ทำไมน้ำอุ่นถึงแข็งตัวเร็วขึ้น? ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

ในปี 1963 เด็กนักเรียนจากแทนซาเนียชื่อ Erasto Mpemba ถามคำถามโง่ๆ กับครูว่า ทำไมไอศกรีมอุ่นถึงแข็งเร็วกว่าไอศกรีมเย็นๆ ในช่องแช่แข็งของเขา

เป็นลูกศิษย์ของมคพพ มัธยมในแทนซาเนีย Erasto Mpemba did ฝึกงานในศิลปะการทำอาหาร เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด - ต้มนม ละลายน้ำตาล พักไว้ให้เย็น อุณหภูมิห้องแล้วนำไปแช่ตู้เย็นให้แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและผัดวันประกันพรุ่งในส่วนแรกของงานที่ได้รับมอบหมาย ด้วยกลัวว่าเขาจะไม่ทันเรียนจบ เขาจึงใส่นมร้อนไว้ในตู้เย็น ที่ทำให้เขาประหลาดใจ มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขา ซึ่งเตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

เขาหันไปหาครูฟิสิกส์เพื่อชี้แจง แต่เขาแค่หัวเราะเยาะนักเรียนโดยกล่าวว่า: "นี่ไม่ใช่ฟิสิกส์ของโลก แต่เป็นฟิสิกส์ของ Mpemba" หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำธรรมดาด้วย

ไม่ว่าในกรณีใดเป็นนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkwawa เขาถามศาสตราจารย์เดนนิสออสบอร์นจากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์อีสซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายวิชาฟิสิกส์แก่นักเรียน) เกี่ยวกับน้ำ: “ถ้า คุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบที่มีปริมาตรน้ำเท่ากันเพื่อให้หนึ่งในนั้นน้ำมีอุณหภูมิ 35 ° C และในอีก - 100 ° C แล้วใส่ในช่องแช่แข็งจากนั้นในวินาทีที่น้ำจะหยุด เร็วขึ้น. ทำไม?" ออสบอร์นเริ่มให้ความสนใจในประเด็นนี้ และในไม่ช้าในปี พ.ศ. 2512 พวกเขาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองร่วมกับ Mpemba ร่วมกับ Mpemba ในวารสาร Physics Education ตั้งแต่นั้นมา เอฟเฟกต์ที่พวกเขาค้นพบเรียกว่าเอฟเฟกต์ Mpemba

คุณอยากรู้หรือไม่ว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายปรากฏการณ์นี้ ...

Mpemba Effect (Mpemba Paradox) เป็นความขัดแย้งที่ระบุว่า น้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง มันแข็งตัวเร็วกว่าความเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิ น้ำเย็นระหว่างกระบวนการแช่แข็ง ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงจากการทดลองซึ่งขัดแย้งกับแนวคิดปกติทั่วไป โดยภายใต้สภาวะเดียวกัน ร่างกายที่ร้อนกว่าต้องการเวลามากขึ้นในการทำให้อุณหภูมิเย็นลงถึงระดับหนึ่ง มากกว่าร่างกายที่เย็นกว่าเพื่อให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

ปรากฏการณ์นี้สังเกตเห็นได้ในขณะนั้นโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรเน เดส์การตส์ จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครรู้ว่าจะอธิบายเอฟเฟกต์แปลก ๆ นี้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีรุ่นเดียวถึงแม้ว่าจะมีมากมาย มันเป็นเรื่องของความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหยกลายเป็นน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำในระหว่าง อุณหภูมิต่างกัน. ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba คือเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อมจะต้องเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎข้อนี้ก่อตั้งโดยนิวตันและตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการยืนยันหลายครั้งในทางปฏิบัติ ในลักษณะเดียวกัน น้ำที่อุณหภูมิ 100°C จะเย็นตัวลงได้เร็วกว่าน้ำปริมาณเท่ากันที่ 35°C ถึง 0°C

ตั้งแต่นั้นมา มีการแสดงรูปแบบต่างๆ กัน ซึ่งหนึ่งในนั้นมีดังนี้: ส่วนหนึ่งของน้ำร้อนจะระเหยในตอนแรก จากนั้นเมื่อเหลือปริมาณน้อย น้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น รุ่นนี้ได้รับความนิยมมากที่สุดเนื่องจากความเรียบง่าย แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่พอใจอย่างสมบูรณ์

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยางในสิงคโปร์ นำโดยนักเคมี Xi Zhang กล่าวว่าพวกเขาได้ไขปริศนาเก่าแก่ว่าทำไมน้ำอุ่นถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ตามที่ผู้เชี่ยวชาญชาวจีนค้นพบ ความลับอยู่ที่ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ

