Efekt Mpemby, czyli dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? Efekt Mpemby.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksander Firtsew

« Która woda zamarza szybciej, zimna czy gorąca?”- spróbuj zadać pytanie znajomym, najprawdopodobniej większość z nich odpowie, że zimna woda zamarza szybciej - i popełni błąd.

W rzeczywistości, jeśli jednocześnie umieścisz w zamrażarce dwa naczynia o tym samym kształcie i objętości, z których jeden będzie zawierał zimną wodę, a drugi gorącą, wówczas gorąca woda zamarznie szybciej.

Takie stwierdzenie może wydawać się absurdalne i nieuzasadnione. Logicznie rzecz biorąc, gorąca woda musi najpierw ostygnąć do niskiej temperatury, a zimna woda powinna już w tym czasie zamienić się w lód.

Dlaczego więc gorąca woda wyprzedza zimną wodę na drodze do zamarznięcia? Spróbujmy to rozgryźć.

Historia obserwacji i badań

Ludzie obserwowali ten paradoksalny efekt od czasów starożytnych, ale nikt nie przywiązywał do niego większej wagi. Tak więc niespójności w szybkości zamrażania zimnej i gorącej wody odnotowali w swoich notatkach Arestotel, a także Rene Descartes i Francis Bacon. Niezwykłe zjawisko często objawiało się w życiu codziennym.

Przez długi czas zjawisko to nie było w żaden sposób badane i nie budziło większego zainteresowania wśród naukowców.

Badanie niezwykłego efektu rozpoczęło się w 1963 roku, kiedy dociekliwy student z Tanzanii, Erasto Mpemba, zauważył, że gorące mleko do lodów zamarza szybciej niż zimne. Mając nadzieję na wyjaśnienie przyczyn niezwykłego efektu, młody człowiek zapytał swojego nauczyciela fizyki w szkole. Jednak nauczyciel tylko się z niego śmiał.

Później Mpemba powtórzył eksperyment, ale w swoim eksperymencie nie używał już mleka, ale wodę, a paradoksalny efekt powtórzył się ponownie.

Sześć lat później, w 1969 roku, Mpemba zadał to pytanie profesorowi fizyki Dennisowi Osborne'owi, który przyszedł do jego szkoły. Profesor zainteresował się obserwacją młodego człowieka, w wyniku czego przeprowadzono eksperyment, który potwierdził obecność efektu, ale nie ustalono przyczyn tego zjawiska.

Od tego czasu zjawisko to nosi nazwę Efekt Mpemby.

W całej historii obserwacji naukowych wysunięto wiele hipotez dotyczących przyczyn tego zjawiska.

Tak więc w 2012 roku Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemii ogłosiło konkurs na hipotezy wyjaśniające efekt Mpemby. W konkursie brali udział naukowcy z całego świata, łącznie zarejestrowano 22 000 prac naukowych. Mimo tak imponującej liczby artykułów żaden z nich nie wyjaśnił paradoksu Mpemby.

Najpopularniejsza wersja była taka, że ​​gorąca woda zamarza szybciej, ponieważ po prostu szybciej odparowuje, zmniejsza się jej objętość, a wraz ze spadkiem objętości wzrasta szybkość jej chłodzenia. Najbardziej powszechna wersja została ostatecznie obalona, ​​​​ponieważ przeprowadzono eksperyment, w którym wykluczono parowanie, ale mimo to efekt został potwierdzony.

Inni naukowcy uważali, że przyczyną efektu Mpemby jest parowanie gazów rozpuszczonych w wodzie. Ich zdaniem podczas procesu ogrzewania gazy rozpuszczone w wodzie odparowują, dzięki czemu uzyskuje ona większą gęstość niż zimna woda. Jak wiadomo, wzrost gęstości prowadzi do zmiany właściwości fizycznych wody (wzrost przewodności cieplnej), a co za tym idzie do wzrostu szybkości chłodzenia.

