1963. godine, školarac iz Tanzanije po imenu Erasto Mpemba postavio je svom učitelju glupo pitanje - zašto se topli sladoled smrzava brže od hladnog u njegovom zamrzivaču?
Kao student Magamba srednja škola u Tanzaniji, Erasto Mpemba praktičan rad u kulinarstvu. Morao je napraviti domaći sladoled - prokuvati mlijeko, otopiti šećer u njemu, ohladiti sobnoj temperaturi a zatim stavite u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Obratio se profesoru fizike za pojašnjenje, ali se on samo nasmijao učeniku, rekavši sljedeće: "Ovo nije svjetska fizika, već fizika Mpemba." Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom.
U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwawa, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C, i stavite ih u zamrzivač, onda će se u drugoj voda smrznuti brže. Zašto?" Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo su 1969. zajedno sa Mpembom objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada, efekat koji su otkrili naziva se Mpemba efekat.
Da li vas zanima zašto se to dešava? Pre samo nekoliko godina naučnici su uspeli da objasne ovaj fenomen...
Efekat Mpemba (Mpemba Paradox) je paradoks koji to kaže vruća voda pod određenim uslovima smrzava se brže od hladnog, iako mora proći temperaturu hladnom vodom tokom procesa zamrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su u to vrijeme uočili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes. Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu tokom različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je više puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.
Od tada su se pojavljivale različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada ostane manja količina, voda se brže stvrdne. Ova verzija je, zbog svoje jednostavnosti, postala najpopularnija, ali naučnici nisu bili u potpunosti zadovoljni.
Sada tim istraživača sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru, predvođen hemičarem Xi Zhangom, kaže da je riješio vjekovnu misteriju zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Kako su kineski stručnjaci otkrili, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.
Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koji su zajedno kovalentnim vezama, što na nivou čestica izgleda kao razmjena elektrona. Drugi poznata činjenica je da se atomi vodika privlače atomima kisika iz susjednih molekula – u ovom slučaju nastaju vodikove veze.
U isto vrijeme, molekuli vode u cjelini se međusobno odbijaju. Naučnici iz Singapura su primijetili da što je voda toplija, to je veća udaljenost između molekula tečnosti zbog povećanja odbojnih sila. Kao rezultat toga, vodonične veze se rastežu i stoga skladište više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda ohladi – molekuli se približavaju jedni drugima. A povratak energije, kao što znate, znači hlađenje.
Evo hipoteza koje su iznijeli naučnici:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode iste temperature brže se smrzava. Voda zagrijana na 100°C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0°C. Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, zbog isparavanja, njegova temperatura se smanjuje.
temperaturna razlika
Zbog temperaturne razlike između vruća voda a hladan vazduh više - stoga je prenos toplote u ovom slučaju intenzivniji, a topla voda se brže hladi.
hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0°C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na -20°C. Razlog za ovaj efekat je taj što su za početak formiranja prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led. Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju da hladnom vodom, koji nije prehlađen, dešava se sledeće: na njegovoj površini, tanki sloj led, koji djeluje kao izolator između vode i hladnog zraka, te na taj način sprječava dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh. Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i samim tim više leda. Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo. Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4°C. Ako vodu ohladite na 4°C i stavite je u okruženje sa nižom temperaturom, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na 4°C. Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji. U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i većih temperaturnih razlika. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj. toplu vodu na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa stanovišta konvekcije, treba pretpostaviti da su hladni i topli sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon prosječna temperatura voda padne ispod 4°C. Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom.
gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode zbog njihove topljivosti u vodi visoke temperature ispod. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.
Toplotna provodljivost
Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavi u zamrzivač. odeljak frižidera u malim kontejnerima. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava termički kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se brže uklanja iz posude za toplu vodu nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod sebe. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti su proučavani u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih obezbjeđuju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven. Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje. Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići više superhlađenja zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj. Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment provodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
A evo najvjerovatnijeg razloga.
Kao što hemičari pišu u svom članku, koji se može naći na stranici preprinta arXiv.org, vodonične veze su jače rastegnute u vrućoj nego u hladnoj vodi. Tako se ispostavlja da se više energije pohranjuje u vodoničnim vezama tople vode, što znači da se više energije oslobađa kada se ohladi na temperaturu ispod nule. Iz tog razloga, zamrzavanje je brže.
