Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie: horúca alebo studená? Od čoho to závisí

Mpemba efekt(Mpemba paradox) – paradox, ktorý to hovorí horúca voda za určitých podmienok mrzne rýchlejšie ako studená voda, aj keď v procese zmrazovania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si v tom čase všimli už Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, no až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.

Ako študent strednej školy Magamba v Tanzánii to urobil Erasto Mpemba praktická práca v kulinárskom umení. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s prvou časťou zadania otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s čistou vodou. V každom prípade, už ako študent strednej školy Mkvava, požiadal profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar es Salaame (pozvaný riaditeľom školy na prednášku o fyzike pre študentov) na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. prečo? Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembou publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa ich objavený efekt nazýva tzv Mpemba efekt.

Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, no zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v prechladzovaní, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii, či vplyve skvapalnených plynov na vodu počas rozdielne teploty.

Paradoxom Mpemba efektu je čas, za ktorý sa telo ochladí na teplotu životné prostredie, by mala byť úmerná teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým spôsobom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.

To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť aj v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.

Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.

teplotný rozdiel

Pretože teplotný rozdiel medzi horúca voda a viac studeného vzduchu - preto je výmena tepla v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda sa ochladzuje rýchlejšie.

podchladenie

Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 C.

Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé ľadové kryštály, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad.

Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.

Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studená voda, ktorý nie je podchladený, nastane nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.

Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.

Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.

Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.

Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto , ďalšie chladenie bude pomalšie.

V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčší rozdiel teploty. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.

Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by sa muselo predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje aj po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.

Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené konvekciou.

plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri zahrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysoká teplota nižšie. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladničke s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztápa ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou.

Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať.

Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúci, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.

Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.

Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu v podstate závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

O. V. Mosin

Literárnezdrojov:

"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; mája 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995

"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.

Ahoj milí milenci zaujímavosti. Dnes budeme hovoriť o. Myslím si však, že otázka v nadpise sa môže zdať jednoducho absurdná – ale treba vždy úplne dôverovať notoricky známym“ zdravý rozum“, namiesto prísne stanoveného overovacieho experimentu. Skúsme prísť na to, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená?

Historický odkaz

Že v problematike mrazivej studenej a horúcej vody „nie všetko je čisté“ bolo spomenuté v dielach Aristotela, potom podobné poznámky urobili F. Bacon, R. Descartes a J. Black. V nedávnej histórii sa s týmto efektom spájalo pomenovanie „Mpembov paradox“ – podľa mena školáka z Tanganiky Erasto Mpemba, ktorý rovnakú otázku položil hosťujúcemu profesorovi fyziky.

Chlapcova otázka nevznikla od nuly, ale z čisto osobných pozorovaní procesu chladenia zmrzlinových zmesí v kuchyni. Samozrejme, spolužiaci, ktorí tam boli prítomní, spolu s školský učiteľ Mpemba bol zosmiešňovaný – po experimentálnom overení osobne profesorom D. Osbornom sa však z nich „vyparila“ túžba robiť si srandu z Erasta. Okrem toho Mpemba spolu s profesorom publikoval podrobný popis tohto efektu v roku 1969 v Physics Education - a odvtedy je vyššie uvedené meno zafixované vo vedeckej literatúre.

Čo je podstatou javu?

Usporiadanie experimentu je celkom jednoduché: za rovnakých podmienok sa testujú identické tenkostenné nádoby, v ktorých sú striktne rovnaké množstvá vody, líšia sa len teplotou. Nádoby sa vložia do chladničky, po ktorej sa zaznamená čas pred vytvorením ľadu v každej z nich. Paradoxom je, že v nádobe s pôvodne teplejšou kvapalinou sa to deje rýchlejšie.

Ako to vysvetľuje moderná fyzika?

Paradox nemá univerzálne vysvetlenie, pretože spolu prebieha niekoľko paralelných procesov, ktorých prínos sa môže líšiť od konkrétnych počiatočných podmienok – ale s jednotným výsledkom:

• schopnosť kvapaliny prechladzovať - ​​spočiatku studená voda je náchylnejšia na podchladenie, t.j. zostáva tekutý, keď je jeho teplota už pod bodom mrazu
• zrýchlené chladenie - para z horúcej vody sa premieňa na ľadové mikrokryštály, ktoré pri páde zrýchľujú proces a fungujú ako dodatočný "externý výmenník tepla"
• izolačný efekt - na rozdiel od horúcej vody studená voda zamŕza zhora, čo vedie k zníženiu prenosu tepla konvekciou a sálaním

Existuje množstvo ďalších vysvetlení (naposledy súťaž o najlepšiu hypotézu usporiadala Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu nedávno, v roku 2012) - ale stále neexistuje jednoznačná teória pre všetky prípady kombinácií vstupných podmienok ...

