On palju tegureid, mis mõjutavad seda, milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, kuid küsimus ise tundub veidi veider. Eeldatakse ja see on füüsikast teada, et kuum vesi vajab veel aega, et jahtuda temperatuurini, mis on võrreldav külm vesi jääks muutuma. Külmas vees saab selle etapi vahele jätta ja vastavalt sellele võidab see õigel ajal.
Kuid vastust küsimusele, milline vesi külmub väljas pakase käes kiiremini - külm või kuum, teab iga põhjalaiuskraadide elanik. Tegelikult tuleb teaduslikult välja, et igal juhul peab külm vesi lihtsalt kiiremini külmuma.
Füüsikaõpetaja, kelle poole pöördus koolipoiss Erasto Mpemba 1963. aastal palvega selgitada, miks külm segu tulevane jäätis külmub kauem kui sarnane, kuid kuum.
"See pole maailma füüsika, vaid mingi Mpemba füüsika"
Toona õpetaja ainult naeris selle peale, kuid füüsikaprofessor Deniss Osborne, kes omal ajal samas koolis, kus Erasto õppis, kinnitas katseliselt sellise efekti olemasolu, kuigi seletusi sellele siis polnud. 1969. aastal populaarses teadusajakiri nende kahe inimese poolt avaldati ühine artikkel, kes kirjeldasid seda omapärast efekti.
Sellest ajast peale, muide, on küsimusel, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm - oma nimi - Mpemba efekt või paradoks.
Küsimus tekkis pikka aega
Loomulikult toimus selline nähtus varem ja seda mainiti ka teiste teadlaste töödes. See küsimus ei huvitanud mitte ainult koolipoissi, vaid omal ajal mõtlesid sellele Rene Descartes ja isegi Aristoteles.
Siin on vaid lähenemisviise selle paradoksi lahendamiseks, mida hakati vaatama alles kahekümnenda sajandi lõpus.
Tingimused paradoksi tekkimiseks
Nagu jäätise puhul, ei külmu katse käigus lihtsalt tavaline vesi. Selleks, et hakata vaidlema, kumb vesi külmub kiiremini - külm või kuum, peavad olema teatud tingimused. Mis mõjutab selle protsessi kulgu?
Nüüd, 21. sajandil, on välja pakutud mitu võimalust, mis võivad seda paradoksi selgitada. Milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, võib sõltuda sellest, et selle aurustumiskiirus on kiirem kui külmal veel. Seega selle maht väheneb ja mahu vähenemisel muutub külmumisaeg lühemaks kui siis, kui võtaksime sarnase algmahu külma vett.
Sulatage sügavkülmikut pikka aega
Milline vesi külmub kiiremini ja miks see juhtub, seda saab mõjutada eksperimendis kasutatud külmiku sügavkülmas leiduv lumevooder. Kui võtate kaks mahutit, mis on mahult identsed, kuid üks neist sisaldab kuum vesi, ja teises - külm, konteiner koos kuum vesi sulatab all oleva lume, parandades seeläbi kontakti termiline tase koos külmiku seinaga. Konteiner koos külm vesi ta ei saa seda teha. Kui külmikukambris sellist lumega vooderdust pole, peaks külm vesi kiiremini külmuma.
Ülemine – alumine
Samuti selgitatakse nähtust, mille kohaselt vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt, järgmiselt. Teatud seadusi järgides hakkab külm vesi jäätuma ülemised kihid kui kuum teeb vastupidi, siis hakkab alt üles jäätuma. Sel juhul selgub, et külm vesi, mille peal on külm kiht, mille peal on kohati juba tekkinud jää, halvendab seega konvektsiooniprotsesse ja soojuskiirgus, selgitades sellega, milline vesi külmub kiiremini – külm või kuum. Lisatud on foto amatöörkatsetest ja see on siin selgelt nähtav.
Kuumus kustub, kaldudes ülespoole, ja seal kohtub see väga jahtunud kihiga. Soojuskiirgusele pole vaba teed, mistõttu jahutusprotsess muutub keeruliseks. Kuuma vee teel pole absoluutselt selliseid takistusi. Kumb külmub kiiremini - külm või kuum, millest sõltub tõenäoline tulemus, saate vastust laiendada sellega, et igas vees on teatud aineid lahustunud.