อย่างที่คุณทราบ โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอมที่ยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะโควาเลนต์ ซึ่งในระดับอนุภาคดูเหมือนการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน อื่น รู้ความจริงคืออะตอมของไฮโดรเจนถูกดึงดูดไปยังอะตอมของออกซิเจนจากโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียง - ในกรณีนี้จะเกิดพันธะไฮโดรเจนขึ้น

ในขณะเดียวกัน โมเลกุลของน้ำทั้งหมดก็ผลักกัน นักวิทยาศาสตร์จากสิงคโปร์สังเกตว่ายิ่งน้ำอุ่นยิ่งมีระยะห่างระหว่างโมเลกุลของของเหลวมากขึ้นเนื่องจากแรงผลักที่เพิ่มขึ้น เป็นผลให้พันธะไฮโดรเจนยืดออกและเก็บพลังงานได้มากขึ้น พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาเมื่อน้ำเย็นลง - โมเลกุลเข้าหากัน และการกลับมาของพลังงานอย่างที่คุณทราบนั้นหมายถึงความเย็น

นี่คือสมมติฐานที่นักวิทยาศาสตร์เสนอ:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ ส่งผลให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำที่มีอุณหภูมิเท่ากันจะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนถึง 100°C จะสูญเสียมวลไป 16% เมื่อทำให้เย็นลงถึง 0°C ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลของน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองเนื่องจากการระเหยทำให้อุณหภูมิลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่าง น้ำร้อนและอากาศเย็นมากขึ้น - ดังนั้นการถ่ายเทความร้อนในกรณีนี้จะรุนแรงขึ้นและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ
เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส น้ำจะไม่แข็งตัวตลอดเวลา ภายใต้เงื่อนไขบางประการ มันสามารถผ่าน supercooling ในขณะที่ยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำยังคงเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัวขึ้น จำเป็นต้องมีศูนย์กลางของการก่อตัวของผลึก หากไม่ได้อยู่ในน้ำของเหลว supercooling จะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่เย็นจัด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น ก่อตัวเป็นน้ำแข็งที่แข็งจนกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำร้อนไวต่ออุณหภูมิมากที่สุดเนื่องจากความร้อนจะกำจัดก๊าซและฟองสบู่ที่ละลายน้ำ ซึ่งในทางกลับกันสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางสำหรับการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง ทำไมอุณหภูมิต่ำกว่าปกติทำให้น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น? ในกรณีที่ น้ำเย็นซึ่งไม่ซุปเปอร์คูล จะเกิดสิ่งต่อไปนี้บนพื้นผิว ชั้นบางน้ำแข็ง ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น จึงป้องกันการระเหยต่อไป อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะน้อยลง ในกรณีของน้ำร้อนที่อยู่ระหว่างการทำ subcooling น้ำที่ระบายความร้อนด้วย subcooled จะไม่มีชั้นผิวป้องกันน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนเร็วกว่ามากเมื่อเปิดฝา เมื่อกระบวนการ supercooling สิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง จะสูญเสียความร้อนมากขึ้น ดังนั้น น้ำแข็งมากขึ้น. นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba
การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง และด้วยเหตุนี้จึงสูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติในความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4°C หากคุณทำให้น้ำเย็นลงที่อุณหภูมิ 4°C และวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ชั้นผิวของน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4°C มันจะอยู่บนผิวน้ำ ก่อตัวเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำในช่วงเวลาสั้นๆ แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันน้ำชั้นล่าง ซึ่งจะยังคงอยู่ที่ 4°C ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นต่อไปจะช้าลง ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นลงเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ ชั้นของน้ำเย็นจะมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นของน้ำร้อน ดังนั้น ชั้นของน้ำเย็นจะยุบตัวทำให้ชั้นสูงขึ้น น้ำอุ่นไปที่พื้นผิว การไหลเวียนของน้ำทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว แต่ทำไมกระบวนการนี้ถึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน เราควรสันนิษฐานว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากนั้น อุณหภูมิเฉลี่ยหยดน้ำต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานการทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและน้ำร้อนแยกจากกันด้วยการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้น - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำได้ที่ อุณหภูมิสูงด้านล่าง. ดังนั้น เมื่อระบายความร้อนด้วยน้ำร้อน จะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่ผ่านความร้อนเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำอุ่นจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น ปัจจัยนี้บางครั้งถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองยืนยันข้อเท็จจริงนี้