Do danas su naučnici riješili ovu zagonetku samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze za svoju verziju, onda se pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može smatrati zatvorenim.
Mpemba efekat(Mpembin paradoks) je paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su u to vrijeme primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.
Erasto Mpemba je bio učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuhanjem. Morao je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwawa, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da studentima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 °C, a u drugoj - 100 °C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo 1969. godine, zajedno sa Mpembom, objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.
Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.
Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je više puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.
Međutim, to još ne znači paradoks, budući da se efekat Mpemba može objasniti i u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode iste temperature brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.
temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na -20 C.
Razlog za ovaj efekat je taj što su za početak formiranja prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led.
Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.
Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.
Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.
Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , dalje hlađenje će biti sporije.
U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.
Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni konvekcijom.
gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi niža. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.
Toplotna provodljivost
Ovaj mehanizam može odigrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u frižider sa zamrzivačem u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava termički kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se brže uklanja iz posude za toplu vodu nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod sebe.
Svi ovi (kao i drugi) uvjeti su proučavani u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih obezbjeđuju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.
Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.
Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići veće superhlađenje zbog manjeg broja centara kristalizacije. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.
Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta u suštini zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
Mpemba efekat(Mpemba paradox) - paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su u to vrijeme primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.
Erasto Mpemba je bio učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuhanjem. Morao je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwawa, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da studentima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 °C, a u drugoj - 100 °C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo 1969. godine, zajedno sa Mpembom, objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.
Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.
Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je više puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.
Međutim, to još ne znači paradoks, budući da se efekat Mpemba može objasniti i u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode iste temperature brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.
temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na -20 C.
Razlog za ovaj efekat je taj što su za početak formiranja prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led.
Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.
Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.
Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.
Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , dalje hlađenje će biti sporije.
U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.
Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni konvekcijom.
gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi niža. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.
Toplotna provodljivost
Ovaj mehanizam može odigrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u frižider sa zamrzivačem u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava termički kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se brže uklanja iz posude za toplu vodu nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod sebe.
Svi ovi (kao i drugi) uvjeti su proučavani u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih obezbjeđuju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.
Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.
Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići veće superhlađenje zbog manjeg broja centara kristalizacije. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.
Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta u suštini zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
O. V. Mosin
Literaryizvori:
"Topla voda se smrzava brže od hladne vode. Zašto to radi?", Jearl Walker u The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, br. 3, str. 246-257; Septembra 1977.
"Zamrzavanje tople i hladne vode", G.S. Kell u American Journal of Physics, Vol. 37, br. 5, str. 564-565; maja 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, u American Journal of Physics, Vol. 63, br. 10, str. 882-885; Oktobar 1995.
"Efekat Mpemba: vremena smrzavanja tople i hladne vode", Charles A. Knight, u American Journal of Physics, Vol. 64, br. 5, str. 524; maj 1996.
Voda- prilično jednostavna supstanca sa hemijske tačke gledišta, međutim, ima niz neobična svojstva koji ne prestaju da oduševljavaju naučnike. Ispod su neke činjenice za koje malo ljudi zna.
1. Koja voda se brže smrzava - hladna ili topla?
Uzmite dvije posude s vodom: u jednu sipajte toplu vodu, a u drugu hladnu i stavite u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne, iako je logično da je hladna voda prvo trebala da se pretvori u led: na kraju krajeva, topla voda mora prvo da se ohladi na nisku temperaturu, a zatim da se pretvori u led, dok hladna voda ne mora da se hladi. Zašto se ovo dešava?
Godine 1963., tanzanijski student po imenu Erasto B. Mpemba, dok je zamrzavao pripremljenu mješavinu sladoleda, primijetio je da se vruća smjesa stvrdnula u zamrzivač brže od hladnog. Kada je mladić podijelio svoje otkriće sa profesorom fizike, samo mu se nasmijao. Na sreću, učenik je bio uporan i nagovorio je učitelja da izvede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: u određenim uslovima Topla voda se zapravo smrzava brže od hladne vode.
Sada se ovaj fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne zove " Mpemba efekat". Istina, mnogo prije toga jedinstvena nekretnina vodu su zabilježili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.
Naučnici ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u hipotermiji, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili učinkom ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.
