Veliko je dejavnikov, ki vplivajo na to, katera voda hitreje zmrzne, topla ali hladna, a samo vprašanje se zdi nekoliko čudno. Posledica, in to je znano iz fizike, je, da vroča voda še vedno potrebuje čas, da se ohladi na temperaturo primerjane hladne vode, da se spremeni v led. To stopnjo je mogoče preskočiti in zato zmaga v času.

Toda odgovor na vprašanje, katera voda hitreje zamrzne - hladna ali vroča - zunaj v mrazu, pozna vsak prebivalec severnih zemljepisnih širin. Pravzaprav se znanstveno izkaže, da bo hladna voda v vsakem primeru preprosto hitreje zmrznila.

Učitelj fizike, na katerega se je leta 1963 obrnil šolar Erasto Mpemba, je razmišljal enako s prošnjo, naj pojasni, zakaj hladna zmes bodočega sladoleda zamrzne dlje kot podobna, a vroča.

"To ni univerzalna fizika, ampak nekakšna fizika Mpemba"

Takrat se je učitelj temu le smejal, toda Deniss Osborne, profesor fizike, ki je nekoč obiskal isto šolo, kjer je študiral Erasto, je eksperimentalno potrdil prisotnost takega učinka, čeprav takrat ni bilo razlage za to. Leta 1969 je bil v poljudnoznanstveni reviji objavljen skupni članek teh dveh ljudi, ki sta opisala ta nenavaden učinek.

Od takrat, mimogrede, ima vprašanje, katera voda hitreje zamrzne - vroča ali hladna - svoje ime - učinek Mpemba ali paradoks.

Vprašanje je prisotno že dolgo časa

Seveda se je takšen pojav zgodil že prej in je bil omenjen v delih drugih znanstvenikov. To vprašanje ni zanimalo samo šolarja, ampak sta o tem nekoč razmišljala tudi Rene Descartes in celo Aristotel.

Toda pristope k rešitvi tega paradoksa so začeli iskati šele ob koncu dvajsetega stoletja.

Pogoji za pojav paradoksa

Tako kot pri sladoledu med poskusom ne zmrzne le navadna voda. Da se začne prepirati o tem, katera voda hitreje zamrzne - hladna ali vroča, morajo biti prisotni določeni pogoji. Kaj vpliva na potek tega procesa?

Zdaj, v 21. stoletju, je bilo predstavljenih več možnosti, ki lahko pojasnijo ta paradoks. Katera voda zmrzne hitreje, vroča ali hladna, je lahko odvisno od dejstva, da ima večjo stopnjo izhlapevanja kot hladna voda. Tako se njena prostornina zmanjša, z zmanjševanjem prostornine pa postane čas zamrzovanja krajši, kot če vzamemo enako začetno prostornino hladne vode.

Že nekaj časa je minilo, odkar ste odmrznili zamrzovalnik.

Katera voda zmrzne hitreje in zakaj do tega pride, lahko vpliva snežna obloga, ki je morda prisotna v zamrzovalniku hladilnika, uporabljenega za poskus. Če vzamete dve po prostornini enaki posodi, vendar je v eni topla voda, v drugi pa hladna, bo posoda s toplo vodo pod seboj stopila sneg in s tem izboljšala stik toplotne ravni s steno hladilnika. Posoda s hladno vodo tega ne more storiti. Če v hladilnem delu ni takšne obloge s snegom, bi morala hladna voda hitreje zmrzniti.

Zgoraj spodaj

Tudi pojav, katera voda hitreje zmrzne - vroča ali hladna - je pojasnjen na naslednji način. Po določenih zakonitostih začne hladna voda zmrzovati iz zgornjih plasti, vroča voda pa ravno nasprotno - začne zmrzovati od spodaj navzgor. Izkazalo se je, da hladna voda, ki ima na vrhu hladno plast z že oblikovanim ledom, tako poslabša procese konvekcije in toplotnega sevanja, s čimer pojasnjuje, katera voda hitreje zamrzne - hladna ali vroča. Fotografije amaterskih poskusov so priložene in to je lepo vidno tukaj.

Toplota gre ven, hiti navzgor in tam naleti na zelo hladno plast. Za toplotno sevanje ni proste poti, zato postane proces hlajenja otežen. Topla voda nima prav nobenih takih ovir na svoji poti. Katera zmrzne hitreje – hladna ali vroča, kaj določa verjeten izid?Odgovor lahko razširite tako, da rečete, da ima vsaka voda v sebi raztopljene določene snovi.

