מדוע מים חמים מתאדים מהר יותר ממים קרים? אפקט mpemba, או מדוע מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים

במאמר זה נבחן מדוע מים חמיםקופא מהר יותר מאשר קר.

מים מחוממים קופאים הרבה יותר מהר ממים קרים! זה נכס מדהיםמים, את ההסבר המדויק לו עדיין לא מוצאים מדענים, ידוע עוד מימי קדם. למשל, אפילו אצל אריסטו יש תיאור של דיג חורפי: דייגים הכניסו חכות לחורים בקרח, וכדי שיקפאו מהר יותר, שפכו מים חמימים על הקרח. שמה של תופעה זו נקרא על שם ארסטו מפמבה בשנות ה-60 של המאה העשרים. מנמבה הבחין באפקט המוזר בעת הכנת גלידה ופנה למורה לפיזיקה שלו, ד"ר דניס אוסבורן, כדי לקבל הסבר. Mpemba וד"ר אוסבורן ערכו ניסויים במים טמפרטורות שונותוסיכם: מים כמעט רותחים מתחילים לקפוא הרבה יותר מהר ממים בטמפרטורת החדר. מדענים אחרים ביצעו ניסויים משלהם ובכל פעם השיגו תוצאות דומות.

הסבר על תופעה פיזיקלית

אין הסבר מקובל למה זה קורה. חוקרים רבים טוענים שהכל קשור לקירור-על של נוזל, המתרחש כאשר הטמפרטורה שלו יורדת מתחת לאפס. במילים אחרות, אם המים קופאים בטמפרטורה מתחת ל-0 מעלות צלזיוס, אז למים המצוננים יכולים להיות טמפרטורה של, למשל, -2 מעלות צלזיוס ועדיין להישאר נוזליים מבלי להפוך לקרח. כאשר אנו מנסים להקפיא מים קרים, יש סיכוי שהם יתקררו בהתחלה, ויתקשות רק לאחר זמן מה. במים מחוממים מתרחשים תהליכים אחרים. הפיכתו המהירה יותר לקרח קשורה להסעה.

הולכת חום- זוהי תופעה פיזיקלית שבה השכבות התחתונות החמות של הנוזל עולות, והעליונות, המקוררות, נופלות.

אילו מים קופאים מהר יותר, חמים או קרים, מושפעים מגורמים רבים, אבל השאלה עצמה נראית קצת מוזרה. מובן, וזה ידוע מהפיסיקה, למים חמים עדיין צריך זמן להתקרר לטמפרטורה דומה ל- מים קריםלהפוך לקרח. מים קרים יכולים לדלג על שלב זה, ובהתאם, הם מנצחים בזמן.

אבל את התשובה לשאלה אילו מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים - ברחוב בכפור, יודע כל תושב בקווי הרוחב הצפוניים. למעשה, מבחינה מדעית, מתברר שבכל מקרה, מים קרים פשוט צריכים לקפוא מהר יותר.

כך גם המורה לפיזיקה, שאליו פנה תלמיד בית הספר ארסטו מפמבה ב-1963 בבקשה להסביר מדוע התערובת הקרה של גלידה עתידית קופאת זמן רב יותר מאשר תערובת דומה, אך חמה.

"זו לא פיזיקת עולם, אלא איזושהי פיזיקת Mpemba"

באותו זמן, המורה רק צחקה מזה, אבל דניס אוסבורן, פרופסור לפיזיקה, שבזמן מסוים למד באותו בית ספר שבו למד ארסטו, אישרה בניסוי את קיומה של אפקט כזה, למרות שלא היה לזה הסבר אז. . בשנת 1969 פרסם כתב עת מדעי פופולרי מאמר משותף של שני האנשים שתיארו את האפקט המוזר הזה.

מאז, אגב, לשאלה אילו מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים, יש שם משלה - האפקט, או הפרדוקס, Mpemba.

השאלה קיימת כבר הרבה זמן

מטבע הדברים, תופעה כזו התרחשה בעבר, והיא הוזכרה בעבודותיהם של מדענים אחרים. לא רק תלמיד בית הספר התעניין בשאלה זו, אלא רנה דקארט ואפילו אריסטו חשבו על זה פעם אחת.

