21.11.2017 11.10.2018 ალექსანდრე ფირცევი
« რომელი წყალი იყინება უფრო სწრაფად, ცივი თუ ცხელი?„- შეეცადეთ დაუსვათ შეკითხვა თქვენს მეგობრებს, დიდი ალბათობით, მათი უმეტესობა გიპასუხებთ, რომ ცივი წყალი უფრო სწრაფად იყინება - და ისინი შეცდომას დაუშვებენ.
სინამდვილეში, თუ საყინულეში ერთდროულად მოათავსებთ ერთნაირი ფორმის და მოცულობის ორ ჭურჭელს, რომელთაგან ერთი შეიცავს ცივ წყალს, მეორე კი ცხელს, მაშინ ეს არის ცხელი წყალი, რომელიც უფრო სწრაფად გაიყინება.
ასეთი განცხადება შეიძლება აბსურდული და არაგონივრული ჩანდეს. თუ ლოგიკას მიჰყვებით, მაშინ ცხელი წყალი ჯერ ცივი წყლის ტემპერატურამდე უნდა გაცივდეს და ცივი წყალი ამ დროს უკვე ყინულად უნდა იქცეს.
მაშ, რატომ სცემს ცხელი წყალი ცივ წყალს გაყინვისკენ მიმავალ გზაზე? შევეცადოთ გავერკვეთ.
დაკვირვებისა და კვლევის ისტორია
ხალხი უძველესი დროიდან აკვირდებოდა ამ პარადოქსულ ეფექტს, მაგრამ დიდ მნიშვნელობას არავინ ანიჭებდა. ამრიგად, არესტოტელემ, ისევე როგორც რენე დეკარტმა და ფრენსის ბეკონმა, თავიანთ ჩანაწერებში აღნიშნეს შეუსაბამობა ცივი და ცხელი წყლის გაყინვის სიჩქარის შესახებ. უჩვეულო ფენომენი ხშირად ჩნდებოდა ყოველდღიურ ცხოვრებაში.
დიდი ხნის განმავლობაში, ფენომენი არანაირად არ იყო შესწავლილი და მეცნიერთა დიდი ინტერესი არ გამოიწვია.
ამ უჩვეულო ეფექტის შესწავლა დაიწყო 1963 წელს, როდესაც ცნობისმოყვარე მოსწავლემ ტანზანიიდან, ერასტო მპემბამ შენიშნა, რომ ნაყინისთვის ცხელი რძე უფრო სწრაფად იყინებოდა, ვიდრე ცივი რძე. უჩვეულო ეფექტის მიზეზების ახსნა-განმარტების მიღების იმედით, ახალგაზრდამ სკოლაში ფიზიკის მასწავლებელს ჰკითხა. თუმცა მასწავლებელმა მას მხოლოდ იცინოდა.
მოგვიანებით მპემბამ გაიმეორა ექსპერიმენტი, მაგრამ თავის ექსპერიმენტში ის აღარ იყენებდა რძეს, არამედ წყალს და პარადოქსული ეფექტი კვლავ განმეორდა.
6 წლის შემდეგ, 1969 წელს, მპემბამ ეს კითხვა დაუსვა ფიზიკის პროფესორ დენის ოსბორნს, რომელიც მის სკოლაში მოვიდა. პროფესორი დაინტერესდა ახალგაზრდა მამაკაცის დაკვირვებით და შედეგად, ჩატარდა ექსპერიმენტი, რომელმაც დაადასტურა ეფექტის არსებობა, მაგრამ ამ ფენომენის მიზეზები დადგენილი არ იყო.
მას შემდეგ ფენომენი ეწოდა მპემბას ეფექტი.
მეცნიერული დაკვირვებების ისტორიის მანძილზე მრავალი ჰიპოთეზა იყო წამოჭრილი ფენომენის გამომწვევი მიზეზების შესახებ.
ასე რომ, 2012 წელს, ბრიტანეთის სამეფო ქიმიის საზოგადოებამ გამოაცხადა ჰიპოთეზების კონკურსი, რომელიც ხსნის მპემბას ეფექტს. კონკურსში მონაწილეობდნენ მეცნიერები მთელი მსოფლიოდან, სულ დარეგისტრირდა 22000 სამეცნიერო ნაშრომი. სტატიების ასეთი შთამბეჭდავი რაოდენობის მიუხედავად, არცერთ მათგანს არ მოუტანია სიცხადე მპემბას პარადოქსში.