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญเมื่อใส่น้ำในช่องแช่แข็ง ช่องแช่เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะที่มีน้ำร้อนละลายน้ำแข็งของช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสทางความร้อนกับผนังของช่องแช่แข็งและการนำความร้อน เป็นผลให้ความร้อนจะถูกลบออกจากภาชนะเก็บน้ำร้อนเร็วกว่าจากที่เย็น ในทางกลับกันภาชนะที่มีน้ำเย็นไม่ละลายหิมะข้างใต้ เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงอื่นๆ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ยังไม่ได้รับคำตอบที่แน่ชัดสำหรับคำถาม ซึ่งในเงื่อนไขเหล่านี้ให้การจำลองเอฟเฟกต์ Mpemba 100% ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของการระบายความร้อนด้วยน้ำมากเกินไปต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนที่ถึงสถานะ supercooled จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และดังนั้นจึงเร็วกว่าอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะ supercooled เร็วกว่าน้ำร้อน ซึ่งจะช่วยชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้ นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ว่าน้ำร้อนสามารถทำให้เกิด supercooling มากขึ้น เนื่องจากมีศูนย์ตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซที่ละลายในนั้นจะถูกลบออกจากมัน และเมื่อต้มแล้ว เกลือบางชนิดที่ละลายในนั้นก็จะตกตะกอน จนถึงตอนนี้ มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถยืนยันได้ - การทำซ้ำของเอฟเฟกต์นี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลองอย่างมาก อย่างแม่นยำเพราะไม่ได้ทำซ้ำเสมอ

และนี่คือเหตุผลที่เป็นไปได้มากที่สุด

ตามที่นักเคมีเขียนไว้ในบทความของพวกเขา ซึ่งสามารถพบได้ในเว็บไซต์เตรียมพิมพ์ของ arXiv.org พันธะไฮโดรเจนจะถูกยืดออกในน้ำร้อนอย่างแรงกว่าในน้ำเย็น ดังนั้น ปรากฎว่าพลังงานสะสมมากขึ้นในพันธะไฮโดรเจนของน้ำร้อน ซึ่งหมายความว่าจะมีการปล่อยพลังงานมากขึ้นเมื่อถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าศูนย์ ด้วยเหตุนี้ การแช่แข็งจึงเร็วขึ้น

จนถึงปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้ไขปริศนานี้ตามทฤษฎีเท่านั้น เมื่อพวกเขานำเสนอหลักฐานที่น่าเชื่อเกี่ยวกับรุ่นของพวกเขา คำถามว่าเหตุใดน้ำร้อนจึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นจึงถูกพิจารณาว่าปิด

เอฟเฟกต์ Mpemba(ความขัดแย้งของ Mpemba) เป็นความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้สภาวะบางอย่างแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการเยือกแข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงจากการทดลองซึ่งขัดแย้งกับแนวคิดปกติทั่วไป โดยภายใต้สภาวะเดียวกัน ร่างกายที่ร้อนกว่าต้องการเวลามากขึ้นในการทำให้อุณหภูมิเย็นลงถึงระดับหนึ่ง มากกว่าร่างกายที่เย็นกว่าเพื่อให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

ปรากฏการณ์นี้สังเกตเห็นได้ในขณะนั้นโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรเน่ เดส์การตส์ แต่ในปี 2506 เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนีย Erasto Mpemba พบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าไอศกรีมที่เย็นจัด

Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่ Magambin High School ในประเทศแทนซาเนียซึ่งทำงานทำอาหารเชิงปฏิบัติ เขาต้องทำไอศกรีมแบบโฮมเมด - ต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น เทลงในอุณหภูมิห้อง แล้วใส่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและผัดวันประกันพรุ่งในส่วนแรกของงานที่ได้รับมอบหมาย ด้วยกลัวว่าเขาจะไม่ทันเรียนจบ เขาจึงใส่นมที่ยังร้อนอยู่ในตู้เย็น ที่ทำให้เขาประหลาดใจ มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขา ซึ่งเตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำธรรมดาด้วย ไม่ว่าในกรณีใดเป็นนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkwawa แล้วเขาถามศาสตราจารย์เดนนิสออสบอร์นจากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์อีสซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายวิชาฟิสิกส์แก่นักเรียน) เกี่ยวกับน้ำ: "ถ้าคุณเอา ภาชนะสองใบที่เหมือนกันซึ่งมีปริมาตรน้ำเท่ากันเพื่อให้ในหนึ่งในนั้นน้ำมีอุณหภูมิ 35 ° C และในอีก - 100 ° C และใส่ในช่องแช่แข็งจากนั้นในวินาทีที่น้ำจะหยุดเร็วขึ้น ทำไม ออสบอร์นเริ่มให้ความสนใจในประเด็นนี้ และในไม่ช้าในปี พ.ศ. 2512 พวกเขาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองร่วมกับ Mpemba ร่วมกับ Mpemba ในวารสาร "Physics Education" ตั้งแต่นั้นมา เอฟเฟกต์ที่พวกเขาค้นพบจึงถูกเรียกว่า เอฟเฟกต์ Mpemba.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครรู้ว่าจะอธิบายเอฟเฟกต์แปลก ๆ นี้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีรุ่นเดียวถึงแม้ว่าจะมีมากมาย มันเป็นเรื่องของความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดที่มีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหยกลายเป็นน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba คือเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อมจะต้องเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎข้อนี้ก่อตั้งโดยนิวตันและตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการยืนยันหลายครั้งในทางปฏิบัติ ในลักษณะเดียวกัน น้ำที่อุณหภูมิ 100°C จะเย็นตัวลงได้เร็วกว่าน้ำปริมาณเท่ากันที่ 35°C ถึง 0°C

อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากเอฟเฟกต์ Mpemba ยังสามารถอธิบายได้ภายในฟิสิกส์ที่รู้จัก นี่คือคำอธิบายบางส่วนสำหรับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ ส่งผลให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำที่มีอุณหภูมิเท่ากันจะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนถึง 100 องศาเซลเซียสจะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงถึง 0 องศาเซลเซียส

ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลของน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สอง อุณหภูมิลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนแปลงจากเฟสของน้ำเป็นเฟสไอลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและลมเย็นนั้นมากกว่า ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงรุนแรงกว่าและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ

เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 C จะไม่กลายเป็นน้ำแข็งตลอดเวลา ภายใต้เงื่อนไขบางประการ มันสามารถผ่าน supercooling ในขณะที่ยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำยังคงเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัวขึ้น จำเป็นต้องมีศูนย์กลางของการก่อตัวของผลึก หากไม่ได้อยู่ในน้ำของเหลว supercooling จะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่เย็นจัด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น ก่อตัวเป็นน้ำแข็งที่แข็งจนกลายเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนไวต่ออุณหภูมิมากที่สุดเนื่องจากความร้อนจะกำจัดก๊าซและฟองสบู่ที่ละลายน้ำ ซึ่งในทางกลับกันสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางสำหรับการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง

ทำไมอุณหภูมิต่ำกว่าปกติทำให้น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น? ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่ซุปเปอร์คูลจะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ น้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของเรือ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และจะป้องกันการระเหยต่อไป อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะน้อยลง ในกรณีของน้ำร้อนที่อยู่ระหว่างการทำ subcooling น้ำที่ระบายความร้อนด้วย subcooled จะไม่มีชั้นผิวป้องกันน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนเร็วกว่ามากเมื่อเปิดฝา

เมื่อกระบวนการซุปเปอร์คูลลิ่งสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง จะสูญเสียความร้อนมากขึ้นและทำให้เกิดน้ำแข็งมากขึ้น

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติในความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 องศาเซลเซียส หากคุณทำให้น้ำเย็นที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียสและวางไว้ที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า ชั้นผิวของน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4°C มันจะอยู่บนผิวน้ำ ก่อตัวเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำในช่วงเวลาสั้นๆ แต่น้ำแข็งชั้นนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันน้ำชั้นล่างซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ดังนั้น การระบายความร้อนเพิ่มเติมจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นลงเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ ชั้นของน้ำเย็นจะมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นของน้ำร้อน ดังนั้น ชั้นของน้ำเย็นจะจมลง โดยยกชั้นของน้ำอุ่นขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่ทำไมกระบวนการนี้ถึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน จำเป็นต้องสันนิษฐานว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากอุณหภูมิของน้ำเฉลี่ยลดลงต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานการทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนแยกจากกันด้วยการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้น - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำที่อุณหภูมิสูงจะต่ำกว่า ดังนั้น เมื่อระบายความร้อนด้วยน้ำร้อน จะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่ผ่านความร้อนเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำอุ่นจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น ปัจจัยนี้บางครั้งถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองยืนยันข้อเท็จจริงนี้

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญเมื่อใส่น้ำในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะที่มีน้ำร้อนละลายน้ำแข็งของช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสทางความร้อนกับผนังของช่องแช่แข็งและการนำความร้อน เป็นผลให้ความร้อนจะถูกลบออกจากภาชนะเก็บน้ำร้อนเร็วกว่าจากที่เย็น ในทางกลับกันภาชนะที่มีน้ำเย็นไม่ละลายหิมะข้างใต้