הנה רק גישות לפתרון הפרדוקס הזה התחיל להסתכל רק בסוף המאה העשרים.

תנאים להתרחשות פרדוקס

כמו בגלידה, לא רק מים רגילים קופאים במהלך הניסוי. חייבים להתקיים תנאים מסוימים כדי להתחיל להתווכח אילו מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים. מה משפיע על התהליך הזה?

כעת, במאה ה-21, הועלו כמה אפשרויות שיכולות להסביר את הפרדוקס הזה. אילו מים קופאים מהר יותר, חמים או קרים, עשויים להיות תלויים בעובדה שיש להם קצב אידוי גבוה יותר מאשר מים קרים. כך, נפחו יורד, ועם ירידה בנפח, זמן ההקפאה מתקצר מאשר אם ניקח נפח ראשוני דומה של מים קרים.

המקפיא כבר מזמן הפשרה

אילו מים קופאים מהר יותר, ומדוע הם עושים זאת, יכולים להיות מושפעים מבטנת השלג שעלולה להיות קיימת במקפיא של המקרר המשמש לניסוי. אם ניקח שני מיכלים, זהים בנפחם, אבל באחד מהם יהיו מים חמים, ובשני - קרים, מיכל עם מים חמיםממיס את השלג מתחתיו, ובכך משפר את המגע של המפלס התרמי עם דופן המקרר. מיכל עם מים קריםלא יכול לעשות זאת. אם אין ריפוד כזה עם שלג במקרר, מים קרים צריכים לקפוא מהר יותר.

מלמעלה למטה

כמו כן, התופעה שבה מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים, מוסברת כך. בעקבות חוקים מסוימים, מים קרים מתחילים לקפוא מהשכבות העליונות, כאשר מים חמים עושים זאת הפוך - הם מתחילים לקפוא מלמטה למעלה. מסתבר שמים קרים, בעלי שכבה קרה מעל עם קרח שכבר נוצר במקומות מסוימים, מחמירים בכך את תהליכי ההסעה והקרינה התרמית, ובכך מסבירים אילו מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים. מצורפת תמונה מניסויים חובבים, וכאן היא נראית בבירור.

החום יוצא, נוטה כלפי מעלה, ושם הוא פוגש שכבה קרירה מאוד. אין נתיב פנוי לקרינת חום, ולכן תהליך הקירור הופך לקשה. למים חמים אין שום מחסומים כאלה בדרכם. מה שקופא מהר יותר - קר או חם, שבו תלויה התוצאה הסבירה, אתה יכול להרחיב את התשובה בכך שבכל מים יש חומרים מסויימים מומסים.

זיהומים בהרכב המים כגורם המשפיע על התוצאה

אם אתה לא מרמה ומשתמש במים באותו הרכב, שבהם הריכוזים של חומרים מסוימים זהים, אז מים קרים צריכים לקפוא מהר יותר. אבל אם מתרחש מצב כאשר המומס יסודות כימייםזמין רק במים חמים, בעוד למים קרים אין אותם, אז יש אפשרות למים חמים לקפוא מוקדם יותר. זה מוסבר בעובדה שהחומרים המומסים במים יוצרים מרכזי התגבשות, ועם מספר קטן של מרכזים אלה קשה הפיכת המים למצב מוצק. אפילו קירור-על של מים אפשרי, במובן זה שבטמפרטורות מתחת לאפס הם יהיו במצב נוזלי.

אבל כל הגרסאות הללו, כנראה, לא התאימו למדענים עד הסוף, והם המשיכו לעבוד על הנושא הזה. ב-2013, צוות חוקרים בסינגפור אמר שהם פתרו את התעלומה עתיקת היומין.

קבוצת מדענים סיניים טוענת שסוד ההשפעה הזו טמון בכמות האנרגיה שנאגרת בין מולקולות המים בקשרים שלה, המכונות קשרי מימן.

התשובה של מדענים סינים

מידע נוסף יבוא בהמשך, להבנתו יש צורך בידע מסוים בכימיה כדי להבין אילו מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים. כפי שאתה יודע, הוא מורכב משני אטומי H (מימן) ואטום O (חמצן) אחד המוחזקים יחד בקשרים קוולנטיים.

