Miksi kuuma vesi haihtuu nopeammin kuin kylmä vesi? Mpemba-ilmiö eli miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi

Tässä artikkelissa tarkastelemme miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä.

Kuumennettu vesi jäätyy paljon nopeammin kuin kylmä vesi! Tämä hämmästyttävä omaisuus vesi, jolle tiedemiehet eivät vieläkään löydä tarkkaa selitystä, on tiedetty muinaisista ajoista lähtien. Esimerkiksi jopa Aristoteleessa on kuvaus talvikalastuksesta: kalastajat työnsivät vavat jäässä oleviin reikiin, ja jotta ne jäätyisivät nopeammin, he kaatoivat lämmintä vettä jäälle. Tämän ilmiön nimi nimettiin Erasto Mpemban mukaan 1900-luvun 60-luvulla. Mnemba huomasi oudon vaikutuksen jäätelöä tehdessään ja kääntyi fysiikan opettajansa tohtori Denis Osbornen puoleen saadakseen selityksen. Mpemba ja tohtori Osborn kokeilivat vettä eri lämpötiloja ja päätteli: melkein kiehuva vesi alkaa jäätyä paljon nopeammin kuin vesi huoneenlämpötilassa. Muut tutkijat ovat tehneet omia kokeitaan ja joka kerta he ovat saaneet samanlaisia ​​tuloksia.

Fysikaalisen ilmiön selitys

Ei ole yleisesti hyväksyttyä selitystä sille, miksi näin tapahtuu. Monet tutkijat ehdottavat, että kyse on nesteen alijäähdytyksestä, joka tapahtuu, kun sen lämpötila laskee jäätymisen alapuolelle. Toisin sanoen, jos vesi jäätyy alle 0 °C:n lämpötilassa, alijäähdytetyn veden lämpötila voi olla esimerkiksi -2 °C ja se voi silti pysyä nesteenä muuttumatta jääksi. Kun yritämme jäädyttää kylmää vettä, on mahdollista, että se alijäähtyy aluksi ja kovettuu vasta jonkin ajan kuluttua. Lämmitetyssä vedessä tapahtuu muita prosesseja. Sen nopeampi muuttuminen jääksi liittyy konvektioon.

Konvektio- Tämä on fysikaalinen ilmiö, jossa nesteen lämpimät alemmat kerrokset nousevat ja ylemmät, jäähtyneet, putoavat.

Se, mikä vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, vaikuttaa monista tekijöistä, mutta itse kysymys tuntuu hieman oudolta. On ymmärretty, ja tämä tiedetään fysiikasta, että kuuma vesi tarvitsee vielä aikaa jäähtyäkseen verrattavissa olevaan lämpötilaan. kylmä vesi muuttua jääksi. Kylmä vesi voi ohittaa tämän vaiheen, ja näin ollen se voittaa ajoissa.

Mutta vastauksen kysymykseen, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä tai kuuma - kadulla pakkasessa, kuka tahansa pohjoisten leveysasteiden asukas tietää. Itse asiassa tieteellisesti käy ilmi, että joka tapauksessa kylmän veden täytyy yksinkertaisesti jäätyä nopeammin.

Niin teki myös fysiikan opettaja, jota koulupoika Erasto Mpemba lähestyi vuonna 1963 ja pyysi selittämään, miksi tulevaisuuden jäätelön kylmä seos jäätyy pidempään kuin vastaava, mutta kuuma.

"Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan jonkinlaista Mpemba-fysiikkaa"

Tuolloin opettaja vain nauroi tälle, mutta fysiikan professori Deniss Osborne, joka aikoinaan kävi samassa koulussa, jossa Erasto opiskeli, vahvisti kokeellisesti tällaisen vaikutuksen olemassaolon, vaikka siihen ei silloin ollut selitystä. . Vuonna 1969 suosittu tieteellinen aikakauslehti julkaisi näiden kahden miehen yhteisen artikkelin, jotka kuvasivat tätä erikoista vaikutusta.

Siitä lähtien kysymyksellä siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä, on muuten oma nimi - vaikutus tai paradoksi, Mpemba.