ყველაზე გავრცელებული ვერსია იყო, რომლის მიხედვითაც ცხელი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, რადგან ის უბრალოდ უფრო სწრაფად აორთქლდება, მისი მოცულობა მცირდება და მოცულობის კლებასთან ერთად იზრდება მისი გაგრილების სიჩქარე. ყველაზე გავრცელებული ვერსია საბოლოოდ უარყვეს, რადგან ჩატარდა ექსპერიმენტი, რომელშიც აორთქლება გამოირიცხა, მაგრამ ეფექტი მაინც დადასტურდა.
სხვა მეცნიერებს მიაჩნდათ, რომ მპემბას ეფექტის მიზეზი იყო წყალში გახსნილი აირების აორთქლება. მათი აზრით, გაცხელების პროცესში წყალში გახსნილი აირები აორთქლდება, რის გამოც ის ცივ წყალზე მეტ სიმკვრივეს იძენს. როგორც ცნობილია, სიმკვრივის მატება იწვევს წყლის ფიზიკური თვისებების ცვლილებას (თბოგამტარობის მატებას) და, შესაბამისად, გაგრილების სიჩქარის ზრდას.
გარდა ამისა, წამოაყენეს რამდენიმე ჰიპოთეზა, რომლებიც აღწერს წყლის ცირკულაციის სიჩქარეს ტემპერატურის მიხედვით. მრავალი კვლევა ცდილობდა დაედგინა კავშირი იმ კონტეინერების მასალას შორის, რომელშიც მდებარეობდა სითხე. ბევრი თეორია ძალიან დამაჯერებლად ჩანდა, მაგრამ მათი მეცნიერულად დადასტურება ვერ მოხერხდა საწყისი მონაცემების ნაკლებობის, სხვა ექსპერიმენტებში წინააღმდეგობების გამო, ან იმის გამო, რომ გამოვლენილი ფაქტორები უბრალოდ არ იყო შედარებული წყლის გაგრილების სიჩქარესთან. ზოგიერთმა მეცნიერმა თავის ნაშრომებში ეჭვქვეშ დააყენა ეფექტის არსებობა.
2013 წელს სინგაპურის ნანიანგის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტის მკვლევარებმა განაცხადეს, რომ ამოხსნეს მპემბას ეფექტის საიდუმლო. მათი კვლევის მიხედვით, ფენომენის მიზეზი მდგომარეობს იმაში, რომ წყალბადის ობლიგაციებში შენახული ენერგიის რაოდენობა ცივი და ცხელი წყლის მოლეკულებს შორის მნიშვნელოვნად განსხვავდება.
კომპიუტერული მოდელირების მეთოდებმა აჩვენა შემდეგი შედეგები: რაც უფრო მაღალია წყლის ტემპერატურა, მით უფრო დიდია მანძილი მოლეკულებს შორის იმის გამო, რომ იზრდება საგრებელი ძალები. შესაბამისად, მოლეკულების წყალბადის ბმები იჭიმება, რაც მეტ ენერგიას ინახავს. როდესაც გაცივდება, მოლეკულები იწყებენ ერთმანეთთან მიახლოებას, ათავისუფლებენ ენერგიას წყალბადის ბმებიდან. ამ შემთხვევაში ენერგიის გამოყოფას თან ახლავს ტემპერატურის შემცირება.
2017 წლის ოქტომბერში ესპანელმა ფიზიკოსებმა კიდევ ერთი კვლევის დროს დაადგინეს, რომ ეფექტის ფორმირებაში ძირითად როლს თამაშობს ნივთიერების წონასწორობიდან ამოღება (ძლიერი გაცხელება ძლიერ გაგრილებამდე). მათ განსაზღვრეს პირობები, რომლებშიც ეფექტის გაჩენის ალბათობა მაქსიმალურია. გარდა ამისა, ესპანელმა მეცნიერებმა დაადასტურეს საპირისპირო Mpemba ეფექტის არსებობა. მათ აღმოაჩინეს, რომ როდესაც გაცხელდება, ცივი ნიმუში უფრო სწრაფად აღწევს მაღალ ტემპერატურას, ვიდრე თბილი.
ყოვლისმომცველი ინფორმაციისა და მრავალი ექსპერიმენტის მიუხედავად, მეცნიერები აპირებენ გააგრძელონ ეფექტის შესწავლა.
