Mnamo 1963, mvulana wa shule wa Kitanzania anayeitwa Erasto Mpemba alimuuliza mwalimu wake swali la kijinga - kwa nini ice cream ya joto kwenye freezer yake iliganda haraka kuliko ile ya baridi?
Kuwa mwanafunzi wa Magambinskaya sekondari nchini Tanzania Erasto Mpemba alifanya hivyo kazi ya vitendo katika kupikia. Alihitaji kufanya ice cream ya nyumbani - kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi hadi joto la chumba na kisha uweke kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii sana na alichelewa kukamilisha sehemu ya kwanza ya kazi hiyo. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema kuliko maziwa ya wenzi wake, yaliyotayarishwa kulingana na teknolojia aliyopewa.
Alimgeukia mwalimu wa fizikia ili apate ufafanuzi, lakini alimcheka tu mwanafunzi huyo na kusema yafuatayo: “Hii si fizikia ya ulimwengu wote, bali ni fizikia ya Mpemba.” Baada ya hayo, Mpemba alijaribu sio tu kwa maziwa, bali pia na maji ya kawaida.
Kwa vyovyote vile, tayari akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Mkwava, alimwomba Profesa Dennis Osborne kutoka Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam (aliyealikwa na mkurugenzi wa shule hiyo kutoa somo la fizikia kwa wanafunzi) hasa kuhusu maji: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana na kiasi sawa cha maji ili katika moja yao maji yana joto la 35 ° C, na kwa nyingine - 100 ° C, na kuziweka kwenye friji, kisha kwa pili maji yatafungia kwa kasi zaidi. Kwa nini?" Osborne alipendezwa na suala hili na punde, mwaka wa 1969, yeye na Mpemba walichapisha matokeo ya majaribio yao katika jarida la Elimu ya Fizikia. Tangu wakati huo, athari waliyogundua imekuwa ikiitwa athari ya Mpemba.
Je, una nia ya kujua kwa nini hii hutokea? Miaka michache tu iliyopita, wanasayansi waliweza kuelezea jambo hili ...
Athari ya Mpemba (Kitendawili cha Mpemba) ni kitendawili kinachosema hivyo maji ya moto chini ya hali fulani huganda haraka kuliko baridi, ingawa lazima ipitishe joto maji baridi wakati wa mchakato wa kufungia. Kitendawili hiki ni ukweli wa majaribio ambao unapingana na mawazo ya kawaida, kulingana na ambayo, chini ya hali sawa, mwili wenye joto zaidi huchukua muda zaidi wa kupoa kwa joto fulani kuliko mwili wenye joto kidogo na baridi kwa joto sawa.
Jambo hili liligunduliwa wakati wao na Aristotle, Francis Bacon na Rene Descartes. Hadi sasa, hakuna mtu anayejua jinsi ya kuelezea athari hii ya ajabu. Wanasayansi hawana toleo moja, ingawa kuna mengi. Yote ni juu ya tofauti katika mali ya maji ya moto na baridi, lakini bado haijulikani wazi ni mali gani ina jukumu katika kesi hii: tofauti ya supercooling, uvukizi, malezi ya barafu, convection au athari za gesi kioevu kwenye maji wakati. joto tofauti. Kitendawili cha athari ya Mpemba ni kwamba wakati ambao mwili hupoa hadi joto iliyoko unapaswa kuwa sawia na tofauti ya joto kati ya mwili huu na mazingira. Sheria hii ilianzishwa na Newton na tangu wakati huo imethibitishwa mara nyingi katika mazoezi. Katika athari hii, maji yenye joto la 100 ° C hupoa hadi joto la 0 ° C kwa kasi zaidi kuliko kiasi sawa cha maji na joto la 35 ° C.
Tangu wakati huo, matoleo tofauti yameonyeshwa, moja ambayo ilikuwa kama ifuatavyo: sehemu ya maji ya moto kwanza huvukiza tu, na kisha, wakati kidogo inabaki, maji hufungia kwa kasi. Toleo hili, kwa sababu ya unyenyekevu wake, likawa maarufu zaidi, lakini halikukidhi kabisa wanasayansi.
Sasa timu ya watafiti kutoka Chuo Kikuu cha Teknolojia cha Nanyang huko Singapore, wakiongozwa na mwanakemia Xi Zhang, wanasema wametatua fumbo la zamani la kwa nini maji ya joto huganda haraka kuliko maji baridi. Kama wataalam wa China wamegundua, siri iko katika kiasi cha nishati iliyohifadhiwa katika vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli za maji.
Kama unavyojua, molekuli za maji zina atomi moja ya oksijeni na atomi mbili za hidrojeni zilizoshikiliwa pamoja na vifungo vya ushirikiano, ambavyo kwa kiwango cha chembe huonekana kama kubadilishana kwa elektroni. Mwingine ukweli unaojulikana iko katika ukweli kwamba atomi za hidrojeni huvutiwa na atomi za oksijeni kutoka kwa molekuli za jirani - na vifungo vya hidrojeni huundwa.
Wakati huo huo, molekuli za maji kwa ujumla huwafukuza kila mmoja. Wanasayansi kutoka Singapore waliona: maji yanapo joto, ndivyo umbali kati ya molekuli za kioevu unavyoongezeka kwa sababu ya kuongezeka kwa nguvu za kukataa. Matokeo yake, vifungo vya hidrojeni vinaenea na kwa hiyo huhifadhi nishati zaidi. Nishati hii hutolewa wakati maji yanapoa - molekuli husogea karibu na kila mmoja. Na kutolewa kwa nishati, kama inavyojulikana, inamaanisha baridi.
Hapa kuna mawazo yaliyotolewa na wanasayansi:
Uvukizi
Maji ya moto huvukiza kwa kasi kutoka kwenye chombo, na hivyo kupunguza kiasi chake, na kiasi kidogo cha maji kwa joto sawa huganda haraka. Maji yenye joto hadi 100°C hupoteza 16% ya uzito wake yanapopozwa hadi 0°C. Athari ya uvukizi ni athari mara mbili. Kwanza, wingi wa maji unaohitajika kwa baridi hupungua. Na pili, kutokana na uvukizi, joto lake hupungua.