Kysymys on ollut esillä jo pitkään

Luonnollisesti tällaista ilmiötä on tapahtunut ennenkin, ja se mainittiin muiden tutkijoiden töissä. Ei vain koulupoika ollut kiinnostunut tästä kysymyksestä, vaan Rene Descartes ja jopa Aristoteles ajattelivat sitä aikoinaan.

Tässä on vain lähestymistapoja tämän paradoksin ratkaisemiseen, jota alettiin tarkastella vasta 1900-luvun lopulla.

Edellytykset paradoksien syntymiselle

Kuten jäätelön kanssa, ei vain tavallinen vesi jäätyy kokeen aikana. Tietyt olosuhteet täytyy olla olemassa, jotta voidaan alkaa kiistellä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Mikä vaikuttaa tähän prosessiin?

Nyt, 2000-luvulla, on esitetty useita vaihtoehtoja, jotka voivat selittää tämän paradoksin. Kumpi vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, voi riippua siitä, että sen haihtumisnopeus on korkeampi kuin kylmällä vedellä. Siten sen tilavuus pienenee, ja tilavuuden pienentyessä jäätymisajasta tulee lyhyempi kuin jos otamme samanlaisen alkuperäisen tilavuuden kylmää vettä.

Pakastin on sulatettu pitkään

Se, mikä vesi jäätyy nopeammin ja miksi se jäätyy, voi vaikuttaa kokeeseen käytetyn jääkaapin pakastimessa mahdollisesti oleva lumipeite. Jos otamme kaksi säiliötä, jotka ovat tilavuudeltaan identtisiä, mutta toisessa on kuumaa vettä ja toisessa kylmässä säiliö, jossa on kuuma vesi sulattaa sen alla olevan lumen, mikä parantaa lämpötason kosketusta jääkaapin seinään. kontti kanssa kylmä vesi ei voi tehdä tätä. Jos jääkaapissa ei ole tällaista lumen vuorausta, kylmän veden tulisi jäätyä nopeammin.

Ylä - alaosa

Myös ilmiö, jossa vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, selitetään seuraavasti. Tiettyjen lakien mukaan kylmä vesi alkaa jäätyä ylemmistä kerroksista, kun kuuma vesi tekee sen päinvastoin - se alkaa jäätyä alhaalta ylöspäin. Osoittautuu, että kylmä vesi, jonka päällä on kylmä kerros, jossa on jo paikoin muodostunut jäätä, huonontaa siten konvektio- ja lämpösäteilyprosesseja, mikä selittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Liitteenä on valokuva amatöörikokeista, ja täällä se näkyy selvästi.

Lämpö menee ulos, suuntautuu ylöspäin, ja siellä se kohtaa hyvin viileän kerroksen. Lämpösäteilylle ei ole vapaata polkua, joten jäähdytysprosessi vaikeutuu. Kuumalla vedellä ei ole lainkaan tällaisia ​​esteitä. Kumpi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma, josta todennäköinen lopputulos riippuu, voit laajentaa vastausta sanomalla, että missä tahansa vedessä on tiettyjä aineita liuenneena.

Epäpuhtaudet veden koostumuksessa lopputulokseen vaikuttavana tekijänä

Jos et huijaa ja käytä vettä, jolla on sama koostumus, jossa tiettyjen aineiden pitoisuudet ovat samat, kylmän veden tulisi jäätyä nopeammin. Mutta jos tilanne syntyy, kun liuennut kemiallisia alkuaineita saatavilla vain kuumassa vedessä, kun kylmässä vedessä niitä ei ole, niin kuumalla vedellä on mahdollisuus jäätyä aikaisemmin. Tämä selittyy sillä, että veteen liuenneet aineet muodostavat kiteytyskeskuksia, ja pienellä määrällä näitä keskuksia veden muuttuminen kiinteäksi olomuodoksi on vaikeaa. Jopa veden alijäähdytys on mahdollista siinä mielessä, että pakkasessa se on nestemäisessä tilassa.

Mutta kaikki nämä versiot eivät ilmeisesti sopineet tutkijoille loppuun asti, ja he jatkoivat työskentelyä tämän asian parissa. Vuonna 2013 singaporelainen tutkijaryhmä sanoi ratkaiseneensa ikivanhan mysteerin.

Ryhmä kiinalaisia ​​tutkijoita väittää, että tämän vaikutuksen salaisuus piilee energiamäärässä, joka varastoituu vesimolekyylien väliin sen sidoksissa, joita kutsutaan vetysidoksiksi.