אבל אטומי מימן של מולקולה אחת נמשכים גם למולקולות שכנות, למרכיב החמצן שלהן. קשרים אלו נקראים קשרי מימן.

יחד עם זאת, כדאי לזכור שבמקביל מולקולות המים פועלות באופן דוחה זו על זו. מדענים ציינו שכאשר מים מחוממים, המרחק בין המולקולות שלהם גדל, וזה מקל על ידי כוחות הדחייה. מסתבר שכאשר תופסים מרחק אחד בין מולקולות במצב קר, אפשר לומר שהן נמתחות, ויש להן אספקה ​​גדולה יותר של אנרגיה. מאגר האנרגיה הזה הוא שמשתחרר כאשר מולקולות מים מתחילות להתקרב זו לזו, כלומר מתרחשת התקררות. מסתבר שאספקה ​​גדולה יותר של אנרגיה במים חמים, ושחרור גדול יותר שלה בקירור לטמפרטורות מתחת לאפס, מתרחשת מהר יותר מאשר במים קרים, שיש להם אספקה ​​קטנה יותר של אנרגיה כזו. אז איזה מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים? ברחוב ובמעבדה אמור להתרחש פרדוקס המפמבה, ומים חמים צריכים להפוך לקרח מהר יותר.

אבל השאלה עדיין פתוחה

יש רק אישור תיאורטי לרמז הזה - כל זה כתוב בנוסחאות יפות ונראה סביר. אבל כאשר נתוני הניסוי, שהמים קופאים מהר יותר - חמים או קרים, יוצגו במובן מעשי, ותוצאותיהם יוצגו, אז ניתן יהיה לשקול את שאלת פרדוקס המפמבה כסגורה.

21.11.2017 11.10.2018 אלכסנדר פירצב

« אילו מים קופאים מהר יותר קרים או חמים?”- נסו לשאול את החברים שלכם שאלה, סביר להניח שרובם יענו שמים קרים קופאים מהר יותר – ויעשו טעות.

למעשה, אם תכניסו למקפיא במקביל שני כלים באותו צורה ונפח, שאחד מהם יכיל מים קרים והשני חמים, אז מים חמים יקפאו מהר יותר.

אמירה כזו עשויה להיראות אבסורדית ובלתי סבירה. באופן הגיוני, מים חמים חייבים קודם להתקרר לטמפרטורה קרה, ומים קרים אמורים להפוך לקרח בשלב זה.

אז למה מים חמים עוקפים מים קרים בדרך לקפיאה? בואו ננסה להבין את זה.

היסטוריה של תצפיות ומחקרים

אנשים צפו בהשפעה הפרדוקסלית מאז ימי קדם, אבל אף אחד לא נתן לו משמעות מיוחדת. אז חוסר עקביות בקצב ההקפאה של מים קרים וחמים צוינו ברשימותיהם על ידי ארסטוטל, כמו גם על ידי רנה דקארט ופרנסיס בייקון. תופעה חריגהמתבטא לעתים קרובות בחיי היומיום.

במשך זמן רב, התופעה לא נחקרה בשום צורה ולא עוררה עניין רב בקרב מדענים.

המחקר על האפקט החריג החל ב-1963, כאשר סטודנט סקרן מטנזניה, ארסטו מפמבה, שם לב שחלב חם לגלידה קופא מהר יותר מחלב קר. בתקווה לקבל הסבר על הסיבות להשפעה החריגה, הצעיר שאל את המורה לפיזיקה שלו בבית הספר. עם זאת, המורה רק צחקה עליו.

מאוחר יותר, מפמבה חזר על הניסוי, אך בניסוי שלו הוא כבר לא השתמש בחלב, אלא במים, והאפקט הפרדוקסלי חזר על עצמו שוב.

שש שנים מאוחר יותר, ב-1969, שאל מפמבה את השאלה הזו לפרופסור לפיזיקה דניס אוסבורן, שהגיע לבית ספרו. הפרופסור התעניין בתצפית על הצעיר, כתוצאה מכך נערך ניסוי שאישר את נוכחות ההשפעה, אך הסיבות לתופעה זו לא נקבעו.

