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.
W tym artykule przyjrzymy się, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda.
Podgrzana woda zamarza znacznie szybciej niż zimna! Ta niesamowita właściwość wody, której dokładnego wyjaśnienia naukowcy wciąż nie potrafią znaleźć, jest znana od czasów starożytnych. Na przykład nawet u Arystotelesa jest opis wędkarstwa zimowego: rybacy wkładali wędki do dziur w lodzie i aby szybciej zamarzły, polali lód ciepłą wodą. Nazwa tego zjawiska została nazwana na cześć Erasto Mpemby w latach 60. XX wieku. Mnemba zauważył dziwny efekt podczas robienia lodów i zwrócił się do swojego nauczyciela fizyki, dr Denisa Osborna, o wyjaśnienie. Mpemba i dr Osborne eksperymentowali z wodą o różnych temperaturach i doszli do wniosku, że prawie wrząca woda zaczyna zamarzać znacznie szybciej niż woda w temperaturze pokojowej. Inni naukowcy przeprowadzali własne eksperymenty i za każdym razem uzyskiwali podobne wyniki.
Wyjaśnienie zjawiska fizycznego
Nie ma ogólnie przyjętego wyjaśnienia, dlaczego tak się dzieje. Wielu badaczy sugeruje, że chodzi o przechłodzenie cieczy, które następuje, gdy jej temperatura spada poniżej zera. Innymi słowy, jeśli woda zamarza w temperaturze poniżej 0°C, to przechłodzona woda może mieć temperaturę np. -2°C i nadal pozostawać w stanie ciekłym, nie zamieniając się w lód. Kiedy próbujemy zamrozić zimną wodę, istnieje szansa, że najpierw zostanie ona przechłodzona, a dopiero po pewnym czasie stwardnieje. W podgrzanej wodzie zachodzą inne procesy. Jego szybsza przemiana w lód jest związana z konwekcją.
Konwekcja- Jest to zjawisko fizyczne, w którym ciepłe dolne warstwy cieczy unoszą się, a górne, schłodzone, opadają.
W 1963 roku uczeń z Tanzanii, Erasto Mpemba, zadał swojemu nauczycielowi głupie pytanie - dlaczego w jego zamrażarce ciepłe lody zamarzają szybciej niż zimne?
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, wstawił jeszcze gorące mleko do lodówki. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według danej technologii.
Zwrócił się do nauczyciela fizyki o wyjaśnienie, ale tylko zaśmiał się z ucznia, mówiąc: „To nie jest fizyka światowa, ale fizyka Mpemby”. 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?" Osborn zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce w 1969 roku wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od tego czasu odkryty przez nich efekt nazywa się efektem Mpemby.
Czy jesteś ciekaw, dlaczego tak się dzieje? Jeszcze kilka lat temu naukowcom udało się wyjaśnić to zjawisko...
Efekt Mpemby (Mpemba Paradox) to paradoks polegający na tym, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż woda zimna, chociaż w procesie zamrażania 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 dostrzegli wówczas Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes. 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.
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 - w tym przypadku powstają 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.
Oto hipotezy wysunięte przez naukowców:
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, z powodu parowania, jego temperatura spada.
różnica temperatur
Ze względu na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa - w związku z tym wymiana ciepła w tym przypadku jest bardziej intensywna i gorąca woda stygnie szybciej.
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, na jej powierzchni tworzy się cienka warstwa lodu, który działa jak izolator między wodą a zimnym powietrzem, a tym samym zapobiega 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 umieścisz ją w środowisku o niższej temperaturze, powierzchniowa warstwa 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 utworzy się cienka warstwa lodu, ale ta warstwa lodu będzie służyć 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 większych różnic 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 punktu widzenia konwekcji, należałoby przyjąć, że warstwy zimnej i gorącej wody są rozdzielone, a sam proces konwekcji jest kontynuowany po spadku średniej temperatury wody poniżej 4°C. Jednak nie ma eksperymentalnych dowodów na poparcie tej hipotezy, że warstwy zimnej i gorącej 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 badano w wielu eksperymentach, ale jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają 100% odwzorowanie efektu Mpemby, nie uzyskano. 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, usuwane są z niej rozpuszczone gazy, a po zagotowaniu część rozpuszczonych w niej soli wytrąca się. Na razie można stwierdzić tylko jedno - odtworzenie tego efektu w znacznym stopniu zależy od warunków, w jakich przeprowadza się eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest reprodukowany.
A oto najbardziej prawdopodobny powód.
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.
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.
W starej dobrej formule H 2 O wydawałoby się, że nie ma żadnych tajemnic. Ale w rzeczywistości woda - źródło życia i najsłynniejsza ciecz na świecie - jest pełna wielu tajemnic, których czasami nawet naukowcy nie potrafią rozwiązać.