Voda je jedna z najúžasnejších kvapalín na svete, ktorá má nezvyčajné vlastnosti. Napríklad ľad je pevné skupenstvo kvapaliny, má špecifickú hmotnosť nižšiu ako samotná voda, čo dokázalo veľa možný výskyt a rozvoj života na Zemi. Okrem toho sa v takmer vedeckom a skutočne vedeckom svete vedú diskusie o tom, ktorá voda mrzne rýchlejšie – horúca alebo studená. Kto preukáže rýchlejšie zmrazenie horúcej tekutiny za určitých podmienok a svoje rozhodnutie vedecky zdôvodní, dostane od Britskej kráľovskej spoločnosti chemikov odmenu 1000 libier.

Pozadie

Skutočnosť, že za mnohých podmienok je horúca voda v rýchlosti mrazu pred studenou vodou, bola zaznamenaná už v stredoveku. Francis Bacon a René Descartes vynaložili veľa úsilia na vysvetlenie tohto javu. Z pohľadu klasického tepelného inžinierstva sa však tento paradox vysvetliť nedá a snažili sa ho ostýchavo ututlať. Podnetom na pokračovanie sporu bol trochu kuriózny príbeh, ktorý sa stal v roku 1963 tanzánijskému školákovi Erastovi Mpembovi (Erasto Mpemba). Raz, na hodine výroby zákuskov v škole varenia, chlapec, rozptýlený inými vecami, nestihol včas ochladiť zmrzlinovú zmes a dať do mrazničky roztok cukru v horúcom mlieku. Na jeho prekvapenie sa produkt ochladzoval o niečo rýchlejšie ako jeho kolegovia praktizujúci, ktorí to pozorovali teplotný režim príprava zmrzliny.

V snahe pochopiť podstatu tohto javu sa chlapec obrátil na učiteľa fyziky, ktorý bez toho, aby zachádzal do podrobností, zosmiešňoval svoje kulinárske experimenty. Erasto sa však vyznačoval závideniahodnou vytrvalosťou a pokračoval vo svojich experimentoch už nie na mlieku, ale na vode. Postaral sa o to, aby v niektorých prípadoch horúca voda zamrzla rýchlejšie ako studená.

Erasto Mpembe po vstupe na univerzitu v Dar es Salaame navštívil prednášku profesora Dennisa G. Osbornea. Študent si po promócii lámal hlavu vedcom s problémom rýchlosti zamŕzania vody v závislosti od jej teploty. D.G. Osborne zosmiešnil samotné položenie otázky a s nadhľadom uviedol, že každý porazený vie, že studená voda zamrzne rýchlejšie. Prirodzená húževnatosť mladého muža však dala o sebe vedieť. Stavil sa s profesorom a ponúkol, že tu, v laboratóriu, vykoná experimentálny test. Erasto umiestnil do mrazničky dve nádoby s vodou, jednu s teplotou 95 °F (35 °C) a druhú s teplotou 212 °F (100 °C). Aké bolo prekvapenie profesora a okolitých „fanúšikov“, keď voda v druhej nádobe zamrzla rýchlejšie. Odvtedy sa tomuto javu hovorí „Mpembov paradox“.

Dodnes však neexistuje koherentná teoretická hypotéza vysvetľujúca „Mpembov paradox“. Nie je jasné, ktoré vonkajšie faktory, chemické zloženie voda, prítomnosť rozpustených plynov v nej a minerály ovplyvňujú rýchlosť tuhnutia kvapalín pri rôznych teplotách. Paradoxom „Mpembovho efektu“ je, že odporuje jednému zo zákonov objavených I. Newtonom, ktorý tvrdí, že čas chladenia vody je priamo úmerný teplotnému rozdielu medzi kvapalinou a prostredím. A ak všetky ostatné kvapaliny úplne podliehajú tomuto zákonu, potom je voda v niektorých prípadoch výnimkou.

