Mnogo je faktora koji utiču na to da se voda brže smrzava, vruća ili hladna, ali samo pitanje izgleda malo čudno. Implikacija, a to je poznato iz fizike, je da toploj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu hladne vode koja se poredi kako bi se pretvorila u led. Ova faza se može preskočiti i, shodno tome, ona pobjeđuje na vrijeme.

Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - vani na hladnoći, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, naučno se ispostavilo da će u svakom slučaju hladna voda jednostavno brže zamrznuti.

Nastavnik fizike, kojem se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba, pomislio je isto sa zahtjevom da objasni zašto hladnoj mješavini budućeg sladoleda treba duže da se smrzne od slične, ali vruće.

“Ovo nije univerzalna fizika, već neka vrsta Mpemba fizike”

U to vrijeme učitelj se samo nasmijao na ovo, ali Deniss Osborne, profesor fizike, koji je svojevremeno posjetio istu školu u kojoj je Erasto studirao, eksperimentalno je potvrdio postojanje takvog efekta, iako za to tada nije bilo objašnjenja. Godine 1969. u jednom popularnom naučnom časopisu objavljen je zajednički članak ove dvije osobe, koji opisuje ovaj neobičan efekat.

Od tada, inače, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna - ima svoje ime - Mpemba efekat, ili paradoks.

Pitanje postoji već dugo vremena

Naravno, takav fenomen se dogodio i ranije, a spominjao se iu radovima drugih naučnika. Ne samo da je školarac bio zainteresovan za ovo pitanje, već su o tome svojevremeno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.

Ali pristupe za rešavanje ovog paradoksa počeli su da traže tek krajem dvadesetog veka.

Uslovi za pojavu paradoksa

Kao i kod sladoleda, nije samo obična voda ta koja se smrzava tokom eksperimenta. Moraju postojati određeni uslovi da bi se započelo svađanje oko toga koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća. Šta utiče na tok ovog procesa?

Sada, u 21. vijeku, izneseno je nekoliko opcija koje mogu objasniti ovaj paradoks. Koja voda se brže smrzava, topla ili hladna, može zavisiti od činjenice da ima veću stopu isparavanja od hladne vode. Dakle, njegov volumen se smanjuje, a kako se volumen smanjuje, vrijeme zamrzavanja postaje kraće nego ako uzmemo istu početnu zapreminu hladne vode.

Prošlo je dosta vremena otkako ste odmrznuli zamrzivač.

Koja se voda brže smrzava i zašto se to događa može utjecati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču frižidera koji se koristi za eksperiment. Ako uzmete dvije posude koje su identične zapremine, ali jedna od njih sadrži toplu vodu, a druga hladnu, posuda sa toplom vodom će otopiti snijeg ispod, čime će se poboljšati kontakt termičke razine sa zidom hladnjaka. Posuda sa hladnom vodom to ne može učiniti. Ako u odjeljku hladnjaka nema takve obloge sa snijegom, hladna voda bi se trebala brže smrzavati.

Vrh - dno

Takođe, pojava da se voda brže smrzava - topla ili hladna - objašnjava se na sljedeći način. Po određenim zakonima, hladna voda počinje da se smrzava iz gornjih slojeva, kada topla voda radi suprotno - počinje da se smrzava odozdo prema gore. Ispostavilo se da hladna voda, sa hladnim slojem na vrhu sa već na nekim mestima formiranim ledom, pogoršava procese konvekcije i toplotnog zračenja, objašnjavajući koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. Fotografije iz amaterskih eksperimenata su u prilogu, a to je jasno vidljivo ovdje.

Toplota nestaje, juri naviše, i tamo se susreće sa veoma hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplotno zračenje, pa proces hlađenja postaje težak. Topla voda apsolutno nema takvih prepreka na svom putu. Koja se brže smrzava - hladna ili vruća, šta određuje vjerojatni ishod? Odgovor možete proširiti tako što ćete reći da svaka voda ima određene tvari otopljene u njoj.