Oto 5 najciekawszych faktów o wodzie:
1. Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna
Weź dwa pojemniki z wodą: do jednego wlej gorącą wodę, a do drugiego zimną wodę i umieść je w zamrażarce. Ciepła woda zamarznie szybciej niż zimna, chociaż logicznie rzecz biorąc, zimna woda powinna była najpierw zamienić się w lód: w końcu gorąca woda musi najpierw ostygnąć do zimnej temperatury, a następnie zamienić się w lód, podczas gdy zimna woda nie musi się ochładzać. Dlaczego to się dzieje?
W 1963 roku Erasto B. Mpemba, licealista z Tanzanii, podczas zamrażania przygotowanej mieszanki lodów zauważył, że gorąca mieszanka krzepnie szybciej w zamrażarce niż zimna. Kiedy młody człowiek podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten tylko się z niego śmiał. Na szczęście uczeń był wytrwały i przekonał nauczyciela do przeprowadzenia eksperymentu, który potwierdził jego odkrycie: w pewnych warunkach gorąca woda naprawdę zamarza szybciej niż zimna.
Teraz to zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej nazywa się efektem Mpemby. To prawda, że \u200b\u200bna długo przed nim tę wyjątkową właściwość wody zauważyli Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes.
Naukowcy nie do końca rozumieją naturę tego zjawiska, tłumacząc je albo różnicą w hipotermii, parowaniem, tworzeniem się lodu, konwekcją, albo wpływem skroplonych gazów na ciepłą i zimną wodę.
Uwaga z Х.RU do tematu „Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda”.
Ponieważ zagadnienia chłodnictwa są nam, specjalistom od chłodnictwa, bliższe, pozwolimy sobie wniknąć głębiej w istotę tego problemu i wydać dwie opinie na temat natury tak tajemniczego zjawiska.
1. Naukowiec z University of Washington wyjaśnił tajemnicze zjawisko znane od czasów Arystotelesa: dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna.
Zjawisko to, zwane efektem Mpemby, jest szeroko stosowane w praktyce. Na przykład eksperci radzą kierowcom, aby zimą wlewali do zbiornika spryskiwacza zimną, a nie gorącą wodę. Ale to, co leży u podstaw tego zjawiska, przez długi czas pozostawało nieznane.
Dr Jonathan Katz z University of Washington zbadał to zjawisko i doszedł do wniosku, że ważną rolę odgrywają w nim substancje rozpuszczone w wodzie, które wytrącają się po podgrzaniu - donosi EurekAlert.
Przez substancje rozpuszczone dr Katz rozumie wodorowęglany wapnia i magnezu znajdujące się w twardej wodzie. Podczas podgrzewania wody substancje te wytrącają się, tworząc kamień na ściankach czajnika. Woda, która nigdy nie była podgrzewana, zawiera te zanieczyszczenia. Gdy zamarza i tworzą się kryształki lodu, stężenie zanieczyszczeń w wodzie wzrasta 50-krotnie. Obniża to temperaturę zamarzania wody. „A teraz woda musi ostygnąć, żeby zamarznąć” – wyjaśnia dr Katz.
Jest jeszcze drugi powód, który zapobiega zamarzaniu nieogrzewanej wody. Obniżenie punktu zamarzania wody zmniejsza różnicę temperatur między fazą stałą i ciekłą. „Ponieważ tempo, w jakim woda traci ciepło, zależy od tej różnicy temperatur, woda, która nie została podgrzana, ma mniejsze szanse na ostygnięcie” – mówi dr Katz.
Według naukowca jego teorię można przetestować eksperymentalnie, ponieważ. efekt Mpemba staje się bardziej wyraźny w przypadku twardej wody.
2. Tlen plus wodór plus zimno tworzy lód. Na pierwszy rzut oka ta przezroczysta substancja wydaje się bardzo prosta. W rzeczywistości lód jest pełen wielu tajemnic. Lód stworzony przez Afrykanina Erasto Mpembę nie myślał o chwale. Dni były gorące. Chciał popsicles. Wziął karton soku i włożył go do zamrażarki. Zrobił to więcej niż raz i dlatego zauważył, że sok zamarza szczególnie szybko, jeśli trzymasz go wcześniej na słońcu - po prostu go podgrzej! To dziwne, pomyślał tanzański uczeń, który postąpił wbrew światowej mądrości. Czy to możliwe, że aby ciecz szybciej zamieniła się w lód, trzeba ją najpierw… podgrzać? Młody człowiek był tak zaskoczony, że podzielił się swoim przypuszczeniem z nauczycielem. O tej ciekawostce poinformował prasę.
Ta historia wydarzyła się w latach 60. Teraz „efekt Mpemby” jest dobrze znany naukowcom. Ale przez długi czas to pozornie proste zjawisko pozostawało tajemnicą. Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna?
Dopiero w 1996 roku fizyk David Auerbach znalazł rozwiązanie. Aby odpowiedzieć na to pytanie, przez cały rok przeprowadzał eksperyment: podgrzewał wodę w szklance i ponownie ją schładzał. Więc czego się dowiedział? Po podgrzaniu odparowują pęcherzyki powietrza rozpuszczone w wodzie. Woda pozbawiona gazów łatwiej zamarza na ściankach naczynia. „Oczywiście woda z dużą zawartością powietrza również zamarznie”, mówi Auerbach, „ale nie przy zera stopniach Celsjusza, ale tylko przy minus czterech do sześciu stopni”. Oczywiście będziesz musiał dłużej poczekać. Tak więc gorąca woda zamarza przed zimną wodą, to fakt naukowy.