מאז, נקראת התופעה אפקט Mpemba.

לאורך ההיסטוריה של התצפיות המדעיות, הועלו השערות רבות לגבי הגורמים לתופעה.

אז בשנת 2012, החברה המלכותית הבריטית לכימיה תכריז על תחרות של השערות כדי להסביר את אפקט המפמבה. בתחרות השתתפו מדענים מכל העולם, בסך הכל נרשמו 22,000 עבודות מדעיות. למרות מספר כל כך מרשים של מאמרים, אף אחד מהם לא הבהיר את פרדוקס המפמבה.

הגרסה הנפוצה ביותר הייתה לפיה מים חמים קופאים מהר יותר, מכיוון שהם פשוט מתאדים מהר יותר, נפחם הופך קטן יותר, וככל שהנפח יורד, קצב הקירור שלהם עולה. הגרסה הנפוצה ביותר הופרכה בסופו של דבר, מכיוון שנערך ניסוי שבו לא נכלל אידוי, אך ההשפעה אושרה בכל זאת.

מדענים אחרים האמינו שהסיבה לאפקט המפמבה היא אידוי של גזים מומסים במים. לדעתם, בתהליך החימום מתאדים גזים המומסים במים, שבגללם הם מקבלים צפיפות גבוהה יותר ממים קרים. כידוע, עלייה בצפיפות מביאה לשינוי תכונות גשמיותמים (עלייה במוליכות תרמית), ומכאן להגדיל את קצב הקירור.

בנוסף, הועלו מספר השערות המתארות את קצב מחזור המים כפונקציה של הטמפרטורה. במחקרים רבים נעשה ניסיון לעמוד על הקשר בין חומר המיכלים בהם נמצא הנוזל. תיאוריות רבות נראו סבירות מאוד, אך לא ניתן היה לאשש אותן מדעית בשל מחסור בנתונים ראשוניים, סתירות בניסויים אחרים, או בשל העובדה שהגורמים שזוהו פשוט לא היו ברי השוואה לקצב קירור המים. כמה מדענים בעבודותיהם הטילו ספק בקיומה של האפקט.

בשנת 2013, חוקרים מהאוניברסיטה הטכנולוגית נאניאנג בסינגפור טענו כי פתרו את תעלומת אפקט המפמבה. לפי המחקר שלהם, הסיבה לתופעה נעוצה בעובדה שכמות האנרגיה האצורה בקשרי מימן בין מולקולות מים קרים וחמים שונה באופן משמעותי.

שיטות הדמיית מחשבהראה התוצאות הבאות: ככל שטמפרטורת המים גבוהה יותר, כך המרחק בין המולקולות גדול יותר בשל העובדה שכוחות הדחייה גדלים. וכתוצאה מכך, קשרי המימן של מולקולות נמתחים, אוגרים כמות גדולהאֵנֶרְגִיָה. כאשר מתקררים, המולקולות מתחילות להתקרב זו לזו, ומשחררות אנרגיה מקשרי מימן. במקרה זה, שחרור האנרגיה מלווה בירידה בטמפרטורה.

באוקטובר 2017, פיזיקאים ספרדים, במהלך מחקר נוסף, גילו שסילוק החומר משיווי המשקל (חימום חזק לפני קירור חזק) הוא שמשחק תפקיד גדול ביצירת האפקט. הם קבעו את התנאים שבהם הסבירות להשפעה היא מקסימלית. בנוסף, מדענים מספרד אישרו את קיומו של אפקט המפמבה ההפוך. הם גילו שכאשר מחומם, דגימה קרה יותר יכולה להגיע לטמפרטורה גבוהה מהר יותר מאשר חמה.

למרות מידע ממצה וניסויים רבים, מדענים מתכוונים להמשיך ולחקור את ההשפעה.

אפקט Mpemba בחיים האמיתיים

תהיתם פעם למה בחורף משטח ההחלקה על הקרח מלא במים חמים ולא קרים? כפי שכבר הבנתם, הם עושים זאת כי משטח החלקה מלא במים חמים יקפא מהר יותר מאשר אם הוא היה מלא במים קרים. מאותה סיבה, מגלשות בעיירות קרח בחורף נשפכות במים חמים.