Nečistoče v vodi kot dejavnik, ki vpliva na rezultat

Če ne goljufate in uporabljate vodo enake sestave, kjer so koncentracije določenih snovi enake, potem naj bi hladna voda hitreje zmrznila. Če pa pride do situacije, ko so raztopljeni kemični elementi prisotni samo v vroči vodi, hladna voda pa jih nima, potem ima vroča voda možnost, da zmrzne prej. To je razloženo z dejstvom, da raztopljene snovi v vodi ustvarjajo kristalizacijske centre in z majhnim številom teh centrov je pretvorba vode v trdno stanje otežena. Možno je celo, da bo voda prehlajena, v smislu, da bo pri temperaturah pod ničlo v tekočem stanju.

Toda vse te različice znanstvenikom očitno niso povsem ustrezale in so še naprej delali na tem vprašanju. Leta 2013 je skupina raziskovalcev v Singapurju povedala, da je rešila starodavno skrivnost.

Skupina kitajskih znanstvenikov trdi, da je skrivnost tega učinka v količini energije, ki je shranjena med molekulami vode v njenih vezeh, imenovanih vodikove vezi.

Odgovor kitajskih znanstvenikov

Sledijo informacije, za razumevanje katerih je potrebno nekaj znanja kemije, da bi razumeli, katera voda hitreje zmrzne - topla ali hladna. Kot je znano, je sestavljen iz dveh atomov H (vodik) in enega atoma O (kisik), ki ju držijo skupaj kovalentne vezi.

Toda tudi vodikove atome ene molekule privlačijo sosednje molekule, njihova kisikova komponenta. Te vezi se imenujejo vodikove vezi.

Ne smemo pozabiti, da imajo molekule vode hkrati odbojni učinek druga na drugo. Znanstveniki so ugotovili, da se pri segrevanju vode razdalja med njenimi molekulami poveča, kar je olajšano z odbojnimi silami. Izkazalo se je, da če zasedajo enako razdaljo med molekulami v hladnem stanju, lahko rečemo, da se raztezajo in imajo večjo zalogo energije. Prav ta zaloga energije se sprosti, ko se molekule vode začnejo približevati druga drugi, torej pride do ohlajanja. Izkazalo se je, da do večje zaloge energije v vroči vodi in do njenega večjega sproščanja pri ohlajanju na temperature pod ničlo pride hitreje kot pri hladni vodi, ki ima manjšo zalogo te energije. Katera voda torej hitreje zmrzne - hladna ali vroča? Na ulici in v laboratoriju naj bi se zgodil Mpembin paradoks in vroča voda bi se morala hitreje spremeniti v led.

Toda vprašanje je še odprto

Obstaja le teoretična potrditev te rešitve - vse to je zapisano v lepih formulah in se zdi verjetno. Toda ko bodo eksperimentalni podatki o tem, katera voda zmrzne hitreje - vroča ali hladna - uporabljeni v praksi in predstavljeni njihovi rezultati, potem lahko štejemo, da je vprašanje Mpembinega paradoksa zaključeno.

Mpemba učinek(Mpembajev paradoks) je paradoks, ki trdi, da vroča voda pod nekaterimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora med postopkom zamrzovanja preseči temperaturo hladne vode. Ta paradoks je eksperimentalno dejstvo, ki je v nasprotju z običajnimi predstavami, po katerih se pri enakih pogojih bolj segreto telo ohladi na določeno temperaturo dlje kot manj segreto telo, da se ohladi na isto temperaturo.

Ta pojav so nekoč opazili že Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes, šele leta 1963 pa je tanzanijski šolar Erasto Mpemba ugotovil, da vroča sladoledna zmes zamrzne hitreje kot hladna.

Kot dijak srednje šole Magambi v Tanzaniji je Erasto Mpemba opravljal praktično delo kot kuhar. Moral je pripraviti domač sladoled - mleko zavreti, v njem raztopiti sladkor, ohladiti na sobno temperaturo in nato dati v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil posebej priden učenec in je s prvim delom naloge odlašal. V strahu, da ne bo zdržal do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zmrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po dani tehnologiji.

