.

Muistatko keskustelun superjäähdytteisestä vedestä? Joten riippumatta siitä, mitä teet, -38 °C:ssa jopa puhtain superjäähdytetty vesi muuttuu yhtäkkiä jääksi. Mitä tapahtuu, kun lämpötila laskee edelleen? -120°C:ssa vedelle alkaa tapahtua jotain outoa: se muuttuu superviskoosiksi tai viskoosiksi, kuten melassi, ja alle -135°C lämpötilassa se muuttuu "lasimaiseksi" tai "lasimaiseksi" vedeksi. kiinteä, josta puuttuu kiderakenne.

4. Vesi yllättää fyysikot

Molekyylitasolla vesi on vieläkin yllättävämpää. Vuonna 1995 tutkijoiden suorittama neutronien sirontakoe antoi odottamattoman tuloksen: fyysikot havaitsivat, että vesimolekyyleihin kohdistuvat neutronit "näkevät" 25 % odotettua vähemmän vetyprotoneja.

Kävi ilmi, että yhden attosekunnin (10-18 sekunnin) nopeudella tapahtuu epätavallinen kvanttiefekti, ja kemiallinen kaava vettä sen sijaan H2O, muuttuu H1.5O!

5. Vesimuisti

Vaihtoehtoinen virallinen lääketiede homeopatia toteaa, että laimea liuos lääkevalmiste voi tarjota parantava vaikutus elimistöön, vaikka laimennuskerroin on niin suuri, että liuokseen ei jää muuta kuin vesimolekyylejä. Homeopatian kannattajat selittävät tämän paradoksin käsitteellä nimeltä " veden muisti”, jonka mukaan molekyylitasolla vedellä on "muisti" siihen liuenneesta aineesta ja se säilyttää alkuperäisen pitoisuuden liuoksen ominaisuudet sen jälkeen, kun siihen ei ole jäänyt yhtään ainesosamolekyyliä.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johti professori Madeleine Ennis Belfastin Queenin yliopistosta ja kritisoi homeopatian periaatteita, suoritti vuonna 2002 kokeen kumotakseen käsitteen lopullisesti. Tulos oli päinvastainen. Sen jälkeen tutkijat sanoivat onnistuneensa todistamaan vaikutuksen todellisuuden. veden muisti". Riippumattomien asiantuntijoiden valvonnassa tehdyt kokeet eivät kuitenkaan tuottaneet tuloksia. Kiistat ilmiön olemassaolosta" veden muisti" jatkaa.

Vedellä on monia muita epätavallisia ominaisuuksia, joita emme ole käsitelleet tässä artikkelissa. Esimerkiksi veden tiheys vaihtelee lämpötilan mukaan (jään tiheys on pienempi kuin veden); vesi on melko suuri pintajännitys; nestemäisessä tilassa vesi on monimutkainen ja dynaamisesti muuttuva vesiklusteriverkosto, ja juuri klustereiden käyttäytyminen vaikuttaa veden rakenteeseen jne.

Näistä ja monesta muusta odottamattomia ominaisuuksia vettä voi lukea artikkelista Veden epänormaalit ominaisuudet”, jonka kirjoittaja on Lontoon yliopiston professori Martin Chaplin.

Mpemba vaikutus(Mpemba Paradox) on paradoksi, joka sanoo, että kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyä tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan.

Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.

Erasto Mpemba opiskeli Magambin High Schoolissa Tansaniassa tekemässä käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen piti tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.

Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa myös tavallista vettä. Joka tapauksessa, ollessaan jo Mkvavan lukion opiskelija, hän kysyi professori Dennis Osbornea Dar es Salaamin yliopistosta (koulun johtaja kutsui pitämään luennon fysiikasta opiskelijoille) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä niin, että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laitat ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin Miksi? Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutus on nimeltään Mpemba vaikutus.

Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja.

Mpemba-ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa.

Tämä ei kuitenkaan vielä tarkoita paradoksia, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää myös tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:

Haihtuminen

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan ​​0 C:een jäähdytettynä.

Haihdutusvaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.

lämpötilaero

Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - joten lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

hypotermia

Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:ssa.

Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä.

Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.

Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Kun kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.

Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän.

Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.

Konvektio

Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.

Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden maksimitiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alhaisempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jatkojäähdytysprosessi on hitaampi.

Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.

Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta pitäisi olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerros eroavat toisistaan ​​ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila laskee alle 4 C.

Kuitenkaan ei ole olemassa kokeellisia todisteita, jotka tukevat tätä hypoteesia, jonka mukaan kylmät ja kuumat vesikerrokset erottuvat konvektiosta.

veteen liuenneet kaasut

Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeassa lämpötilassa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappipakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumaa vettä sisältävä säiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla.

Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100% Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu.

Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähdytetyn tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä.

Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan suuremman alijäähdytyksen, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistetaan siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.

Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.