Ponadto wysunięto szereg hipotez opisujących szybkość cyrkulacji wody w funkcji temperatury. W wielu badaniach podjęto próbę ustalenia zależności między materiałem pojemników, w których znajdowała się ciecz. Wiele teorii wydawało się bardzo prawdopodobnych, ale nie można było ich naukowo potwierdzić z powodu braku danych początkowych, sprzeczności w innych eksperymentach lub z powodu faktu, że zidentyfikowane czynniki po prostu nie były porównywalne z szybkością chłodzenia wody. Niektórzy naukowcy w swoich pracach kwestionowali istnienie efektu.

W 2013 roku naukowcy z Nanyang Technological University w Singapurze ogłosili, że rozwiązali zagadkę efektu Mpemba. Według ich badań, przyczyna tego zjawiska leży w tym, że ilość energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych między cząsteczkami zimnej i gorącej wody znacznie się różni.

Symulacyjne metody komputerowe dały następujące wyniki: im wyższa temperatura wody, tym większa odległość między cząsteczkami ze względu na wzrost sił odpychania. W konsekwencji wiązania wodorowe cząsteczek są rozciągnięte, magazynując więcej energii. Po schłodzeniu cząsteczki zaczynają zbliżać się do siebie, uwalniając energię z wiązań wodorowych. W tym przypadku uwolnieniu energii towarzyszy spadek temperatury.

W październiku 2017 r. hiszpańscy fizycy w trakcie kolejnych badań odkryli, że to właśnie wyprowadzenie materii z równowagi (mocne nagrzanie przed silnym ochłodzeniem) odgrywa dużą rolę w powstawaniu efektu. Określili warunki, w których prawdopodobieństwo wystąpienia efektu jest maksymalne. Ponadto naukowcy z Hiszpanii potwierdzili istnienie odwrotnego efektu Mpemby. Odkryli, że po podgrzaniu zimniejsza próbka może osiągnąć wysoką temperaturę szybciej niż ciepła.

Pomimo wyczerpujących informacji i licznych eksperymentów naukowcy zamierzają kontynuować badanie tego efektu.

Efekt Mpemby w prawdziwym życiu

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego zimą lodowisko jest wypełnione gorącą wodą, a nie zimną? Jak już zrozumiałeś, robią to, ponieważ lodowisko wypełnione gorącą wodą zamarza szybciej niż gdyby było wypełnione zimną wodą. Z tego samego powodu zjeżdżalnie w zimowych lodowych miastach są zalewane gorącą wodą.

Tym samym wiedza o istnieniu zjawiska pozwala zaoszczędzić czas podczas przygotowywania terenów do uprawiania sportów zimowych.

Ponadto efekt Mpemba jest czasem wykorzystywany w przemyśle – w celu skrócenia czasu zamarzania produktów, substancji i materiałów zawierających wodę.

Ta historia zaczęła się ponad pół wieku temu, ale do dziś nie doczekała się rozstrzygnięcia. A wszystko dlatego, że bez względu na to, jak bardzo tysiące dociekliwych umysłów z całej planety by próbowały, nie mogą znaleźć jedynego właściwego rozwiązania dla Mpemby.

W 1963 roku niepozorny afrykański student Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) zauważył jedną dziwność: ciepła mieszanka lodowa twardnieje szybciej niż schłodzona.

Obserwacja wydawała się tak nieprawdopodobna, że ​​nauczyciel fizyki mógł tylko śmiać się z odkrycia pechowego eksperymentatora. Jednak Erasto był pewien, że ma rację i nie bał się znowu stać się pośmiewiskiem: nieco później zadał śliskie pytanie Denisowi Osborne'owi, profesorowi na Uniwersytecie w Dar es Salaam w Tanzanii. Naukowiec nie spieszył się z wnioskami i postanowił zbadać problem. Następnie w 1969 roku w czasopiśmie Physics Education opublikowano materiał opisujący paradoks Mpemby.

W kręgach naukowych od razu przypomniano sobie, że coś podobnego mówiły już największe umysły przeszłości. Wspomniał też np. o mieszkańcach starożytnego greckiego Pontu, którzy podczas zimowych połowów podgrzewali wodę i moczyli w niej trzcinę, aby szybciej stwardniała. Wieki później Francis Bacon napisał: „Nieco chłodna woda zamarza znacznie łatwiej niż całkowicie zimna woda”.

