מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים. אילו מים קופאים מהר יותר: חמים או קרים? במה זה תלוי

אפקט Mpemba(פרדוקס Mpemba) - פרדוקס שאומר את זה מים חמיםבתנאים מסוימים, הוא קופא מהר יותר ממים קרים, אם כי הוא חייב לעבור את הטמפרטורה של מים קרים בתהליך ההקפאה. הפרדוקס הזה הוא עובדה ניסיונית הסותרת את הרעיונות הרגילים, לפיהם, באותם תנאים, גוף חם יותר צריך יותר זמן להתקרר לטמפרטורה מסוימת מאשר גוף קריר יותר כדי להתקרר לאותה טמפרטורה.

לתופעה זו הבחינו בזמנו על ידי אריסטו, פרנסיס בייקון ורנה דקארט, אך רק ב-1963 גילה תלמיד בית הספר הטנזני ארסטו מפמבה שתערובת גלידה חמה קופאת מהר יותר מאשר קרה.

כתלמיד בבית הספר התיכון מגמבה בטנזניה, ארסטו ממפבה עשה זאת עבודה מעשיתבאומנויות הקולינריה. הוא היה צריך להכין גלידה ביתית - להרתיח חלב, להמיס בו סוכר, לקרר אותו לטמפרטורת החדר, ואז להכניס למקרר להקפאה. ככל הנראה, מפמבה לא היה תלמיד חרוץ במיוחד והתמהמה בחלק הראשון של המשימה. מחשש שלא יגיע בזמן עד סוף השיעור, הכניס את החלב החם שעדיין לא יגיע למקרר. להפתעתו, הוא קפא אפילו מוקדם יותר מהחלב של חבריו, שהוכן לפי טכנולוגיה נתונה.

לאחר מכן, Mpemba התנסה לא רק עם חלב, אלא גם עם מים רגילים. בכל מקרה, בהיותו סטודנט בתיכון מקוואה, הוא שאל את פרופסור דניס אוסבורן מהמכללה האוניברסיטאית בדאר א-סלאם (שהוזמנה על ידי מנהל בית הספר לתת הרצאה על פיזיקה לתלמידים) על מים: "אם אתה לוקח שני מיכלים זהים עם נפחים שווים של מים כך שבאחד מהם יש למים טמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס, ובשני - 100 מעלות צלזיוס, ומכניסים אותם למקפיא, ואז בשנייה המים יקפאו מהר יותר למה? אוסבורן החל להתעניין בסוגיה זו ועד מהרה בשנת 1969, יחד עם Mpemba, הם פרסמו את תוצאות הניסויים שלהם בכתב העת "Physics Education". מאז, האפקט שגילו נקרא אפקט Mpemba.

עד עכשיו אף אחד לא יודע בדיוק איך להסביר את האפקט המוזר הזה. למדענים אין גרסה אחת, אם כי יש הרבה. הכל עניין של ההבדל בתכונות של מים חמים וקרים, אבל עדיין לא ברור אילו תכונות משחקות תפקיד במקרה זה: ההבדל בקירור-על, אידוי, היווצרות קרח, הסעה או השפעת גזים נוזליים על המים במהלך טמפרטורות שונות.

הפרדוקס של אפקט Mpemba הוא הזמן שבו הגוף מתקרר לטמפרטורה סביבה, צריך להיות פרופורציונלי להפרש הטמפרטורה בין גוף זה לבין הסביבה. חוק זה הוקם על ידי ניוטון ומאז אושר פעמים רבות בפועל. באותו אפקט, מים ב-100°C מתקררים ל-0°C מהר יותר מאשר אותה כמות מים ב-35°C.

עם זאת, זה עדיין לא מרמז על פרדוקס, שכן אפקט Mpemba יכול להיות מוסבר גם בתוך הפיזיקה המוכרת. הנה כמה הסברים לאפקט Mpemba:

אידוי

מים חמים מתאדים מהר יותר מהמיכל, ובכך מפחיתים את נפחם, ונפח קטן יותר של מים עם אותה טמפרטורה קופא מהר יותר. מים מחוממים ל-100 C מאבדים 16% מהמסה שלהם כשהם מקוררים ל-0 C.

אפקט האידוי הוא אפקט כפול. ראשית, מסת המים הדרושה לקירור מצטמצמת. ושנית, הטמפרטורה יורדת בשל העובדה שחום האידוי של המעבר משלב המים לשלב האדים יורד.

הבדלי טמפרטורה

בגלל הפרש הטמפרטורה בין מים חמיםויותר אוויר קר - מכאן שחילופי החום במקרה זה אינטנסיביים יותר ומים חמים מתקררים מהר יותר.