Po tem je Mpemba eksperimentiral ne le z mlekom, ampak tudi z navadno vodo. Kakor koli že, že kot dijak na srednji šoli Mkwava je profesorja Dennisa Osborna z univerze v Dar Es Salaamu (ki ga je direktor šole povabil, da dijakom predava o fiziki) vprašal prav o vodi: »Če vzamete dve enaki posodi z enakimi prostorninami vode, tako da ima v eni voda temperaturo 35 °C, v drugi pa 100 °C, in ju postavite v zamrzovalnik, v drugem pa bo voda hitreje zmrznila. zakaj?" Osborne se je začel zanimati za to vprašanje in kmalu, leta 1969, sta z Mpembo objavila rezultate svojih poskusov v reviji Physics Education. Od takrat se učinek, ki so ga odkrili, imenuje Mpemba učinek.

Do zdaj nihče ne ve natančno, kako razložiti ta nenavaden učinek. Znanstveniki nimajo ene same različice, čeprav jih je veliko. Gre za razlike v lastnostih tople in hladne vode, vendar še ni jasno, katere lastnosti igrajo vlogo v tem primeru: razlika v podhlajevanju, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali vplivu utekočinjenih plinov na vodo pri različne temperature.

Paradoks efekta Mpemba je v tem, da mora biti čas, v katerem se telo ohladi na temperaturo okolja, sorazmeren temperaturni razliki med tem telesom in okoljem. Ta zakon je postavil Newton in je bil od takrat večkrat potrjen v praksi. Pri tem učinku se voda s temperaturo 100 °C ohladi na temperaturo 0 °C hitreje kot enaka količina vode s temperaturo 35 °C.

Vendar to še ne pomeni paradoksa, saj je učinek Mpemba mogoče razložiti v okviru znane fizike. Tukaj je nekaj razlag za učinek Mpemba:

Izhlapevanje

Vroča voda hitreje izhlapi iz posode, s čimer se zmanjša njena prostornina, manjša količina vode pri enaki temperaturi pa hitreje zmrzne. Voda, segreta na 100 C, pri ohlajanju na 0 C izgubi 16 % svoje mase.

Učinek izhlapevanja je dvojni učinek. Prvič, zmanjša se masa vode, ki je potrebna za hlajenje. In drugič, temperatura se zmanjša zaradi dejstva, da se toplota izhlapevanja pri prehodu iz vodne faze v parno fazo zmanjša.

Temperaturna razlika

Ker je temperaturna razlika med vročo vodo in hladnim zrakom večja, je izmenjava toplote v tem primeru intenzivnejša in topla voda se hitreje ohladi.

hipotermija

Ko se voda ohladi pod 0 C, ne zmrzne vedno. Pod nekaterimi pogoji se lahko podvrže prehladitvi in ​​ostane tekoča tudi pri temperaturah pod lediščem. V nekaterih primerih lahko voda ostane tekoča tudi pri temperaturi –20 C.

Razlog za ta učinek je, da so potrebni centri za tvorbo kristalov, da se začnejo oblikovati prvi ledeni kristali. Če jih ni v tekoči vodi, se bo podhlajevanje nadaljevalo, dokler temperatura ne pade dovolj, da se kristali spontano tvorijo. Ko se začnejo oblikovati v preohlajeni tekočini, bodo začele hitreje rasti in tvoriti ledeno brozgo, ki bo zmrznila v led.

Vroča voda je najbolj dovzetna za hipotermijo, saj se pri njenem segrevanju odstranijo raztopljeni plini in mehurčki, ki lahko služijo kot središča za nastanek ledenih kristalov.

Zakaj podhladitev povzroči hitrejše zmrzovanje tople vode? V primeru hladne vode, ki ni prehlajena, se zgodi naslednje. V tem primeru bo na površini plovila nastala tanka plast ledu. Ta plast ledu bo delovala kot izolator med vodo in hladnim zrakom ter bo preprečila nadaljnje izhlapevanje. Hitrost nastajanja ledenih kristalov bo v tem primeru manjša. V primeru vroče vode, izpostavljene podhlajevanju, prehlajena voda nima zaščitne površinske plasti ledu. Zato veliko hitreje izgublja toploto skozi odprt vrh.

Ko se proces podhlajevanja konča in voda zmrzne, se izgubi veliko več toplote in zato nastane več ledu.

Številni raziskovalci tega učinka menijo, da je hipotermija glavni dejavnik v primeru učinka Mpemba.