Ogólnie rzecz biorąc, pytanie jest stare jak świat, ale to tylko podsyca zainteresowanie rozwiązaniem. W ciągu ostatnich kilku dekad wysunięto wiele teorii wyjaśniających efekt Mpemby. Najbardziej prawdopodobne z nich ogłoszono w 2013 roku na uroczystej gali zorganizowanej przez Królewskie Towarzystwo Chemii Wielkiej Brytanii. Stowarzyszenie zawodowe przestudiowało 22 000 (!) Opinii i wybrało spośród nich tylko jedną należącą do Nikoli Bregovića.

Chorwacki chemik zwrócił uwagę na znaczenie procesów konwekcji i przechłodzenia cieczy podczas jej zamarzania.

Oto jak te zjawiska są opisane w Wikipedii:

• Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, spowalniając tym samym procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, podczas gdy gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.
• Ciecz przechłodzona to ciecz, której temperatura jest niższa od temperatury krystalizacji przy danym ciśnieniu. Przechłodzoną ciecz otrzymuje się z normalnej cieczy przez chłodzenie przy braku centrów krystalizacji.

Uniwersał i czek na 1000 funtów były dobrą nagrodą. Nawiasem mówiąc, zwycięzcę przywitali Erasto Mpemba i Denis Osborne.

Jaka powinna być temperatura wody przed zamarznięciem

Wciąż nie ma jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie. Królewskie Towarzystwo Chemii, choć było zdeterminowane, nie zakończyło sporów całkowicie. Do tej pory wysuwane są nowe hipotezy i słychać zaprzeczenia.

Chociaż jest mały trop: popularnonaukowy magazyn New Scientist zrobił badania i doszedł do wniosku, że najlepsze warunki do odtworzenia efektu Mpemby to dwa pojemniki z wodą o temperaturze 35 i 5°C.

Dlatego jeśli do imprezy zostało bardzo mało czasu, wlej ją do wody, której temperatura jest porównywalna z temperaturą pokojową w upalne lato. Dobrze lub chłodna woda z kranu lepiej nie używać.

Witam drodzy miłośnicy ciekawostek. Dzisiaj porozmawiamy o. Myślę jednak, że pytanie postawione w tytule może wydawać się po prostu absurdalne – ale czy zawsze trzeba całkowicie ufać osławionemu „zdrowemu rozsądkowi”, a nie ściśle ustalonemu doświadczeniu testowemu. Spróbujmy dowiedzieć się, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda?

Odniesienie do historii

O tym, że w kwestii zamrażania zimnej i ciepłej wody „nie wszystko jest czyste” wspominał już Arystoteles, następnie podobne uwagi poczynili F. Bacon, R. Descartes i J. Black. W najnowszej historii przypisano temu efektowi nazwę „Mpemba paradox” – od imienia ucznia z Tanganiki, Erasto Mpemby, który zadał to samo pytanie wizytującemu profesorowi fizyki.

Pytanie chłopca nie zrodziło się od zera, ale z czysto osobistych obserwacji procesu schładzania mieszanek lodowych w kuchni. Oczywiście obecni tam koledzy z klasy wraz z nauczycielem śmiali się z Mpemby - jednak po eksperymentalnym sprawdzeniu osobiście przez profesora D. Osborne'a chęć wyśmiania Erasto z nich „wyparowała”. Co więcej, Mpemba wraz z profesorem opublikowali szczegółowy opis tego efektu w 1969 roku w Physics Education - i od tego czasu powyższa nazwa utrwaliła się w literaturze naukowej.

Jaka jest istota zjawiska?

Układ eksperymentu jest dość prosty: przy innych parametrach testuje się identyczne cienkościenne naczynia, w których znajdują się ściśle równe ilości wody, różniące się jedynie temperaturą. Naczynia są ładowane do lodówki, po czym rejestrowany jest czas przed utworzeniem się lodu w każdym z nich. Paradoks polega na tym, że w naczyniu z początkowo cieplejszą cieczą dzieje się to szybciej.

Jak współczesna fizyka to wyjaśnia?