Tofauti ya joto
Kutokana na tofauti ya joto kati ya maji ya moto na hewa baridi zaidi - kwa hiyo, kubadilishana joto katika kesi hii ni kali zaidi na maji ya moto hupunguza kwa kasi.
Hypothermia
Maji yanapopoa chini ya 0°C huwa hayagandi kila wakati. Chini ya hali fulani, inaweza kupitia supercooling, kuendelea kubaki kioevu kwenye joto chini ya kufungia. Katika hali nyingine, maji yanaweza kubaki kioevu hata kwa joto la -20 ° C. Sababu ya athari hii ni kwamba ili fuwele za kwanza za barafu zianze kuunda, vituo vya kuunda kioo vinahitajika. Ikiwa hazipo katika maji ya kioevu, basi supercooling itaendelea mpaka joto linapungua kutosha kwa fuwele kuunda kwa hiari. Wanapoanza kuunda kwenye kioevu kilichopozwa sana, wataanza kukua kwa kasi zaidi, na kutengeneza barafu iliyotiwa maji, ambayo itaganda na kuunda barafu. Maji ya moto huathirika zaidi na hypothermia kwa sababu inapokanzwa huondoa gesi na Bubbles zilizoyeyushwa, ambazo zinaweza kutumika kama vituo vya kuunda fuwele za barafu. Kwa nini hypothermia husababisha maji ya moto kuganda haraka? Katika kesi ya maji baridi, ambayo sio supercooled, zifuatazo hutokea: juu ya uso wake a safu nyembamba barafu, ambayo hufanya kama kizio kati ya maji na hewa baridi, na hivyo kuzuia uvukizi zaidi. Kiwango cha malezi ya fuwele za barafu katika kesi hii itakuwa chini. Katika kesi ya maji ya moto chini ya supercooling, maji supercooled haina safu ya uso ya kinga ya barafu. Kwa hiyo, inapoteza joto kwa kasi zaidi kupitia juu ya wazi. Wakati mchakato wa supercooling unaisha na maji kufungia, joto zaidi hupotea na kwa hiyo huunda barafu zaidi. Watafiti wengi wa athari hii wanaona hypothermia kuwa sababu kuu katika kesi ya athari ya Mpemba.
Convection
Maji baridi huanza kuganda kutoka juu, na hivyo kuzidisha michakato ya mionzi ya joto na convection, na hivyo kupoteza joto, wakati maji ya moto huanza kufungia kutoka chini. Athari hii inaelezewa na anomaly katika wiani wa maji. Maji yana msongamano wake wa juu zaidi wa 4 ° C. Ikiwa unapunguza maji hadi 4 ° C na kuiweka kwenye mazingira yenye joto la chini, safu ya uso wa maji itafungia kwa kasi. Kwa sababu maji haya ni chini ya mnene kuliko maji saa 4 ° C, itabaki juu ya uso, na kutengeneza safu nyembamba ya baridi. Chini ya hali hizi, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa maji ndani ya muda mfupi, lakini safu hii ya barafu itafanya kazi kama insulator, kulinda tabaka za chini za maji, ambazo zitabaki kwenye joto la 4 ° C. . Kwa hiyo, mchakato wa baridi zaidi utakuwa polepole. Katika kesi ya maji ya moto, hali ni tofauti kabisa. Safu ya uso ya maji itapoa haraka zaidi kutokana na uvukizi na tofauti kubwa ya joto. Pia, tabaka za maji baridi ni mnene kuliko tabaka za maji ya moto, kwa hivyo safu ya maji baridi itazama chini, ikiinua safu. maji ya joto kwa uso. Mzunguko huu wa maji huhakikisha kushuka kwa kasi kwa joto. Lakini kwa nini mchakato huu haufikii hatua ya usawa? Ili kuelezea athari ya Mpemba kutoka kwa mtazamo wa convection, itakuwa muhimu kudhani kuwa tabaka za maji baridi na moto zimetenganishwa na mchakato wa convection yenyewe unaendelea baada ya. wastani wa joto maji yatashuka chini ya 4°C. Hata hivyo, hakuna ushahidi wa majaribio kuunga mkono dhana hii kwamba tabaka za maji baridi na moto hutenganishwa na mchakato wa convection.
Gesi kufutwa katika maji
Maji daima yana gesi zilizoyeyushwa ndani yake - oksijeni na dioksidi kaboni. Gesi hizi zina uwezo wa kupunguza kiwango cha kuganda cha maji. Wakati maji yanapokanzwa, gesi hizi hutolewa kutoka kwa maji kwa sababu umumunyifu wao katika maji ni joto la juu chini. Kwa hiyo, wakati maji ya moto yanapopoa, daima huwa na gesi zilizopunguzwa kidogo kuliko katika maji baridi yasiyo na joto. Kwa hiyo, hatua ya kufungia ya maji yenye joto ni ya juu na inafungia kwa kasi zaidi. Sababu hii wakati mwingine inachukuliwa kuwa ndiyo kuu katika kuelezea athari ya Mpemba, ingawa hakuna data ya majaribio inayothibitisha ukweli huu.
Conductivity ya joto
Utaratibu huu unaweza kuchukua jukumu muhimu wakati maji yanawekwa kwenye friji chumba cha friji katika vyombo vidogo. Chini ya hali hizi, imeonekana kwamba chombo cha maji ya moto huyeyusha barafu kwenye friji chini, na hivyo kuboresha mawasiliano ya joto na ukuta wa friji na conductivity ya mafuta. Matokeo yake, joto huondolewa kwenye chombo cha maji ya moto kwa kasi zaidi kuliko kutoka kwa baridi. Kwa upande wake, chombo kilicho na maji baridi hakiyeyushi theluji chini. Masharti haya yote (pamoja na mengine) yalichunguzwa katika majaribio mengi, lakini jibu lisilo na utata kwa swali - ni lipi kati yao linalohakikisha kuzaliana kwa athari ya Mpemba kwa 100% - halikupatikana kamwe. Kwa mfano, mwaka wa 1995, mwanafizikia wa Ujerumani David Auerbach alisoma athari za maji ya supercooling juu ya athari hii. Aligundua kwamba maji ya moto, kufikia hali ya supercooled, kufungia kwa joto la juu kuliko maji baridi, na kwa hiyo kwa kasi zaidi kuliko mwisho. Lakini maji baridi hufikia hali ya supercooled kwa kasi zaidi kuliko maji ya moto, na hivyo kulipa fidia kwa lag ya awali. Kwa kuongeza, matokeo ya Auerbach yalipingana na data ya awali kwamba maji ya moto yaliweza kufikia upoaji mkubwa zaidi kutokana na vituo vichache vya fuwele. Wakati maji yanapokanzwa, gesi zilizoyeyushwa ndani yake huondolewa kutoka kwake, na inapochemshwa, chumvi zingine huyeyuka ndani yake. Kwa sasa, jambo moja tu linaweza kusema: uzazi wa athari hii kwa kiasi kikubwa inategemea hali ambayo jaribio linafanywa. Hasa kwa sababu haijatolewa kila wakati.