Konvekcija

Hladna voda začne zmrzovati od zgoraj, s čimer se poslabšajo procesi toplotnega sevanja in konvekcije ter s tem izgube toplote, vroča voda pa začne zmrzovati od spodaj.

Ta učinek je razložen z anomalijo v gostoti vode. Voda ima največjo gostoto pri 4 C. Če vodo ohladite na 4 C in jo postavite na nižjo temperaturo, bo površinska plast vode hitreje zmrznila. Ker je ta voda manj gosta kot voda pri temperaturi 4 C, bo ostala na površini in tvorila tanko hladno plast. V teh pogojih bo v kratkem času na površini vode nastala tanka plast ledu, vendar bo ta plast ledu služila kot izolator in ščitila spodnje plasti vode, ki bodo ostale pri temperaturi 4 C. Zato bo nadaljnji proces ohlajanja počasnejši.

Pri topli vodi je situacija popolnoma drugačna. Površinski sloj vode se bo zaradi izhlapevanja in večje temperaturne razlike hitreje ohladil. Poleg tega so plasti hladne vode gostejše od plasti vroče vode, zato se bo plast hladne vode pogreznila in dvignila plast tople vode na površje. To kroženje vode zagotavlja hiter padec temperature.

Toda zakaj ta proces ne doseže ravnotežne točke? Da bi razložili učinek Mpemba s tega vidika konvekcije, bi bilo treba predpostaviti, da sta hladna in vroča plast vode ločeni in se sam proces konvekcije nadaljuje, ko povprečna temperatura vode pade pod 4 C.

Vendar pa ni nobenih eksperimentalnih dokazov, ki bi podpirali to hipotezo, da so hladne in vroče plasti vode ločene s procesom konvekcije.

Plini, raztopljeni v vodi

Voda vedno vsebuje v njej raztopljene pline - kisik in ogljikov dioksid. Ti plini lahko znižajo zmrzišče vode. Pri segrevanju vode se ti plini sproščajo iz vode, ker je njihova topnost v vodi manjša pri visokih temperaturah. Ko se vroča voda ohlaja, je v njej vedno manj raztopljenih plinov kot v neogrevani hladni vodi. Zato je zmrzišče segrete vode višje in hitreje zmrzne. Ta dejavnik se včasih obravnava kot glavni pri razlagi učinka Mpemba, čeprav ni nobenih eksperimentalnih podatkov, ki bi to dejstvo potrdili.

Toplotna prevodnost

Ta mehanizem ima lahko pomembno vlogo, ko je voda v zamrzovalniku hladilnega dela v majhnih posodah. Pod temi pogoji je bilo opaženo, da posoda z vročo vodo stopi led v zamrzovalniku pod njim, s čimer se izboljša toplotni stik s steno zamrzovalnika in toplotna prevodnost. Posledično se toplota iz posode za vročo vodo odvaja hitreje kot iz hladne. Posoda s hladno vodo pa ne topi snega pod seboj.

Vse te (pa tudi druge) pogoje so preučevali v številnih poskusih, vendar jasnega odgovora na vprašanje - kateri od njih zagotavljajo stoodstotno reprodukcijo Mpemba efekta - nikoli niso dobili.

Na primer, leta 1995 je nemški fizik David Auerbach proučeval vpliv podhlajene vode na ta učinek. Odkril je, da vroča voda, ko doseže preohlajeno stanje, zamrzne pri višji temperaturi kot hladna voda in zato hitreje kot slednja. Toda hladna voda doseže prehlajeno stanje hitreje kot vroča voda in s tem kompenzira prejšnji zaostanek.

Poleg tega so bili Auerbachovi rezultati v nasprotju s prejšnjimi podatki, da je vroča voda lahko dosegla večje podhlajevanje zaradi manj kristalizacijskih centrov. Pri segrevanju vode se iz nje odstranijo v njej raztopljeni plini, pri vrenju pa se oborijo nekatere v njej raztopljene soli.

Zaenkrat je mogoče trditi le eno - reprodukcija tega učinka je bistveno odvisna od pogojev, pod katerimi se izvaja poskus. Ravno zato, ker ni vedno reproducirana.

V tem članku bomo preučili vprašanje, zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda.