Mpemba ეფექტი რეალურ ცხოვრებაში
ოდესმე დაფიქრებულხართ, რატომ ივსება ზამთარში სასრიალო მოედანი ცხელი წყლით და არა ცივი? როგორც უკვე გესმით, ისინი ამას იმიტომ აკეთებენ, რომ ცხელი წყლით სავსე სასრიალო მოედანი უფრო სწრაფად გაიყინება, ვიდრე ცივი წყლით სავსე. ამავე მიზეზით, ზამთრის ყინულის ქალაქებში სლაიდებში ცხელ წყალს ასხამენ.
ამრიგად, ფენომენის არსებობის ცოდნა საშუალებას აძლევს ადამიანებს დაზოგონ დრო ზამთრის სპორტისთვის ადგილების მომზადებისას.
გარდა ამისა, Mpemba ეფექტი ზოგჯერ გამოიყენება ინდუსტრიაში წყლის შემცველი პროდუქტების, ნივთიერებებისა და მასალების გაყინვის დროის შესამცირებლად.
აშკარაა, რომ ცივი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცხელი წყალი, რადგან თანაბარ პირობებში ცხელ წყალს უფრო მეტი დრო სჭირდება გაგრილებას და შემდგომ გაყინვას. თუმცა, ათასობით წლის დაკვირვებამ, ისევე როგორც თანამედროვე ექსპერიმენტებმა, აჩვენა, რომ პირიქითაც არის: გარკვეულ პირობებში ცხელი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი. Sciencium Science Channel განმარტავს ამ ფენომენს:
როგორც ზემოთ მოცემულ ვიდეოშია ახსნილი, ცხელი წყლის გაყინვის ფენომენი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივ წყალს, ცნობილია როგორც მპემბას ეფექტი, რომელსაც ეწოდა ერასტო მპემბა, ტანზანიელი სტუდენტი, რომელმაც ნაყინი დაამზადა სკოლის პროექტის ფარგლებში 1963 წელს. მოსწავლეებმა ნაღების და შაქრის ნარევი უნდა მიიყვანონ ადუღებამდე, გაცივდეს და შემდეგ საყინულეში შედგნენ.
სამაგიეროდ, ერასტომ დაუყონებლივ ჩაყარა ნაზავი, ცხელი, გაციების გარეშე. შედეგად, 1,5 საათის შემდეგ მისი ნარევი უკვე გაყინული იყო, მაგრამ სხვა სტუდენტების ნარევები არა. ამ ფენომენით დაინტერესებულმა მპემბამ საკითხის შესწავლა დაიწყო ფიზიკის პროფესორ დენის ოსბორნთან და 1969 წელს მათ გამოაქვეყნეს ნაშრომი, სადაც ნათქვამია, რომ თბილი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი. ეს იყო მსგავსი ტიპის პირველი რეცენზირებული კვლევა, მაგრამ თავად ფენომენი ნახსენებია არისტოტელეს ნაშრომებში, რომლებიც თარიღდება ძვ.წ. IV საუკუნით. ე. ფრენსის ბეკონმა და დეკარტმაც აღნიშნეს ეს ფენომენი თავიანთ კვლევებში.
ვიდეოში მოცემულია რამდენიმე ვარიანტი იმის ასახსნელად, თუ რა ხდება:
- Frost არის დიელექტრიკი, ამიტომ ყინვაგამძლე ცივი წყალი უფრო კარგად ინახავს სითბოს, ვიდრე თბილი ჭიქა, რომელიც დნება ყინულთან შეხებისას.
- ცივ წყალში უფრო მეტი დაშლილი აირებია, ვიდრე თბილ წყალში, და მკვლევარები ვარაუდობენ, რომ ამან შეიძლება გავლენა მოახდინოს გაგრილების სიჩქარეზე, თუმცა ჯერ არ არის ნათელი, თუ როგორ
- ცხელი წყალი აორთქლების შედეგად კარგავს წყლის მეტ მოლეკულას, ასე რომ, ნაკლები რჩება გასაყინად
- თბილ წყალს შეუძლია უფრო სწრაფად გაგრილება კონვექციური დენების გაზრდის გამო. ეს დინებები წარმოიქმნება იმის გამო, რომ ჭიქაში წყალი პირველ რიგში გაცივდება ზედაპირზე და გვერდებზე, რაც იწვევს ცივი წყლის ჩაძირვას და ცხელი წყლის ამაღლებას. თბილ მინაში კონვექციური დენები უფრო აქტიურია, რამაც შეიძლება გავლენა მოახდინოს გაგრილების სიჩქარეზე.