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ยังไม่ได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถาม - ซึ่งในนั้นให้การทำซ้ำ 100% ของเอฟเฟกต์ Mpemba - ยังไม่ได้รับ

ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของการระบายความร้อนด้วยน้ำมากเกินไปต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนที่ถึงสถานะ supercooled จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และดังนั้นจึงเร็วกว่าอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สภาวะ supercooled ได้เร็วกว่าน้ำร้อน ซึ่งจะช่วยชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ว่าน้ำร้อนสามารถทำให้เกิด supercooling มากขึ้น เนื่องจากมีศูนย์ตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซที่ละลายในนั้นจะถูกลบออกจากมัน และเมื่อต้มแล้ว เกลือบางชนิดที่ละลายในนั้นก็จะตกตะกอน

จนถึงตอนนี้ มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถยืนยันได้ - การสร้างเอฟเฟกต์นี้โดยพื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลอง อย่างแม่นยำเพราะไม่ได้ทำซ้ำเสมอ

เอฟเฟกต์ Mpemba(Mpemba paradox) - ความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้สภาวะบางอย่างแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการเยือกแข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงจากการทดลองซึ่งขัดแย้งกับแนวคิดปกติทั่วไป โดยภายใต้สภาวะเดียวกัน ร่างกายที่ร้อนกว่าต้องการเวลามากขึ้นในการทำให้อุณหภูมิเย็นลงถึงระดับหนึ่ง มากกว่าร่างกายที่เย็นกว่าเพื่อให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

การระเหย

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ

การพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้น - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำที่อุณหภูมิสูงจะต่ำกว่า ดังนั้น เมื่อระบายความร้อนด้วยน้ำร้อน จะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่ผ่านความร้อนเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำอุ่นจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น ปัจจัยนี้บางครั้งถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองยืนยันข้อเท็จจริงนี้

การนำความร้อน

O.V. Mosin

วรรณกรรมแหล่งที่มา:

"น้ำร้อนเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็น ทำไมมันถึงเป็นเช่นนั้น" เจอร์ล วอล์คเกอร์ ใน The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 1 237 ไม่ใช่ 3, หน้า 246-257; กันยายน 2520

"การเยือกแข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", G.S. Kell ใน American Journal of Physics, ฉบับที่. 37, ไม่ 5 หน้า 564-565; พฤษภาคม 2512

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, ใน American Journal of Physics, ฉบับที่. 63, ไม่ 10 น. 882-885; ต.ค. 2538

"ผลกระทบของ Mpemba: เวลาเยือกแข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น" Charles A. Knight ใน American Journal of Physics ฉบับที่ 1 64, ไม่ 5, หน้า 524; พฤษภาคม 2539

น้ำ- สารที่ค่อนข้างง่ายจากมุมมองทางเคมี แต่ก็มีจำนวน คุณสมบัติผิดปกติที่ไม่เคยหยุดนิ่งให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจ ด้านล่างนี้คือข้อเท็จจริงบางประการที่น้อยคนนักจะรู้

1. น้ำไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน?

นำภาชนะใส่น้ำ 2 ใบ: เทน้ำร้อนลงในภาชนะหนึ่งและน้ำเย็นอีกใบหนึ่งใส่ในช่องแช่แข็ง น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าตามหลักแล้ว น้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งก่อน ท้ายที่สุดแล้ว น้ำร้อนจะต้องเย็นลงเป็นอุณหภูมิที่เย็นจัดก่อน แล้วจึงเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่น้ำเย็นไม่จำเป็นต้องทำให้เย็นลง ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

ในปี 1963 นักศึกษาชาวแทนซาเนียชื่อ Erasto B. Mpemba ขณะแช่แข็งส่วนผสมไอศกรีมที่เตรียมไว้ สังเกตว่าส่วนผสมร้อนแข็งตัวใน ตู้แช่เร็วกว่าความเย็น เมื่อชายหนุ่มแบ่งปันสิ่งที่ค้นพบกับครูสอนฟิสิกส์ เขาก็หัวเราะเยาะเขาเท่านั้น โชคดีที่นักเรียนดื้อรั้นและชักชวนให้ครูทำการทดลองซึ่งยืนยันการค้นพบของเขา: in เงื่อนไขบางประการน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

ตอนนี้ปรากฏการณ์น้ำร้อนเยือกแข็งเร็วกว่าน้ำเย็นนี้เรียกว่า " เอฟเฟกต์ Mpemba". จริงอยู่ตั้งนาน คุณสมบัติเฉพาะน้ำถูกสังเกตโดยอริสโตเติล, ฟรานซิสเบคอนและเรเน่เดส์การตส์