Paradoks nie ma uniwersalnego wytłumaczenia, ponieważ równolegle przebiega kilka równoległych procesów, których wkład może różnić się od określonych warunków początkowych – ale z jednakowym skutkiem:

• zdolność cieczy do przechłodzenia - początkowo zimna woda jest bardziej podatna na hipotermię, tj. pozostaje płynny, gdy jego temperatura jest już poniżej punktu zamarzania
• przyspieszone chłodzenie - para z gorącej wody zamieniana jest w mikrokryształki lodu, które cofając się przyspieszają proces, działając jako dodatkowy „zewnętrzny wymiennik ciepła”
• efekt izolacji - w przeciwieństwie do ciepłej wody, zimna woda zamarza od góry, co prowadzi do zmniejszenia wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie

Istnieje szereg innych wyjaśnień (ostatni raz konkurs na najlepszą hipotezę zorganizowało Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemii niedawno, w 2012 r.) - ale wciąż nie ma jednoznacznej teorii dla wszystkich przypadków kombinacji warunków wejściowych...

W 1963 roku uczeń szkoły w Tanzanii, Erasto Mpemba, zauważył, że jeśli weźmie się dwa pojemniki z taką samą ilością mleka, z których jeden ma temperaturę pokojową, a drugi gorący, to gorące mleko stwardnieje w zamrażarce znacznie szybciej niż zimno. Następnie przeprowadził ten sam eksperyment z wodą i uzyskał dokładnie taki sam wynik. Nauczyciel fizyki, do którego Mpemba zwrócił się o wyjaśnienia, tylko się roześmiał.

Ale dociekliwy umysł nie dał spokoju Mpembie i zadał to pytanie profesorowi Dennisowi Osborne'owi, zaproszonemu z University College w Dar es Salaam na wykłady z fizyki. Osborn uznał to pytanie za interesujące iw 1969 roku on i jego uczeń opublikowali artykuł o wynikach swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od czasu publikacji efekt ten nazywany jest efektem Mpemby.

W rzeczywistości efekt ten był znany od czasów starożytnych: interesowali się nim Arystoteles, F. Bacon, R. Kartezjusz.

Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas, w którym ciało ochładza się do temperatury otoczenia, musi być proporcjonalny do różnicy temperatur między tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało sformułowane przez I. Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. A w tym przypadku wrząca woda podgrzana do 100 stopni. C ochładza się do 0 st. C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze np. 35 st. C. C, chociaż podczas chłodzenia wrząca woda musi przekroczyć „próg” 35 stopni C.

Oto niektóre z założeń wysuniętych przez naukowców:

• Gorąca woda podczas chłodzenia aktywnie odparowuje, podczas gdy jej objętość zmniejsza się odpowiednio, mniejsza objętość wody stygnie szybciej. Ponadto w wyniku parowania temperatura wody spada szybciej.
• Różnica temperatur między ciepłą wodą a powietrzem jest większa, co oznacza, że ​​wymiana ciepła zachodzi z większą intensywnością, co prowadzi do tego, że gorąca woda szybciej zamarza.
• Na powierzchni zimnej wody tworzy się warstwa lodu, która nie tylko zapobiega parowaniu wody, ale także działa jak rodzaj „poduszki”, która chroni większość wody przed wychłodzeniem. A gorąca woda nie ma lodu na powierzchni, więc proces parowania i chłodzenia trwa dłużej, utrata ciepła następuje szybciej, w wyniku czego gorąca woda wcześniej zamienia się w lód.
• W gorącej wodzie wiązania wodorowe są bardziej rozciągnięte niż w zimnej wodzie. Ponieważ więcej energii jest magazynowane w wiązaniach wodorowych gorącej wody, oznacza to, że więcej jej jest uwalniane, gdy ochładza się do temperatur poniżej zera. To wyjaśnia, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej.

Wiązania wodorowe O:H-O w krysztale lodu

Stara dobra formuła H2O wydaje się nie mieć żadnych tajemnic. Ale w rzeczywistości woda - źródło życia i najsłynniejsza ciecz na świecie - jest pełna wielu tajemnic, które przekraczają nawet naukowców. Pięć najsłynniejszych „dziwności” wody – przed Tobą.

1. Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna

Weźmy dwa pojemniki z wodą: do jednego wlej gorącą wodę, a do drugiego zimną. Włóżmy je do zamrażarki. Pojemnik z gorącą wodą zamarznie szybciej niż z zimną wodą, chociaż logicznie rzecz biorąc, pojemnik z zimną wodą powinien był najpierw zamienić się w lód: w końcu gorąca woda musi najpierw ostygnąć do zimnej temperatury, a następnie zamienić się w lód i zimno woda nie musi się ochładzać. Dlaczego to się dzieje?