თუმცა, 2016 წელს ჩატარდა საგულდაგულოდ კონტროლირებადი კვლევა, რომელმაც საპირისპირო აჩვენა: ცხელი წყალი გაცილებით ნელა იყინებოდა, ვიდრე ცივი წყალი. ამავდროულად, მეცნიერებმა შენიშნეს, რომ თერმოწყვილის ადგილმდებარეობის შეცვლა - მოწყობილობა, რომელიც განსაზღვრავს ტემპერატურის ცვლილებებს - მხოლოდ სანტიმეტრით იწვევს მპემბას ეფექტის გამოჩენას. სხვა მსგავსი კვლევების კვლევამ აჩვენა, რომ ყველა შემთხვევაში, როდესაც ეს ეფექტი დაფიქსირდა, იყო თერმოწყვილის გადაადგილება სანტიმეტრში.
ცხელი წყლის გაყინვის ფენომენი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი, მეცნიერებაში ცნობილია როგორც Mpemba ეფექტი. დიდი გონება, როგორიცაა არისტოტელე, ფრენსის ბეკონი და რენე დეკარტი, ფიქრობდნენ ამ პარადოქსულ ფენომენზე, მაგრამ ათასობით წლის განმავლობაში ჯერ ვერავინ შეძლო ამ ფენომენის გონივრული ახსნა.
მხოლოდ 1963 წელს, სკოლის მოსწავლემ ტანგანიკას რესპუბლიკიდან, ერასტო მპემბამ, შეამჩნია ეს ეფექტი ნაყინის მაგალითის გამოყენებით, მაგრამ არც ერთმა ზრდასრულმა არ მისცა მას ახსნა. მიუხედავად ამისა, ფიზიკოსები და ქიმიკოსები სერიოზულად ფიქრობდნენ ასეთ მარტივ, მაგრამ ასე გაუგებარ ფენომენზე.
მას შემდეგ გამოითქვა სხვადასხვა ვერსია, რომელთაგან ერთ-ერთი ასეთი იყო: ცხელი წყლის ნაწილი ჯერ უბრალოდ ორთქლდება, შემდეგ კი, როცა ნაკლები რჩება, წყალი უფრო სწრაფად იყინება. ეს ვერსია, თავისი სიმარტივის გამო, გახდა ყველაზე პოპულარული, მაგრამ ბოლომდე არ დააკმაყოფილა მეცნიერები.
ახლა სინგაპურის ნანიანგის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტის მკვლევართა გუნდი, ქიმიკოს სი ჟანგის ხელმძღვანელობით, ამბობს, რომ მათ ამოხსნეს უძველესი საიდუმლო, თუ რატომ იყინება თბილი წყალი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი. როგორც ჩინელმა ექსპერტებმა გაარკვიეს, საიდუმლო მდგომარეობს წყლის მოლეკულებს შორის წყალბადის ობლიგაციებში შენახული ენერგიის რაოდენობაში.
მოგეხსენებათ, წყლის მოლეკულები შედგება ერთი ჟანგბადის ატომისა და წყალბადის ორი ატომისგან, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული კოვალენტური ბმებით, რაც ნაწილაკების დონეზე ელექტრონების გაცვლას ჰგავს. კიდევ ერთი ცნობილი ფაქტია ის, რომ წყალბადის ატომები იზიდავს ჟანგბადის ატომებს მეზობელი მოლეკულებიდან - იქმნება წყალბადის ბმები.
ამავდროულად, წყლის მოლეკულები ზოგადად მოგერიებენ ერთმანეთს. სინგაპურის მეცნიერებმა შენიშნეს: რაც უფრო თბილია წყალი, მით უფრო დიდია მანძილი სითხის მოლეკულებს შორის საგრებელი ძალების გაზრდის გამო. შედეგად წყალბადის ბმები იჭიმება და შესაბამისად ინახავს მეტ ენერგიას. ეს ენერგია გამოიყოფა წყლის გაციებისას – მოლეკულები უახლოვდებიან ერთმანეთს. ენერგიის გამოყოფა კი, როგორც ცნობილია, გაგრილებას ნიშნავს.