Lakini kama wanasema, sababu inayowezekana zaidi.
Kama wanakemia wanavyoandika katika makala yao, ambayo yanaweza kupatikana kwenye tovuti ya awali ya arXiv.org, vifungo vya hidrojeni vina nguvu katika maji ya moto kuliko katika maji baridi. Kwa hivyo, zinageuka kuwa nishati zaidi huhifadhiwa katika vifungo vya hidrojeni vya maji ya moto, ambayo ina maana kwamba zaidi yake hutolewa wakati kilichopozwa kwa joto la chini ya sifuri. Kwa sababu hii, ugumu hutokea kwa kasi zaidi.
Hadi sasa, wanasayansi wametatua siri hii kinadharia tu. Wanapowasilisha ushahidi wa kushawishi wa toleo lao, swali la kwa nini maji ya moto hufungia kwa kasi zaidi kuliko maji baridi yanaweza kuchukuliwa kuwa imefungwa.
Mpemba athari(Kitendawili cha Mpemba) ni kitendawili kinachosema kuwa maji ya moto katika hali fulani huganda haraka kuliko maji baridi, ingawa lazima yapitishe joto la maji baridi wakati wa kuganda. Kitendawili hiki ni ukweli wa majaribio ambao unapingana na mawazo ya kawaida, kulingana na ambayo, chini ya hali sawa, mwili wenye joto zaidi huchukua muda zaidi wa kupoa kwa joto fulani kuliko mwili wenye joto kidogo na baridi kwa joto sawa.
Jambo hili liligunduliwa wakati mmoja na Aristotle, Francis Bacon na Rene Descartes, lakini ilikuwa mwaka wa 1963 tu kwamba mtoto wa shule wa Kitanzania Erasto Mpemba aligundua kuwa mchanganyiko wa ice cream ya moto huganda haraka kuliko baridi.
Akiwa mwanafunzi katika Shule ya Upili ya Magambi nchini Tanzania, Erasto Mpemba alifanya kazi ya vitendo kama mpishi. Alihitaji kufanya ice cream ya nyumbani - kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi kwa joto la kawaida, na kisha kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii sana na alichelewa kukamilisha sehemu ya kwanza ya kazi hiyo. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema kuliko maziwa ya wenzi wake, yaliyotayarishwa kulingana na teknolojia aliyopewa.
Baada ya hayo, Mpemba alijaribu sio tu kwa maziwa, bali pia na maji ya kawaida. Kwa vyovyote vile, tayari akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Mkwava, alimwomba Profesa Dennis Osborne kutoka Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam (aliyealikwa na mkurugenzi wa shule hiyo kutoa somo la fizikia kwa wanafunzi) hasa kuhusu maji: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana na kiasi sawa cha maji ili katika moja yao maji yana joto la 35 ° C, na kwa nyingine - 100 ° C, na kuziweka kwenye friji, kisha kwa pili maji yatafungia kwa kasi zaidi. Kwa nini?" Osborne alipendezwa na suala hili na punde, mwaka wa 1969, yeye na Mpemba walichapisha matokeo ya majaribio yao katika jarida la Elimu ya Fizikia. Tangu wakati huo, athari waliyogundua imeitwa Mpemba athari.
Hadi sasa, hakuna mtu anayejua jinsi ya kuelezea athari hii ya ajabu. Wanasayansi hawana toleo moja, ingawa kuna mengi. Yote ni juu ya tofauti katika mali ya maji ya moto na baridi, lakini bado haijulikani wazi ni mali gani ina jukumu katika kesi hii: tofauti ya baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au athari za gesi kioevu kwenye maji. joto tofauti.
Kitendawili cha athari ya Mpemba ni kwamba wakati ambao mwili hupoa hadi joto iliyoko unapaswa kuwa sawia na tofauti ya joto kati ya mwili huu na mazingira. Sheria hii ilianzishwa na Newton na tangu wakati huo imethibitishwa mara nyingi katika mazoezi. Katika athari hii, maji yenye joto la 100 ° C hupoa hadi joto la 0 ° C kwa kasi zaidi kuliko kiasi sawa cha maji na joto la 35 ° C.
Hata hivyo, hii bado haimaanishi kitendawili, kwani athari ya Mpemba inaweza kuelezwa ndani ya mfumo wa fizikia inayojulikana. Hapa kuna baadhi ya maelezo ya athari ya Mpemba:
Uvukizi
Maji ya moto huvukiza kwa kasi kutoka kwenye chombo, na hivyo kupunguza kiasi chake, na kiasi kidogo cha maji kwa joto sawa huganda haraka. Maji yenye joto hadi 100 C hupoteza 16% ya uzito wake yanapopozwa hadi 0 C.
Athari ya uvukizi ni athari mara mbili. Kwanza, wingi wa maji unaohitajika kwa baridi hupungua. Na pili, joto hupungua kutokana na ukweli kwamba joto la uvukizi wa mpito kutoka awamu ya maji hadi awamu ya mvuke hupungua.
Tofauti ya joto
Kutokana na ukweli kwamba tofauti ya joto kati ya maji ya moto na hewa baridi ni kubwa zaidi, kwa hiyo kubadilishana joto katika kesi hii ni kali zaidi na maji ya moto hupungua kwa kasi.
Hypothermia
Maji yanapopoa chini ya 0 C, huwa haigandi kila wakati. Chini ya hali fulani, inaweza kupitia supercooling, kuendelea kubaki kioevu kwenye joto chini ya kufungia. Katika hali nyingine, maji yanaweza kubaki kioevu hata kwa joto la -20 C.