Ogrevana voda zmrzne veliko hitreje kot hladna voda! Ta neverjetna lastnost vode, za katero znanstveniki še vedno ne najdejo natančne razlage, je znana že od antičnih časov. Na primer, že pri Aristotelu je opis zimskega ribolova: ribiči so vtaknili ribiške palice v luknje v ledu in da bi te hitreje zmrznile, so na led polivali toplo vodo. Ta pojav je dobil ime po Erastu Mpembi v 60. letih 20. stoletja. Mnemba je med pripravo sladoleda opazil nenavaden učinek in se za razlago obrnil na svojega učitelja fizike, dr. Denisa Osborna. Mpemba in dr. Osborne sta eksperimentirala z vodo pri različnih temperaturah in ugotovila, da skoraj vrela voda začne zmrzovati veliko hitreje kot voda pri sobni temperaturi. Drugi znanstveniki so izvedli lastne poskuse in vsakič dobili podobne rezultate.

Razlaga fizikalnega pojava

Splošno sprejete razlage, zakaj do tega pride, ni. Mnogi raziskovalci menijo, da je celoten smisel v podhladitvi tekočine, ki se pojavi, ko njena temperatura pade pod ledišče. Z drugimi besedami, če voda zmrzne pri temperaturi pod 0 °C, ima lahko preohlajena voda temperaturo na primer -2 °C in še vedno ostane tekoča, ne da bi se spremenila v led. Ko poskušamo zamrzniti mrzlo vodo, obstaja možnost, da se najprej prehladi in šele čez nekaj časa strdi. Drugi procesi se odvijajo v segreti vodi. Njegovo hitrejše preoblikovanje v led je povezano s konvekcijo.

Konvekcija- to je fizikalni pojav, pri katerem se tople spodnje plasti tekočine dvigajo, zgornje, ohlajene pa padajo.

Kratek odgovor, zakaj topla voda hitreje zmrzne

Izkazalo se je, da se tekočina meša in ohladi sama od sebe. Ker se proces konvekcije aktivno odvija v ogrevani vodi, bodo ledeni kristali s površine padli hitreje in ohladili toplo vodo na dnu.

Mpemba učinek(Mpemba's Paradox) - paradoks, ki pravi, da vroča voda pod nekaterimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora v procesu zmrzovanja preseči temperaturo hladne vode. Ta paradoks je eksperimentalno dejstvo, ki je v nasprotju z običajnimi predstavami, po katerih se pri enakih pogojih bolj segreto telo ohladi na določeno temperaturo dlje kot manj segreto telo, da se ohladi na isto temperaturo.

Ta pojav so nekoč opazili že Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes, šele leta 1963 pa je tanzanijski šolar Erasto Mpemba ugotovil, da vroča sladoledna zmes zamrzne hitreje kot hladna.

Kot dijak srednje šole Magambi v Tanzaniji je Erasto Mpemba opravljal praktično delo kot kuhar. Moral je pripraviti domač sladoled - mleko zavreti, v njem raztopiti sladkor, ohladiti na sobno temperaturo in nato dati v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil posebej priden učenec in je s prvim delom naloge odlašal. V strahu, da ne bo zdržal do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zmrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po dani tehnologiji.

Po tem je Mpemba eksperimentiral ne le z mlekom, ampak tudi z navadno vodo. Kakor koli že, že kot dijak na srednji šoli Mkwava je profesorja Dennisa Osborna z univerze v Dar Es Salaamu (ki ga je direktor šole povabil, da dijakom predava o fiziki) vprašal prav o vodi: »Če vzamete dve enaki posodi z enakimi prostorninami vode, tako da ima v eni voda temperaturo 35 °C, v drugi pa 100 °C, in ju postavite v zamrzovalnik, v drugem pa bo voda hitreje zmrznila. zakaj?" Osborne se je začel zanimati za to vprašanje in kmalu, leta 1969, sta z Mpembo objavila rezultate svojih poskusov v reviji Physics Education. Od takrat se učinek, ki so ga odkrili, imenuje Mpemba učinek.

Do zdaj nihče ne ve natančno, kako razložiti ta nenavaden učinek. Znanstveniki nimajo ene same različice, čeprav jih je veliko. Gre za razlike v lastnostih tople in hladne vode, vendar še ni jasno, katere lastnosti igrajo vlogo v tem primeru: razlika v podhlajevanju, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali vplivu utekočinjenih plinov na vodo pri različne temperature.