היפותרמיה

כאשר המים מתקררים מתחת ל-0 C, הם לא תמיד קופאים. בתנאים מסוימים, הוא יכול לעבור קירור-על תוך שהוא ממשיך להישאר נוזלי בטמפרטורות מתחת לנקודת הקיפאון. במקרים מסוימים, מים יכולים להישאר נוזליים אפילו ב-20 מעלות צלזיוס.

הסיבה להשפעה זו היא שכדי שגבישי הקרח הראשונים יתחילו להיווצר, יש צורך במרכזי היווצרות גבישים. אם הם לא במים נוזליים, אז הקירור העל יימשך עד שהטמפרטורה תרד מספיק כדי שגבישים יתחילו להיווצר באופן ספונטני. כשהם יתחילו להיווצר בנוזל המקורר, הם יתחילו לצמוח מהר יותר, ויצרו רפש קרח שיקפא ויוצר קרח.

מים חמים רגישים ביותר להיפותרמיה מכיוון שחימוםם מבטל גזים ובועות מומסים, אשר בתורם יכולים לשמש מרכזים להיווצרות גבישי קרח.

מדוע היפותרמיה גורמת למים חמים לקפוא מהר יותר? במקרה מים קרים, שאינו מקורר-על, מתרחשת הדברים הבאים. במקרה זה, תיווצר שכבה דקה של קרח על פני הכלי. שכבת קרח זו תשמש כמבודדת בין המים לאוויר הקר ותמנע התאיידות נוספת. קצב היווצרות גבישי קרח במקרה זה יהיה פחות. במקרה של מים חמים שעוברים תת-קירור, למים המצוננים אין שכבת קרח מגן על פני השטח. לכן, הוא מאבד חום הרבה יותר מהר דרך החלק העליון הפתוח.

כאשר תהליך הקירור העל מסתיים והמים קופאים, הרבה יותר חום הולך לאיבוד ולכן נוצר יותר קרח.

חוקרים רבים של השפעה זו רואים בהיפותרמיה את הגורם העיקרי במקרה של אפקט Mpemba.

הולכת חום

מים קרים מתחילים לקפוא מלמעלה, ובכך מחמירים את תהליכי קרינת החום וההסעה, ומכאן איבוד החום, בעוד מים חמים מתחילים לקפוא מלמטה.

השפעה זו מוסברת על ידי אנומליה בצפיפות המים. למים יש צפיפות מקסימלית ב-4 C. אם מקררים מים ל-4 C ומניחים אותם בטמפרטורה נמוכה יותר, שכבת המים פני השטח תקפא מהר יותר. מכיוון שהמים האלה פחות צפופים ממים ב-4 מעלות צלזיוס, הם יישארו על פני השטח ויצרו שכבה קרה דקה. בתנאים אלו תיווצר שכבת קרח דקה על פני המים לזמן קצר, אך שכבת קרח זו תשמש כמבודד המגן על שכבות המים התחתונות, שיישארו בטמפרטורה של 4 C. לכן. , תהליך הקירור הנוסף יהיה איטי יותר.

במקרה של מים חמים, המצב שונה לחלוטין. שכבת פני המים תתקרר מהר יותר עקב אידוי ו יותר הבדלטמפרטורות. כמו כן, שכבות מים קרים צפופות יותר משכבות מים חמים, ולכן שכבת המים הקרים תשקע למטה, ותעלה את שכבת המים החמים אל פני השטח. זרימת מים זו מבטיחה ירידה מהירה בטמפרטורה.

אבל למה התהליך הזה לא מגיע לנקודת שיווי המשקל? כדי להסביר את אפקט המפמבה מנקודת מבט זו של הסעה, יש להניח ששכבות המים הקרות והחמות מופרדות ותהליך ההסעה עצמו ממשיך לאחר שטמפרטורת המים הממוצעת יורדת מתחת ל-4 C.

עם זאת, אין ראיות ניסיוניות התומכות בהשערה זו ששכבות מים קרות וחמות מופרדות בהסעה.

גזים מומסים במים

מים תמיד מכילים גזים מומסים בהם - חמצן ופחמן דו חמצני. לגזים אלו יש את היכולת להוריד את נקודת הקיפאון של המים. כאשר המים מחוממים, גזים אלו משתחררים מהמים בגלל מסיסותם במים ב טמפרטורה גבוההלְהַלָן. לכן, כאשר מים חמים מקוררים, תמיד יש בהם פחות גזים מומסים מאשר במים קרים לא מחוממים. לכן, נקודת הקיפאון של מים מחוממים גבוהה יותר והם קופאים מהר יותר. גורם זה נחשב לעתים כגורם העיקרי בהסבר של אפקט Mpemba, אם כי אין נתונים ניסיוניים המאשרים עובדה זו.