Nečistoće u vodi kao faktor koji utiče na ishod

Ako ne varate i koristite vodu istog sastava, u kojoj su koncentracije pojedinih supstanci identične, onda bi hladna voda trebala brže da se smrzava. Ali ako se dogodi situacija u kojoj su rastvoreni hemijski elementi prisutni samo u toploj vodi, a hladna ih nema, tada topla voda ima priliku da se zamrzne ranije. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju centre kristalizacije, a s malim brojem ovih centara otežana je transformacija vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i da će voda biti prehlađena, u smislu da će na temperaturama ispod nule biti u tečnom stanju.

Ali sve ove verzije, očigledno, nisu u potpunosti odgovarale naučnicima i oni su nastavili da rade na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača iz Singapura rekao je da su riješili vjekovnu misteriju.

Grupa kineskih naučnika tvrdi da tajna ovog efekta leži u količini energije koja je uskladištena između molekula vode u njenim vezama, nazvanim vodonične veze.

Odgovor kineskih naučnika

Slede informacije, da biste razumeli koje je potrebno da imate neko znanje iz hemije da biste razumeli koja voda se brže smrzava - topla ili hladna. Kao što je poznato, sastoji se od dva atoma H (vodonika) i jednog O (kiseonika) atoma, koji se drže zajedno kovalentnim vezama.

Ali i atome vodika jedne molekule privlače susjedne molekule, njihova komponenta kisika. Ove veze se nazivaju vodoničnim vezama.

Vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekuli vode imaju odbojni učinak jedni na druge. Naučnici su primijetili da kada se voda zagrije, udaljenost između njenih molekula se povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispostavilo se da zauzimanjem iste udaljenosti između molekula u hladnom stanju može se reći da se rastežu i da imaju veću zalihu energije. Upravo ta rezerva energije se oslobađa kada se molekule vode počnu približavati jedna drugoj, odnosno dolazi do hlađenja. Pokazalo se da se veća rezerva energije u toploj vodi, i njeno veće oslobađanje pri hlađenju na temperature ispod nule, dešava brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju rezervu te energije. Dakle, koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća? Na ulici i u laboratoriji trebao bi se dogoditi Mpembin paradoks, a topla voda bi se trebala brže pretvoriti u led.

Ali pitanje je i dalje otvoreno

Postoji samo teorijska potvrda ovog rješenja - sve je to napisano prekrasnim formulama i čini se uvjerljivim. Ali kada se eksperimentalni podaci o tome koja voda brže smrzava - topla ili hladna - stave u praktičnu upotrebu, i njihovi rezultati budu predstavljeni, onda se pitanje Mpembinog paradoksa može smatrati zatvorenim.

Mpemba efekat(Mpembin paradoks) je paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode tokom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu.

Ovu pojavu su svojevremeno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.

Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba je radio kao kuhar. Trebalo je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto?" Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.

Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.

Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline treba biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C.

Međutim, to još ne znači paradoks, jer se Mpemba efekat može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:

Isparavanje

Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.

Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.

Temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog vazduha veća, samim tim je i razmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.

Hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od –20 C.

Razlog za ovaj efekat je taj što su za formiranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led.

Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.

Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena dešava se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.

Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.

Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.

Konvekcija

Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplotnog zračenja i konvekcije, a samim tim i gubitak toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.

Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Pošto je ova voda manje gusta od vode na temperaturi od 4 C, ona će ostati na površini, formirajući tanak hladan sloj. U ovim uslovima na površini vode će se za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji.

U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Osim toga, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.

Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli sloj vode razdvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.

Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.

Gasovi rastvoreni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi niža na visokim temperaturama. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.

Toplotna provodljivost

Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod.

Svi ovi (kao i drugi) uslovi proučavani su u mnogim eksperimentima, ali jasan odgovor na pitanje - koji od njih obezbeđuju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobijen.

Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće prehlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.

Za sada se može konstatovati samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.

U ovom članku ćemo pogledati pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Zagrijana voda smrzava se mnogo brže od hladne vode! Ovo neverovatno svojstvo vode, za koje naučnici još uvek ne mogu da pronađu tačno objašnjenje, poznato je od davnina. Na primjer, čak i kod Aristotela postoji opis zimskog ribolova: ribari su u rupe u ledu ubacivali štapove za pecanje, a kako bi se brže smrznuli, izlijevali su toplu vodu na led. Ovaj fenomen je 60-ih godina 20. vijeka dobio ime po Erastu Mpembi. Mnemba je primijetio čudan efekat dok je pravio sladoled i obratio se svom nastavniku fizike, dr. Denisu Osborneu, za objašnjenje. Mpemba i dr. Osborne eksperimentirali su s vodom na različitim temperaturama i zaključili da gotovo kipuća voda počinje da se smrzava mnogo brže od vode na sobnoj temperaturi. Drugi naučnici su provodili sopstvene eksperimente i svaki put dobijali slične rezultate.