როგორც ქიმიკოსები წერენ თავიანთ სტატიაში, რომელიც შეგიძლიათ იხილოთ წინასწარ ბეჭდვის ვებსაიტზე arXiv.org, ცხელ წყალში წყალბადის ბმები უფრო ძლიერია, ვიდრე ცივ წყალში. ამრიგად, გამოდის, რომ მეტი ენერგია ინახება ცხელი წყლის წყალბადურ ობლიგაციებში, რაც ნიშნავს, რომ მისი მეტი რაოდენობა გამოიყოფა ნულამდე ტემპერატურამდე გაციებისას. ამ მიზეზით, გამკვრივება უფრო სწრაფად ხდება.
დღემდე მეცნიერებმა ეს საიდუმლო მხოლოდ თეორიულად ამოხსნეს. როდესაც ისინი წარმოადგენენ თავიანთი ვერსიის დამაჯერებელ მტკიცებულებებს, კითხვა, თუ რატომ იყინება ცხელი წყალი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი, შეიძლება ჩაითვალოს დახურულად.
მპემბას ეფექტი(მპემბას პარადოქსი) - პარადოქსი, რომელიც აცხადებს, რომ ცხელი წყალი ზოგიერთ პირობებში უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი, თუმცა გაყინვის პროცესში მან უნდა გაიაროს ცივი წყლის ტემპერატურა. ეს პარადოქსი არის ექსპერიმენტული ფაქტი, რომელიც ეწინააღმდეგება ჩვეულ იდეებს, რომლის მიხედვითაც, ერთსა და იმავე პირობებში, უფრო გაცხელებულ სხეულს უფრო მეტი დრო სჭირდება გარკვეულ ტემპერატურამდე გასაცივებლად, ვიდრე ნაკლებად გაცხელებულ სხეულს იმავე ტემპერატურაზე გასაცივებლად.
ეს ფენომენი ერთ დროს შენიშნეს არისტოტელემ, ფრენსის ბეკონმა და რენე დეკარტმა, მაგრამ მხოლოდ 1963 წელს ტანზანიელმა სკოლის მოსწავლემ, ერასტო მპემბამ აღმოაჩინა, რომ ცხელი ნაყინის ნარევი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი.
როგორც ტანზანიაში, მაგამბის საშუალო სკოლის სტუდენტი, ერასტო მპემბა პრაქტიკულ მუშაობას ეწეოდა როგორც მზარეული. მას სჭირდებოდა ხელნაკეთი ნაყინის მომზადება - რძე აადუღა, მასში შაქარი გახსენით, ოთახის ტემპერატურამდე გააგრილეთ და შემდეგ შედგით მაცივარში გასაყინად. როგორც ჩანს, მპემბა არ იყო განსაკუთრებით გულმოდგინე სტუდენტი და დააგვიანა დავალების პირველი ნაწილის შესრულება. იმის შიშით, რომ გაკვეთილის ბოლომდე ვერ მოასწრო, ჯერ კიდევ ცხელი რძე შედგა მაცივარში. მისდა გასაკვირად, ის უფრო ადრეც გაიყინა, ვიდრე მისი ამხანაგების რძე, მოცემული ტექნოლოგიით მომზადებული.
ამის შემდეგ მპემბამ ექსპერიმენტები ჩაატარა არა მხოლოდ რძეზე, არამედ ჩვეულებრივ წყალზეც. ყოველ შემთხვევაში, უკვე როგორც მკვავას საშუალო სკოლის მოსწავლემ, მან სთხოვა პროფესორ დენის ოსბორნს დარ ეს-სალამის საუნივერსიტეტო კოლეჯიდან (სკოლის დირექტორის მიერ მოწვეული ფიზიკის შესახებ ლექციის წასაკითხად სტუდენტებისთვის) კონკრეტულად წყლის შესახებ: „თუ თქვენ მიიღებთ ორი იდენტური კონტეინერი წყლის თანაბარი მოცულობით ისე, რომ ერთში წყლის ტემპერატურა იყოს 35°C, ხოლო მეორეში - 100°C და შედგით საყინულეში, შემდეგ მეორეში წყალი უფრო სწრაფად გაიყინება. რატომ?" ოსბორნი დაინტერესდა ამ საკითხით და მალე, 1969 წელს, მან და მპემბამ თავიანთი ექსპერიმენტების შედეგები გამოაქვეყნეს ჟურნალში Physics Education. მას შემდეგ მათ მიერ აღმოჩენილ ეფექტს ეწოდა მპემბას ეფექტი.