2. Može se odmah smrznuti
Svi to znaju vode uvijek se pretvara u led kada se ohladi na 0 °C ... osim u nekim slučajevima! Takav slučaj, na primjer, je prehlađenje, što je svojstvo vrlo čista voda ostaju tečni čak i kada su ohlađeni ispod nule. Ovaj fenomen je omogućen činjenicom da okruženje ne sadrži centre ili jezgre kristalizacije, što bi moglo izazvati stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje unutra tečni oblikčak i kada su ohlađene na temperature ispod nula stepeni Celzijusa.
proces kristalizacije može izazvati, na primjer, mjehuriće plina, nečistoće (zagađenje), neravnu površinu posude. Bez njih, voda će ostati u tečnom stanju. Kada proces kristalizacije započne, možete gledati kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.
Imajte na umu da "pregrijana" voda također ostaje tečna čak i kada se zagrije iznad tačke ključanja.
3. 19 stanja vode
Bez oklijevanja, navedite koliko različitih stanja ima voda? Ako ste odgovorili tri: čvrsta, tečna, gasovita, onda se varate. Naučnici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tečnom obliku i 14 stanja u zamrznutom obliku.
Sjećate li se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, šta god da radite, na -38 °C, čak i najčistija super ohlađena voda će se iznenada pretvoriti u led. Šta se dešava ako temperatura dalje pada? Na -120°C vodi se nešto čudno dešava: postaje superviskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama ispod -135°C pretvara se u "staklastu" ili "staklastu" vodu - solidan, kojem nedostaje kristalna struktura.
4. Voda iznenađuje fizičare
Na molekularnom nivou voda još više iznenađuje. 1995. godine naučnici su sproveli eksperiment raspršenja neutrona dali su neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje protona vodonika nego što se očekivalo.
Pokazalo se da se brzinom od jedne atosekunde (10-18 sekundi) dešava neobičan kvantni efekat, a hemijska formula umjesto toga vodu H2O, postaje H1.5O!
5. Memorija vode
Alternativa službene medicine homeopatija navodi da je razblažen rastvor medicinski proizvod može pružiti lekovito dejstvo na organizam, čak i ako je faktor razblaženja toliki da u rastvoru ne ostaje ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom koji se zove " memorija vode“, prema kojem voda na molekularnom nivou ima “pamćenje” supstancije koja je nekada bila otopljena u njoj i zadržava svojstva otopine početne koncentracije nakon što u njoj ne ostane niti jedan molekul sastojka.
Međunarodni tim naučnika na čelu sa profesoricom Madeleine Ennis sa Queen's univerziteta u Belfastu, koja je kritikovala principe homeopatije, izveo je eksperiment 2002. godine kako bi jednom zauvijek opovrgao koncept. Rezultat je bio suprotan. Nakon toga, naučnici su rekli da su uspjeli dokazati realnost efekta " pamćenje vode". Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom nezavisnih stručnjaka nisu dali rezultate. Sporovi o postojanju fenomena" pamćenje vode» nastavi.
Voda ima mnoga druga neobična svojstva koja nismo pokrili u ovom članku. Na primjer, gustina vode varira s temperaturom (gustina leda je manja od gustine vode); voda ima prilično veliku površinsku napetost; u tečnom stanju voda je složena i dinamički promenljiva mreža vodenih klastera, a ponašanje klastera utiče na strukturu vode itd.
O ovim i mnogim drugim neočekivanim karakteristikama vode može se pročitati u članku Anomalna svojstva vode“, čiji je autor Martin Chaplin, profesor na Univerzitetu u Londonu.
Mnogi istraživači su iznijeli i iznose vlastite verzije o tome zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Činilo bi se paradoksalno - na kraju krajeva, da bi se smrzla, topla voda prvo treba da se ohladi. Međutim, činjenica ostaje, a naučnici to objašnjavaju na različite načine.
Glavne verzije
Trenutno postoji nekoliko verzija koje objašnjavaju ovu činjenicu:
- Budući da je isparavanje u vrućoj vodi brže, smanjuje se njen volumen. Manja količina vode iste temperature brže se smrzava.
- Zamrzivač hladnjaka ima snježnu oblogu. Kontejner sa toplom vodom topi snijeg ispod. Ovo poboljšava termički kontakt sa zamrzivačem.