Vastaus kiinalaisilta tutkijoilta

Lisätietoa seuraa, jonka ymmärtämiseksi tarvitaan jonkin verran tietoa kemiasta, jotta voidaan selvittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Kuten tiedät, se koostuu kahdesta H (vety) atomista ja yhdestä O (happi) atomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset.

Mutta yhden molekyylin vetyatomit vetoavat myös viereisiin molekyyleihin, niiden happikomponenttiin. Näitä sidoksia kutsutaan vetysidoksiksi.

Samalla kannattaa muistaa, että samaan aikaan vesimolekyylit vaikuttavat toisiaan vastenmielisesti. Tutkijat totesivat, että kun vettä lämmitetään, sen molekyylien välinen etäisyys kasvaa, ja tätä helpottavat hylkivät voimat. Osoittautuu, että viemällä yhden etäisyyden molekyylien välillä kylmässä tilassa voidaan sanoa, että ne venyvät ja niillä on enemmän energiaa. Juuri tämä energiavarasto vapautuu, kun vesimolekyylit alkavat lähestyä toisiaan, eli tapahtuu jäähdytystä. Osoittautuu, että suurempi energian saanti kuumassa vedessä ja sen suurempi vapautuminen jäähtyneenä pakkasen lämpötiloihin tapahtuu nopeammin kuin kylmässä vedessä, jossa tällaista energiaa on vähemmän. Joten kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma? Kadulla ja laboratoriossa pitäisi tapahtua Mpemba-paradoksi, ja kuuman veden pitäisi muuttua jääksi nopeammin.

Mutta kysymys on edelleen avoin

Tälle vihjeelle on vain teoreettinen vahvistus - kaikki tämä on kirjoitettu kauniilla kaavoilla ja näyttää uskottavalta. Mutta kun kokeelliset tiedot, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä, asetetaan käytännöllisesti ja niiden tulokset esitetään, on mahdollista pitää kysymys Mpemba-paradoksista suljettuna.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksanteri Firtsev

« Kumpi vesi jäätyy nopeammin kylmänä vai kuumana?”- yritä kysyä ystäviltäsi kysymys, todennäköisesti useimmat vastaavat, että kylmä vesi jäätyy nopeammin - ja tekevät virheen.

Itse asiassa, jos laitat pakastimeen samanaikaisesti kaksi samanmuotoista ja tilavuudeltaan samanlaista astiaa, joista toinen sisältää kylmää vettä ja toinen kuumaa, kuuma vesi jäätyy nopeammin.

Tällainen lausunto voi tuntua absurdilta ja kohtuuttomalta. Loogisesti ajatellen kuuman veden tulee ensin jäähtyä kylmään lämpötilaan ja kylmän veden pitäisi muuttua jo tässä vaiheessa jääksi.

Joten miksi kuuma vesi ohittaa kylmän veden matkalla jäätymään? Yritetään selvittää se.

Havaintojen ja tutkimuksen historia

Ihmiset ovat havainneet paradoksaalista vaikutusta muinaisista ajoista lähtien, mutta kukaan ei ole antanut sitä erityinen merkitys. Joten epäjohdonmukaisuudet kylmän ja kuuman veden jäätymisnopeudessa panivat muistiinpanoihinsa Arestotel, samoin kuin Rene Descartes ja Francis Bacon. epätavallinen ilmiö näkyy usein jokapäiväisessä elämässä.

Pitkään aikaan ilmiötä ei tutkittu millään tavalla, eikä se herättänyt suurta kiinnostusta tutkijoiden keskuudessa.

Epätavallisen vaikutuksen tutkiminen alkoi vuonna 1963, kun utelias tansanialainen opiskelija Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelömaito jäätyy nopeammin kuin kylmä maito. Toivoen saavansa selityksen epätavallisen vaikutuksen syistä nuori mies kysyi fysiikan opettajaltaan koulussa. Opettaja kuitenkin vain nauroi hänelle.

Mpemba toisti myöhemmin kokeen, mutta kokeessaan hän ei enää käyttänyt maitoa, vaan vettä, ja paradoksaalinen vaikutus toistettiin uudelleen.