Sababu ya athari hii ni kwamba ili fuwele za kwanza za barafu zianze kuunda, vituo vya kuunda kioo vinahitajika. Ikiwa hazipo katika maji ya kioevu, basi supercooling itaendelea mpaka joto linapungua kutosha kwa fuwele kuunda kwa hiari. Wanapoanza kuunda kwenye kioevu kilichopozwa sana, wataanza kukua kwa kasi zaidi, na kutengeneza barafu la slush, ambalo litaganda na kuunda barafu.
Maji ya moto huathirika zaidi na hypothermia kwa sababu inapokanzwa huondoa gesi na Bubbles zilizoyeyushwa, ambazo zinaweza kutumika kama vituo vya kuunda fuwele za barafu.
Kwa nini hypothermia husababisha maji ya moto kuganda haraka? Katika kesi ya maji baridi ambayo si supercooled, zifuatazo hutokea. Katika kesi hii, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa chombo. Safu hii ya barafu itafanya kazi kama kizio kati ya maji na hewa baridi na itazuia uvukizi zaidi. Kiwango cha malezi ya fuwele za barafu katika kesi hii itakuwa chini. Katika kesi ya maji ya moto chini ya supercooling, maji supercooled haina safu ya uso ya kinga ya barafu. Kwa hiyo, inapoteza joto kwa kasi zaidi kupitia juu ya wazi.
Wakati mchakato wa supercooling unapoisha na maji kufungia, joto zaidi hupotea na kwa hiyo barafu zaidi huundwa.
Watafiti wengi wa athari hii wanaona hypothermia kuwa sababu kuu katika kesi ya athari ya Mpemba.
Convection
Maji baridi huanza kuganda kutoka juu, na hivyo kuzidisha michakato ya mionzi ya joto na convection, na hivyo kupoteza joto, wakati maji ya moto huanza kufungia kutoka chini.
Athari hii inaelezewa na anomaly katika wiani wa maji. Maji yana wiani wa juu saa 4 C. Ikiwa unapunguza maji hadi 4 C na kuiweka kwenye joto la chini, safu ya uso wa maji itafungia kwa kasi. Kwa sababu maji haya ni mnene kidogo kuliko maji kwa joto la 4 C, itabaki juu ya uso, na kutengeneza safu nyembamba ya baridi. Chini ya hali hizi, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa maji ndani ya muda mfupi, lakini safu hii ya barafu itatumika kama insulator, kulinda tabaka za chini za maji, ambazo zitabaki kwenye joto la 4 C. Kwa hivyo, mchakato wa baridi zaidi utakuwa polepole.
Katika kesi ya maji ya moto, hali ni tofauti kabisa. Safu ya uso ya maji itapoa haraka zaidi kutokana na uvukizi na tofauti kubwa ya joto. Kwa kuongeza, tabaka za maji baridi ni mnene zaidi kuliko tabaka za maji ya moto, hivyo safu ya maji baridi itazama chini, na kuinua safu ya maji ya joto kwenye uso. Mzunguko huu wa maji huhakikisha kushuka kwa kasi kwa joto.
Lakini kwa nini mchakato huu haufikii hatua ya usawa? Ili kuelezea athari ya Mpemba kutoka kwa mtazamo huu wa upitishaji, itakuwa muhimu kudhani kuwa tabaka za maji baridi na moto zimetenganishwa na mchakato wa kupitisha yenyewe unaendelea baada ya wastani wa joto la maji kushuka chini ya 4 C.
Hata hivyo, hakuna ushahidi wa majaribio kuunga mkono dhana hii kwamba tabaka za maji baridi na moto hutenganishwa na mchakato wa convection.
Gesi kufutwa katika maji
Maji daima yana gesi zilizoyeyushwa ndani yake - oksijeni na dioksidi kaboni. Gesi hizi zina uwezo wa kupunguza kiwango cha kuganda cha maji. Maji yanapokanzwa, gesi hizi hutolewa kutoka kwa maji kwa sababu umumunyifu wao katika maji ni wa chini kwa joto la juu. Kwa hiyo, wakati maji ya moto yanapopoa, daima huwa na gesi zilizopunguzwa kidogo kuliko katika maji baridi yasiyo na joto. Kwa hiyo, hatua ya kufungia ya maji yenye joto ni ya juu na inafungia kwa kasi zaidi. Sababu hii wakati mwingine inachukuliwa kuwa ndiyo kuu katika kuelezea athari ya Mpemba, ingawa hakuna data ya majaribio inayothibitisha ukweli huu.
Conductivity ya joto
Utaratibu huu unaweza kuwa na jukumu muhimu wakati maji yanawekwa kwenye friji ya compartment ya friji katika vyombo vidogo. Chini ya hali hizi, imeonekana kwamba chombo cha maji ya moto huyeyusha barafu kwenye friji chini, na hivyo kuboresha mawasiliano ya joto na ukuta wa friji na conductivity ya mafuta. Matokeo yake, joto huondolewa kwenye chombo cha maji ya moto kwa kasi zaidi kuliko kutoka kwa baridi. Kwa upande wake, chombo kilicho na maji baridi hakiyeyushi theluji chini.
Masharti haya yote (pamoja na mengine) yalichunguzwa katika majaribio mengi, lakini jibu la wazi kwa swali - ni nani kati yao hutoa uzazi wa asilimia mia moja ya athari ya Mpemba - haikupatikana kamwe.
Kwa mfano, mwaka wa 1995, mwanafizikia wa Ujerumani David Auerbach alisoma athari za maji ya supercooling juu ya athari hii. Aligundua kwamba maji ya moto, kufikia hali ya supercooled, kufungia kwa joto la juu kuliko maji baridi, na kwa hiyo kwa kasi zaidi kuliko mwisho. Lakini maji baridi hufikia hali ya supercooled kwa kasi zaidi kuliko maji ya moto, na hivyo kulipa fidia kwa lag ya awali.
Kwa kuongeza, matokeo ya Auerbach yalipingana na data ya awali kwamba maji ya moto yaliweza kufikia upoaji mkubwa zaidi kutokana na vituo vichache vya fuwele. Wakati maji yanapokanzwa, gesi zilizoyeyushwa ndani yake huondolewa kutoka kwake, na inapochemshwa, chumvi zingine huyeyuka ndani yake.