Objašnjenje fizičkog fenomena

Ne postoji opšteprihvaćeno objašnjenje zašto se to dešava. Mnogi istraživači sugeriraju da je cijela poenta u prehlađenju tečnosti, koje se dešava kada njena temperatura padne ispod tačke smrzavanja. Drugim riječima, ako se voda smrzne na temperaturi ispod 0°C, tada prehlađena voda može imati temperaturu od, na primjer, -2°C i dalje ostati tečna bez pretvaranja u led. Kada pokušamo da zamrznemo hladnu vodu, postoji šansa da će se ona prvo prehlađena i tek nakon nekog vremena stvrdnuti. Drugi procesi se odvijaju u zagrijanoj vodi. Njegova brža transformacija u led povezana je s konvekcijom.

Konvekcija- ovo je fizički fenomen u kojem se topli donji slojevi tekućine dižu, a gornji, ohlađeni, spuštaju.

Kratak odgovor zašto se topla voda brže smrzava

Ispostavilo se da se tečnost sama od sebe meša i hladi. Zbog činjenice da se proces konvekcije aktivno odvija u zagrijanoj vodi, kristali leda s površine će brže pasti i hladiti toplu vodu na dnu.

Mpemba efekat(Mpembin paradoks) - paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu.

Ovu pojavu su svojevremeno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.

Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba je radio kao kuhar. Trebalo je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto?" Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.

Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.

Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline treba biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C.

Međutim, to još ne znači paradoks, jer se Mpemba efekat može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:

Isparavanje

Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.

Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.

Temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog vazduha veća, samim tim je i razmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.

Hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od –20 C.

Razlog za ovaj efekat je taj što su za formiranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led.

Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.

Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena dešava se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.

Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.

Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.

Konvekcija

Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplotnog zračenja i konvekcije, a samim tim i gubitak toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.

Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Pošto je ova voda manje gusta od vode na temperaturi od 4 C, ona će ostati na površini, formirajući tanak hladan sloj. U ovim uslovima na površini vode će se za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji.

U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Osim toga, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.

Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli sloj vode razdvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.

Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.

Gasovi rastvoreni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi niža na visokim temperaturama. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.

Toplotna provodljivost

Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod.

Svi ovi (kao i drugi) uslovi proučavani su u mnogim eksperimentima, ali jasan odgovor na pitanje - koji od njih obezbeđuju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobijen.

Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće prehlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.

Za sada se može konstatovati samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.

O. V. Mosin

Literaryizvori:

"Topla voda se smrzava brže od hladne vode. Zašto to radi?", Jearl Walker u The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, br. 3, str. 246-257; Septembra 1977.

"Zamrzavanje tople i hladne vode", G.S. Kell u American Journal of Physics, Vol. 37, br. 5, str. 564-565; maj 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, u American Journal of Physics, Vol. 63, br. 10, str. 882-885; Okt 1995.

"Efekat Mpemba: vremena smrzavanja tople i hladne vode", Charles A. Knight, u American Journal of Physics, Vol. 64, br. 5, str. 524; maj 1996.

Voda je jedna od najneverovatnijih tečnosti na svetu, koja ima neobična svojstva. Na primjer, led, čvrsto stanje tečnosti, ima specifičnu težinu nižu od same vode, što je u velikoj mjeri omogućilo nastanak i razvoj života na Zemlji. Osim toga, u pseudonaučnom i naučnom svijetu vode se rasprave o tome koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Svako ko može da dokaže da se vruća tečnost pod određenim uslovima brže smrzava i naučno potkrepi svoje rešenje dobiće nagradu od 1.000 funti od Britanskog kraljevskog društva hemičara.