Kuusi vuotta myöhemmin, vuonna 1969, Mpemba esitti tämän kysymyksen fysiikan professori Dennis Osbornelle, joka tuli hänen kouluunsa. Professori oli kiinnostunut nuoren miehen havainnosta, minkä seurauksena suoritettiin koe, joka vahvisti vaikutuksen olemassaolon, mutta tämän ilmiön syitä ei voitu vahvistaa.

Siitä lähtien ilmiötä on kutsuttu ns Mpemba vaikutus.

Tieteellisten havaintojen historian aikana ilmiön syistä on esitetty monia hypoteeseja.

Joten vuonna 2012 British Royal Society of Chemistry julistaisi hypoteesikilpailun Mpemba-ilmiön selittämiseksi. Kilpailuun osallistui tutkijoita kaikkialta maailmasta, yhteensä 22 000 ilmoittautunutta tieteellisiä töitä. Huolimatta niin vaikuttavasta määrästä artikkeleita, mikään niistä ei selventänyt Mpemba-paradoksia.

Yleisin oli versio, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy nopeammin, koska se yksinkertaisesti haihtuu nopeammin, sen tilavuus pienenee ja tilavuuden pienentyessä sen jäähdytysnopeus kasvaa. Yleisin versio lopulta kumottiin, koska tehtiin koe, jossa haihtuminen suljettiin pois, mutta vaikutus kuitenkin vahvistettiin.

Muut tutkijat uskoivat, että syynä Mpemba-ilmiöön on veteen liuenneiden kaasujen haihtuminen. Heidän mielestään lämmitysprosessin aikana veteen liuenneet kaasut haihtuvat, minkä vuoksi se saavuttaa suuremman tiheyden kuin kylmä vesi. Kuten tiedetään, tiheyden kasvu johtaa muutokseen fyysiset ominaisuudet vettä (lisää lämmönjohtavuutta) ja lisää siten jäähdytysnopeutta.

Lisäksi on esitetty useita hypoteeseja, jotka kuvaavat veden kiertonopeutta lämpötilan funktiona. Monissa tutkimuksissa on yritetty selvittää niiden säiliöiden materiaalien välistä suhdetta, joissa neste oli. Monet teoriat vaikuttivat erittäin uskottavilta, mutta niitä ei voitu vahvistaa tieteellisesti alkutietojen puutteen, muiden kokeiden ristiriitaisuuksien vuoksi tai johtuen siitä, että tunnistetut tekijät eivät yksinkertaisesti olleet verrattavissa veden jäähtymisnopeuteen. Jotkut tutkijat töissään kyseenalaistivat vaikutuksen olemassaolon.

Vuonna 2013 Singaporen Nanyangin teknillisen yliopiston tutkijat väittivät ratkaisseensa Mpemba-ilmiön mysteerin. Heidän tutkimuksensa mukaan ilmiön syynä on se, että kylmän ja kuuman veden molekyylien välisiin vetysidoksiin varastoidun energian määrä vaihtelee merkittävästi.

menetelmät tietokonesimulaatio näytti seuraavat tulokset: mitä korkeampi veden lämpötila, sitä suurempi on molekyylien välinen etäisyys johtuen siitä, että hylkivät voimat kasvavat. Ja tämän seurauksena molekyylien vetysidokset venyvät ja varastoituvat Suuri määrä energiaa. Jäähtyessään molekyylit alkavat lähestyä toisiaan vapauttaen energiaa vetysidoksista. Tässä tapauksessa energian vapautumiseen liittyy lämpötilan lasku.

Lokakuussa 2017 espanjalaiset fyysikot saivat toisen tutkimuksen aikana selville, että juuri aineen poistamisella tasapainosta (voimakas kuumennus ennen voimakasta jäähdytystä) on suuri rooli vaikutuksen muodostumisessa. He määrittelivät olosuhteet, joissa vaikutuksen todennäköisyys on suurin. Lisäksi espanjalaiset tutkijat ovat vahvistaneet käänteisen Mpemba-ilmiön olemassaolon. He havaitsivat, että kuumennettaessa kylmempi näyte voi saavuttaa korkean lämpötilan nopeammin kuin lämmin.

Kattavasta tiedosta ja lukuisista kokeista huolimatta tutkijat aikovat jatkaa vaikutuksen tutkimista.