Kwa sasa, jambo moja tu linaweza kusemwa - uzazi wa athari hii kwa kiasi kikubwa inategemea hali ambayo jaribio linafanywa. Hasa kwa sababu haijatolewa kila wakati.
Mpemba athari(Kitendawili cha Mpemba) - kitendawili kinachosema kuwa maji ya moto chini ya hali fulani huganda haraka kuliko maji baridi, ingawa lazima yapitishe joto la maji baridi wakati wa kuganda. Kitendawili hiki ni ukweli wa majaribio ambao unapingana na mawazo ya kawaida, kulingana na ambayo, chini ya hali sawa, mwili wenye joto zaidi huchukua muda zaidi wa kupoa kwa joto fulani kuliko mwili wenye joto kidogo na baridi kwa joto sawa.
Jambo hili liligunduliwa wakati mmoja na Aristotle, Francis Bacon na Rene Descartes, lakini ilikuwa mwaka wa 1963 tu kwamba mtoto wa shule wa Kitanzania Erasto Mpemba aligundua kuwa mchanganyiko wa ice cream ya moto huganda haraka kuliko baridi.
Akiwa mwanafunzi katika Shule ya Upili ya Magambi nchini Tanzania, Erasto Mpemba alifanya kazi ya vitendo kama mpishi. Alihitaji kufanya ice cream ya nyumbani - kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi kwa joto la kawaida, na kisha kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii sana na alichelewa kukamilisha sehemu ya kwanza ya kazi hiyo. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema kuliko maziwa ya wenzi wake, yaliyotayarishwa kulingana na teknolojia aliyopewa.
Baada ya hayo, Mpemba alijaribu sio tu kwa maziwa, bali pia na maji ya kawaida. Kwa vyovyote vile, tayari akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Mkwava, alimwomba Profesa Dennis Osborne kutoka Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam (aliyealikwa na mkurugenzi wa shule hiyo kutoa somo la fizikia kwa wanafunzi) hasa kuhusu maji: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana na kiasi sawa cha maji ili katika moja yao maji yana joto la 35 ° C, na kwa nyingine - 100 ° C, na kuziweka kwenye friji, kisha kwa pili maji yatafungia kwa kasi zaidi. Kwa nini?" Osborne alipendezwa na suala hili na punde, mwaka wa 1969, yeye na Mpemba walichapisha matokeo ya majaribio yao katika jarida la Elimu ya Fizikia. Tangu wakati huo, athari waliyogundua imeitwa Mpemba athari.
Hadi sasa, hakuna mtu anayejua jinsi ya kuelezea athari hii ya ajabu. Wanasayansi hawana toleo moja, ingawa kuna mengi. Yote ni juu ya tofauti katika mali ya maji ya moto na baridi, lakini bado haijulikani wazi ni mali gani ina jukumu katika kesi hii: tofauti ya baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au athari za gesi kioevu kwenye maji. joto tofauti.
Kitendawili cha athari ya Mpemba ni kwamba wakati ambao mwili hupoa hadi joto iliyoko unapaswa kuwa sawia na tofauti ya joto kati ya mwili huu na mazingira. Sheria hii ilianzishwa na Newton na tangu wakati huo imethibitishwa mara nyingi katika mazoezi. Katika athari hii, maji yenye joto la 100 ° C hupoa hadi joto la 0 ° C kwa kasi zaidi kuliko kiasi sawa cha maji na joto la 35 ° C.
Hata hivyo, hii bado haimaanishi kitendawili, kwani athari ya Mpemba inaweza kuelezwa ndani ya mfumo wa fizikia inayojulikana. Hapa kuna baadhi ya maelezo ya athari ya Mpemba:
Uvukizi
Maji ya moto huvukiza kwa kasi kutoka kwenye chombo, na hivyo kupunguza kiasi chake, na kiasi kidogo cha maji kwa joto sawa huganda haraka. Maji yenye joto hadi 100 C hupoteza 16% ya uzito wake yanapopozwa hadi 0 C.
Athari ya uvukizi ni athari mara mbili. Kwanza, wingi wa maji unaohitajika kwa baridi hupungua. Na pili, joto hupungua kutokana na ukweli kwamba joto la uvukizi wa mpito kutoka awamu ya maji hadi awamu ya mvuke hupungua.
Tofauti ya joto
Kutokana na ukweli kwamba tofauti ya joto kati ya maji ya moto na hewa baridi ni kubwa zaidi, kwa hiyo kubadilishana joto katika kesi hii ni kali zaidi na maji ya moto hupungua kwa kasi.
Hypothermia
Maji yanapopoa chini ya 0 C, huwa haigandi kila wakati. Chini ya hali fulani, inaweza kupitia supercooling, kuendelea kubaki kioevu kwenye joto chini ya kufungia. Katika hali nyingine, maji yanaweza kubaki kioevu hata kwa joto la -20 C.
Sababu ya athari hii ni kwamba ili fuwele za kwanza za barafu zianze kuunda, vituo vya kuunda kioo vinahitajika. Ikiwa hazipo katika maji ya kioevu, basi supercooling itaendelea mpaka joto linapungua kutosha kwa fuwele kuunda kwa hiari. Wanapoanza kuunda kwenye kioevu kilichopozwa sana, wataanza kukua kwa kasi zaidi, na kutengeneza barafu la slush, ambalo litaganda na kuunda barafu.
Maji ya moto huathirika zaidi na hypothermia kwa sababu inapokanzwa huondoa gesi na Bubbles zilizoyeyushwa, ambazo zinaweza kutumika kama vituo vya kuunda fuwele za barafu.
Kwa nini hypothermia husababisha maji ya moto kuganda haraka? Katika kesi ya maji baridi ambayo si supercooled, zifuatazo hutokea. Katika kesi hii, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa chombo. Safu hii ya barafu itafanya kazi kama kizio kati ya maji na hewa baridi na itazuia uvukizi zaidi. Kiwango cha malezi ya fuwele za barafu katika kesi hii itakuwa chini. Katika kesi ya maji ya moto chini ya supercooling, maji supercooled haina safu ya uso ya kinga ya barafu. Kwa hiyo, inapoteza joto kwa kasi zaidi kupitia juu ya wazi.
