21.11.2017 11.10.2018 Alexander Fircev
« Ktorá voda zamrzne rýchlejšie studená alebo horúca?“- skúste položiť otázku svojim priateľom, s najväčšou pravdepodobnosťou väčšina z nich odpovie, že studená voda zamrzne rýchlejšie - a urobte chybu.
V skutočnosti, ak súčasne vložíte do mrazničky dve nádoby rovnakého tvaru a objemu, z ktorých jedna bude obsahovať studenú vodu a druhá horúcu, horúca voda zamrzne rýchlejšie.
Takéto vyhlásenie sa môže zdať absurdné a nerozumné. Horúca voda musí logicky najskôr vychladnúť na studenú teplotu a studená by sa už v tomto čase mala zmeniť na ľad.
Prečo teda horúca voda predbehne studenú na ceste k zamrznutiu? Skúsme na to prísť.
História pozorovaní a výskumov
Ľudia tento paradoxný efekt pozorovali už v staroveku, no nikto mu neprikladal veľký význam. Takže nezrovnalosti v rýchlosti zmrazovania studenej a horúcej vody zaznamenali vo svojich poznámkach Arestotel, ako aj René Descartes a Francis Bacon. Nezvyčajný jav sa často prejavoval v každodennom živote.
Úkaz dlho nebol nijako skúmaný a medzi vedcami nevzbudil veľký záujem.
Štúdium nezvyčajného efektu sa začalo v roku 1963, keď si zvedavý študent z Tanzánie Erasto Mpemba všimol, že horúce mlieko na zmrzlinu zamrzne rýchlejšie ako studené. V nádeji, že dostane vysvetlenie dôvodov neobvyklého efektu, sa mladý muž opýtal svojho učiteľa fyziky v škole. Učiteľ sa mu však iba vysmial.
Neskôr Mpemba experiment zopakoval, no vo svojom experimente už nepoužíval mlieko, ale vodu a paradoxný efekt sa opäť zopakoval.
O šesť rokov neskôr, v roku 1969, položil Mpemba túto otázku profesorovi fyziky Dennisovi Osborneovi, ktorý prišiel do jeho školy. Profesor sa zaujímal o pozorovanie mladého muža, v dôsledku čoho sa uskutočnil experiment, ktorý potvrdil prítomnosť účinku, ale dôvody tohto javu neboli stanovené.
Odvtedy sa fenoménu hovorí Mpemba efekt.
Počas histórie vedeckých pozorovaní bolo predložených veľa hypotéz o príčinách tohto javu.
Takže v roku 2012 Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu vyhlásila súťaž hypotéz na vysvetlenie Mpemba efektu. Do súťaže sa zapojili vedci z celého sveta, celkovo bolo prihlásených 22 000 vedeckých prác. Napriek takémuto pôsobivému počtu článkov ani jeden neobjasnil Mpembov paradox.
Najbežnejšia verzia bola, podľa ktorej horúca voda zamŕza rýchlejšie, pretože sa jednoducho rýchlejšie vyparuje, jej objem sa zmenšuje a so zmenšujúcim sa objemom sa rýchlosť ochladzovania zvyšuje. Najbežnejšia verzia bola nakoniec vyvrátená, pretože sa uskutočnil experiment, v ktorom bolo vyparovanie vylúčené, ale účinok sa napriek tomu potvrdil.
Iní vedci sa domnievali, že dôvodom Mpemba efektu je odparovanie plynov rozpustených vo vode. Podľa ich názoru sa počas procesu ohrevu odparujú plyny rozpustené vo vode, vďaka čomu získava vyššiu hustotu ako studená voda. Ako je známe, zvýšenie hustoty vedie k zmene fyzikálnych vlastností vody (zvýšenie tepelnej vodivosti), a teda k zvýšeniu rýchlosti ochladzovania.