Pozadina

Činjenica da se topla voda pod nizom uslova smrzava brže od hladne uočena je još u srednjem vijeku. Francis Bacon i René Descartes uložili su mnogo truda da objasne ovaj fenomen. Međutim, sa stanovišta klasične toplotne tehnike, ovaj paradoks se ne može objasniti, a oni su to pokušali stidljivo prećutati. Poticaj za nastavak debate bila je pomalo čudna priča koja se dogodila tanzanijskom školarcu Erastu Mpembi 1963. godine. Jednog dana, tokom lekcije o pravljenju poslastica u školi kuvara, dečak, zaokupljen drugim stvarima, nije stigao da na vreme ohladi smesu za sladoled i stavi vruć rastvor šećera u mleku u zamrzivač. Na njegovo iznenađenje, proizvod se ohladio nešto brže nego kod njegovih kolega studenata koji su pratili temperaturni režim za pripremu sladoleda.

Pokušavajući shvatiti suštinu fenomena, dječak se obratio profesoru fizike, koji je, ne ulazeći u detalje, ismijavao njegove kulinarske eksperimente. Međutim, Erasto se odlikovao zavidnom upornošću i nastavio svoje eksperimente ne na mlijeku, već na vodi. Uvjerio se da se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.

Nakon upisa na Univerzitet Dar es Salaam, Erasto Mpembe je prisustvovao predavanju profesora Dennisa G. Osbornea. Nakon njegovog završetka, student je naučnika zbunio problemom o brzini smrzavanja vode u zavisnosti od njene temperature. D.G. Osborne je ismijao samo postavljanje pitanja, izjavivši s aplomom da svaki siromašni student zna da će se hladna voda brže smrznuti. Međutim, mladićeva prirodna upornost dala je do znanja. Opkladio se sa profesorom, predlažući da se provede eksperimentalni test upravo ovdje u laboratoriji. Erasto je stavio dvije posude s vodom u zamrzivač, jednu na 95°F (35°C), a drugu na 212°F (100°C). Zamislite iznenađenje profesora i okolnih „navijača“ kada se voda u drugom kontejneru brže smrzla. Od tada se ovaj fenomen naziva „Paradoks Mpemba“.

Međutim, do danas ne postoji koherentna teorijska hipoteza koja objašnjava „Paradoks Mpemba“. Nije jasno koji spoljni faktori, hemijski sastav vode, prisustvo rastvorenih gasova i minerala u njoj, utiču na brzinu smrzavanja tečnosti na različitim temperaturama. Paradoks “Mpemba efekta” je u tome što je u suprotnosti sa jednim od zakona koje je otkrio I. Newton, a koji kaže da je vrijeme hlađenja vode direktno proporcionalno temperaturnoj razlici između tečnosti i okoline. A ako sve druge tekućine u potpunosti poštuju ovaj zakon, tada je voda u nekim slučajevima izuzetak.

Zašto se topla voda brže smrzava?T

Postoji nekoliko verzija zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Glavni su:

• topla voda brže isparava, dok se njen volumen smanjuje, a manji volumen tekućine se brže hladi - pri hlađenju vode od + 100°C do 0°C, zapreminski gubici pri atmosferskom pritisku dostižu 15%;
• što je veća temperaturna razlika, veća je temperaturna razlika, veći je intenzitet razmjene topline između tekućine i okoline, pa se gubitak topline kipuće vode brže događa;
• kada se vruća voda ohladi, na njenoj površini se formira kora leda, koja sprječava potpuno smrzavanje i isparavanje tekućine;
• pri visokim temperaturama vode dolazi do konvekcionog miješanja, smanjujući vrijeme smrzavanja;
• Gasovi rastvoreni u vodi snižavaju tačku smrzavanja, uklanjajući energiju za formiranje kristala - u vrućoj vodi nema rastvorenih gasova.

Svi ovi uslovi su više puta eksperimentalno testirani. Konkretno, njemački naučnik David Auerbach otkrio je da je temperatura kristalizacije tople vode nešto viša od one hladne vode, što omogućava bržem smrzavanju prve. Međutim, kasnije su njegovi eksperimenti bili kritikovani i mnogi naučnici su uvereni da se „efekat Mpemba“, koji određuje koja voda se brže smrzava – topla ili hladna, može reprodukovati samo pod određenim uslovima, koje do sada niko nije tražio i precizirao.