Wakati mchakato wa supercooling unapoisha na maji kufungia, joto zaidi hupotea na kwa hiyo barafu zaidi huundwa.
Watafiti wengi wa athari hii wanaona hypothermia kuwa sababu kuu katika kesi ya athari ya Mpemba.
Convection
Maji baridi huanza kuganda kutoka juu, na hivyo kuzidisha michakato ya mionzi ya joto na convection, na hivyo kupoteza joto, wakati maji ya moto huanza kufungia kutoka chini.
Athari hii inaelezewa na anomaly katika wiani wa maji. Maji yana wiani wa juu saa 4 C. Ikiwa unapunguza maji hadi 4 C na kuiweka kwenye joto la chini, safu ya uso wa maji itafungia kwa kasi. Kwa sababu maji haya ni mnene kidogo kuliko maji kwa joto la 4 C, itabaki juu ya uso, na kutengeneza safu nyembamba ya baridi. Chini ya hali hizi, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa maji ndani ya muda mfupi, lakini safu hii ya barafu itatumika kama insulator, kulinda tabaka za chini za maji, ambazo zitabaki kwenye joto la 4 C. Kwa hivyo, mchakato wa baridi zaidi utakuwa polepole.
Katika kesi ya maji ya moto, hali ni tofauti kabisa. Safu ya uso ya maji itapoa haraka zaidi kutokana na uvukizi na tofauti kubwa ya joto. Kwa kuongeza, tabaka za maji baridi ni mnene zaidi kuliko tabaka za maji ya moto, hivyo safu ya maji baridi itazama chini, na kuinua safu ya maji ya joto kwenye uso. Mzunguko huu wa maji huhakikisha kushuka kwa kasi kwa joto.
Lakini kwa nini mchakato huu haufikii hatua ya usawa? Ili kuelezea athari ya Mpemba kutoka kwa mtazamo huu wa upitishaji, itakuwa muhimu kudhani kuwa tabaka za maji baridi na moto zimetenganishwa na mchakato wa kupitisha yenyewe unaendelea baada ya wastani wa joto la maji kushuka chini ya 4 C.
Hata hivyo, hakuna ushahidi wa majaribio kuunga mkono dhana hii kwamba tabaka za maji baridi na moto hutenganishwa na mchakato wa convection.
Gesi kufutwa katika maji
Maji daima yana gesi zilizoyeyushwa ndani yake - oksijeni na dioksidi kaboni. Gesi hizi zina uwezo wa kupunguza kiwango cha kuganda cha maji. Maji yanapokanzwa, gesi hizi hutolewa kutoka kwa maji kwa sababu umumunyifu wao katika maji ni wa chini kwa joto la juu. Kwa hiyo, wakati maji ya moto yanapopoa, daima huwa na gesi zilizopunguzwa kidogo kuliko katika maji baridi yasiyo na joto. Kwa hiyo, hatua ya kufungia ya maji yenye joto ni ya juu na inafungia kwa kasi zaidi. Sababu hii wakati mwingine inachukuliwa kuwa ndiyo kuu katika kuelezea athari ya Mpemba, ingawa hakuna data ya majaribio inayothibitisha ukweli huu.
Conductivity ya joto
Utaratibu huu unaweza kuwa na jukumu muhimu wakati maji yanawekwa kwenye friji ya compartment ya friji katika vyombo vidogo. Chini ya hali hizi, imeonekana kwamba chombo cha maji ya moto huyeyusha barafu kwenye friji chini, na hivyo kuboresha mawasiliano ya joto na ukuta wa friji na conductivity ya mafuta. Matokeo yake, joto huondolewa kwenye chombo cha maji ya moto kwa kasi zaidi kuliko kutoka kwa baridi. Kwa upande wake, chombo kilicho na maji baridi hakiyeyushi theluji chini.
Masharti haya yote (pamoja na mengine) yalichunguzwa katika majaribio mengi, lakini jibu la wazi kwa swali - ni nani kati yao hutoa uzazi wa asilimia mia moja ya athari ya Mpemba - haikupatikana kamwe.
Kwa mfano, mwaka wa 1995, mwanafizikia wa Ujerumani David Auerbach alisoma athari za maji ya supercooling juu ya athari hii. Aligundua kwamba maji ya moto, kufikia hali ya supercooled, kufungia kwa joto la juu kuliko maji baridi, na kwa hiyo kwa kasi zaidi kuliko mwisho. Lakini maji baridi hufikia hali ya supercooled kwa kasi zaidi kuliko maji ya moto, na hivyo kulipa fidia kwa lag ya awali.
Kwa kuongeza, matokeo ya Auerbach yalipingana na data ya awali kwamba maji ya moto yaliweza kufikia upoaji mkubwa zaidi kutokana na vituo vichache vya fuwele. Wakati maji yanapokanzwa, gesi zilizoyeyushwa ndani yake huondolewa kutoka kwake, na inapochemshwa, chumvi zingine huyeyuka ndani yake.
Kwa sasa, jambo moja tu linaweza kusemwa - uzazi wa athari hii kwa kiasi kikubwa inategemea hali ambayo jaribio linafanywa. Hasa kwa sababu haijatolewa kila wakati.
O. V. Mosin
Kifasihivyanzo:
"Maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi. Kwa nini hufanya hivyo?", Jearl Walker katika The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Na. 3, ukurasa wa 246-257; Septemba, 1977.
"Kuganda kwa Maji ya Moto na Baridi", G.S. Kell katika Jarida la Marekani la Fizikia, Vol. 37, Na. 5, ukurasa wa 564-565; Mei, 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, katika American Journal of Physics, Vol. 63, Na. 10, ukurasa wa 882-885; Oktoba 1995.
"Athari ya Mpemba: Nyakati za kuganda kwa maji ya moto na baridi", Charles A. Knight, katika American Journal of Physics, Vol. 64, Na. 5, uk 524; Mei, 1996.
Maji- dutu rahisi kutoka kwa mtazamo wa kemikali, hata hivyo, ina idadi ya mali isiyo ya kawaida, ambayo haiachi kuwashangaza wanasayansi. Chini ni mambo machache ambayo watu wachache wanajua kuhusu.