Prawie nie ma substancji, która pojawiłaby się przed naszymi oczami z taką samą łatwością jak lód. Składa się tylko z cząsteczek wody - czyli cząsteczek elementarnych zawierających dwa atomy wodoru i jeden tlen. Jednak lód jest prawdopodobnie najbardziej tajemniczą substancją we wszechświecie. Do tej pory naukowcom nie udało się wyjaśnić niektórych jego właściwości.
2. Przechłodzenie i „błyskawiczne” zamrożenie
Wszyscy wiedzą, że woda zawsze zamienia się w lód, gdy schładza się do 0°C… z wyjątkiem niektórych przypadków! Takim przypadkiem jest np. „przechłodzenie”, czyli właściwość bardzo czystej wody, która polega na pozostawaniu 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. I tak woda pozostaje w stanie ciekłym nawet po schłodzeniu do temperatur poniżej zera stopni Celsjusza. Proces krystalizacji mogą wywołać np. pęcherzyki gazu, zanieczyszczenia (zanieczyszczenia), nierówna powierzchnia pojemnika. Bez nich woda pozostanie w stanie ciekłym. Kiedy rozpocznie się proces krystalizacji, możesz obserwować, jak przechłodzona woda natychmiast zamienia się w lód.
Obejrzyj wideo (2 901 Kb, 60 c) autorstwa Phila Mediny (www.mrsciguy.com) i przekonaj się sam >>
Komentarz. Przegrzana woda również pozostaje w stanie ciekłym nawet po podgrzaniu powyżej temperatury wrzenia.
3. Woda „szklana”.
Szybko i bez wahania wymień, ile różnych stanów ma woda?
Jeśli odpowiedziałeś na trzy (ciało stałe, ciecz, gaz), to się mylisz. Naukowcy rozróżniają co najmniej 5 różnych stanów wody w stanie ciekłym i 14 stanów lodu.
Pamiętasz rozmowę o super schłodzonej wodzie? Więc bez względu na to, co robisz, w temperaturze -38 ° C nawet najczystsza przechłodzona woda nagle zamienia się w lód. Co się dzieje z dalszym spadkiem
temperatura? W temperaturze -120°C z wodą zaczyna dziać się coś dziwnego: staje się ona bardzo lepka lub lepka jak melasa, a poniżej -135°C zamienia się w wodę „szklistą” lub „szklistą” – substancję stałą, w której nie ma struktury krystalicznej.
4. Kwantowe właściwości wody
Na poziomie molekularnym woda jest jeszcze bardziej zaskakująca. W 1995 roku eksperyment z rozpraszaniem neutronów przeprowadzony przez naukowców dał nieoczekiwany wynik: fizycy odkryli, że neutrony skierowane na cząsteczki wody „widzą” o 25% mniej protonów wodoru niż oczekiwano.
Okazało się, że z prędkością jednej attosekundy (10 -18 sekund) zachodzi niezwykły efekt kwantowy, a wzór chemiczny wody zamiast zwykłego - H 2 O, staje się H 1,5 O!
5. Czy woda ma pamięć?
Homeopatia, alternatywa dla medycyny konwencjonalnej, twierdzi, że rozcieńczony roztwór produktu leczniczego może działać leczniczo na organizm, nawet jeśli współczynnik rozcieńczenia jest tak duży, że w roztworze nie pozostaje nic poza cząsteczkami wody. Zwolennicy homeopatii tłumaczą ten paradoks koncepcją zwaną „pamięcią wody”, zgodnie z którą woda na poziomie molekularnym ma „pamięć” substancji raz w niej rozpuszczonej i zachowuje właściwości roztworu o pierwotnym stężeniu nawet po pozostaje w nim pojedyncza cząsteczka składnika.
Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem profesor Madeleine Ennis z Queen's University w Belfaście, krytykującej zasady homeopatii, przeprowadził w 2002 roku eksperyment, aby raz na zawsze obalić tę koncepcję. Rezultat był odwrotny. Po czym naukowcy powiedzieli, że udało się udowodnić realność efektu „pamięci wody”. Jednak eksperymenty prowadzone pod okiem niezależnych ekspertów nie przyniosły rezultatów. Spory o istnienie zjawiska „pamięci wody” trwają.
Woda ma wiele innych niezwykłych właściwości, których nie omówiliśmy w tym artykule.
Literatura.
1. 5 naprawdę dziwnych rzeczy o wodzie / http://www.neatorama.com.
2. Tajemnica wody: powstała teoria efektu Arystotelesa-Mpemby / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi NN Tajemnice przyrody nieożywionej. Najbardziej tajemnicza substancja we wszechświecie / http://www.bibliotekar.ru.