כך, ידע על קיומה של התופעה מאפשר לאנשים לחסוך זמן בהכנת אתרים לספורט חורף.

בנוסף, אפקט Mpemba משמש לעתים בתעשייה - כדי להפחית את זמן ההקפאה של מוצרים, חומרים וחומרים המכילים מים.

החברה המלכותית הבריטית לכימיה מציעה פרס של 1,000 פאונד לכל מי שיכול להסביר נקודה מדעיתראה מדוע במקרים מסוימים מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים.

"המדע המודרני עדיין לא יכול לענות על השאלה הפשוטה לכאורה הזו. יצרני גלידות וברמנים משתמשים באפקט הזה בעבודה היומיומית שלהם, אבל אף אחד לא באמת יודע למה זה עובד. בעיה זו ידועה במשך אלפי שנים, ופילוסופים כמו אריסטו ודקארט חשבו עליה", אמר פרופסור דיוויד פיליפס, נשיא האגודה הבריטית המלכותית לכימיה, שצוטט בהודעה לעיתונות של האגודה.

איך שף אפריקאי ניצח פרופסור בריטי לפיזיקה

זו לא בדיחה של אחד באפריל, אלא מציאות פיזית קשה. המדע של היום, שפועל בקלות על גלקסיות וחורים שחורים, בונה מאיצי ענק לחיפוש אחר קווארקים ובוזונים, אינו יכול להסביר כיצד מים אלמנטריים "פועלים". ספר הלימוד של בית הספר קובע חד משמעי שלוקח יותר זמן לקרר גוף חם מאשר לקרר גוף קר. אבל לגבי מים, החוק הזה לא תמיד מתקיים. אריסטו הפנה את תשומת הלב לפרדוקס זה במאה הרביעית לפני הספירה. ה. הנה מה שכתב היווני הקדום בספר "Meteorologica I": "העובדה שהמים מחוממים מראש תורמת להקפאתם. לכן, אנשים רבים, כאשר הם רוצים לקרר במהירות מים חמים, תחילה לשים אותם בשמש ... "בימי הביניים, פרנסיס בייקון ורנה דקארט ניסו להסביר את התופעה הזו. אבוי, לא הפילוסופים הגדולים ולא המדענים הרבים שפיתחו את הפיזיקה התרמית הקלאסית הצליחו בכך, ולכן עובדה לא נוחה כזו "נשכחה" במשך זמן רב.

ורק בשנת 1968 הם "נזכרו" בזכות תלמיד בית הספר ארסטו מפמבה מטנזניה, רחוק מכל מדע. בזמן שלמדה בבית ספר לבישול, בשנת 1963, קיבלה Mpembe בת ה-13 את המשימה להכין גלידה. על פי הטכנולוגיה, היה צורך להרתיח חלב, להמיס בו סוכר, לקרר אותו לטמפרטורת החדר, ולאחר מכן להכניס אותו למקרר להקפאה. ככל הנראה, מפמבה לא היה תלמיד חרוץ והיסס. 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 כל הכללים.

כשמפמבה שיתף את התגלית שלו עם מורה לפיזיקה, הוא עשה ממנו צחוק מול כל הכיתה. מפמבה זכרה את העלבון. חמש שנים מאוחר יותר, כבר סטודנט באוניברסיטת דאר א-סלאם, הוא היה בהרצאה של הפיזיקאי המפורסם דניס ג'י אוסבורן. לאחר ההרצאה, הוא שאל את המדען שאלה: "אם אתה לוקח שני מיכלים זהים עם אותה כמות מים, האחד ב-35 מעלות צלזיוס (95 מעלות צלזיוס) והשני ב-100 מעלות צלזיוס (212 מעלות פרנהייט), ומניחים אותם במקפיא, ואז מים במיכל חם יקפאו מהר יותר. למה?" אתם יכולים לדמיין את תגובתו של פרופסור בריטי לשאלה של בחור צעיר מטנזניה שכוחת האל. הוא עשה צחוק מהתלמיד. עם זאת, Mpemba הייתה מוכנה לתשובה כזו ואתגרה את המדען להמר. הטיעון שלהם הגיע לשיאו במבחן ניסיוני שהוכיח שמפמבה צדק ואוסבורן הביס. אז התלמיד-מבשל רשם את שמו בהיסטוריה של המדע, ומעתה נקראת התופעה הזו "אפקט המפמבה". לזרוק אותו, להכריז עליו כאילו "לא קיים" לא עובד. התופעה קיימת, וכפי שכתב המשורר, "לא בשן עם רגל".