1. Ni maji gani huganda haraka - baridi au moto?
Hebu tuchukue vyombo viwili na maji: mimina maji ya moto kwenye moja na maji baridi ndani ya nyingine, na uwaweke kwenye friji. Maji ya moto yataganda haraka kuliko maji baridi, ingawa kwa mantiki, maji baridi yanapaswa kugeuka kuwa barafu kwanza: baada ya yote, maji ya moto lazima kwanza yapoe kwa joto la baridi, na kisha yageuke kuwa barafu, wakati maji baridi hayahitaji kupoa. Kwa nini hii inatokea?
Mnamo 1963, mwanafunzi wa Kitanzania anayeitwa Erasto B. Mpemba alikuwa akigandisha mchanganyiko wa aiskrimu alipogundua kuwa mchanganyiko huo wa moto ulikuwa ukiganda. freezer haraka kuliko baridi. Kijana huyo aliposhiriki ugunduzi wake na mwalimu wake wa fizikia, alimcheka tu. Kwa bahati nzuri, mwanafunzi alikuwa akiendelea na akamshawishi mwalimu kufanya jaribio, ambalo lilithibitisha ugunduzi wake: masharti fulani Maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi.
Sasa jambo hili la maji ya moto kuganda haraka kuliko maji baridi linaitwa “ Mpemba athari" Kweli, muda mrefu kabla yake mali ya kipekee maji yalibainishwa na Aristotle, Francis Bacon na René Descartes.
Wanasayansi bado hawaelewi kikamilifu asili ya jambo hili, wakielezea ama kwa tofauti katika baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au kwa athari za gesi zenye maji kwenye maji ya moto na baridi.
2. Inaweza kuganda papo hapo
Kila mtu anajua hilo maji daima hugeuka kuwa barafu inapopozwa hadi 0°C... isipokuwa kwa baadhi! Kesi kama hiyo, kwa mfano, ni supercooling, ambayo ni mali ya sana maji safi kubaki kioevu hata ikipozwa hadi chini ya kuganda. Jambo hili linawezekana kutokana na ukweli kwamba mazingira haina vituo au viini vya ukaushaji ambavyo vinaweza kusababisha uundaji wa fuwele za barafu. Na kwa hivyo maji hubaki ndani fomu ya kioevu, hata inapopozwa hadi halijoto iliyo chini ya nyuzi joto sifuri.
Mchakato wa Crystallization inaweza kusababishwa, kwa mfano, na Bubbles za gesi, uchafu (uchafuzi), au uso usio na usawa wa chombo. Bila wao, maji yatabaki katika hali ya kioevu. Mchakato wa uwekaji fuwele unapoanza, unaweza kutazama maji yaliyopozwa sana yakibadilika mara moja kuwa barafu.
Kumbuka kwamba maji "ya moto zaidi" pia hubaki kioevu hata yanapokanzwa juu ya kiwango chake cha kuchemsha.
3. majimbo 19 ya maji
Bila kusita, taja maji yana majimbo ngapi tofauti? Ikiwa umejibu tatu: imara, kioevu, gesi, basi ulikosea. Wanasayansi hutofautisha angalau majimbo 5 tofauti ya maji katika hali ya kioevu na majimbo 14 katika fomu iliyoganda.
Je, unakumbuka mazungumzo kuhusu maji yaliyopozwa sana? Kwa hivyo, haijalishi utafanya nini, kwa -38 °C hata maji safi yaliyopozwa sana yatabadilika kuwa barafu ghafla. Je, nini kitatokea joto likipungua zaidi? Kwa -120 °C kitu cha ajabu huanza kutokea kwa maji: inakuwa ya viscous au viscous, kama molasi, na kwa joto chini ya -135 ° C inageuka kuwa "glasi" au "vitreous" maji - imara, ambayo hakuna muundo wa kioo.
4. Maji huwashangaza wanafizikia
Washa kiwango cha molekuli maji yanashangaza zaidi. Mnamo 1995, jaribio la kueneza kwa nyutroni lililofanywa na wanasayansi lilitoa matokeo yasiyotarajiwa: wanafizikia waligundua kwamba neutroni zinazolenga molekuli za maji "ona" 25% ya protoni za hidrojeni chini ya ilivyotarajiwa.
Ilibadilika kuwa kwa kasi ya attosecond moja (sekunde 10 -18) athari ya quantum isiyo ya kawaida hufanyika, na formula ya kemikali maji badala yake H2O, inakuwa H1.5O!
5. Kumbukumbu ya maji
Mbadala dawa rasmi homeopathy inasema kuwa suluhisho la dilute bidhaa ya dawa inaweza kutoa athari ya uponyaji kwenye mwili, hata ikiwa sababu ya dilution ni ya juu sana kwamba hakuna kitu kilichosalia katika suluhisho isipokuwa molekuli za maji. Wafuasi wa tiba ya magonjwa ya akili wanaelezea kitendawili hiki kwa dhana inayoitwa " kumbukumbu ya maji", kulingana na ambayo maji katika ngazi ya Masi ina "kumbukumbu" ya dutu ambayo mara moja ilifutwa ndani yake na huhifadhi mali ya ufumbuzi wa mkusanyiko wa awali baada ya si molekuli moja ya kiungo iliyobaki ndani yake.
Timu ya kimataifa ya wanasayansi ikiongozwa na Profesa Madeleine Ennis wa Chuo Kikuu cha Malkia cha Belfast, ambaye alikuwa amekosoa kanuni za ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa uzazi ulifanya majaribio mwaka wa 2002 ili kukanusha dhana hiyo mara moja na kwa wote. Matokeo yalikuwa kinyume. Baada ya hapo, wanasayansi walisema kwamba waliweza kudhibitisha ukweli wa athari " kumbukumbu ya maji" Hata hivyo, majaribio yaliyofanywa chini ya usimamizi wa wataalam wa kujitegemea hayakuleta matokeo. Mizozo juu ya uwepo wa jambo hilo " kumbukumbu ya maji"endelea.
Maji yana mali nyingine nyingi zisizo za kawaida ambazo hatukuzungumzia katika makala hii. Kwa mfano, wiani wa maji hubadilika kulingana na joto (wiani wa barafu ni chini ya wiani wa maji); maji yana mvutano wa juu wa uso; katika hali ya kioevu, maji ni mtandao tata na unaobadilika wa makundi ya maji, na ni tabia ya makundi ambayo huathiri muundo wa maji, nk.