Prečo horúca voda mrzne rýchlejšie?T

Existuje niekoľko verzií, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Hlavné sú:

• horúca voda sa rýchlejšie odparuje, zatiaľ čo jej objem sa zmenšuje a menší objem kvapaliny sa rýchlejšie ochladzuje - pri ochladzovaní vody z + 100 ° C na 0 ° C dosahujú straty objemu pri atmosférickom tlaku 15 %;
• intenzita výmeny tepla medzi kvapalinou a prostredím je tým vyššia, čím väčší je teplotný rozdiel, takže tepelné straty vriacej vody prechádzajú rýchlejšie;
• keď sa horúca voda ochladí, na jej povrchu sa vytvorí ľadová kôra, ktorá zabraňuje úplnému zamrznutiu a odparovaniu kvapaliny;
• pri vysokej teplote vody dochádza k jej konvekčnému miešaniu, čím sa skracuje čas tuhnutia;
• plyny rozpustené vo vode znižujú bod tuhnutia a berú energiu na tvorbu kryštálov – v horúcej vode nie sú rozpustené plyny.

Všetky tieto podmienky boli podrobené opakovanému experimentálnemu overeniu. Najmä nemecký vedec David Auerbach zistil, že teplota kryštalizácie horúcej vody je o niečo vyššia ako teplota studenej vody, čo umožňuje rýchlejšie zmraziť prvú. Neskôr však boli jeho experimenty kritizované a mnohí vedci sú presvedčení, že „Mpembov efekt“, o ktorom voda rýchlejšie zamŕza – horúca alebo studená, sa dá reprodukovať len za určitých podmienok, ktoré doteraz nikto nehľadal a nekonkretizoval.

Voda- z chemického hľadiska celkom jednoduchá látka, má však množstvo nezvyčajné vlastnostičo vedcov neprestáva udivovať. Nižšie sú uvedené niektoré skutočnosti, o ktorých vie len málo ľudí.

1. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca?

Vezmite dve nádoby s vodou: do jednej nalejte horúcu vodu a do druhej studenú a vložte ich do mrazničky. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, aj keď logicky by sa studená mala najskôr zmeniť na ľad: veď horúca voda musí najprv vychladnúť na studenú teplotu a potom sa premení na ľad, zatiaľ čo studená voda vychladnúť nemusí. Prečo sa to deje?

V roku 1963 si tanzánsky študent menom Erasto B. Mpemba pri zmrazovaní pripravenej zmrzlinovej zmesi všimol, že horúca zmes tuhne v mrazničke rýchlejšie ako studená. Keď sa mladík o svoj objav podelil s učiteľom fyziky, len sa mu vysmial. Našťastie bol študent vytrvalý a presvedčil učiteľa, aby urobil experiment, ktorý potvrdil jeho objav: za určitých podmienok horúca voda naozaj zamrzne rýchlejšie ako studená.

Teraz sa tento jav zmrazovania horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody nazýva " Mpemba efekt". Pravda, dávno predtým jedinečná nehnuteľnosť vodu zaznamenali Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes.

Vedci úplne nerozumejú podstate tohto javu, vysvetľujú ho buď rozdielom v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo účinkom skvapalnených plynov na teplú a studenú vodu.

2. Je schopná okamžite zmraziť

Každý to vie voda pri ochladení na 0 °C sa vždy zmení na ľad ... okrem niektorých prípadov! Takýmto prípadom je napríklad prechladzovanie, ktoré je vlastnosťou veľmi čistá voda zostávajú tekuté, aj keď sú vychladené pod bod mrazu. Tento jav je možný vďaka tomu, že prostredie neobsahuje kryštalizačné centrá alebo jadrá, ktoré by mohli vyvolať tvorbu ľadových kryštálikov. A tak voda zostáva v tekutej forme, aj keď sa ochladí na teploty pod nulou stupňov Celzia.

kryštalizačný proces môžu byť vyvolané napríklad bublinami plynu, nečistotami (znečistenie), nerovným povrchom nádoby. Bez nich voda zostane v nej tekutom stave. Keď sa spustí proces kryštalizácie, môžete sledovať, ako sa podchladená voda okamžite zmení na ľad.

Všimnite si, že aj „prehriata“ voda zostáva tekutá, aj keď sa zahreje nad jej bod varu.