האם חלקיקי אבק וחומרים מומסים אשמים?

במהלך השנים, רבים ניסו לפענח את תעלומת המים הקפואים. הוצעו חבורה שלמה של הסברים לתופעה הזו: אידוי, הסעה, השפעת המומסים - אבל אף אחד מהגורמים הללו לא יכול להיחשב סופי. מספר מדענים הקדישו את כל חייהם לאפקט המפמבה. עובד המחלקה לבטיחות בקרינה אוניברסיטת המדינהניו יורק - ג'יימס בראונרידג' - ב זמן חופשיחוקר את הפרדוקס כבר למעלה מעשור. לאחר ביצוע מאות ניסויים, המדען טוען שיש לו עדויות ל"אשמת" ההיפותרמיה. בראונרידג' מסביר שב-0 מעלות צלזיוס, המים מתקררים רק, ומתחילים לקפוא כשהטמפרטורה יורדת מתחת. נקודת הקיפאון מווסתת על ידי זיהומים במים - הם משנים את קצב היווצרותם של גבישי קרח. לזיהומים, ואלה הם חלקיקי אבק, חיידקים ומלחים מומסים, יש טמפרטורת גרעין אופיינית שלהם, כאשר גבישי קרח נוצרים סביב מרכזי ההתגבשות. כאשר מספר אלמנטים נמצאים במים בו זמנית, נקודת הקיפאון נקבעת לפי זה שיש לו הכי הרבה טמפרטורה גבוההגרעין.

לצורך הניסוי, בראונרידג' לקח שתי דגימות מים באותה טמפרטורה והכניס אותן למקפיא. הוא גילה שאחת הדגימות תמיד קופאת לפני השנייה - ככל הנראה בגלל שילוב שונה של זיהומים.

Brownridge טוען כי מים חמים מתקררים מהר יותר בשל יותר הבדלבין הטמפרטורות של המים למקפיא - זה עוזר לו להגיע לנקודת הקיפאון לפני שהמים הקרים מגיעים לנקודת הקיפאון הטבעית שלהם, הנמוכה ב-5 מעלות צלזיוס לפחות.

עם זאת, הנימוק של בראונרידג' מעלה שאלות רבות. לכן, למי שיכול להסביר את אפקט המפמבה בדרכו שלו יש סיכוי להתחרות על אלף לירות שטרלינג מהחברה המלכותית הבריטית לכימיה.

חוקרים רבים העלו ומציגים גרסאות משלהם מדוע מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים. זה נראה פרדוקס - אחרי הכל, כדי להקפיא, מים חמים צריכים קודם להתקרר. עם זאת, העובדה נשארת בעינה, ומדענים מסבירים זאת בדרכים שונות.

גרסאות עיקריות

כרגע, יש כמה גרסאות שמסבירות עובדה זו:

1. מכיוון שהאיידוי במים חמים מהיר יותר, נפחם יורד. כמות קטנה יותר של מים באותה טמפרטורה קופאת מהר יותר.
2. לתא ההקפאה של המקרר יש ריפוד שלג. מיכל המכיל מים חמים ממיס את השלג שמתחתיו. זה משפר את המגע התרמי עם המקפיא.
3. הקפאת מים קרים, שלא כמו חמים, מתחילה מלמעלה. במקרה זה, הסעה וקרינת חום, וכתוצאה מכך, איבוד החום מחמיר.
4. במים קרים יש מוקדי התגבשות - חומרים מומסים בהם. עם תכולה קטנה מהם במים, הדובדבן קשה, אם כי במקביל, היפותרמיה שלו אפשרית - כאשר יש לו מצב נוזלי בטמפרטורות מתחת לאפס.