מוליכות תרמית

מנגנון זה יכול למלא תפקיד משמעותי כאשר מים מוכנסים למקרר במקפיא במיכלים קטנים. בתנאים אלו נצפה כי המיכל עם מים חמים ממיס את הקרח של המקפיא שמתחתיו, ובכך משפר את המגע התרמי עם דופן המקפיא ואת המוליכות התרמית. כתוצאה מכך, החום מוסר ממיכל המים החמים מהר יותר מאשר מהמכל הקר. בתורו, המיכל עם מים קרים אינו ממיס שלג מתחתיו.

כל התנאים הללו (כמו גם אחרים) נחקרו בניסויים רבים, אך תשובה חד משמעית לשאלה - מי מהם מספק שחזור של 100% של אפקט המפמבה - לא התקבלה.

כך, למשל, בשנת 1995, הפיזיקאי הגרמני דוד אורבך חקר את השפעת קירור-על של מים על השפעה זו. הוא גילה כי מים חמים, המגיעים למצב של קירור-על, קופאים בטמפרטורה גבוהה יותר ממים קרים, ולכן מהר יותר מהאחרונים. אבל מים קריםמגיע למצב מקורר-על מהר יותר מהמצב החם, ובכך מפצה על הפיגור הקודם.

בנוסף, התוצאות של אורבך סתרו נתונים קודמים לפיהם מים חמים מסוגלים להשיג קירור-על גדול יותר בגלל פחות מרכזי התגבשות. כאשר מחממים מים, מוציאים מהם את הגזים המומסים בהם, וכאשר הם מורתחים משקעים כמה מלחים המומסים בהם.

עד כה, ניתן לטעון רק דבר אחד - שכפול האפקט הזה תלוי בעיקרו בתנאים שבהם הניסוי מתבצע. דווקא בגלל שלא תמיד משחזרים אותו.

או.וי מוסין

סִפְרוּתִימקורות:

"מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים. מדוע הם עושים זאת?", ג'רל ווקר ב-The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, מס'. 3, עמ' 246-257; ספטמבר, 1977.

"הקפאת מים חמים וקרים", ג.S. קל ב-American Journal of Physics, Vol. 37, לא. 5, עמ' 564-565; מאי 1969.

"קירור-על ואפקט המפמבה", דיוויד אורבך, ב-American Journal of Physics, Vol. 63, לא. 10, עמ' 882-885; אוקטובר, 1995.

"אפקט המפמבה: זמני הקפאה של מים חמים וקרים", צ'ארלס א. נייט, ב-American Journal of Physics, Vol. 64, לא. 5, עמ' 524; מאי, 1996.

שלום לכם אוהבים יקרים עובדות מעניינות. היום נדבר על. אבל אני חושב שהשאלה בכותרת אולי נראית פשוט אבסורדית - אבל צריך תמיד לסמוך לחלוטין על הידועים לשמצה" שכל ישר", במקום ניסוי אימות מוגדר בקפדנות. בואו ננסה להבין מדוע מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים?

התייחסות להיסטוריה

שבסוגיית הקפאת המים הקרים והחמים "לא הכל טהור" הוזכר בחיבוריו של אריסטו, אז נרשמו הערות דומות על ידי פ' בייקון, ר' דקארט וג'יי בלק. בהיסטוריה האחרונה, השם "פרדוקס מפמבה" הוצמד לאפקט זה - על שמו של תלמיד בית ספר מטנגניקה, ארסטו מפמבה, ששאל את אותה שאלה לפרופסור אורח לפיזיקה.

השאלה של הילד עלתה לא מאפס, אלא מתוך תצפיות אישיות גרידא על תהליך קירור תערובות גלידה במטבח. כמובן, החברים לכיתה שנכחו שם, יחד עם מורה בבית הספרלמפמבה נלעג - אולם לאחר אימות ניסיוני באופן אישי על ידי פרופסור ד' אוסבורן, הרצון ללעוג לאראסטו "התנדף" מהם. יתרה מכך, Mpemba, יחד עם הפרופסור, פרסמו תיאור מפורט של השפעה זו בשנת 1969 ב-Physics Education - ומאז השם הנ"ל תוקן בספרות המדעית.

מהי מהות התופעה?

מערך הניסוי הוא די פשוט: בהיותם דברים שווים, נבדקים כלים זהים בעלי דופן דקה, בהם יש כמויות מים שוות לחלוטין, הנבדלות רק בטמפרטורה. הכלים מועמסים למקרר, ולאחר מכן נרשם הזמן לפני היווצרות הקרח בכל אחד מהם. הפרדוקס הוא שבכלי עם נוזל חם יותר בהתחלה, זה קורה מהר יותר.

איך הפיזיקה המודרנית מסבירה זאת?