Lisandid vees kui tulemust mõjutav tegur
Kui mitte petta ja kasutada sama koostisega vett, kus teatud ainete kontsentratsioonid on identsed, siis külm vesi peaks külmuma kiiremini. Aga kui lahustamisel tekib olukord keemilised elemendid saadaval ainult kuumas vees ja külmas vees neid ei ole, siis on võimalus kuumal veel varem külmuda. Seda seletatakse asjaoluga, et vees lahustunud ained tekitavad kristallisatsioonitsentreid ja nende tsentrite vähese arvu korral on vee muutmine tahkeks olekuks keeruline. Võimalik on isegi vee alajahtumine selles mõttes, et millal miinustemperatuur see on vedelas olekus.
Kuid kõik need versioonid ilmselt teadlastele täielikult ei sobinud ja nad jätkasid selle probleemi kallal tööd. 2013. aastal ütles Singapuri teadlaste meeskond, et nad on lahendanud igivana mõistatuse.
Rühm Hiina teadlasi väidab, et selle efekti saladus peitub energia hulgas, mis salvestub veemolekulide vahele selle sidemetes, mida nimetatakse vesiniksidemeteks.
Vihje Hiina teadlastelt
Sellele järgneb teave, mille mõistmiseks on vaja teatud teadmisi keemiast, et aru saada, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Nagu teate, koosneb see kahest H (vesiniku) aatomist ja ühest O (hapniku) aatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed.
Kuid ka ühe molekuli vesinikuaatomeid tõmbavad naabermolekulid, nende hapnikukomponent. Just neid sidemeid nimetatakse vesiniksidemeteks.
Tuleb meeles pidada, et samal ajal on veemolekulid üksteise suhtes tõrjuvad. Teadlased märkisid, et kui vesi soojeneb, suureneb selle molekulide vaheline kaugus ja see on tingitud tõukejõududest. Selgub, et külmas olekus molekulide vahel ühe vahemaa hõivamisel võib öelda, et need venivad ja neil on suurem energiavarustus. Just see energiavaru vabaneb siis, kui veemolekulid hakkavad üksteisele lähenema, st toimub jahtumine. Selgub, et suurem energiavaru kuumas vees ja selle suurem vabanemine miinustemperatuurini jahutamisel toimub kiiremini kui külmas vees, kus seda energiat on vähem. Niisiis, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum? Tänaval ja laboris peaks tekkima Mpemba paradoks ja kuum vesi peaks muutuma kiiremini jääks.
Kuid küsimus on endiselt lahtine
Sellel vihjel on vaid teoreetiline kinnitus – kõik see on ilusate valemitega kirja pandud ja tundub usutav. Kui aga katseandmed, milline vesi külmub kiiremini – kuum või külm, panna praktilisse tähendusse ja esitada nende tulemused, siis võib Mpemba paradoksi küsimuse lugeda lõpetatuks.
Mpemba efekt(Mpemba paradoks) on paradoks, mis ütleb, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi see peab külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste kontseptsioonidega, mille kohaselt kulub samadel tingimustel rohkem kuumutatud keha jahtumine teatud temperatuurini kauem kui vähem kuumutatud keha jahtumine sama temperatuurini.
Seda nähtust märkasid toona Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm.
Magabinskaja õpilasena Keskkool Tansaanias tegi Erasto Mpemba praktiline töö kokanduses. Tal oli vaja teha omatehtud jäätist - keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuuril ja seejärel panna külmkappi külmuma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja ta viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi.
Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igatahes, olles juba Mkvavskaja keskkooli õpilane, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professori Dennis Osborne’ilt (juhataja kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtame kaks. identsed anumad võrdse veekogusega, nii et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks ?" Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nn Mpemba efekt.
Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid.
Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub temperatuurini keskkond, peaks olema proportsionaalne selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sel juhul jahtub vesi temperatuuriga 100 ° C temperatuurini 0 ° C kiiremini kui sama kogus vett, mille temperatuur on 35 ° C.
See aga ei viita veel paradoksile, kuna Mpemba efekti saab seletada tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:
Aurustumine
Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist.
Aurustumisefekt – topeltefekt. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee kogust. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.
Temperatuuri erinevus
Tulenevalt asjaolust, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride erinevus on suurem - seetõttu on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.
Hüpotermia
Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see läbida hüpotermia, jäädes külmumispunktist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi temperatuuril -20 C.
Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub hüpotermia, kuni temperatuur langeb nii palju, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad moodustuma ülejahutatud vedelikus, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmumisel moodustab jää.
Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.
Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul õhuke kiht anuma pinnale tekib jää. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul aeglasem. Ülejahutamisele alluva kuuma vee puhul ei ole ülejahutatud veel kaitsev pinnakiht jääst. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.
Kui hüpotermia protsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju kaduma rohkem soojust ja seetõttu tekib rohkem jääd.
Paljud selle mõju uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.
Konvektsioon
Külm vesi hakkab ülevalt külmuma, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt.
Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 ° C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , on edasine jahutusprotsess aeglasem.
Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Lisaks on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tõstes kihti kõrgemale. soe vesi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.
Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast lähtudes tuleks eeldada, et külm ja kuum veekiht eraldatakse ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.
Siiski puuduvad eksperimentaalsed andmed, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külma ja kuuma veekihti eraldab konvektsioon.
Vees lahustunud gaasid
Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsinikdioksiid... Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees on kõrge temperatuur allpool. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad.
Soojusjuhtivus
See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui sügavkülmikusse asetatakse vesi. külmutuskamber väikestes konteinerites. Nendes tingimustes märgati, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva jää. sügavkülmik parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Selle tulemusena eemaldatakse kuuma veega anumast soojus kiiremini kui külmast veest. Külma veega anum omakorda ei sulata enda alla lund.
Kõiki neid (ja muid) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti sajaprotsendilise reprodutseerimise – pole saadud.
Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta leidis, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi, mis tähendab, et viimane on kiirem. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse.
Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate järeldustega, et kuum vesi võib saavutada suurema hüpotermia tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.
Siiani saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.
O. V. Mosin
Kirjanduslikallikatest:
"Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see nii teeb?", Jearl Walker ajakirjas The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, lk 246-257; september 1977.
"Kuuma ja külma vee külmutamine", G.S. Kell ajakirjas American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, lk 564-565; mai, 1969.
"Supercooling and the Mpemba efekt", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, lk 882-885; oktoober 1995.
"Mpemba efekt: kuuma ja külma vee külmumisajad", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, lk 524; mai, 1996.
Mpemba efekt ehk miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Mpemba efekt (Mpemba paradoks) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi see peab külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste kontseptsioonidega, mille kohaselt kulub samadel tingimustel rohkem kuumutatud keha jahtumine teatud temperatuurini kauem kui vähem kuumutatud keha jahtumine sama temperatuurini. Seda nähtust märkasid toona Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm. Tansaanias Magamba keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktilist kokatööd. Tal oli vaja teha omatehtud jäätist – keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurile ja panna siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja ta viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi. Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igatahes, olles juba Mkvavskaja keskkooli õpilane, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professori Dennis Osborne’ilt (juhataja kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtame kaks. identsed anumad võrdse veekogusega, nii et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks ?" Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates nimetatakse nende avastatud efekti Mpemba efektiks. Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sel juhul jahtub vesi temperatuuriga 100 ° C temperatuurini 0 ° C kiiremini kui sama kogus vett, mille temperatuur on 35 ° C. See aga ei viita veel paradoksile, kuna Mpemba efekti saab seletada tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta: Aurustumine Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, mistõttu väheneb selle maht ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist. Aurustumise mõju on kahekordne. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee kogust. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb. Temperatuuride erinevus Tänu sellele, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride erinevus on suurem – seetõttu on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini. Hüpotermia Kui vesi jahutatakse alla 0 °C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see läbida hüpotermia, jäädes külmumispunktist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõningatel juhtudel võib vesi jääda vedelaks ka temperatuuril –20 C. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide tekketsentreid. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub hüpotermia, kuni temperatuur langeb nii palju, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad moodustuma ülejahutatud vedelikus, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmumisel moodustab jää. Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul aeglasem. Ülejahutamisele alluva kuuma vee puhul ei ole ülejahutatud veel kaitsev pinnakiht jääst. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini. Kui alajahtumisprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaotsi ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle mõju uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat. Konvektsioon Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning sellest tulenevalt soojuskadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt. Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 ° C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , on edasine jahutusprotsess aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Lisaks on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub allapoole, tõstes sooja vee kihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse. Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast tuleks nõustuda sellega, et külm ja kuum veekiht eraldub ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C. Siiski puuduvad eksperimentaalsed andmed, mis võimaldaksid kinnitage seda hüpoteesi, et külm ja kuum veekiht eraldatakse konvektsiooniga. Vees lahustunud gaasid Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees kõrgel temperatuuril on madalam. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad. Soojusjuhtivus Sellel mehhanismil võib olla oluline roll, kui vesi asetatakse külmikukambrisse väikestes anumates. Nendes tingimustes märgati, et kuuma veega anum sulatab enda all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Selle tulemusena eemaldatakse kuuma veega anumast soojus kiiremini kui külmast veest. Külma veega anum omakorda ei sulata enda alla lund. Kõiki neid (ja muid) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti sajaprotsendilise reprodutseerimise – pole saadud. Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta leidis, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi, mis tähendab, et viimane on kiirem. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate järeldustega, et kuum vesi võib saavutada suurema hüpotermia tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad. Siiani saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita. O. V. Mosin
Paljud teadlased on esitanud ja esitavad oma versioonid, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Tundub paradoksaalne – külmumiseks peab kuum vesi ju kõigepealt maha jahtuma. Kuid fakt jääb faktiks ja teadlased selgitavad seda erineval viisil.