Okrem toho bolo predložených niekoľko hypotéz, ktoré opisujú rýchlosť cirkulácie vody ako funkciu teploty. V mnohých štúdiách bol urobený pokus zistiť vzťah medzi materiálom nádob, v ktorých sa kvapalina nachádzala. Mnohé teórie sa zdali veľmi pravdepodobné, ale nemohli byť vedecky potvrdené pre nedostatok počiatočných údajov, rozpory v iných experimentoch alebo pre skutočnosť, že zistené faktory jednoducho neboli porovnateľné s rýchlosťou ochladzovania vody. Niektorí vedci vo svojich prácach existenciu efektu spochybňovali.
V roku 2013 vedci z Technologickej univerzity Nanyang v Singapure tvrdili, že vyriešili záhadu Mpemba efektu. Podľa ich štúdie dôvod javu spočíva v tom, že množstvo energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami studenej a horúcej vody sa výrazne líši.
Metódy počítačovej simulácie ukázali nasledujúce výsledky: čím vyššia je teplota vody, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami v dôsledku toho, že sa zvyšujú odpudivé sily. V dôsledku toho sa vodíkové väzby molekúl natiahnu a ukladajú viac energie. Po ochladení sa molekuly začnú k sebe približovať, čím sa uvoľní energia z vodíkových väzieb. V tomto prípade je uvoľňovanie energie sprevádzané poklesom teploty.
V októbri 2017 španielski fyzici v rámci inej štúdie zistili, že pri vytváraní efektu zohráva veľkú úlohu práve odstránenie hmoty z rovnováhy (silné zahrievanie pred silným ochladením). Stanovili podmienky, za ktorých je pravdepodobnosť účinku maximálna. Vedci zo Španielska navyše potvrdili existenciu reverzného Mpemba efektu. Zistili, že po zahriatí môže chladnejšia vzorka dosiahnuť vysokú teplotu rýchlejšie ako teplá.
Napriek vyčerpávajúcim informáciám a početným experimentom majú vedci v úmysle pokračovať v skúmaní účinku.
Mpemba efekt v reálnom živote
Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo je v zime ľadová plocha naplnená horúcou vodou a nie studenou? Ako ste už pochopili, robia to preto, lebo klzisko naplnené horúcou vodou zamrzne rýchlejšie, ako keby bolo naplnené studenou vodou. Z rovnakého dôvodu sa šmykľavky v zimných ľadových mestách polievajú horúcou vodou.
Poznatky o existencii fenoménu tak ľuďom umožňujú ušetriť čas pri príprave lokalít pre zimné športy.
Okrem toho sa Mpemba efekt niekedy využíva aj v priemysle – na skrátenie doby tuhnutia produktov, látok a materiálov obsahujúcich vodu.
Tento príbeh sa začal pred viac ako polstoročím, no dodnes sa nedočkal žiadneho výsledku. A to všetko preto, že bez ohľadu na to, ako veľmi sa snažia tisíce zvedavých myslí z celej planéty, nemôžu nájsť jediné správne riešenie pre Mpembu.
V roku 1963 si nenápadný africký študent menom Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) všimol jednu zvláštnosť: teplá zmrzlinová zmes tuhne rýchlejšie ako vychladená.
Pozorovanie sa zdalo také nepravdepodobné, že sa učiteľ fyziky mohol nad objavom nešťastného experimentátora len pousmiať. Erasto si však bol istý, že mal pravdu a nebál sa stať opäť terčom smiechu: o niečo neskôr položil klzkú otázku Denisovi Osborneovi, profesorovi na univerzite v Dar es Salaame v Tanzánii. Vedec sa neponáhľal so závermi a rozhodol sa problém študovať. Potom, v roku 1969, časopis Physics Education publikoval materiál popisujúci Mpembov paradox.
Vo vedeckých kruhoch si hneď pripomenuli, že niečo podobné už povedali najväčšie mysle minulosti. Spomenul napríklad aj obyvateľov starogréckeho Pontu, ktorí pri zimnom rybolove zohrievali vodu a namáčali do nej trstinu, aby rýchlejšie stvrdla. O stáročia neskôr Francis Bacon napísal: "Mierne studená voda zamrzne oveľa ľahšie ako úplne studená voda."
