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.
Wydaje się jasne, że zimna woda zamarza szybciej niż gorąca, ponieważ w równych warunkach gorąca woda potrzebuje więcej czasu na schłodzenie, a następnie zamarznięcie. Jednak tysiące lat obserwacji, a także współczesne eksperymenty wykazały, że jest też odwrotnie: w pewnych warunkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Kanał naukowy Sciencium wyjaśnia to zjawisko:
Jak wyjaśniono w powyższym filmie, zjawisko, w którym gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda, jest znane jako efekt Mpemby, nazwany na cześć Erasto Mpemby, ucznia z Tanzanii, który w 1963 roku zrobił lody w ramach szkolnego projektu. Uczniowie musieli doprowadzić mieszaninę śmietanki i cukru do wrzenia, ostudzić, a następnie włożyć do zamrażarki.
Zamiast tego Erasto od razu nastawił swoją miksturę na gorąco, nie czekając, aż ostygnie. W rezultacie po 1,5 godziny jego mieszanka była już zamrożona, ale mieszanki innych uczniów nie. Zaintrygowany tym zjawiskiem, Mpemba zaczął studiować ten problem z profesorem fizyki Denisem Osbornem, aw 1969 roku opublikowali artykuł, w którym stwierdzono, że ciepła woda zamarza szybciej niż zimna. Było to pierwsze tego rodzaju recenzowane badanie, ale samo zjawisko jest wspomniane w artykułach Arystotelesa z IV wieku pne. mi. Francis Bacon i Kartezjusz również odnotowali to zjawisko w swoich badaniach.
Film zawiera kilka opcji wyjaśnienia, co się dzieje:
- Mróz jest dielektrykiem, dlatego mroźna zimna woda lepiej magazynuje ciepło niż ciepłe szkło, które w kontakcie z nim topi lód.
- Zimna woda ma więcej rozpuszczonych gazów niż ciepła woda, a naukowcy spekulują, że może to odgrywać rolę w szybkości chłodzenia, chociaż nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób.
- Gorąca woda traci więcej cząsteczek wody poprzez parowanie, pozostawiając mniej cząsteczek do zamrożenia
- Ciepła woda może ostygnąć szybciej z powodu zwiększonych prądów konwekcyjnych. Prądy te występują, ponieważ woda w szkle najpierw ochładza się na powierzchni i bokach, powodując opadanie zimnej wody i podnoszenie się wody gorącej. W ciepłym szkle prądy konwekcyjne są bardziej aktywne, co może wpływać na szybkość chłodzenia.
Jednak w 2016 roku przeprowadzono dokładnie kontrolowane badanie, które wykazało coś przeciwnego: gorąca woda zamarzała znacznie wolniej niż zimna woda. Jednocześnie naukowcy zauważyli, że zmiana położenia termopary – urządzenia określającego różnice temperatur – o zaledwie centymetr prowadzi do pojawienia się efektu Mpemby. Badanie innej podobnej pracy wykazało, że we wszystkich przypadkach, w których zaobserwowano ten efekt, nastąpiło przemieszczenie termopary w granicach centymetra.
Zjawisko krzepnięcia gorącej wody w szybszym tempie niż zimnej jest znane w nauce jako efekt Mpemby. Tak wielkie umysły jak Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes zastanawiały się nad tym paradoksalnym zjawiskiem, ale przez tysiąclecia nikt jeszcze nie był w stanie podać rozsądnego wyjaśnienia tego zjawiska.
Dopiero w 1963 roku uczeń z Republiki Tanganiki, Erasto Mpemba, zauważył ten efekt na przykładzie lodów, ale żaden z dorosłych nie udzielił mu wyjaśnienia. Niemniej jednak fizycy i chemicy poważnie myśleli o tak prostym, ale tak niezrozumiałym zjawisku.
Od tego czasu wyrażano różne wersje, z których jedna była następująca: część gorącej wody najpierw po prostu odparowuje, a następnie, gdy pozostaje mniejsza ilość, woda krzepnie szybciej. Ta wersja, ze względu na swoją prostotę, stała się najpopularniejsza, ale naukowcy nie byli w pełni usatysfakcjonowani.
Teraz zespół naukowców z Nanyang Technological University w Singapurze, kierowany przez chemika Xi Zhanga, twierdzi, że rozwiązał odwieczną zagadkę, dlaczego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna. Jak odkryli chińscy eksperci, sekret tkwi w ilości energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych między cząsteczkami wody.