Kuhusu vipengele hivi na vingine vingi visivyotarajiwa maji inaweza kusomwa katika makala " Tabia isiyo ya kawaida ya maji", kilichoandikwa na Martin Chaplin, profesa katika Chuo Kikuu cha London.
Watafiti wengi wameweka mbele na wanatoa matoleo yao wenyewe kwa nini maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi. Inaweza kuonekana kama kitendawili - baada ya yote, ili kufungia, maji ya moto yanahitaji kwanza kupoa. Hata hivyo, ukweli unabaki kuwa ukweli, na wanasayansi wanaelezea kwa njia tofauti.
Matoleo makuu
Kwa sasa, kuna matoleo kadhaa ambayo yanaelezea ukweli huu:
- Kwa sababu maji ya moto huvukiza kwa kasi, kiasi chake hupungua. Na kufungia kwa kiasi kidogo cha maji kwa joto sawa hutokea kwa kasi zaidi.
- Sehemu ya friji ya friji ina mstari wa theluji. Chombo kilicho na maji ya moto huyeyusha theluji chini yake. Hii inaboresha mawasiliano ya joto na friji.
- Kufungia kwa maji baridi, tofauti na maji ya moto, huanza juu. Wakati huo huo, convection na mionzi ya joto, na, kwa hiyo, kupoteza joto kunazidi kuwa mbaya.
- Maji baridi yana vituo vya crystallization - dutu kufutwa ndani yake. Ikiwa yaliyomo ndani ya maji ni ndogo, icing ni ngumu, ingawa wakati huo huo, supercooling inawezekana - wakati. joto la chini ya sifuri iko katika hali ya kioevu.
Ingawa kwa haki tunaweza kusema kuwa athari hii haizingatiwi kila wakati. Mara nyingi, maji baridi huganda haraka kuliko maji ya moto.
Maji huganda kwa joto gani
Kwa nini maji huganda kabisa? Ina kiasi fulani cha madini au chembe za kikaboni. Hizi zinaweza kuwa, kwa mfano, chembe ndogo sana za mchanga, vumbi au udongo. Joto la hewa linapopungua, chembe hizi ni vituo vinavyozunguka fuwele za barafu.
Jukumu la viini vya crystallization pia linaweza kuchezwa na Bubbles za hewa na nyufa kwenye chombo kilicho na maji. Kasi ya mchakato wa kugeuza maji kuwa barafu huathiriwa kwa kiasi kikubwa na idadi ya vituo hivyo - ikiwa kuna wengi wao, kioevu hufungia kwa kasi. Katika hali ya kawaida, na kawaida shinikizo la anga, maji hugeuka kuwa hali imara kutoka kioevu kwenye joto la digrii 0.
Kiini cha athari ya Mpemba
Athari ya Mpemba ni kitendawili, kiini chake ni kwamba chini ya hali fulani, maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi. Jambo hili liligunduliwa na Aristotle na Descartes. Hata hivyo, haikuwa hadi mwaka wa 1963 ambapo mvulana wa shule Mtanzania Erasto Mpemba aliamua kwamba aiskrimu ya moto ilichukua muda mrefu kuganda. muda mfupi kuliko baridi. Alifanya hitimisho hili wakati akikamilisha kazi ya kupika.
Ilibidi kufuta sukari katika maziwa ya kuchemsha na, baada ya kuipoza, kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa na bidii sana na alianza kumaliza sehemu ya kwanza ya kazi hiyo kwa kuchelewa. Kwa hiyo, hakusubiri maziwa yapoe, na kuiweka kwenye jokofu ya moto. Alishangaa sana pale ilipoganda kwa kasi zaidi kuliko ile ya wanafunzi wenzake, waliokuwa wakifanya kazi hiyo kwa kufuata teknolojia aliyopewa.
Ukweli huu ulimvutia sana kijana huyo, na akaanza majaribio na maji ya kawaida. Mnamo 1969, jarida la Physics Education lilichapisha matokeo ya utafiti wa Mpemba na Profesa Dennis Osborne wa Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam. Athari waliyoieleza ilipewa jina la Mpemba. Hata hivyo, hata leo hakuna maelezo wazi ya jambo hilo. Wanasayansi wote wanakubali kwamba jukumu kuu katika hili ni la tofauti katika mali ya maji ya baridi na ya moto, lakini ni nini hasa haijulikani.
Toleo la Singapore
Wanafizikia kutoka kwa moja ya vyuo vikuu vya Singapore pia walipendezwa na swali ambalo maji hufungia haraka - moto au baridi? Timu ya watafiti wakiongozwa na Xi Zhang walielezea kitendawili hiki kwa usahihi na sifa za maji. Kila mtu anajua muundo wa maji kutoka shuleni - atomi ya oksijeni na atomi mbili za hidrojeni. Oksijeni kwa kiasi fulani huvuta elektroni kutoka kwa hidrojeni, hivyo molekuli ni aina fulani ya "sumaku".
Matokeo yake, molekuli fulani katika maji huvutia kidogo kwa kila mmoja na huunganishwa na dhamana ya hidrojeni. Nguvu yake ni mara nyingi chini kuliko dhamana ya ushirikiano. Watafiti wa Singapore wanaamini kwamba maelezo ya kitendawili cha Mpemba yapo katika vifungo vya hidrojeni. Ikiwa molekuli za maji zimewekwa kwa karibu sana, basi hii mwingiliano wenye nguvu kati ya molekuli ni uwezo wa deforming dhamana covalent katikati ya molekuli yenyewe.
Lakini wakati maji yanapokanzwa, molekuli zilizofungwa husogea kidogo kutoka kwa kila mmoja. Kama matokeo, utulivu wa vifungo vya ushirikiano hutokea katikati ya molekuli na kutolewa kwa nishati ya ziada na mpito hadi chini. kiwango cha nishati. Hii inaongoza kwa ukweli kwamba maji ya moto huanza kupungua kwa kasi. Angalau, hivi ndivyo hesabu za kinadharia zinazofanywa na wanasayansi wa Singapore zinaonyesha.
Maji ya kufungia mara moja - hila 5 za ajabu: Video