לפרדוקס אין הסבר אוניברסלי, שכן מספר תהליכים מקבילים מתקיימים יחד, שתרומתם עשויה להיות שונה מתנאים ראשוניים ספציפיים - אך עם תוצאה אחידה:

• היכולת של נוזל להתקרר - בתחילה מים קרים נוטים יותר להיפותרמיה, כלומר. נשאר נוזלי כאשר הטמפרטורה שלו כבר מתחת לנקודת הקיפאון
• קירור מואץ - קיטור ממים חמים הופך למיקרו-גבישים של קרח, אשר, בעת נפילה לאחור, מאיצים את התהליך ופועלים כ"מחליף חום חיצוני" נוסף.
• אפקט בידוד - בניגוד למים חמים, מים קרים קופאים מלמעלה, מה שמוביל לירידה בהעברת החום על ידי הסעה וקרינה

יש עוד מספר הסברים (בפעם האחרונה שהתחרות על ההשערה הטובה ביותר נערכה על ידי החברה המלכותית הבריטית לכימיה לאחרונה, ב-2012) - אבל עדיין אין תיאוריה חד משמעית לכל המקרים של שילובים של תנאי קלט...

מים הם אחד הנוזלים המדהימים בעולם, שיש לו תכונות יוצאות דופן. לדוגמה, קרח הוא מצב מוצק של נוזל, בעל משקל סגולי נמוך מהמים עצמם, מה שעשה הרבה התרחשות אפשריתוהתפתחות החיים על פני כדור הארץ. בנוסף, בעולם הכמעט מדעי, ולמעשה המדעי, מתקיימים דיונים על אילו מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים. מי שיוכיח הקפאה מהירה יותר של נוזל חם בתנאים מסוימים ויבסס מדעית את החלטתו יקבל פרס של 1,000 פאונד מהאגודה הבריטית המלכותית לכימאים.

רקע כללי

העובדה שבמספר תנאים המים החמים מקדימים את המים הקרים מבחינת קצב ההקפאה, הבחינו עוד בימי הביניים. פרנסיס בייקון ורנה דקארט השקיעו מאמצים רבים כדי להסביר את התופעה הזו. עם זאת, מנקודת המבט של הנדסת חום קלאסית, לא ניתן להסביר את הפרדוקס הזה, והם ניסו להשתיק אותו בבושה. הדחף להמשך הסכסוך היה סיפור קצת מוזר שקרה לתלמיד בית הספר הטנזני ארסטו מפמבה (ארסטו מפמבה) ב-1963. פעם, במהלך שיעור הכנת קינוחים בבית ספר לבישול, ילד, שדעתו מוסחת מדברים אחרים, לא הספיק לקרר את תערובת הגלידה בזמן ולהכניס למקפיא תמיסה של סוכר בחלב חם. להפתעתו, המוצר התקרר מעט מהר יותר מזה של עמיתיו המתרגלים שצפו משטר טמפרטורההכנת גלידה.

בניסיון להבין את מהות התופעה, פנה הילד למורה לפיזיקה, שבלי להיכנס לפרטים, לעג לניסויים הקולינריים שלו. עם זאת, ארסטו נבדל בהתמדה מעוררת קנאה והמשיך בניסויים שלו לא עוד על חלב, אלא על מים. הוא דאג שבמקרים מסוימים מים חמים יקפאו מהר יותר ממים קרים.

בכניסה לאוניברסיטת דאר א-סלאם, ארסטו ממפבה השתתף בהרצאה של פרופסור דניס ג' אוסבורן. לאחר סיום הלימודים, הסטודנט תמה את המדען בבעיית קצב הקפאת המים בהתאם לטמפרטורה שלהם. ד.ג. אוסבורן לעג לעצם הצגת השאלה, וקבע באדישות שכל מפסיד יודע שמים קרים יקפאו מהר יותר. עם זאת, העקשנות הטבעית של הצעיר הרגישה את עצמה. הוא התערב עם הפרופסור, והציע לערוך בדיקה ניסיונית כאן, במעבדה. Erasto הניח שני מיכלים של מים במקפיא, אחד ב-95°F (35°C) והשני ב-212°F (100°C). מה הייתה ההפתעה של הפרופסור וה"מעריצים" מסביב כשהמים במיכל השני קפאו מהר יותר. מאז, תופעה זו נקראה "פרדוקס המפמבה".

עם זאת, עד היום אין השערה תיאורטית קוהרנטית המסבירה את "פרדוקס המפמבה". לא ברור איזה גורמים חיצוניים, תרכובת כימיתמים, נוכחות של גזים מומסים בהם ו מינרליםלהשפיע על קצב הקפאת נוזלים בטמפרטורות שונות. הפרדוקס של "אפקט המפמבה" הוא שהוא סותר את אחד החוקים שגילה I. ניוטון, הקובע שזמן הקירור של המים עומד ביחס ישר להפרש הטמפרטורה בין הנוזל לסביבה. ואם כל שאר הנוזלים כפופים לחלוטין לחוק זה, אז מים במקרים מסוימים הם חריגים.