למרות שזה הוגן להגיד את זה ההשפעה הזאתלא תמיד נצפה. מים קרים לרוב קופאים מהר יותר ממים חמים.

באיזו טמפרטורה מים קופאים

למה מים קופאים בכלל? הוא מכיל כמות מסוימת של חלקיקים מינרלים או אורגניים. אלה, למשל, יכולים להיות חלקיקים עדינים מאוד של חול, אבק או חימר. כאשר טמפרטורת האוויר יורדת, חלקיקים אלו הופכים למרכזים שסביבם נוצרים גבישי קרח.

תפקידם של גרעיני התגבשות יכול להתבצע גם על ידי בועות אוויר וסדקים במיכל המכיל מים. קצב תהליך הפיכת המים לקרח מושפע במידה רבה ממספר המרכזים הללו - אם יש רבים מהם, הנוזל קופא מהר יותר. בתנאים רגילים, עם לחץ אטמוספרי תקין, המים עוברים למצב מוצק מנוזל בטמפרטורה של 0 מעלות.

המהות של אפקט Mpemba

אפקט המפמבה מובן כפרדוקס, שעיקרו הוא שבנסיבות מסוימות מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים. לתופעה זו הבחינו אריסטו ודקארט. עם זאת, רק ב-1963 קבע ארסטו מפמבה, תלמיד בית ספר מטנזניה, שגלידה חמה קופאת יותר מ- זמן קצרמאשר קר. הוא עשה מסקנה כזו בזמן ביצוע משימת הבישול.

הוא נאלץ להמיס סוכר בחלב מבושל ולאחר קירורו להכניסו למקרר להקפאה. ככל הנראה, Mpemba לא היה שונה בחריצות מיוחדת והחל לבצע את החלק הראשון של המשימה באיחור. לכן לא המתין שהחלב יתקרר, והכניס אותו למקרר חם. הוא הופתע מאוד כשהיא קפאה מהר אפילו יותר מזה של חבריו לכיתה, שעשו את העבודה בהתאם לטכנולוגיה הנתונה.

עובדה זו עניינה את הצעיר מאוד, והוא החל בניסויים במים רגילים. בשנת 1969, כתב העת Physics Education פרסם את תוצאות המחקר של Mpemba ופרופסור דניס אוסבורן מאוניברסיטת דאר א-סלאם. האפקט שתיארו קיבל את השם Mpemba. עם זאת, גם כיום אין הסבר ברור לתופעה. כל המדענים מסכימים שהתפקיד העיקרי בכך שייך להבדלים בתכונות של מים צוננים וחמים, אבל מה בדיוק לא ידוע.

גרסת סינגפור

גם פיזיקאים מאחת האוניברסיטאות בסינגפור התעניינו בשאלה אילו מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים? צוות חוקרים בראשות שי ג'אנג הסביר את הפרדוקס הזה בדיוק לפי תכונות המים. כולם עדיין יודעים את הרכב המים מבית הספר - אטום חמצן ושני אטומי מימן. חמצן שואב במידה מסוימת אלקטרונים ממימן, ולכן המולקולה היא סוג מסוים של "מגנט".

כתוצאה מכך, מולקולות מסוימות במים נמשכות מעט זו לזו ומאוחדות על ידי קשר מימן. החוזק שלו נמוך פי כמה מהקשר הקוולנטי. חוקרים מסינגפור מאמינים שההסבר של פרדוקס המפמבה טמון דווקא בקשרי מימן. אם מולקולות מים ממוקמות קרוב מאוד זו לזו, אז אינטראקציה כה חזקה בין מולקולות יכולה לעוות את הקשר הקוולנטי באמצע המולקולה עצמה.

אבל כאשר המים מחוממים, המולקולות הקשורות מתרחקות מעט זו מזו. כתוצאה מכך מתרחשת הרפיה של קשרים קוולנטיים באמצע המולקולות עם החזרת האנרגיה העודפת ומעבר לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר. זה מוביל לעובדה שמים חמים מתחילים להתקרר במהירות. כך לפחות מראים החישובים התיאורטיים שביצעו מדענים סינגפורים.

הקפאת מים מיידית - 5 טריקים מדהימים: וידאו