ამ დრომდე არავინ იცის ზუსტად როგორ ახსნას ეს უცნაური ეფექტი. მეცნიერებს არ აქვთ ერთი ვერსია, თუმცა ბევრია. ეს ყველაფერი ეხება ცხელი და ცივი წყლის თვისებების განსხვავებას, მაგრამ ჯერ არ არის ნათელი, რომელი თვისებები თამაშობს როლს ამ შემთხვევაში: განსხვავება სუპერგაცივებაში, აორთქლებაში, ყინულის წარმოქმნაში, კონვექციაში ან თხევადი აირების ზემოქმედება წყალზე. სხვადასხვა ტემპერატურა.
მპემბას ეფექტის პარადოქსი არის ის, რომ დრო, რომლის დროსაც სხეული გაცივდება გარემოს ტემპერატურამდე, უნდა იყოს პროპორციული ტემპერატურის სხვაობისა ამ სხეულსა და გარემოს შორის. ეს კანონი ნიუტონმა დაადგინა და მას შემდეგ არაერთხელ დადასტურდა პრაქტიკაში. ამ ეფექტით, 100°C ტემპერატურის წყალი 0°C ტემპერატურამდე უფრო სწრაფად გაცივდება, ვიდრე იგივე რაოდენობის წყალი 35°C ტემპერატურით.
თუმცა, ეს ჯერ კიდევ არ გულისხმობს პარადოქსს, რადგან მპემბას ეფექტი შეიძლება აიხსნას ცნობილი ფიზიკის ფარგლებში. აქ მოცემულია რამდენიმე ახსნა Mpemba ეფექტისთვის:
აორთქლება
ცხელი წყალი უფრო სწრაფად აორთქლდება კონტეინერიდან, რითაც მცირდება მისი მოცულობა და უფრო მცირე მოცულობა იმავე ტემპერატურაზე უფრო სწრაფად იყინება. 100C-მდე გაცხელებული წყალი 0C-მდე გაცივებისას კარგავს მასის 16%-ს.
აორთქლების ეფექტი ორმაგი ეფექტია. პირველ რიგში, გაციებისთვის საჭირო წყლის მასა მცირდება. და მეორეც, ტემპერატურა მცირდება იმის გამო, რომ წყლის ფაზიდან ორთქლის ფაზაში გადასვლის აორთქლების სითბო მცირდება.
ტემპერატურის სხვაობა
იმის გამო, რომ ცხელ წყალსა და ცივ ჰაერს შორის ტემპერატურული სხვაობა უფრო დიდია, ამიტომ სითბოს გაცვლა ამ შემთხვევაში უფრო ინტენსიურია და ცხელი წყალი უფრო სწრაფად კლებულობს.
ჰიპოთერმია
როდესაც წყალი გაცივდება 0 C-ზე დაბლა, ის ყოველთვის არ იყინება. ზოგიერთ პირობებში, მას შეუძლია გაიაროს სუპერ გაგრილება, აგრძელებს სითხის შენარჩუნებას გაყინვის ქვემოთ ტემპერატურაზე. ზოგიერთ შემთხვევაში, წყალი შეიძლება თხევადი დარჩეს -20 C ტემპერატურაზეც კი.
ამ ეფექტის მიზეზი არის ის, რომ იმისათვის, რომ პირველი ყინულის კრისტალები დაიწყოს ფორმირება, საჭიროა კრისტალების წარმოქმნის ცენტრები. თუ ისინი არ არიან თხევად წყალში, მაშინ სუპერგაგრილება გაგრძელდება მანამ, სანამ ტემპერატურა საკმარისად დაეცემა, რომ კრისტალები სპონტანურად წარმოიქმნას. როდესაც ისინი იწყებენ ფორმირებას ზეგაცივებულ სითხეში, ისინი დაიწყებენ უფრო სწრაფად ზრდას, წარმოქმნიან სველ ყინულს, რომელიც გაიყინება და წარმოიქმნება ყინული.
ცხელი წყალი ყველაზე მგრძნობიარეა ჰიპოთერმიის მიმართ, რადგან მისი გაცხელება შლის გახსნილ გაზებს და ბუშტებს, რაც თავის მხრივ შეიძლება გახდეს ყინულის კრისტალების ფორმირების ცენტრები.