מדוע מים חמים קופאים מהר יותר?ט

ישנן מספר גרסאות מדוע מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים. העיקריים שבהם הם:

• מים חמים מתאדים מהר יותר, בעוד נפחם יורד, ונפח קטן יותר של נוזל מתקרר מהר יותר - כאשר המים מקוררים מ-+100 מעלות צלזיוס ל-0 מעלות צלזיוס, הפסדי נפח בלחץ אטמוספרי מגיעים ל-15%;
• עוצמת חילופי החום בין הנוזל לסביבה היא גבוהה יותר, ככל שהפרש הטמפרטורה גדול יותר, כך שאיבוד החום של מים רותחים עובר מהר יותר;
• כאשר מים חמים מתקררים, נוצר קרום קרח על פני השטח שלו, המונע מהנוזל לקפוא ולהתאדות לחלוטין;
• בטמפרטורה גבוהה של מים, ערבוב הסעה שלה מתרחש, ומפחית את זמן ההקפאה;
• גזים מומסים במים מורידים את נקודת הקיפאון, לוקחים אנרגיה להיווצרות גבישים - אין גזים מומסים במים חמים.

כל התנאים הללו עברו אימות ניסיוני חוזר ונשנה. במיוחד גילה המדען הגרמני דוד אורבך שטמפרטורת ההתגבשות של מים חמים מעט גבוהה מזו של מים קרים, מה שמאפשר להקפיא את הראשונים מהר יותר. עם זאת, מאוחר יותר נמתחה ביקורת על הניסויים שלו ומדענים רבים משוכנעים ש"אפקט המפמבה" שעליו המים קופאים מהר יותר - חמים או קרים, ניתן לשחזר רק בתנאים מסוימים, שאיש לא חיפש וממש עד כה.

מים- חומר פשוט למדי מנקודת מבט כימית, עם זאת, יש לו מספר מאפיינים יוצאי דופןשלא מפסיקים להדהים את המדענים. להלן כמה עובדות שמעטים יודעים עליהן.

1. אילו מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים?

קחו שני מיכלי מים: שופכים מים חמים לאחד ומים קרים לשני ומכניסים למקפיא. מים חמים יקפאו מהר יותר ממים קרים, אם כי באופן הגיוני, מים קרים היו צריכים להפוך קודם כל לקרח: אחרי הכל, מים חמים חייבים קודם כל להתקרר לטמפרטורה קרה, ולאחר מכן להפוך לקרח, בעוד מים קרים לא צריכים להתקרר. למה זה קורה?

בשנת 1963, סטודנט טנזני בשם Erasto B. Mpemba, תוך הקפאת תערובת גלידה מוכנה, שם לב שהתערובת החמה מתמצקת מהר יותר במקפיא מאשר הקרה. כשהצעיר שיתף מורה לפיזיקה בתגלית שלו, הוא רק צחק עליו. למרבה המזל, התלמיד התעקש ושכנע את המורה לערוך ניסוי, שאישר את הגילוי שלו: בתנאים מסוימים, מים חמים באמת קופאים מהר יותר ממים קרים.

עכשיו תופעה זו של מים חמים שקופאים מהר יותר ממים קרים נקראת " אפקט Mpemba". נכון, הרבה לפני זה נכס ייחודימים צוינו על ידי אריסטו, פרנסיס בייקון ורנה דקארט.

מדענים אינם מבינים עד הסוף את טבעה של תופעה זו, ומסבירים אותה גם על ידי ההבדל בהיפותרמיה, אידוי, היווצרות קרח, הסעה או ההשפעה של גזים נוזליים על מים חמים וקרים.

2. היא מסוגלת להקפיא באופן מיידי

כולם יודעים את זה מיםתמיד הופך לקרח בקירור ל-0 מעלות צלזיוס... למעט במקרים מסוימים! מקרה כזה, למשל, הוא סופר-קירור, שהוא תכונה של מאוד מים טהוריםלהישאר נוזלי גם כשהוא מקורר מתחת לאפס. תופעה זו מתאפשרת בשל העובדה שהסביבה אינה מכילה מרכזי התגבשות או גרעינים שעלולים לעורר היווצרות גבישי קרח. וכך המים נשארים בצורה נוזלית, גם כשהם מקוררים לטמפרטורות מתחת לאפס מעלות צלזיוס.

תהליך התגבשותיכול להיות מעורר, למשל, על ידי בועות גז, זיהומים (זיהום), משטח לא אחיד של המיכל. בלעדיהם המים יישארו בפנים מצב נוזלי. כאשר מתחיל תהליך ההתגבשות, ניתן לראות כיצד המים המקוררים במיוחד הופכים מיידית לקרח.

שימו לב שגם מים "חוממים" נשארים נוזליים גם כשהם מחוממים מעל נקודת הרתיחה.

3. 19 מצבי מים

ללא היסוס, ציין כמה מצבים שונים יש למים? אם ענית על שלושה: מוצק, נוזלי, גזי, אז אתה טועה. מדענים מבחינים לפחות ב-5 מצבים שונים של מים בצורה נוזלית ו-14 מצבים בצורה קפואה.