3. 19 stavov vody

Bez váhania vymenujte, koľko rôznych stavov má voda? Ak ste odpovedali tri: pevné, kvapalné, plynné, tak ste na omyle. Vedci rozlišujú najmenej 5 rôznych stavov vody v tekutej forme a 14 stavov v zmrazenej forme.

Pamätáte si na rozhovor o super vychladenej vode? Takže nech robíte čokoľvek, pri -38 °C sa aj tá najčistejšia superchladená voda zrazu zmení na ľad. Čo sa stane, keď teplota klesne ďalej? Pri -120°C sa s vodou začína diať niečo zvláštne: stáva sa superviskózna alebo viskózna, ako melasa, a pri teplotách pod -135°C sa mení na "sklenitú" alebo "sklenitú" vodu - pevný, ktorý nemá kryštálovú štruktúru.

4. Voda fyzikov prekvapuje

Na molekulárnej úrovni je voda ešte prekvapivejšia. V roku 1995 experiment s rozptylom neutrónov, ktorý uskutočnili vedci, priniesol neočakávaný výsledok: fyzici zistili, že neutróny namierené na molekuly vody „vidia“ o 25 % menej vodíkových protónov, ako sa očakávalo.

Ukázalo sa, že rýchlosťou jednej attosekundy (10-18 sekúnd) dochádza k nezvyčajnému kvantovému efektu a chemický vzorec namiesto toho vodu H2O, stáva sa H1,5O!

5. Pamäť vody

Alternatíva oficiálna medicína homeopatia uvádza, že zriedený rozt liek môže poskytnúť liečivý účinok na organizmus, aj keď faktor riedenia je taký veľký, že v roztoku nezostane nič iné ako molekuly vody. Zástancovia homeopatie vysvetľujú tento paradox konceptom s názvom „ vodná pamäť“, podľa ktorého má voda na molekulárnej úrovni „pamäť“ látky, ktorá je v nej rozpustená a zachováva si vlastnosti roztoku s počiatočnou koncentráciou, keď v nej nezostane ani jedna molekula zložky.

Medzinárodný tím vedcov pod vedením profesorky Madeleine Ennis z Queen's University of Belfast, ktorý kritizoval princípy homeopatie, uskutočnil v roku 2002 experiment, aby tento koncept raz a navždy vyvrátil. Výsledok bol opačný. Potom vedci uviedli, že sa im podarilo dokázať reálnosť účinku “ vodná pamäť". Experimenty uskutočnené pod dohľadom nezávislých odborníkov však nepriniesli výsledky. Spory o existencii fenoménu " vodná pamäť" ďalej.

Voda má mnoho ďalších nezvyčajných vlastností, ktorým sme sa v tomto článku nevenovali. Napríklad hustota vody sa mení s teplotou (hustota ľadu je menšia ako hustota vody); voda je dosť veľká povrchové napätie; v kvapalnom stave je voda zložitá a dynamicky sa meniaca sieť vodných zhlukov a práve správanie zhlukov ovplyvňuje štruktúru vody atď.

O týchto a mnohých ďalších neočakávané vlastnosti voda si môžete prečítať v článku Anomálne vlastnosti vody“, ktorej autorom je Martin Chaplin, profesor Londýnskej univerzity.

Mpemba efekt(Mpemba Paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamrzne rýchlejšie ako studená voda, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si v tom čase všimli už Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, no až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.

Erasto Mpemba bol študentom strednej školy Magambin v Tanzánii, kde robil praktické kuchárske práce. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s prvou časťou zadania otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s čistou vodou. V každom prípade, už ako študent strednej školy Mkvava, požiadal profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar es Salaame (pozvaný riaditeľom školy na prednášku o fyzike pre študentov) na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. prečo? Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembou publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa ich objavený efekt nazýva tzv Mpemba efekt.

Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.

Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa telo ochladí na teplotu okolia, musí byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým spôsobom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.

To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť aj v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.

Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.

teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.

podchladenie

Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 C.

Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé ľadové kryštály, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad.

Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.

Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, nastáva nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.

Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.

Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.

Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.

Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto , ďalšie chladenie bude pomalšie.

V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.

Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by sa muselo predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje aj po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.

Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené konvekciou.

plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokej teplote je nižšia. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladničke s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztápa ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou.

Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať.

Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.

Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.

Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu v podstate závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.