Mpemba vaikutus tosielämässä

Oletko koskaan miettinyt, miksi talvella luistinrata on täynnä kuumaa vettä eikä kylmää? Kuten jo ymmärsit, he tekevät tämän, koska kuumalla vedellä täytetty luistinrata jäätyy nopeammin kuin jos se olisi täytetty kylmällä vedellä. Samasta syystä talvien jääkaupunkien liukumäet kaadetaan kuumalla vedellä.

Näin ollen tieto ilmiön olemassaolosta antaa mahdollisuuden säästää aikaa valmistellessaan paikkoja talviurheiluun.

Lisäksi Mpemba-ilmiötä käytetään joskus teollisuudessa - vettä sisältävien tuotteiden, aineiden ja materiaalien jäätymisajan lyhentämiseen.

British Royal Society of Chemistry tarjoaa 1 000 punnan palkkion jokaiselle, joka osaa selittää tieteellinen näkökohta Katso, miksi joissain tapauksissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

"Nykyaikainen tiede ei vieläkään voi vastata tähän näennäisesti yksinkertaiseen kysymykseen. Jäätelöntekijät ja baarimikot käyttävät tätä vaikutusta päivittäisessä työssään, mutta kukaan ei tiedä, miksi se toimii. Tämä ongelma on ollut tiedossa vuosituhansia, ja filosofit, kuten Aristoteles ja Descartes, ovat pohtineet sitä”, sanoi professori David Philips, British Royal Society of Chemistryn puheenjohtaja, seuran lehdistötiedotteessa.

Kuinka afrikkalainen kokki voitti brittiläisen fysiikan professorin

Tämä ei ole aprillipila, vaan ankara fyysinen todellisuus. Nykypäivän tiede, joka toimii helposti galakseilla ja mustilla aukoilla, rakentaen jättimäisiä kiihdyttimiä etsimään kvarkeja ja bosoneja, ei voi selittää, kuinka alkuainevesi "toimii". Koulukirjassa todetaan yksiselitteisesti, että kuuman ruumiin jäähdyttämiseen kuluu enemmän aikaa kuin kylmän ruumiin jäähdyttämiseen. Mutta veden osalta tätä lakia ei aina noudateta. Aristoteles kiinnitti huomion tähän paradoksiin 4. vuosisadalla eKr. e. Tässä on mitä antiikin kreikkalainen kirjoitti kirjassa "Meteorologica I": "Se, että vesi on esilämmitetty, edistää sen jäätymistä. Siksi monet ihmiset, kun he haluavat nopeasti jäähdyttää kuumaa vettä, laittavat sen ensin aurinkoon ... ”Keskiajalla Francis Bacon ja Rene Descartes yrittivät selittää tämän ilmiön. Valitettavasti eivät suuret filosofit tai lukuisat klassista lämpöfysiikkaa kehittäneet tiedemiehet onnistuneet tässä, ja siksi tällainen epämiellyttävä tosiasia "unohtui" pitkään.

Ja vasta vuonna 1968 he "muistivat" tansanialaisen koulupoika Erasto Mpemban ansiosta, kaukana mistään tieteestä. Vuonna 1963 13-vuotias Mpembe sai tehtäväkseen valmistaa jäätelöä keittokoulussa opiskellessaan. Tekniikan mukaan oli tarpeen keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut ahkera opiskelija ja epäröi. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen toveriensa maito, joka oli valmistettu kaikkien sääntöjen mukaan.

Kun Mpemba jakoi löytönsä fysiikan opettajalle, hän pilkkasi häntä koko luokan edessä. Mpemba muisti loukkauksen. Viisi vuotta myöhemmin hän oli jo Dar es Salaamin yliopiston opiskelijana kuuluisan fyysikon Denis G. Osbornin luennolla. Luennon jälkeen hän esitti tiedemiehelle kysymyksen: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on sama määrä vettä, toinen 35 °C:ssa (95 °F) ja toinen 100 °C:ssa (212 °F) ja laitat ne pakastimessa, niin kuumassa astiassa oleva vesi jäätyy nopeammin. Miksi?" Voit kuvitella brittiprofessorin reaktion jumalan hylkäämästä Tansaniasta kotoisin olevan nuoren miehen kysymykseen. Hän pilkkasi opiskelijaa. Mpemba oli kuitenkin valmis tällaiseen vastaukseen ja haastoi tiedemiehen vetoon. Heidän väitteensä huipentui kokeelliseen testiin, joka osoitti, että Mpemba oli oikeassa ja Osborne voitti. Niinpä opiskelija-keittiö kirjoitti nimensä tieteen historiaan, ja tästä lähtien tätä ilmiötä kutsutaan "Mpemba-ilmiöksi". Sen hylkääminen, sen julistaminen "olemattomaksi" ei toimi. Ilmiö on olemassa, ja kuten runoilija kirjoitti, "ei hampaassa jalan kanssa".