זוכרים את השיחה על מים סופר צוננים? אז, לא משנה מה תעשה, ב-38 מעלות צלזיוס, אפילו המים הסופר-מקוררים הטהורים ביותר יהפכו לפתע לקרח. מה קורה כשהטמפרטורה יורדת עוד יותר? ב-120 מעלות צלזיוס, משהו מוזר מתחיל לקרות למים: הם הופכים להיות סופר צמיגים או צמיגים, כמו מולסה, ובטמפרטורות מתחת ל-135 מעלות צלזיוס, הם הופכים למים "זכוכיים" או "זכוכיים" - מוצק, שחסר מבנה גבישי.

4. מים מפתיעים את הפיזיקאים

ברמה המולקולרית, מים מפתיעים עוד יותר. בשנת 1995, ניסוי פיזור נויטרונים שנערך על ידי מדענים נתן תוצאה בלתי צפויה: פיזיקאים גילו שניוטרונים המכוונים למולקולות מים "רואים" 25% פחות פרוטוני מימן מהצפוי.

התברר שבמהירות של שנייה אחת (10 -18 שניות) מתרחש אפקט קוונטי יוצא דופן, ו נוסחה כימיתמים במקום H2O, הופך ל-H1.5O!

5. זיכרון מים

חֲלוּפָה רפואה רשמית הוֹמֵיאוֹפָּתִיָהקובע כי תמיסה מדוללת מוצר תרופתייכול לספק אפקט מרפאעל האורגניזם, גם אם גורם הדילול כה גדול שלא נותר בתמיסה דבר מלבד מולקולות מים. תומכי ההומאופתיה מסבירים את הפרדוקס הזה עם מושג שנקרא " זיכרון מים", לפיה למים ברמה המולקולרית יש "זיכרון" של חומר לאחר שהומס בתוכם ושומרים על תכונות תמיסה בריכוז ההתחלתי לאחר שלא נשארה בהם מולקולת מרכיב אחת.

צוות בינלאומי של מדענים בראשות פרופסור מדלן אניס מאוניברסיטת קווינס בבלפסט, שביקרה את עקרונות ההומאופתיה, ערך ניסוי ב-2002 כדי להפריך את הרעיון אחת ולתמיד. התוצאה הייתה הפוכה. לאחר מכן, מדענים אמרו שהם הצליחו להוכיח את מציאות ההשפעה " זיכרון מים". עם זאת, ניסויים שנערכו בפיקוח מומחים בלתי תלויים לא הביאו תוצאות. מחלוקות על קיומה של התופעה" זיכרון מים» להמשיך.

למים יש תכונות יוצאות דופן רבות אחרות שלא כיסינו במאמר זה. למשל, צפיפות המים משתנה בהתאם לטמפרטורה (צפיפות הקרח קטנה מזו של המים); המים די גדולים מתח פנים; במצב נוזלי, מים הם רשת מורכבת ומשתנה דינמית של אשכולות מים, והתנהגותם של אשכולות היא שמשפיעה על מבנה המים וכו'.

על אלו ועוד רבים נוספים תכונות בלתי צפויות מיםניתן לקרוא במאמר תכונות חריגות של מים", מחברו הוא מרטין צ'פלין, פרופסור באוניברסיטת לונדון.

אפקט Mpemba(Mpemba Paradox) הוא פרדוקס הקובע כי מים חמים בתנאים מסוימים קופאים מהר יותר ממים קרים, אם כי עליהם לעבור את טמפרטורת המים הקרים בתהליך הקפאה. הפרדוקס הזה הוא עובדה ניסיונית הסותרת את הרעיונות הרגילים, לפיהם, באותם תנאים, גוף חם יותר צריך יותר זמן להתקרר לטמפרטורה מסוימת מאשר גוף קריר יותר כדי להתקרר לאותה טמפרטורה.

לתופעה זו הבחינו בזמנו על ידי אריסטו, פרנסיס בייקון ורנה דקארט, אך רק ב-1963 גילה תלמיד בית הספר הטנזני ארסטו מפמבה שתערובת גלידה חמה קופאת מהר יותר מאשר קרה.

Erasto Mpemba היה תלמיד בבית הספר התיכון Magambin בטנזניה שעשה עבודת בישול מעשית. הוא היה צריך להכין גלידה ביתית - להרתיח חלב, להמיס בו סוכר, לקרר אותו לטמפרטורת החדר, ואז להכניס למקרר להקפאה. ככל הנראה, מפמבה לא היה תלמיד חרוץ במיוחד והתמהמה בחלק הראשון של המשימה. מחשש שלא יגיע בזמן עד סוף השיעור, הכניס את החלב החם שעדיין לא יגיע למקרר. להפתעתו, הוא קפא אפילו מוקדם יותר מהחלב של חבריו, שהוכן לפי טכנולוגיה נתונה.