Paradoks efekta Mpemba je v tem, da mora biti čas, v katerem se telo ohladi na temperaturo okolja, sorazmeren temperaturni razliki med tem telesom in okoljem. Ta zakon je postavil Newton in je bil od takrat večkrat potrjen v praksi. Pri tem učinku se voda s temperaturo 100 °C ohladi na temperaturo 0 °C hitreje kot enaka količina vode s temperaturo 35 °C.

Vendar to še ne pomeni paradoksa, saj je učinek Mpemba mogoče razložiti v okviru znane fizike. Tukaj je nekaj razlag za učinek Mpemba:

Izhlapevanje

Vroča voda hitreje izhlapi iz posode, s čimer se zmanjša njena prostornina, manjša količina vode pri enaki temperaturi pa hitreje zmrzne. Voda, segreta na 100 C, pri ohlajanju na 0 C izgubi 16 % svoje mase.

Učinek izhlapevanja je dvojni učinek. Prvič, zmanjša se masa vode, ki je potrebna za hlajenje. In drugič, temperatura se zmanjša zaradi dejstva, da se toplota izhlapevanja pri prehodu iz vodne faze v parno fazo zmanjša.

Temperaturna razlika

Ker je temperaturna razlika med vročo vodo in hladnim zrakom večja, je izmenjava toplote v tem primeru intenzivnejša in topla voda se hitreje ohladi.

hipotermija

Ko se voda ohladi pod 0 C, ne zmrzne vedno. Pod nekaterimi pogoji se lahko podvrže prehladitvi in ​​ostane tekoča tudi pri temperaturah pod lediščem. V nekaterih primerih lahko voda ostane tekoča tudi pri temperaturi –20 C.

Razlog za ta učinek je, da so potrebni centri za tvorbo kristalov, da se začnejo oblikovati prvi ledeni kristali. Če jih ni v tekoči vodi, se bo podhlajevanje nadaljevalo, dokler temperatura ne pade dovolj, da se kristali spontano tvorijo. Ko se začnejo oblikovati v preohlajeni tekočini, bodo začele hitreje rasti in tvoriti ledeno brozgo, ki bo zmrznila v led.

Vroča voda je najbolj dovzetna za hipotermijo, saj se pri njenem segrevanju odstranijo raztopljeni plini in mehurčki, ki lahko služijo kot središča za nastanek ledenih kristalov.

Zakaj podhladitev povzroči hitrejše zmrzovanje tople vode? V primeru hladne vode, ki ni prehlajena, se zgodi naslednje. V tem primeru bo na površini plovila nastala tanka plast ledu. Ta plast ledu bo delovala kot izolator med vodo in hladnim zrakom ter bo preprečila nadaljnje izhlapevanje. Hitrost nastajanja ledenih kristalov bo v tem primeru manjša. V primeru vroče vode, izpostavljene podhlajevanju, prehlajena voda nima zaščitne površinske plasti ledu. Zato veliko hitreje izgublja toploto skozi odprt vrh.

Ko se proces podhlajevanja konča in voda zmrzne, se izgubi veliko več toplote in zato nastane več ledu.

Številni raziskovalci tega učinka menijo, da je hipotermija glavni dejavnik v primeru učinka Mpemba.

Konvekcija

Hladna voda začne zmrzovati od zgoraj, s čimer se poslabšajo procesi toplotnega sevanja in konvekcije ter s tem izgube toplote, vroča voda pa začne zmrzovati od spodaj.

Ta učinek je razložen z anomalijo v gostoti vode. Voda ima največjo gostoto pri 4 C. Če vodo ohladite na 4 C in jo postavite na nižjo temperaturo, bo površinska plast vode hitreje zmrznila. Ker je ta voda manj gosta kot voda pri temperaturi 4 C, bo ostala na površini in tvorila tanko hladno plast. V teh pogojih bo v kratkem času na površini vode nastala tanka plast ledu, vendar bo ta plast ledu služila kot izolator in ščitila spodnje plasti vode, ki bodo ostale pri temperaturi 4 C. Zato bo nadaljnji proces ohlajanja počasnejši.

Pri topli vodi je situacija popolnoma drugačna. Površinski sloj vode se bo zaradi izhlapevanja in večje temperaturne razlike hitreje ohladil. Poleg tega so plasti hladne vode gostejše od plasti vroče vode, zato se bo plast hladne vode pogreznila in dvignila plast tople vode na površje. To kroženje vode zagotavlja hiter padec temperature.