Jak wiesz, cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniami kowalencyjnymi, co na poziomie cząstek wygląda jak wymiana elektronów. Innym dobrze znanym faktem jest to, że atomy wodoru są przyciągane przez atomy tlenu z sąsiednich cząsteczek - tworzy to wiązania wodorowe.
Jednocześnie cząsteczki wody jako całość odpychają się nawzajem. Naukowcy z Singapuru zauważyli, że im cieplejsza woda, tym większa odległość między cząsteczkami cieczy z powodu wzrostu sił odpychania. W rezultacie wiązania wodorowe są rozciągnięte, a tym samym magazynują więcej energii. Energia ta jest uwalniana, gdy woda ochładza się - cząsteczki zbliżają się do siebie. A zwrot energii, jak wiadomo, oznacza ochłodzenie.
Jak piszą chemicy w swoim artykule, który można znaleźć na stronie preprint arXiv.org, wiązania wodorowe są silniej rozciągane w gorącej wodzie niż w zimnej wodzie. Okazuje się zatem, że w wiązaniach wodorowych gorącej wody magazynowane jest więcej energii, co oznacza, że więcej jej jest uwalniane po schłodzeniu do temperatur poniżej zera. Z tego powodu zamrażanie jest szybsze.
Do tej pory naukowcy rozwiązali tę zagadkę tylko teoretycznie. Kiedy przedstawią przekonujące dowody na swoją wersję, pytanie, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda, można uznać za zamknięte.
Efekt Mpemby(paradoks Mpemba) - paradoks polegający na tym, że woda gorąca w pewnych warunkach zamarza szybciej niż woda zimna, chociaż w procesie zamarzania musi przekroczyć temperaturę wody zimnej. Ten paradoks jest eksperymentalnym faktem, który przeczy zwykłym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach ciało cieplejsze potrzebuje więcej czasu, aby ostygnąć do określonej temperatury, niż ciało chłodniejsze, aby ochłodzić się do tej samej temperatury.
Zjawisko to zauważyli wówczas Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku tanzański uczeń Erasto Mpemba stwierdził, że gorąca mieszanka lodowa zamarza szybciej niż zimna.
Erasto Mpemba był uczniem Magambin High School w Tanzanii, wykonując praktyczne prace kuchenne. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, schłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był szczególnie pilnym uczniem i zwlekał z wykonaniem pierwszej części zadania. Obawiając się, że nie zdąży do końca lekcji, włożył jeszcze gorące mleko do lodówki. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według danej technologii.
Potem Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą. W każdym razie, będąc już uczniem Mkvava High School, zapytał o wodę profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły do wygłoszenia wykładu z fizyki dla uczniów): „Jeśli bierzesz dwa identyczne pojemniki z równą objętością wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim - 100°C i wkładacie je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej Dlaczego? Zagadnieniem tym zainteresował się Osborne i wkrótce w 1969 roku wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie „Physics Education”. Od tego czasu odkryty przez nich efekt to tzw Efekt Mpemby.
Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wyjaśnić ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, chociaż jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji lub wpływ skroplonych gazów na wodę w temp. różne temperatury.
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 ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W ten sam sposób woda o temperaturze 100°C schładza się do 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C.
Jednak nie oznacza to jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można również wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby:
Odparowanie
Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym jego objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej. Woda podgrzana do 100 C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0 C.
Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, temperatura spada ze względu na fakt, że zmniejsza się ciepło parowania przejścia z fazy wodnej do fazy gazowej.
różnica temperatur
Ze względu na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa - stąd wymiana ciepła w tym przypadku jest bardziej intensywna i gorąca woda szybciej się ochładza.
hipotermia
Kiedy woda jest schładzana poniżej 0 C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulec przechłodzeniu, pozostając ciekłym w temperaturach poniżej punktu zamarzania. W niektórych przypadkach woda może pozostać płynna nawet w temperaturze -20 C.
Powodem tego efektu jest to, że aby pierwsze kryształki lodu zaczęły się formować, potrzebne są centra tworzenia kryształów. Jeśli nie znajdują się w ciekłej wodzie, przechłodzenie będzie kontynuowane, dopóki temperatura nie spadnie na tyle, że kryształy zaczną się spontanicznie tworzyć. Kiedy zaczną się formować w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lodową breję, która zamarznie, tworząc lód.
Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie eliminuje rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako centra tworzenia się kryształków lodu.
Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, zachodzi następująca sytuacja. W takim przypadku na powierzchni naczynia utworzy się cienka warstwa lodu. Ta warstwa lodu będzie działać jako izolator między wodą a zimnym powietrzem i zapobiegnie dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia kryształków lodu w tym przypadku będzie mniejsza. W przypadku przechłodzonej wody gorącej woda przechłodzona nie posiada powierzchniowej warstwy ochronnej lodu. W związku z tym znacznie szybciej traci ciepło przez otwartą górę.
Kiedy proces przechłodzenia się kończy i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, a zatem tworzy się więcej lodu.
Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.
Konwekcja
Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając tym samym procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, podczas gdy gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.
Efekt ten tłumaczy się anomalią w gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4 C. Jeśli schłodzisz wodę do 4 C i ustawisz ją w niższej temperaturze, warstwa powierzchniowa wody zamarznie szybciej. Ponieważ ta woda ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 4°C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody przez krótki czas tworzy się cienka warstwa lodu, ale ta warstwa lodu będzie służyła jako izolator chroniący dolne warstwy wody, która pozostanie w temperaturze 4 C. Dlatego , dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy.
W przypadku ciepłej wody sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Powierzchniowa warstwa wody ochładza się szybciej z powodu parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, podnosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury.
Ale dlaczego ten proces nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z tego punktu widzenia konwekcji, należałoby przyjąć, że warstwy zimnej i gorącej wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji trwa nadal po spadku średniej temperatury wody poniżej 4 C.
Jednak nie ma eksperymentalnych dowodów na poparcie tej hipotezy, że zimne i gorące warstwy wody są oddzielone przez konwekcję.
gazy rozpuszczone w wodzie
Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy - tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Gdy woda jest podgrzewana, gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie w wysokiej temperaturze jest mniejsza. Dlatego, gdy gorąca woda jest schładzana, zawsze jest w niej mniej rozpuszczonych gazów niż w nieogrzewanej zimnej wodzie. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Czynnik ten jest czasami uważany za główny w wyjaśnianiu efektu Mpemby, chociaż nie ma danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt.
Przewodność cieplna
Mechanizm ten może odgrywać znaczącą rolę, gdy woda jest umieszczana w lodówce z zamrażarką w małych pojemnikach. W tych warunkach zaobserwowano, że pojemnik z gorącą wodą topi lód znajdującej się pod spodem zamrażarki, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny ze ścianką zamrażarki i przewodność cieplną. Dzięki temu ciepło jest usuwane z zasobnika ciepłej wody szybciej niż z zasobnika zimnej. Z kolei pojemnik z zimną wodą nie topi pod nim śniegu.
Wszystkie te (jak również inne) warunki były badane w wielu eksperymentach, ale nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają 100% odtworzenie efektu Mpemby.
Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzenia, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a więc szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzenia szybciej niż gorąca woda, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie.
Ponadto wyniki Auerbacha przeczyły wcześniejszym danym, że gorąca woda jest w stanie osiągnąć większe przechłodzenie z powodu mniejszej liczby centrów krystalizacji. Gdy woda jest podgrzewana, rozpuszczone w niej gazy są usuwane, a gdy jest gotowana, wytrącają się niektóre rozpuszczone w niej sole.
Jak dotąd można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu zależy zasadniczo od warunków, w jakich przeprowadza się eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.
OV Mosin
Literackiźródła:
„Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Dlaczego tak się dzieje?”, Jearl Walker w The Amateur Scientist, Scientific American, tom. 237, nr. 3, s. 246-257; wrzesień 1977.
„Zamrażanie ciepłej i zimnej wody”, G.S. Kell w American Journal of Physics, tom. 37, nie. 5, s. 564-565; maj 1969.
„Przechłodzenie i efekt Mpemby”, David Auerbach, w American Journal of Physics, tom. 63, nie. 10, s. 882-885; październik 1995 r.
„Efekt Mpemby: czasy zamarzania ciepłej i zimnej wody”, Charles A. Knight, w American Journal of Physics, tom. 64, nr. 5, s. 524; maj 1996.