לאחר מכן, Mpemba התנסה לא רק עם חלב, אלא גם עם מים רגילים. בכל מקרה, בהיותו סטודנט בתיכון מקוואה, הוא שאל את פרופסור דניס אוסבורן מהמכללה האוניברסיטאית בדאר א-סלאם (שהוזמנה על ידי מנהל בית הספר לתת הרצאה על פיזיקה לתלמידים) על מים: "אם אתה לוקח שני מיכלים זהים עם נפחים שווים של מים כך שבאחד מהם יש למים טמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס, ובשני - 100 מעלות צלזיוס, ומכניסים אותם למקפיא, ואז בשנייה המים יקפאו מהר יותר למה? אוסבורן החל להתעניין בסוגיה זו ועד מהרה בשנת 1969, יחד עם Mpemba, הם פרסמו את תוצאות הניסויים שלהם בכתב העת "Physics Education". מאז, האפקט שגילו נקרא אפקט Mpemba.

עד עכשיו אף אחד לא יודע בדיוק איך להסביר את האפקט המוזר הזה. למדענים אין גרסה אחת, אם כי יש הרבה. הכל עניין של ההבדל בתכונות של מים חמים וקרים, אבל עדיין לא ברור אילו תכונות משחקות תפקיד במקרה זה: ההבדל בקירור-על, אידוי, היווצרות קרח, הסעה או השפעת גזים נוזליים על מים ב- טמפרטורות שונות.

הפרדוקס של אפקט Mpemba הוא שהזמן שבו הגוף מתקרר לטמפרטורת הסביבה חייב להיות פרופורציונלי להפרש הטמפרטורה בין גוף זה לבין הסביבה. חוק זה הוקם על ידי ניוטון ומאז אושר פעמים רבות בפועל. באותו אפקט, מים ב-100°C מתקררים ל-0°C מהר יותר מאשר אותה כמות מים ב-35°C.

עם זאת, זה עדיין לא מרמז על פרדוקס, שכן אפקט Mpemba יכול להיות מוסבר גם בתוך הפיזיקה המוכרת. הנה כמה הסברים לאפקט Mpemba:

אידוי

מים חמים מתאדים מהר יותר מהמיכל, ובכך מפחיתים את נפחם, ונפח קטן יותר של מים עם אותה טמפרטורה קופא מהר יותר. מים מחוממים ל-100 C מאבדים 16% מהמסה שלהם כשהם מקוררים ל-0 C.

אפקט האידוי הוא אפקט כפול. ראשית, מסת המים הדרושה לקירור מצטמצמת. ושנית, הטמפרטורה יורדת בשל העובדה שחום האידוי של המעבר משלב המים לשלב האדים יורד.

הבדלי טמפרטורה

בשל העובדה שהפרש הטמפרטורות בין מים חמים לאוויר קר גדול יותר - מכאן שחילופי החום במקרה זה אינטנסיביים יותר ומים חמים מתקררים מהר יותר.

היפותרמיה

כאשר המים מתקררים מתחת ל-0 C, הם לא תמיד קופאים. בתנאים מסוימים, הוא יכול לעבור קירור-על תוך שהוא ממשיך להישאר נוזלי בטמפרטורות מתחת לנקודת הקיפאון. במקרים מסוימים, מים יכולים להישאר נוזליים אפילו ב-20 מעלות צלזיוס.

הסיבה להשפעה זו היא שכדי שגבישי הקרח הראשונים יתחילו להיווצר, יש צורך במרכזי היווצרות גבישים. אם הם לא במים נוזליים, אז הקירור העל יימשך עד שהטמפרטורה תרד מספיק כדי שגבישים יתחילו להיווצר באופן ספונטני. כשהם יתחילו להיווצר בנוזל המקורר, הם יתחילו לצמוח מהר יותר, ויצרו רפש קרח שיקפא ויוצר קרח.

מים חמים רגישים ביותר להיפותרמיה מכיוון שחימוםם מבטל גזים ובועות מומסים, אשר בתורם יכולים לשמש מרכזים להיווצרות גבישי קרח.

מדוע היפותרמיה גורמת למים חמים לקפוא מהר יותר? במקרה של מים קרים, שאינם מקוררים-על, מתרחשים הדברים הבאים. במקרה זה, תיווצר שכבה דקה של קרח על פני הכלי. שכבת קרח זו תשמש כמבודדת בין המים לאוויר הקר ותמנע התאיידות נוספת. קצב היווצרות גבישי קרח במקרה זה יהיה פחות. במקרה של מים חמים שעוברים תת-קירור, למים המצוננים אין שכבת קרח מגן על פני השטח. לכן, הוא מאבד חום הרבה יותר מהר דרך החלק העליון הפתוח.