Ovatko pölyhiukkaset ja liuenneet aineet syyllisiä?

Vuosien varrella monet ovat yrittäneet selvittää veden jäätymisen mysteeriä. Tälle ilmiölle on ehdotettu useita selityksiä: haihtuminen, konvektio, liuenneiden aineiden vaikutus - mutta mitään näistä tekijöistä ei voida pitää lopullisena. Useat tiedemiehet omistivat koko elämänsä Mpemba-ilmiölle. Säteilyturvallisuusosaston työntekijä valtion yliopisto New York - James Brownridge - sisään vapaa-aika on tutkinut paradoksia jo yli vuosikymmenen ajan. Suoritettuaan satoja kokeita tiedemies väittää, että hänellä on todisteita hypotermian "syyllisyydestä". Brownridge selittää, että 0 °C:ssa vesi vain jäähtyy ja alkaa jäätyä, kun lämpötila laskee alle. Jäätymispistettä säätelevät veden epäpuhtaudet - ne muuttavat jääkiteiden muodostumisnopeutta. Epäpuhtauksilla, ja nämä ovat pölyhiukkasia, bakteereja ja liuenneita suoloja, on tyypillinen ydintymislämpötilansa, kun jääkiteitä muodostuu kiteytyskeskusten ympärille. Kun vedessä on useita alkuaineita kerralla, jäätymispiste määräytyy sen mukaan, jolla on eniten korkea lämpötila ydintyminen.

Kokeeseen Brownridge otti kaksi näytettä samassa lämpötilassa olevaa vettä ja laittoi ne pakastimeen. Hän havaitsi, että yksi näytteistä jäätyy aina ennen toista - oletettavasti erilaisen epäpuhtauksien yhdistelmän vuoksi.

Brownridge väittää, että kuuma vesi jäähtyy nopeammin enemmän eroa veden ja pakastimen lämpötilojen välillä - tämä auttaa sitä saavuttamaan jäätymispisteensä ennen kuin kylmä vesi saavuttaa luonnollisen jäätymispisteensä, joka on vähintään 5 °C alempi.

Brownridgen päättely herättää kuitenkin monia kysymyksiä. Siksi niillä, jotka pystyvät selittämään Mpemba-ilmiön omalla tavallaan, on mahdollisuus kilpailla tuhannesta punnista British Royal Society of Chemistrystä.

Monet tutkijat ovat esittäneet ja esittävät omia versioitaan siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Se vaikuttaisi paradoksilta - loppujen lopuksi kuuman veden on ensin jäähdyttävä jäätyäkseen. Tosiasia kuitenkin pysyy, ja tutkijat selittävät sen eri tavoin.

Tärkeimmät versiot

Tällä hetkellä on olemassa useita versioita, jotka selittävät tämän tosiasian:

1. Koska kuumassa vedessä haihtuminen on nopeampaa, sen tilavuus pienenee. Pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin.
2. Jääkaapin pakastinosastossa on lumivuori. Kuumaa vettä sisältävä astia sulattaa lumen alla. Tämä parantaa lämpökosketusta pakastimeen.
3. Kylmän veden jäätyminen, toisin kuin kuuma, alkaa ylhäältä. Tässä tapauksessa konvektio ja lämpösäteily ja siten lämpöhäviö pahenevat.
4. Kylmässä vedessä on kiteytyskeskuksia - siihen liuenneita aineita. Pienellä pitoisuudella niitä vedessä jäätyminen on vaikeaa, vaikka samalla sen hypotermia on mahdollista - kun se on nestemäisessä tilassa pakkasen lämpötiloissa.