Toda zakaj ta proces ne doseže ravnotežne točke? Da bi razložili učinek Mpemba s tega vidika konvekcije, bi bilo treba predpostaviti, da sta hladna in vroča plast vode ločeni in se sam proces konvekcije nadaljuje, ko povprečna temperatura vode pade pod 4 C.

Vendar pa ni nobenih eksperimentalnih dokazov, ki bi podpirali to hipotezo, da so hladne in vroče plasti vode ločene s procesom konvekcije.

Plini, raztopljeni v vodi

Voda vedno vsebuje v njej raztopljene pline - kisik in ogljikov dioksid. Ti plini lahko znižajo zmrzišče vode. Pri segrevanju vode se ti plini sproščajo iz vode, ker je njihova topnost v vodi manjša pri visokih temperaturah. Ko se vroča voda ohlaja, je v njej vedno manj raztopljenih plinov kot v neogrevani hladni vodi. Zato je zmrzišče segrete vode višje in hitreje zmrzne. Ta dejavnik se včasih obravnava kot glavni pri razlagi učinka Mpemba, čeprav ni nobenih eksperimentalnih podatkov, ki bi to dejstvo potrdili.

Toplotna prevodnost

Ta mehanizem ima lahko pomembno vlogo, ko je voda v zamrzovalniku hladilnega dela v majhnih posodah. Pod temi pogoji je bilo opaženo, da posoda z vročo vodo stopi led v zamrzovalniku pod njim, s čimer se izboljša toplotni stik s steno zamrzovalnika in toplotna prevodnost. Posledično se toplota iz posode za vročo vodo odvaja hitreje kot iz hladne. Posoda s hladno vodo pa ne topi snega pod seboj.

Vse te (pa tudi druge) pogoje so preučevali v številnih poskusih, vendar jasnega odgovora na vprašanje - kateri od njih zagotavljajo stoodstotno reprodukcijo Mpemba efekta - nikoli niso dobili.

Na primer, leta 1995 je nemški fizik David Auerbach proučeval vpliv podhlajene vode na ta učinek. Odkril je, da vroča voda, ko doseže preohlajeno stanje, zamrzne pri višji temperaturi kot hladna voda in zato hitreje kot slednja. Toda hladna voda doseže prehlajeno stanje hitreje kot vroča voda in s tem kompenzira prejšnji zaostanek.

Poleg tega so bili Auerbachovi rezultati v nasprotju s prejšnjimi podatki, da je vroča voda lahko dosegla večje podhlajevanje zaradi manj kristalizacijskih centrov. Pri segrevanju vode se iz nje odstranijo v njej raztopljeni plini, pri vrenju pa se oborijo nekatere v njej raztopljene soli.

Zaenkrat je mogoče trditi le eno - reprodukcija tega učinka je bistveno odvisna od pogojev, pod katerimi se izvaja poskus. Ravno zato, ker ni vedno reproducirana.

O. V. Mosin

Literarniviri:

"Vroča voda zamrzne hitreje kot hladna voda. Zakaj je tako?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, št. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zamrzovanje tople in hladne vode", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, št. 5, str. 564-565; maj, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, št. 10, str. 882-885; oktober 1995.

"Učinek Mpemba: Časi zmrzovanja tople in hladne vode", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, št. 5, str. 524; maj, 1996.

Voda je ena najbolj neverjetnih tekočin na svetu, ki ima nenavadne lastnosti. Na primer, led, trdno tekoče stanje, ima specifično težo nižjo od same vode, kar je v veliki meri omogočilo nastanek in razvoj življenja na Zemlji. Poleg tega v psevdoznanstvenem in znanstvenem svetu potekajo razprave o tem, katera voda hitreje zmrzne - vroča ali hladna. Vsakdo, ki bo dokazal, da vroča tekočina pod določenimi pogoji hitreje zmrzne, in svojo rešitev znanstveno utemeljil, bo prejel 1000 funtov nagrade britanskega kraljevega združenja kemikov.