นักวิทยาศาสตร์ไม่เข้าใจธรรมชาติของปรากฏการณ์นี้อย่างถ่องแท้ โดยอธิบายได้จากความแตกต่างของอุณหภูมิ อุณหภูมิ การระเหย การก่อตัวน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำร้อนและน้ำเย็น

2. สามารถแช่แข็งได้ทันที

ใครๆก็รู้ว่า น้ำเปลี่ยนเป็นน้ำแข็งเสมอเมื่อเย็นลงถึง 0 °C ... ยกเว้นในบางกรณี! เช่น กรณีดังกล่าว เป็น supercooling ซึ่งเป็นคุณสมบัติของ very น้ำบริสุทธิ์ยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าจะแช่เย็นต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้เพราะว่า สิ่งแวดล้อมไม่มีจุดศูนย์กลางหรือนิวเคลียสของการตกผลึกซึ่งอาจกระตุ้นการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง ดังนั้นน้ำจึงอยู่ใน รูปของเหลวแม้จะเย็นจนอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียส

กระบวนการตกผลึกสามารถกระตุ้นได้ตัวอย่างเช่นโดยฟองก๊าซสิ่งเจือปน (มลพิษ) พื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอของภาชนะ หากไม่มีพวกมัน น้ำจะยังคงอยู่ในสถานะของเหลว เมื่อกระบวนการตกผลึกเริ่มต้นขึ้น คุณสามารถดูได้ว่าน้ำเย็นจัดกลายเป็นน้ำแข็งในทันทีได้อย่างไร

โปรดทราบว่าน้ำที่ "ร้อนจัด" ยังคงเป็นของเหลวแม้ในขณะที่ให้ความร้อนเหนือจุดเดือด

3. 19 สถานะน้ำ

โดยไม่ลังเล ให้ทายว่าน้ำมีสถานะต่างกันกี่สถานะ? หากคุณตอบสาม: ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ แสดงว่าคุณคิดผิด นักวิทยาศาสตร์แยกแยะความแตกต่างของน้ำอย่างน้อย 5 สถานะในรูปของเหลวและ 14 สถานะในรูปแช่แข็ง

จำบทสนทนาเกี่ยวกับน้ำเย็นจัดได้หรือไม่? ดังนั้น ไม่ว่าคุณจะทำอะไร ที่อุณหภูมิ -38 ° C แม้แต่น้ำเย็นที่บริสุทธิ์ที่สุดก็จะกลายเป็นน้ำแข็งในทันใด จะเกิดอะไรขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงอีก? ที่อุณหภูมิ -120 องศาเซลเซียส สิ่งแปลกประหลาดเริ่มเกิดขึ้นกับน้ำ: มีความหนืดสูงหรือหนืดมาก เช่น กากน้ำตาล และที่อุณหภูมิต่ำกว่า -135°C น้ำจะกลายเป็น "แก้ว" หรือ "น้ำเลี้ยง" - แข็งซึ่งขาดโครงสร้างผลึก

4. นักฟิสิกส์เซอร์ไพรส์น้ำ

บน ระดับโมเลกุลตื่นตาตื่นใจกับน้ำมากยิ่งขึ้น ในปี 1995 นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงนิวตรอนให้ผลลัพธ์ที่คาดไม่ถึง นักฟิสิกส์พบว่านิวตรอนพุ่งตรงไปที่โมเลกุลของน้ำ "เห็น" โปรตอนไฮโดรเจนน้อยกว่าที่คาดไว้ 25%

ปรากฎว่าที่ความเร็วหนึ่ง attosecond (10 -18 วินาที) เกิดเอฟเฟกต์ควอนตัมที่ผิดปกติและ สูตรเคมีน้ำแทน H2Oกลายเป็น H1.5O!

5. หน่วยความจำน้ำ

ทางเลือก ยาอย่างเป็นทางการ โฮมีโอพาธีระบุว่าสารละลายเจือจาง ผลิตภัณฑ์ยาสามารถให้ ผลการรักษาในร่างกายแม้ว่าปัจจัยการเจือจางจะมากจนไม่เหลืออะไรในสารละลายนอกจากโมเลกุลของน้ำ ผู้เสนอ homeopathy อธิบายความขัดแย้งนี้ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า " หน่วยความจำน้ำ” ตามที่น้ำในระดับโมเลกุลมี "ความทรงจำ" ของสารที่ครั้งหนึ่งเคยละลายในนั้นและคงคุณสมบัติของสารละลายของความเข้มข้นเริ่มต้นไว้หลังจากที่ไม่มีโมเลกุลส่วนผสมเดียวเหลืออยู่ในนั้น