W 1963 roku licealista Erasto B. Mpemba zauważył, że gorąca mieszanka twardnieje w zamrażarce szybciej niż zimna. Nauczyciel fizyki, z którym młody człowiek podzielił się swoim odkryciem, rozśmieszył go. Na szczęście uczeń był wytrwały i przekonał nauczyciela do przeprowadzenia eksperymentu, który dowiódł, że miał rację. Teraz zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej nazywa się efektem Mpemby. Naukowcy nie do końca rozumieją naturę tego zjawiska, tłumacząc je różnicą w hipotermii, parowaniu, tworzeniu się lodu itp.

2. „Przechłodzenie” zapobiega tworzeniu się lodu

Wszyscy wiedzą, że woda zawsze zamienia się w lód, gdy schładza się do zera stopni Celsjusza… chyba że tak nie jest! „Przechłodzenie” to tendencja wody do pozostawania w stanie ciekłym nawet po schłodzeniu poniżej zera. Zjawisko to staje się możliwe dzięki temu, że środowisko nie zawiera centrów krystalizacji ani jąder, które mogłyby prowokować tworzenie się kryształków lodu. Dlatego woda pozostaje w stanie ciekłym, nawet po schłodzeniu do temperatur poniżej zera stopni Celsjusza. Kiedy rozpoczyna się proces krystalizacji, można zaobserwować, jak „przechłodzona” woda w jednej chwili zamienia się w lód. Przekonaj się sam - obejrzyj film na naszej stronie.

3. Szklista woda

Szybko, bez wahania powiedz mi, ile różnych stanów ma woda? Powiedziałeś trzy? Stałe, ciekłe, gazowe? A tutaj tego nie ma. Naukowcy identyfikują co najmniej 5 stanów „ciekłej” wody i 14 stanów lodu. Pamiętasz rozmowę o super schłodzonej wodzie? Tak więc, bez względu na to, co robisz, w temperaturze -38 ° C najbardziej przechłodzona woda nagle zamieni się w lód. A WTO nastąpi przy dalszym spadku temperatury? W temperaturze -120°C lód staje się lepki jak melasa, a w temperaturze -135°C i poniżej zamienia się w „szklistą” lub „szklistą” wodę, ciało stałe bez kryształów.

4. Liczba kwantowa wody

Na poziomie molekularnym woda ma w sobie coś, czym zaskakuje naukowców. W 1995 roku eksperyment z rozpraszaniem neutronów przeprowadzony przez naukowców dał nieoczekiwany wynik: stwierdzono, że neutrony skierowane na cząsteczki wody „widzą” o 25% mniej protonów wodoru. Okazało się, że z prędkością jednej attosekundy (10 do minus 18 sekund) zachodzi niezwykły efekt kwantowy, a wzór chemiczny wody ze zwykłego H2O zamienia się w H1,5O!
Co to jest jedna attosekunda, pytasz? Jest to czas potrzebny światłu na pokonanie odległości porównywalnej z wielkością cząsteczki wody.

5. Czy woda ma pamięć?

Homeopatia, alternatywa dla medycyny oficjalnej, twierdzi, że słaby roztwór leku może działać leczniczo na organizm i zachować właściwości roztworu o pierwotnym stężeniu, nawet jeśli współczynnik rozcieńczenia jest tak duży, że pozostają tylko cząsteczki wody w roztworze. Zwolennicy homeopatii jako metody leczenia tłumaczą ten paradoks pojęciem zwanym „pamięcią wody”. W 2002 roku międzynarodowa grupa naukowców pod przewodnictwem profesor Madeline Ennis z Queen's University w Belfaście, która wcześniej krytykowała zasady homeopatii, ogłosiła, że ​​udało jej się udowodnić istnienie efektu „pamięci wody”. Jednak eksperymenty przeprowadzone pod okiem niezależnych ekspertów nie przyniosły rezultatów. Dyskusja na temat zjawiska „pamięci wody” trwa.