Vaikka se on reilua sanoa tämä vaikutus ei aina huomioitu. Kylmä vesi jäätyy usein nopeammin kuin kuuma vesi.

Missä lämpötilassa vesi jäätyy

Miksi vesi ylipäätään jäätyy? Se sisältää tietyn määrän mineraali- tai orgaanisia hiukkasia. Nämä voivat olla esimerkiksi erittäin hienoja hiekan, pölyn tai saven hiukkasia. Kun ilman lämpötila laskee, näistä hiukkasista tulee keskuksia, joiden ympärille muodostuu jääkiteitä.

Kiteytysytimien roolia voivat hoitaa myös ilmakuplat ja halkeamat vettä sisältävässä säiliössä. Veden jääksi muuttamisprosessin nopeuteen vaikuttaa suuresti tällaisten keskusten lukumäärä - jos niitä on paljon, neste jäätyy nopeammin. Normaaleissa olosuhteissa, normaalissa ilmanpaineessa, vesi siirtyy kiinteään tilaan nesteestä 0 asteen lämpötilassa.

Mpemba-efektin ydin

Mpemba-ilmiö ymmärretään paradoksina, jonka ydin on, että kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi. Tämän ilmiön huomasivat Aristoteles ja Descartes. Kuitenkin vasta vuonna 1963 Erasto Mpemba, koulupoika Tansaniasta, totesi, että kuuma jäätelö jäätyy yli lyhyt aika kuin kylmä. Hän teki tällaisen johtopäätöksen suorittaessaan ruoanlaittotehtävää.

Hänen piti liuottaa sokeria keitettyyn maitoon ja jäähdyttämisen jälkeen laittaa se jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei eronnut erityisestä huolellisuudesta ja aloitti tehtävän ensimmäisen osan myöhässä. Siksi hän ei odottanut maidon jäähtymistä, vaan laittoi sen jääkaappiin kuumana. Hän oli hyvin yllättynyt, kun se jäätyi jopa nopeammin kuin hänen luokkatovereidensa, jotka tekivät työn annetun tekniikan mukaisesti.

Tämä tosiasia kiinnosti nuorta miestä kovasti, ja hän aloitti kokeita puhtaalla vedellä. Physics Education -lehti julkaisi vuonna 1969 Mpemban ja Dar es Salaamin yliopiston professori Dennis Osbornin tutkimustulokset. Heidän kuvailemansa vaikutelma sai nimen Mpemba. Ilmiölle ei kuitenkaan vielä tänä päivänä ole selkeää selitystä. Kaikki tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että päärooli tässä on jäähdytetyn ja kuuman veden ominaisuuksien erot, mutta mitä tarkalleen ei tiedetä.

Singaporen versio

Erään Singaporen yliopiston fyysikot olivat myös kiinnostuneita kysymyksestä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä? Xi Zhangin johtama tutkijaryhmä selitti tämän paradoksin juuri veden ominaisuuksilla. Kaikki tietävät edelleen veden koostumuksen koulusta - happiatomi ja kaksi vetyatomia. Happi vety jossain määrin elektroneja vedystä, joten molekyyli on tietynlainen "magneetti".

Tämän seurauksena tietyt vedessä olevat molekyylit vetäytyvät hieman toisiinsa ja niitä yhdistää vetysidos. Sen lujuus on monta kertaa pienempi kuin kovalenttisen sidoksen. Singaporelaiset tutkijat uskovat, että Mpemba-paradoksin selitys piilee juuri vetysidoksissa. Jos vesimolekyylit sijoitetaan hyvin lähelle toisiaan, niin vahva molekyylien välinen vuorovaikutus voi muuttaa kovalenttista sidosta itse molekyylin keskellä.

Mutta kun vettä kuumennetaan, sitoutuneet molekyylit siirtyvät hieman poispäin toisistaan. Tämän seurauksena kovalenttisten sidosten rentoutuminen tapahtuu molekyylien keskellä, kun ylimääräinen energia palautuu ja siirtyy alimmalle energiatasolle. Tämä johtaa siihen, että kuuma vesi alkaa jäähtyä nopeasti. Ainakin singaporelaisten tutkijoiden tekemät teoreettiset laskelmat osoittavat tämän.

Instant Water Freeze - 5 uskomatonta temppua: Video