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยศาสตราจารย์แมดเลน เอนนิสแห่งมหาวิทยาลัยควีนแห่งเบลฟาสต์ ผู้วิพากษ์วิจารณ์หลักการของโฮมีโอพาธีย์ ได้ทำการทดลองในปี 2545 เพื่อหักล้างแนวคิดนี้ทุกครั้ง ผลที่ได้คือตรงกันข้าม หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าพวกเขาสามารถพิสูจน์ความเป็นจริงของผลกระทบได้ " หน่วยความจำน้ำ". อย่างไรก็ตาม การทดลองภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญอิสระไม่ได้ผล ข้อพิพาทเกี่ยวกับการมีอยู่ของปรากฏการณ์ " หน่วยความจำน้ำ" ดำเนินต่อ.

น้ำมีคุณสมบัติผิดปกติอื่น ๆ อีกมากมายที่เรายังไม่ได้กล่าวถึงในบทความนี้ ตัวอย่างเช่น ความหนาแน่นของน้ำจะแปรผันตามอุณหภูมิ (ความหนาแน่นของน้ำแข็งน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ) น้ำมีแรงตึงผิวที่ค่อนข้างใหญ่ ในสถานะของเหลว น้ำเป็นเครือข่ายกระจุกน้ำที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก และเป็นพฤติกรรมของกระจุกที่ส่งผลต่อโครงสร้างของน้ำ ฯลฯ

เกี่ยวกับคุณสมบัติเหล่านี้และคุณสมบัติที่ไม่คาดคิดอื่น ๆ อีกมากมาย น้ำสามารถอ่านได้ในบทความ คุณสมบัติผิดปกติของน้ำ” ผู้เขียนคือ Martin Chaplin ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยลอนดอน

นักวิจัยหลายคนได้เสนอแนะและเสนอแนวทางของตนเองว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ดูเหมือนจะเป็นความขัดแย้ง - ในการที่จะแช่แข็งน้ำร้อนต้องเย็นลงก่อน อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงยังคงอยู่ และนักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายไว้ในรูปแบบต่างๆ

รุ่นหลัก

ในขณะนี้ มีหลายรุ่นที่อธิบายข้อเท็จจริงนี้:

เนื่องจากการระเหยในน้ำร้อนทำได้เร็วกว่า ปริมาตรจึงลดลง น้ำที่มีอุณหภูมิเท่ากันในปริมาณที่น้อยกว่าจะแข็งตัวเร็วขึ้น
ช่องแช่แข็งของตู้เย็นมีซับในหิมะ ภาชนะที่บรรจุน้ำร้อนจะทำให้หิมะละลาย สิ่งนี้ช่วยเพิ่มการสัมผัสทางความร้อนกับช่องแช่แข็ง
การแช่แข็งของน้ำเย็นซึ่งแตกต่างจากความร้อนเริ่มต้นจากด้านบน ในกรณีนี้ การพาความร้อนและการแผ่รังสีความร้อน ส่งผลให้การสูญเสียความร้อนแย่ลง
ในน้ำเย็นจะมีจุดศูนย์กลางของการตกผลึก - สารที่ละลายอยู่ในนั้น ด้วยปริมาณน้ำต่ำไอซิ่งเป็นเรื่องยากแม้ว่าในขณะเดียวกันอุณหภูมิของมันก็เป็นไปได้ - เมื่อ, อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์มีสถานะเป็นของเหลว

แม้ว่าในความเป็นธรรมอาจกล่าวได้ว่าเอฟเฟกต์นี้ไม่ได้ถูกสังเกตเสมอไป น้ำเย็นมักจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำร้อน

น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิเท่าไร

ทำไมน้ำถึงแข็งเลย? ประกอบด้วยแร่ธาตุหรืออนุภาคอินทรีย์จำนวนหนึ่ง ตัวอย่างเช่น สิ่งเหล่านี้อาจเป็นอนุภาคที่ละเอียดมากของทราย ฝุ่น หรือดินเหนียว เมื่ออุณหภูมิของอากาศลดลง อนุภาคเหล่านี้จะกลายเป็นศูนย์กลางที่ผลึกน้ำแข็งก่อตัวขึ้น

บทบาทของนิวเคลียสการตกผลึกสามารถทำได้โดยฟองอากาศและรอยแตกในภาชนะที่มีน้ำ อัตราของกระบวนการเปลี่ยนน้ำให้เป็นน้ำแข็งส่วนใหญ่ได้รับอิทธิพลจากจำนวนศูนย์ดังกล่าว - หากมีหลายแห่ง ของเหลวจะแข็งตัวเร็วขึ้น ภายใต้สภาวะปกติโดยปกติ ความกดอากาศ, น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งจากของเหลวที่อุณหภูมิ 0 องศา