Vo všeobecnosti je otázka stará ako svet, ale to len podnecuje záujem o riešenie. Počas niekoľkých posledných desaťročí bolo predložených veľa teórií na vysvetlenie Mpemba efektu. Najpravdepodobnejšie z nich boli vyhlásené v roku 2013 na slávnostnom podujatí, ktoré usporiadala Kráľovská spoločnosť pre chémiu Veľkej Británie. Profesijné združenie preštudovalo 22 000 (!) názorov a vyčlenilo z nich len jeden, ktorý patril Nikolovi Bregovićovi.
Chorvátsky chemik poukázal na dôležitosť procesov konvekcie a podchladenia kvapaliny pri zamrznutí.
Takto sú tieto javy opísané na Wikipédii:
- Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa spomaľujú procesy tepelného žiarenia a prúdenia, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.
- Podchladená kvapalina je kvapalina, ktorá má pri danom tlaku teplotu pod teplotou kryštalizácie. Podchladená kvapalina sa získava z normálnej kvapaliny ochladzovaním v neprítomnosti kryštalizačných centier.
Univerzálna a šek na 1000 libier boli dobrou odmenou. Mimochodom, víťaza pozdravili Erasto Mpemba a Denis Osborne.
scienceblogs.comAká by mala byť teplota vody pred zamrznutím
Na túto otázku stále neexistuje jednoznačná odpoveď. Kráľovská spoločnosť pre chémiu, hoci bola rozhodnutá, spory úplne nezastavila. Doteraz sa predkladajú nové hypotézy a počúvajú sa odmietnutia.
Aj keď je tu malá stopa: populárno-vedecký časopis New Scientist urobil výskum a dospel k záveru, že najlepšie podmienky na replikáciu Mpemba efektu sú dve nádoby s vodou s teplotou 35 a 5 °C.
Ak teda do párty zostáva veľmi málo času, nalejte ho do vody, ktorej teplota je porovnateľná s izbovou teplotou v horúcom lete. No alebo studená voda z vodovodu je lepšie nepoužívať.
Dobrý deň, milí milovníci zaujímavých faktov. Dnes budeme hovoriť o. Myslím si však, že otázka položená v nadpise sa môže zdať jednoducho absurdná – je však vždy potrebné úplne dôverovať povestnému „zdravému rozumu“, a nie striktne stanoveným testovacím skúsenostiam. Skúsme prísť na to, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená?
Odkaz na históriu
Že v problematike mrazivej studenej a horúcej vody „nie všetko je čisté“ bolo spomenuté v dielach Aristotela, potom podobné poznámky urobili F. Bacon, R. Descartes a J. Black. V nedávnej histórii sa s týmto efektom spájalo pomenovanie „Mpembov paradox“ – podľa mena školáka z Tanganiky Erasto Mpemba, ktorý rovnakú otázku položil hosťujúcemu profesorovi fyziky.
Chlapcova otázka nevznikla od nuly, ale z čisto osobných pozorovaní procesu chladenia zmrzlinových zmesí v kuchyni. Samozrejme, prítomní spolužiaci spolu s učiteľom sa Mpembovi smiali – po experimentálnej kontrole osobne profesorom D. Osborneom sa z nich však „vyparila“ chuť robiť si z Erasta srandu. Okrem toho Mpemba spolu s profesorom publikoval podrobný popis tohto efektu v roku 1969 v Physics Education - a odvtedy je vyššie uvedené meno zafixované vo vedeckej literatúre.
Čo je podstatou javu?
Usporiadanie experimentu je celkom jednoduché: za rovnakých okolností sa testujú identické tenkostenné nádoby, v ktorých sú striktne rovnaké množstvá vody, líšia sa len teplotou. Nádoby sa vložia do chladničky, po ktorej sa zaznamená čas pred vytvorením ľadu v každej z nich. Paradoxom je, že v nádobe s pôvodne teplejšou kvapalinou sa to deje rýchlejšie.
Ako to vysvetľuje moderná fyzika?