כאשר תהליך הקירור העל מסתיים והמים קופאים, הרבה יותר חום הולך לאיבוד ולכן נוצר יותר קרח.

חוקרים רבים של השפעה זו רואים בהיפותרמיה את הגורם העיקרי במקרה של אפקט Mpemba.

הולכת חום

מים קרים מתחילים לקפוא מלמעלה, ובכך מחמירים את תהליכי קרינת החום וההסעה, ומכאן איבוד החום, בעוד מים חמים מתחילים לקפוא מלמטה.

השפעה זו מוסברת על ידי אנומליה בצפיפות המים. למים יש צפיפות מקסימלית ב-4 C. אם מקררים מים ל-4 C ומניחים אותם בטמפרטורה נמוכה יותר, שכבת המים פני השטח תקפא מהר יותר. מכיוון שהמים האלה פחות צפופים ממים ב-4 מעלות צלזיוס, הם יישארו על פני השטח ויצרו שכבה קרה דקה. בתנאים אלו תיווצר שכבת קרח דקה על פני המים לזמן קצר, אך שכבת קרח זו תשמש כמבודד המגן על שכבות המים התחתונות, שיישארו בטמפרטורה של 4 C. לכן. , תהליך הקירור הנוסף יהיה איטי יותר.

במקרה של מים חמים, המצב שונה לחלוטין. שכבת פני המים תתקרר מהר יותר בגלל אידוי והפרש טמפרטורות גדול יותר. כמו כן, שכבות מים קרים צפופות יותר משכבות מים חמים, ולכן שכבת המים הקרים תשקע למטה, ותעלה את שכבת המים החמים אל פני השטח. זרימת מים זו מבטיחה ירידה מהירה בטמפרטורה.

אבל למה התהליך הזה לא מגיע לנקודת שיווי המשקל? כדי להסביר את אפקט המפמבה מנקודת מבט זו של הסעה, יש להניח ששכבות המים הקרות והחמות מופרדות ותהליך ההסעה עצמו ממשיך לאחר שטמפרטורת המים הממוצעת יורדת מתחת ל-4 C.

עם זאת, אין ראיות ניסיוניות התומכות בהשערה זו ששכבות מים קרות וחמות מופרדות בהסעה.

גזים מומסים במים

מים תמיד מכילים גזים מומסים בהם - חמצן ופחמן דו חמצני. לגזים אלו יש את היכולת להוריד את נקודת הקיפאון של המים. כאשר המים מחוממים, גזים אלו משתחררים מהמים מכיוון שמסיסותם במים בטמפרטורה גבוהה נמוכה יותר. לכן, כאשר מים חמים מקוררים, תמיד יש בהם פחות גזים מומסים מאשר במים קרים לא מחוממים. לכן, נקודת הקיפאון של מים מחוממים גבוהה יותר והם קופאים מהר יותר. גורם זה נחשב לעתים כגורם העיקרי בהסבר של אפקט Mpemba, אם כי אין נתונים ניסיוניים המאשרים עובדה זו.

מוליכות תרמית

מנגנון זה יכול למלא תפקיד משמעותי כאשר מים מוכנסים למקרר במקפיא במיכלים קטנים. בתנאים אלו נצפה כי המיכל עם מים חמים ממיס את הקרח של המקפיא שמתחתיו, ובכך משפר את המגע התרמי עם דופן המקפיא ואת המוליכות התרמית. כתוצאה מכך, החום מוסר ממיכל המים החמים מהר יותר מאשר מהמכל הקר. בתורו, המיכל עם מים קרים אינו ממיס שלג מתחתיו.

כל התנאים הללו (כמו גם אחרים) נחקרו בניסויים רבים, אך תשובה חד משמעית לשאלה - מי מהם מספק שחזור של 100% של אפקט המפמבה - לא התקבלה.

כך, למשל, בשנת 1995, הפיזיקאי הגרמני דוד אורבך חקר את השפעת קירור-על של מים על השפעה זו. הוא גילה כי מים חמים, המגיעים למצב של קירור-על, קופאים בטמפרטורה גבוהה יותר ממים קרים, ולכן מהר יותר מהאחרונים. אבל מים קרים מגיעים למצב של קירור-על מהר יותר ממים חמים, ובכך מפצים על הפיגור הקודם.

בנוסף, התוצאות של אורבך סתרו נתונים קודמים לפיהם מים חמים מסוגלים להשיג קירור-על גדול יותר בגלל פחות מרכזי התגבשות. כאשר מחממים מים, מוציאים מהם את הגזים המומסים בהם, וכאשר הם מורתחים משקעים כמה מלחים המומסים בהם.

עד כה, ניתן לטעון רק דבר אחד - שכפול האפקט הזה תלוי בעיקרו בתנאים שבהם הניסוי מתבצע. דווקא בגלל שלא תמיד משחזרים אותו.