สาระสำคัญของเอฟเฟกต์ Mpemba

เอฟเฟกต์ Mpemba เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นความขัดแย้งซึ่งมีสาระสำคัญคือภายใต้สถานการณ์บางอย่างน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ปรากฏการณ์นี้ถูกสังเกตโดยอริสโตเติลและเดส์การต อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งถึงปี 1963 Erasto Mpemba นักเรียนชายจากแทนซาเนียระบุว่าไอศกรีมร้อนเป็นน้ำแข็งมากกว่า เวลาอันสั้นกว่าเย็น เขาได้ข้อสรุปดังกล่าวขณะปฏิบัติงานทำอาหาร

เขาต้องละลายน้ำตาลในนมต้มและหลังจากเย็นแล้วให้นำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ได้มีความขยันเป็นพิเศษและเริ่มดำเนินการส่วนแรกของงานล่าช้า ดังนั้นเขาไม่ได้รอให้นมเย็นและใส่ในตู้เย็นร้อน เขาแปลกใจมากที่น้ำแข็งแข็งตัวเร็วกว่าเพื่อนร่วมชั้นที่ทำงานตามเทคโนโลยีที่ให้มา

ข้อเท็จจริงนี้ทำให้ชายหนุ่มสนใจอย่างมาก และเริ่มทดลองกับน้ำเปล่า ในปี 1969 วารสาร Physics Education ได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยโดย Mpemba และศาสตราจารย์ Dennis Osborn จากมหาวิทยาลัย Dar es Salaam เอฟเฟกต์ที่พวกเขาอธิบายคือชื่อ Mpemba อย่างไรก็ตาม แม้วันนี้ยังไม่มีคำอธิบายที่ชัดเจนสำหรับปรากฏการณ์นี้ นักวิทยาศาสตร์ทุกคนเห็นพ้องต้องกันว่าบทบาทหลักในเรื่องนี้เป็นความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำเย็นและน้ำร้อน แต่สิ่งที่ไม่ทราบแน่ชัด

เวอร์ชั่นสิงคโปร์

นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในสิงคโปร์ก็สนใจคำถามนี้เช่นกัน น้ำชนิดใดที่แข็งตัวเร็วกว่า ร้อนหรือเย็น ทีมนักวิจัยที่นำโดย Xi Zhang ได้อธิบายความขัดแย้งนี้อย่างแม่นยำด้วยคุณสมบัติของน้ำ ทุกคนยังรู้จักองค์ประกอบของน้ำจากโรงเรียน นั่นคือ อะตอมออกซิเจนและไฮโดรเจนสองอะตอม ออกซิเจนดึงอิเล็กตรอนจากไฮโดรเจนในระดับหนึ่ง ดังนั้นโมเลกุลจึงเป็น "แม่เหล็ก" ชนิดหนึ่ง

เป็นผลให้โมเลกุลบางชนิดในน้ำถูกดึงดูดเข้าหากันเล็กน้อยและรวมกันเป็นหนึ่งโดยพันธะไฮโดรเจน มีความแข็งแรงต่ำกว่าพันธะโควาเลนต์หลายเท่า นักวิจัยชาวสิงคโปร์เชื่อว่าคำอธิบายของความขัดแย้งของ Mpemba นั้นอยู่ในพันธะไฮโดรเจนอย่างแม่นยำ ถ้าโมเลกุลของน้ำเกาะติดกันแน่นมาก ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างโมเลกุลสามารถทำให้พันธะโควาเลนต์ที่อยู่ตรงกลางของโมเลกุลเสียรูปได้

แต่เมื่อน้ำร้อนขึ้น โมเลกุลที่ถูกผูกไว้จะเคลื่อนห่างจากกันเล็กน้อย ส่งผลให้พันธะโควาเลนต์คลายตัวเกิดขึ้นตรงกลางโมเลกุลโดยส่งพลังงานส่วนเกินกลับคืนมาและเปลี่ยนสถานะเป็นต่ำสุด ระดับพลังงาน. สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าน้ำร้อนเริ่มเย็นลงอย่างรวดเร็ว อย่างน้อย นี่คือสิ่งที่การคำนวณทางทฤษฎีที่ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสิงคโปร์แสดงให้เห็น

ทำไมน้ำอุ่นถึงแข็งตัวเร็วขึ้น? ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

รุ่นหลัก

น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิเท่าไร

สาระสำคัญของเอฟเฟกต์ Mpemba

เวอร์ชั่นสิงคโปร์

แช่แข็งน้ำทันที - 5 เคล็ดลับที่น่าทึ่ง: วิดีโอ