Paradox nemá univerzálne vysvetlenie, pretože spolu prebieha niekoľko paralelných procesov, ktorých prínos sa môže líšiť od konkrétnych počiatočných podmienok – ale s jednotným výsledkom:
- schopnosť kvapaliny prechladzovať - spočiatku studená voda je náchylnejšia na podchladenie, t.j. zostáva tekutý, keď je jeho teplota už pod bodom mrazu
- zrýchlené chladenie - para z horúcej vody sa premieňa na ľadové mikrokryštály, ktoré pri páde zrýchľujú proces a fungujú ako dodatočný "externý výmenník tepla"
- izolačný efekt - na rozdiel od horúcej vody studená voda zamŕza zhora, čo vedie k zníženiu prenosu tepla konvekciou a sálaním
Existuje množstvo ďalších vysvetlení (naposledy súťaž o najlepšiu hypotézu usporiadala Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu nedávno, v roku 2012) - ale stále neexistuje jednoznačná teória pre všetky prípady kombinácií vstupných podmienok ...
V roku 1963 si študent školy v Tanzánii menom Erasto Mpemba všimol, že ak vezmete dve nádoby s rovnakým množstvom mlieka, z ktorých jedna má mlieko izbovú teplotu a druhá horúca, horúce mlieko stvrdne. mraznička oveľa rýchlejšie ako chlad. Potom urobil rovnaký experiment s vodou a dostal presne rovnaký výsledok. Učiteľ fyziky, na ktorého sa Mpemba obrátil so žiadosťou o vysvetlenie, sa v odpovedi iba zasmial.
Ale zvedavá myseľ nedala Mpembovi pokoj a túto otázku položil profesorovi Dennisovi Osborneovi, pozvanému z University College v Dar es Salaame, aby prednášal fyziku. Osborna táto otázka zaujala a v roku 1969 so svojím študentom publikoval článok o výsledkoch svojich experimentov v časopise Physics Education. Od svojho zverejnenia sa tento efekt označuje ako Mpemba efekt.
V skutočnosti je tento efekt známy už od staroveku: zaujímali sa oň Aristoteles, F. Bacon, R. Descartes.
Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa telo ochladí na teplotu okolia, musí byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon sformuloval I. Newton a odvtedy sa v praxi mnohokrát potvrdil. A v tomto prípade vriaca voda, zahriata na 100 stupňov. C sa ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou napríklad 35 °C. C, aj keď počas chladenia musí vriaca voda prekročiť „prah“ 35 stupňov C.
Tu sú niektoré z predpokladov, ktoré vedci predložili:
- Horúca voda sa pri chladení aktívne vyparuje, pričom sa jej objem zmenšuje, respektíve menší objem vody sa rýchlejšie ochladí. Navyše v dôsledku vyparovania teplota vody klesá rýchlejšie.
- Teplotný rozdiel medzi teplou vodou a vzduchom je väčší, čo znamená, že výmena tepla prebieha s väčšou intenzitou, čo vedie k rýchlejšiemu zamŕzaniu teplej vody.
- Na povrchu studenej vody sa tvorí vrstva ľadu, ktorá nielen bráni odparovaniu vody, ale pôsobí aj ako akýsi „vankúš“, ktorý chráni veľkú časť vody pred ochladením. A horúca voda nemá na povrchu ľad, takže proces vyparovania a chladenia trvá dlhšie, dochádza k rýchlejšiemu úniku tepla a v dôsledku toho sa horúca voda skôr mení na ľad.
- V horúcej vode sú vodíkové väzby natiahnuté viac ako v studenej vode. Keďže viac energie sa ukladá vo vodíkových väzbách horúcej vody, znamená to, že sa jej viac uvoľní, keď sa ochladí na mínusové teploty. To vysvetľuje, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie.
O:H-O vodíkové väzby v ľadovom kryštáli
Zdá sa, že stará dobrá H2O receptúra neobsahuje žiadne tajomstvá. Ale v skutočnosti je voda - zdroj života a najznámejšia kvapalina na svete - plná mnohých záhad, ktoré presahujú aj vedcov. Päť najznámejších „podivností“ vody – pred vami.
1. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená
Vezmime si dve nádoby s vodou: do jednej nalejeme horúcu a do druhej studenú. Dáme ich do mrazničky. Nádoba s horúcou vodou zamrzne rýchlejšie ako so studenou vodou, hoci logicky by sa nádoba so studenou vodou mala najskôr zmeniť na ľad: horúca voda sa predsa musí najskôr ochladiť na studenú teplotu a potom sa zmeniť na ľad a studená voda sa nemusí ochladzovať. Prečo sa to deje?
V roku 1963 si stredoškolák Erasto B. Mpemba všimol, že horúca zmes tuhne v mrazničke rýchlejšie ako studená. Učiteľ fyziky, s ktorým sa mladík podelil o svoj objav, ho rozosmial. Našťastie bol študent vytrvalý a presvedčil učiteľa, aby urobil experiment, čo mu dalo za pravdu. Fenomén zmrazovania horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody sa teraz nazýva Mpemba efekt. Vedci úplne nerozumejú povahe tohto javu, vysvetľujú ho rozdielom v hypotermii, odparovaní, tvorbe ľadu atď.
2. „Superchladenie“ zabraňuje tvorbe ľadu
Každý vie, že voda sa vždy zmení na ľad, keď sa ochladí na nula stupňov Celzia... okrem prípadov, keď sa tak nestane! „Prechladenie“ je tendencia vody zostať tekutou, aj keď sa ochladí pod bod mrazu. Tento jav je možný vďaka tomu, že prostredie neobsahuje kryštalizačné centrá alebo jadrá, ktoré by mohli vyvolať tvorbu ľadových kryštálikov. Voda preto zostáva aj pri ochladení na teploty pod nula stupňov Celzia v tekutej forme. Keď sa spustí proces kryštalizácie, možno pozorovať, ako sa „superchladená“ voda v okamihu zmení na ľad. Presvedčte sa sami – pozrite si video na našej stránke.
3. Sklovitá voda
Rýchlo, bez váhania mi povedzte, koľko rôznych stavov má voda? Povedal si tri? Pevné, kvapalné, plynné? A tu to nie je. Vedci identifikujú najmenej 5 stavov „tekutej“ vody a 14 stavov ľadu. Pamätáte si na reči o superchladenej vode? Takže nech robíte čokoľvek, pri -38 °C sa tá najprechladenejšia voda zrazu zmení na ľad. A WTO nastane s ďalším poklesom teploty? Pri -120 °C sa ľad stáva viskóznym ako melasa a pri teplote -135 °C a menej sa mení na „sklovitú“ alebo „sklovitú“ vodu, pevnú látku bez kryštálov.
4. Kvantové číslo vody
Na molekulárnej úrovni má voda vedcov čím prekvapiť. V roku 1995 experiment s rozptylom neutrónov, ktorý uskutočnili vedci, priniesol neočakávaný výsledok: zistilo sa, že neutróny namierené na molekuly vody „vidia“ o 25 % menej vodíkových protónov. Ukázalo sa, že rýchlosťou jednej attosekundy (10 až mínus 18 sekúnd) dôjde k nezvyčajnému kvantovému efektu a chemický vzorec vody z bežnej H2O sa zmení na H1,5O!
Pýtate sa, čo je jedna attosekunda? To je čas, ktorý svetlo potrebuje na to, aby prekonalo vzdialenosť porovnateľnú s veľkosťou molekuly vody.
5. Má voda pamäť?
Homeopatia, alternatíva k oficiálnej medicíne, tvrdí, že slabý roztok lieku môže pôsobiť na organizmus ozdravne a zachovať si vlastnosti roztoku pôvodnej koncentrácie, aj keď je faktor riedenia taký veľký, že nezostane nič iné ako molekuly vody v roztoku. Prívrženci homeopatie ako liečebnej metódy vysvetľujú tento paradox pojmom nazývaným „pamäť vody“. V roku 2002 medzinárodná skupina vedcov vedená profesorkou Madeline Ennis z Queen's University v Belfaste, ktorá už predtým kritizovala princípy homeopatie, oznámila, že dokázala dokázať realitu efektu „vodnej pamäte“. pod dohľadom nezávislých odborníkov neprinieslo výsledky. Diskusia o fenoméne „pamäť vody“ pokračuje.