- Zamrzavanje hladne vode, za razliku od tople, počinje odozgo. U tom slučaju se pogoršavaju konvekcija i toplinsko zračenje, a samim tim i gubitak topline.
- U hladnoj vodi postoje centri kristalizacije - tvari otopljene u njoj. S obzirom na njihov mali sadržaj u vodi, zaleđivanje je otežano, ali je istovremeno moguća i njegova hipotermija - kada, temperatura ispod nule ima tečno stanje.
Iako se pošteno može reći da se ovaj efekat ne opaža uvijek. Hladna voda se često smrzava brže od tople vode.
Na kojoj temperaturi se voda smrzava
Zašto se voda uopšte smrzava? Sadrži određenu količinu mineralnih ili organskih čestica. To, na primjer, mogu biti vrlo fine čestice pijeska, prašine ili gline. Kako temperatura zraka pada, te čestice postaju centri oko kojih se formiraju kristali leda.
Ulogu kristalizacionih jezgara mogu obavljati i mjehurići zraka i pukotine u posudi koja sadrži vodu. Na brzinu procesa pretvaranja vode u led u velikoj mjeri utječe broj takvih centara - ako ih ima mnogo, tekućina se brže smrzava. U normalnim uslovima, sa normalnim atmosferski pritisak, voda prelazi u čvrsto stanje iz tečnosti na temperaturi od 0 stepeni.
Suština Mpemba efekta
Efekat Mpemba shvaćen je kao paradoks, čija je suština da se, pod određenim okolnostima, topla voda smrzava brže od hladne vode. Ovu pojavu su uočili Aristotel i Descartes. Međutim, tek 1963. godine Erasto Mpemba, školarac iz Tanzanije, utvrdio je da se vrući sladoled smrzava u više od kratko vrijeme nego hladno. Do takvog zaključka je došao dok je obavljao zadatak kuhanja.
Šećer je morao otopiti u prokuvanom mlijeku i, nakon što se ohladi, staviti u frižider da se zamrzne. Navodno, Mpemba se nije odlikovao posebnom marljivošću i kasno je počeo da izvršava prvi dio zadatka. Stoga nije čekao da se mlijeko ohladi, već je vruće stavio u frižider. Bio je veoma iznenađen kada se smrzla čak i brže nego kod njegovih kolega iz razreda, koji su posao radili u skladu sa zadatom tehnologijom.
Ova činjenica je veoma zainteresovala mladića i počeo je eksperimente sa običnom vodom. Godine 1969. časopis Physics Education objavio je rezultate istraživanja Mpembe i profesora Dennisa Osborna sa Univerziteta Dar es Salaam. Efekat koji su opisali dobio je naziv Mpemba. Međutim, ni danas nema jasnog objašnjenja za ovaj fenomen. Svi naučnici se slažu da glavnu ulogu u tome imaju razlike u svojstvima rashlađene i tople vode, ali šta tačno nije poznato.
Singapurska verzija
Fizičare sa jednog od singapurskih univerziteta zanimalo je i pitanje koja voda se brže smrzava - topla ili hladna? Tim istraživača na čelu sa Xi Zhangom objasnio je ovaj paradoks upravo svojstvima vode. Svi još iz škole znaju sastav vode - atom kiseonika i dva atoma vodika. Kiseonik u izvesnoj meri izvlači elektrone iz vodonika, pa je molekula određena vrsta "magneta".
Kao rezultat toga, određeni molekuli u vodi se malo privlače jedni prema drugima i ujedinjuju ih vodikovom vezom. Njegova snaga je mnogo puta manja od kovalentne veze. Singapurski istraživači vjeruju da objašnjenje paradoksa Mpemba leži upravo u vodikovim vezama. Ako su molekuli vode vrlo čvrsto zbijeni zajedno, onda jaka interakcija između molekula može deformirati kovalentnu vezu u sredini samog molekula.
Ali kada se voda zagrije, vezani molekuli se lagano udaljavaju jedan od drugog. Kao rezultat toga, u sredini molekula dolazi do opuštanja kovalentnih veza s povratkom viška energije i prijelazom na najnižu nivo energije. To dovodi do činjenice da se topla voda počinje brzo hladiti. Barem to pokazuju teorijske proračune koje su izvršili singapurski naučnici.
Trenutačno zamrzavanje vode - 5 nevjerojatnih trikova: video