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.
Zdá sa jasné, že studená voda zamrzne rýchlejšie ako horúca voda, pretože za rovnakých podmienok horúcej vode trvá dlhšie ochladenie a následné zamrznutie. Tisíce rokov pozorovaní, ale aj moderných experimentov však ukázali, že to platí aj naopak: horúca voda za určitých podmienok zamrzne rýchlejšie ako studená. Vedecký kanál Scientium vysvetľuje tento jav:
Ako je vysvetlené vo videu vyššie, jav, kedy horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, je známy ako Mpembov efekt, pomenovaný po Erastovi Mpembovi, študentovi z Tanzánie, ktorý vyrobil zmrzlinu ako súčasť školského projektu v roku 1963. Žiaci museli zmes smotany a cukru priviesť do varu, nechať vychladnúť a potom vložiť do mrazničky.
Namiesto toho Erasto nechal svoju zmes okamžite zapáliť, bez toho, aby čakal, kým vychladne. Výsledkom bolo, že po 1,5 hodine bola jeho zmes už zmrazená, ale zmesi ostatných študentov nie. Mpemba, zaujatý týmto fenoménom, začal študovať tento problém s profesorom fyziky Denisom Osbornom a v roku 1969 publikovali článok, v ktorom sa uvádza, že teplá voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Išlo o prvú recenzovanú štúdiu tohto druhu, ale samotný fenomén sa spomína v Aristotelových spisoch zo 4. storočia pred Kristom. e. Tento jav zaznamenali vo svojich štúdiách aj Francis Bacon a Descartes.
Video obsahuje niekoľko možností, ako vysvetliť, čo sa deje:
- Mráz je dielektrikum, a preto mrazivá studená voda uchováva teplo lepšie ako teplé sklo, ktoré pri kontakte s ňou roztápa ľad.
- Studená voda má viac rozpustených plynov ako teplá voda a vedci predpokladajú, že to môže hrať úlohu v rýchlosti ochladzovania, aj keď zatiaľ nie je jasné ako.
- Horúca voda stráca viac molekúl vody vyparovaním, takže menej molekúl zamrzne
- Teplá voda sa môže rýchlejšie ochladiť v dôsledku zvýšených konvekčných prúdov. Tieto prúdy vznikajú preto, že voda v pohári sa najprv ochladzuje na povrchu a bokoch, čím studená voda klesá a horúca stúpa. V teplom pohári sú konvekčné prúdy aktívnejšie, čo môže ovplyvniť rýchlosť ochladzovania.
V roku 2016 však prebehla starostlivo kontrolovaná štúdia, ktorá ukázala opak: horúca voda mrzla oveľa pomalšie ako studená. Vedci si zároveň všimli, že zmena umiestnenia termočlánku - zariadenia, ktoré určuje teplotné rozdiely - len o centimeter vedie k vzniku Mpemba efektu. Štúdia inej podobnej práce ukázala, že vo všetkých prípadoch, keď bol tento efekt pozorovaný, došlo k posunutiu termočlánku v rámci centimetra.
Fenomén tuhnutia horúcej vody rýchlejšie ako studená voda je vo vede známy ako Mpemba efekt. Nad týmto paradoxným javom uvažovali také veľké mysle ako Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes, no po tisícročia ešte nikto nedokázal ponúknuť rozumné vysvetlenie tohto javu.
Až v roku 1963 si tento efekt na príklade zmrzliny všimol školák z Republiky Tanganika Erasto Mpemba, no nikto z dospelých mu nedal vysvetlenie. Napriek tomu fyzici a chemici vážne premýšľali o takom jednoduchom, ale tak nepochopiteľnom jave.
Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna bola nasledovná: časť horúcej vody sa najprv jednoducho odparí a potom, keď zostane menšie množstvo, voda rýchlejšie stuhne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najpopulárnejšou, no vedci neboli úplne spokojní.
Tím výskumníkov z Technologickej univerzity Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga teraz tvrdí, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda zamŕza rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski experti, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.
Ako viete, molekuly vody sa skladajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka držaných pohromade kovalentnými väzbami, čo na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalším známym faktom je, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl – to vytvára vodíkové väzby.
Zároveň sa molekuly vody ako celok navzájom odpudzujú. Vedci zo Singapuru si všimli, že čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku nárastu odpudivých síl. V dôsledku toho sa vodíkové väzby naťahujú, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľní, keď sa voda ochladí – molekuly sa k sebe priblížia. A návrat energie, ako viete, znamená ochladenie.
Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý možno nájsť na predtlačovej stránke arXiv.org, vodíkové väzby sú v horúcej vode natiahnuté silnejšie ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že vo vodíkových väzbách horúcej vody sa ukladá viac energie, čo znamená, že pri ochladzovaní na mínusové teploty sa jej uvoľňuje viac. Z tohto dôvodu je zmrazenie rýchlejšie.
Vedci dodnes túto hádanku vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, potom otázku, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, možno považovať za uzavretú.
Mpemba efekt(Mpembov paradox) - paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.
Tento jav si v tom čase všimli už Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, no až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.
Erasto Mpemba bol študentom strednej školy Magambin v Tanzánii, kde robil praktické kuchárske práce. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s prvou časťou zadania otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.
Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s čistou vodou. V každom prípade, už ako študent strednej školy Mkvava, sa opýtal profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar es Salaame (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) o vode: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody tak, aby v jednej z nich mala voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda zamrzne rýchlejšie. Prečo? Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembou publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa ich objavený efekt nazýva tzv Mpemba efekt.
Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.
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 zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým spôsobom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.
To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť aj v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:
Odparovanie
Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.
Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.
teplotný rozdiel
Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.
podchladenie
Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 C.
Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé ľadové kryštály, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad.
Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.
Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, nastáva nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.
Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.
Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.
Konvekcia
Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.
Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto , ďalší proces chladenia bude pomalší.
V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.
Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by sa muselo predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje aj po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.
Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené konvekciou.
plyny rozpustené vo vode
Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokej teplote je nižšia. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.
Tepelná vodivosť
Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladničke s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztápa ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou.
Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať.
Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.
Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.
Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu v podstate závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.
O. V. Mosin
Literárnezdrojov:
"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.
"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; mája 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995
"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.