Ozadje

Že v srednjem veku so opazili dejstvo, da vroča voda pod številnimi pogoji zamrzne hitreje kot hladna. Francis Bacon in René Descartes sta vložila veliko truda v razlago tega pojava. Vendar pa z vidika klasične toplotne tehnike tega paradoksa ni mogoče razložiti in so ga poskušali sramežljivo zamolčati. Povod za nadaljevanje debate je bila nekoliko radovedna zgodba, ki se je leta 1963 pripetila tanzanijskemu šolarju Erastu Mpembi. Nekega dne med poukom priprave sladic v kuharski šoli deček, ki so ga zamotile druge stvari, ni imel časa, da bi sladoledno zmes pravočasno ohladil in dal vročo raztopino sladkorja v mleku v zamrzovalnik. Na njegovo presenečenje se je izdelek ohladil nekoliko hitreje kot pri njegovih sošolcih, ki so upoštevali temperaturni režim za pripravo sladoleda.

Da bi razumel bistvo pojava, se je deček obrnil na učitelja fizike, ki je, ne da bi se spuščal v podrobnosti, posmehoval njegove kulinarične poskuse. Vendar se je Erasto odlikoval z zavidljivo vztrajnostjo in je nadaljeval svoje poskuse ne na mleku, ampak na vodi. Prepričan je bil, da v nekaterih primerih topla voda zmrzne hitreje kot hladna.

Po vpisu na Univerzo v Dar es Salaamu se je Erasto Mpembe udeležil predavanja profesorja Dennisa G. Osborna. Po zaključku je študent znanstvenika zmedel s problemom o hitrosti zmrzovanja vode glede na njeno temperaturo. D.G. Osborne se je posmehoval sami postavitvi vprašanja in z veseljem izjavil, da vsak revni študent ve, da hladna voda hitreje zmrzne. Vendar se je dala čutiti naravna vztrajnost mladeniča. Sklenil je stavo s profesorjem in predlagal izvedbo poskusnega testa kar tukaj, v laboratoriju. Erasto je v zamrzovalnik postavil dve posodi z vodo, eno pri 35 °C (95 °F) in drugo pri 100 °C (212 °F). Predstavljajte si presenečenje profesorja in okoliških »navijačev«, ko je voda v drugi posodi hitreje zmrznila. Od takrat se ta pojav imenuje "paradoks Mpembe".

Vendar do danes ni koherentne teoretične hipoteze, ki bi razložila "paradoks Mpemba". Ni jasno, kateri zunanji dejavniki, kemična sestava vode, prisotnost raztopljenih plinov in mineralov v njej, vplivajo na hitrost zmrzovanja tekočin pri različnih temperaturah. Paradoks "Mpemba efekta" je, da je v nasprotju z enim od zakonov, ki jih je odkril I. Newton, ki pravi, da je čas ohlajanja vode neposredno sorazmeren temperaturni razliki med tekočino in okoljem. In če vse druge tekočine popolnoma spoštujejo ta zakon, potem je voda v nekaterih primerih izjema.

Zakaj vroča voda hitreje zmrzne?T

Obstaja več različic, zakaj topla voda zmrzne hitreje kot hladna voda. Glavni so:

• vroča voda hitreje izhlapi, medtem ko se njena prostornina zmanjša, manjši volumen tekočine pa se hitreje ohladi - pri hlajenju vode od + 100 ° C do 0 ° C volumetrične izgube pri atmosferskem tlaku dosežejo 15%;
• večja kot je temperaturna razlika, večja je temperaturna razlika, večja je intenzivnost izmenjave toplote med tekočino in okoljem, zato se toplotna izguba vrele vode zgodi hitreje;
• ko se vroča voda ohladi, se na njeni površini oblikuje skorja ledu, ki preprečuje, da bi tekočina popolnoma zmrznila in izhlapela;
• pri visokih temperaturah vode pride do konvekcijskega mešanja, kar skrajša čas zamrzovanja;
• Plini, raztopljeni v vodi, znižajo zmrzišče in odvzamejo energijo za tvorbo kristalov – v vroči vodi ni raztopljenih plinov.

Vsi ti pogoji so bili večkrat eksperimentalno preizkušeni. Zlasti nemški znanstvenik David Auerbach je odkril, da je kristalizacijska temperatura tople vode nekoliko višja od temperature hladne vode, zaradi česar prva hitreje zmrzne. Kasneje pa so bili njegovi poskusi kritizirani in mnogi znanstveniki so prepričani, da je »Mpemba učinek«, ki določa, katera voda hitreje zmrzne - topla ali hladna, mogoče reproducirati le pod določenimi pogoji, ki jih do sedaj ni nihče iskal in določal.