რატომ იწვევს ჰიპოთერმია ცხელი წყლის უფრო სწრაფად გაყინვას? ცივი წყლის შემთხვევაში, რომელიც არ არის ზედმეტად გაციებული, ხდება შემდეგი. ამ შემთხვევაში ჭურჭლის ზედაპირზე ყინულის თხელი ფენა წარმოიქმნება. ყინულის ეს ფენა იმოქმედებს როგორც იზოლატორი წყალსა და ცივ ჰაერს შორის და ხელს შეუშლის შემდგომ აორთქლებას. ყინულის კრისტალების წარმოქმნის სიჩქარე ამ შემთხვევაში უფრო დაბალი იქნება. იმ შემთხვევაში, თუ ცხელი წყალი ექვემდებარება სუპერგაციებას, სუპერგაცივებულ წყალს არ აქვს ყინულის დამცავი ზედაპირული ფენა. ამიტომ, ის ბევრად უფრო სწრაფად კარგავს სითბოს ღია ზემოდან.
როდესაც სუპერგაგრილების პროცესი მთავრდება და წყალი იყინება, გაცილებით მეტი სითბო იკარგება და, შესაბამისად, მეტი ყინული წარმოიქმნება.
ამ ეფექტის მრავალი მკვლევარი თვლის ჰიპოთერმიას მთავარ ფაქტორად Mpemba ეფექტის შემთხვევაში.
კონვექცია
ცივი წყალი იწყებს ყინვას ზემოდან, რითაც აუარესებს სითბოს გამოსხივების და კონვექციის პროცესებს და, შესაბამისად, სითბოს დაკარგვას, ხოლო ცხელი წყალი იწყებს გაყინვას ქვემოდან.
ეს ეფექტი აიხსნება წყლის სიმკვრივის ანომალიით. წყალს აქვს მაქსიმალური სიმკვრივე 4C-ზე. თუ წყალს 4C-მდე გაგრილებთ და დაბალ ტემპერატურაზე დადებთ, წყლის ზედაპირული ფენა უფრო სწრაფად გაიყინება. იმის გამო, რომ ეს წყალი 4 C ტემპერატურის წყალზე ნაკლები სიმკვრივისაა, ის ზედაპირზე დარჩება და თხელ ცივ ფენას წარმოქმნის. ამ პირობებში წყლის ზედაპირზე ყინულის თხელი ფენა მცირე დროში წარმოიქმნება, მაგრამ ყინულის ეს ფენა იზოლატორის ფუნქციას ასრულებს, დაიცავს წყლის ქვედა ფენებს, რომლებიც დარჩება 4C ტემპერატურაზე. ამიტომ, შემდგომი გაგრილების პროცესი უფრო ნელი იქნება.
ცხელი წყლის შემთხვევაში კი სულ სხვა სიტუაციაა. წყლის ზედაპირული ფენა უფრო სწრაფად გაცივდება აორთქლებისა და ტემპერატურის დიდი სხვაობის გამო. გარდა ამისა, ცივი წყლის ფენები უფრო მკვრივია, ვიდრე ცხელი წყლის ფენები, ამიტომ ცივი წყლის ფენა ჩაიძირება და ამაღლებს თბილი წყლის ფენას ზედაპირზე. წყლის ეს ცირკულაცია უზრუნველყოფს ტემპერატურის სწრაფ ვარდნას.
მაგრამ რატომ არ აღწევს ეს პროცესი წონასწორობის წერტილს? მპემბას ეფექტის ასახსნელად კონვექციის ამ თვალსაზრისით, საჭირო იქნება ვივარაუდოთ, რომ წყლის ცივი და ცხელი ფენები გამოყოფილია და თავად კონვექციის პროცესი გრძელდება მას შემდეგ, რაც წყლის საშუალო ტემპერატურა დაეცემა 4 C-ზე დაბლა.
თუმცა, არ არსებობს ექსპერიმენტული მტკიცებულება ამ ჰიპოთეზის გასამყარებლად, რომ წყლის ცივი და ცხელი ფენები გამოყოფილია კონვექციის პროცესით.
წყალში გახსნილი აირები
წყალი ყოველთვის შეიცავს მასში გახსნილ გაზებს - ჟანგბადს და ნახშირორჟანგს. ამ გაზებს აქვთ წყლის გაყინვის წერტილის შემცირების უნარი. როდესაც წყალი თბება, ეს აირები გამოიყოფა წყლიდან, რადგან წყალში მათი ხსნადობა უფრო დაბალია მაღალ ტემპერატურაზე. ამიტომ, როდესაც ცხელი წყალი გაცივდება, ის ყოველთვის შეიცავს ნაკლებ გახსნილ გაზებს, ვიდრე გაუხურებელ ცივ წყალში. ამიტომ გახურებული წყლის გაყინვის წერტილი უფრო მაღალია და ის უფრო სწრაფად იყინება. ეს ფაქტორი ზოგჯერ განიხილება, როგორც მთავარი მპემბას ეფექტის ასახსნელად, თუმცა ამ ფაქტის დამადასტურებელი ექსპერიმენტული მონაცემები არ არსებობს.
თბოგამტარობა
ამ მექანიზმს შეუძლია მნიშვნელოვანი როლი შეასრულოს, როდესაც წყალი მაცივრის განყოფილების საყინულეში პატარა კონტეინერებშია მოთავსებული. ამ პირობებში, დაფიქსირდა, რომ ცხელი წყლის კონტეინერი დნება ყინულის ქვეშ საყინულეში, რითაც აუმჯობესებს თერმულ კონტაქტს საყინულე კედელთან და თბოგამტარობა. შედეგად, სითბოს ამოღება ცხელი წყლის კონტეინერიდან უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივიდან. თავის მხრივ, კონტეინერი ცივი წყლით არ დნება თოვლს ქვეშ.
ყველა ეს (ისევე როგორც სხვა) პირობა იქნა შესწავლილი მრავალ ექსპერიმენტში, მაგრამ მკაფიო პასუხი კითხვაზე - რომელი მათგანი უზრუნველყოფს მპემბას ეფექტის ასპროცენტიან რეპროდუქციას - არასოდეს მიიღეს.
მაგალითად, 1995 წელს გერმანელმა ფიზიკოსმა დევიდ აუერბახმა შეისწავლა სუპერგაგრილების წყლის ეფექტი ამ ეფექტზე. მან აღმოაჩინა, რომ ცხელი წყალი, რომელიც აღწევს სუპერგრილ მდგომარეობას, იყინება უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე ცივი წყალი და, შესაბამისად, უფრო სწრაფად, ვიდრე ეს უკანასკნელი. მაგრამ ცივი წყალი ზეგაციებულ მდგომარეობას უფრო სწრაფად აღწევს, ვიდრე ცხელი წყალი, რითაც ანაზღაურებს წინა ჩამორჩენას.
გარდა ამისა, აუერბახის შედეგები ეწინააღმდეგებოდა წინა მონაცემებს, რომ ცხელ წყალს შეეძლო უფრო დიდი სუპერგაგრილების მიღწევა ნაკლები კრისტალიზაციის ცენტრების გამო. წყლის გაცხელებისას მასში გახსნილ გაზებს აშორებენ, ადუღებისას კი მასში გახსნილი მარილების ნალექი ჩნდება.
ჯერჯერობით მხოლოდ ერთი რამის თქმა შეიძლება - ამ ეფექტის რეპროდუქცია მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული იმ პირობებზე, რომლებშიც ტარდება ექსპერიმენტი. ზუსტად იმიტომ, რომ ის ყოველთვის არ არის რეპროდუცირებული.
O. V. Mosin
ლიტერატურულიწყაროები:
"ცხელი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი. რატომ აკეთებს ასე?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, ტ. 237, No. 3, გვ. 246-257; 1977 წლის სექტემბერი.
„ცხელი და ცივი წყლის გაყინვა“, გ.ს. კელი ფიზიკის ამერიკულ ჟურნალში, ტ. 37, No. 5, გვ 564-565; 1969 წლის მაისი.
"სუპერგაციება და მპემბას ეფექტი", დევიდ აუერბახი, ამერიკულ ფიზიკის ჟურნალში, ტ. 63, No. 10, გვ 882-885; 1995 წლის ოქტომბერი.
"მპემბას ეფექტი: ცხელი და ცივი წყლის გაყინვის დრო", ჩარლზ ა. ნაიტი, American Journal of Physics, ტ. 64, No. 5, გვ 524; 1996 წლის მაისი.