Peamised versioonid
Praegu on seda fakti selgitavad mitmed versioonid:
- Kuna kuum vesi aurustub kiiremini, väheneb selle maht. Vähem sama temperatuuriga vett külmub kiiremini.
- Külmiku sügavkülmkambris on lumepadi. Kuuma vee anum sulatab selle all oleva lume. See parandab soojuskontakti sügavkülmikuga.
- Külma vee külmumine algab erinevalt kuumast veest ülevalt. Sel juhul süvenevad konvektsioon ja soojuskiirgus ning sellest tulenevalt ka soojuskadu.
- Külmas vees on kristallisatsioonikeskused - selles lahustunud ained. Nende vähese sisaldusega vees on jäätumine raskendatud, kuigi samal ajal võib see üle jahutada - miinustemperatuuril on see vedelas olekus.
Kuigi ausalt öeldes võime öelda, et seda mõju ei täheldata alati. Väga sageli külm vesi külmub kiiremini kui kuum vesi.
Mis temperatuuril vesi külmub
Miks vesi üldse külmub? See sisaldab teatud koguses mineraalseid või orgaanilisi osakesi. Need võivad olla näiteks väga peened liiva-, tolmu- või saviosakesed. Kui õhutemperatuur langeb, on need osakesed keskused, mille ümber tekivad jääkristallid.
Kristallisatsioonituumade rolli võivad täita ka õhumullid ja praod vett sisaldavas anumas. Vee jääks muutumise protsessi kiirust mõjutab suuresti selliste keskuste arv – kui neid on palju, külmub vedelik kiiremini. Normaalsetes tingimustes normaalsega atmosfääri rõhk, vesi muutub temperatuuril 0 kraadi vedelikust tahkeks.
Mpemba efekti olemus
Mpemba efekti mõistetakse paradoksina, mille olemus seisneb selles, et teatud asjaoludel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi. Seda nähtust märkasid Aristoteles ja Descartes. Kuid alles 1963. aastal tegi Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba kindlaks, et kuum jäätis külmub lühema ajaga kui külm jäätis. Sellise järelduse tegi ta kokandusülesannet täites.
Ta pidi suhkru keedetud piimas lahustama ja pärast jahutamist külmkappi külmuma panema. Ilmselt ei erinenud Mpemba erilise innukuse poolest ja hakkas ülesande esimest osa täitma viivitusega. Seetõttu ei oodanud ta piima jahtumist, vaid pani selle kuumalt külmkappi. Suur oli tema üllatus, kui see külmus isegi kiiremini kui klassikaaslased, kes tegid töö etteantud tehnoloogia järgi.
Noormees oli sellest asjaolust väga huvitatud ja ta alustas katseid tavalise veega. 1969. aastal avaldas Physics Education Mpemba ja Dar es Salaami ülikooli professori Dennis Osborne'i uurimistöö tulemused. Nende kirjeldatud efekt sai nimeks Mpemba. Kuid isegi tänapäeval pole nähtusel selget seletust. Kõik teadlased nõustuvad, et peamine roll selles jahutatud ja kuuma vee omaduste erinevuses on, kuid pole täpselt teada, milline.
Singapuri versioon
Ka ühe Singapuri ülikooli füüsikuid huvitas küsimus, kumb vesi külmub kiiremini – kuum või külm? Xi Zhangi juhitud teadlaste rühm selgitas seda paradoksi täpselt vee omadustega. Kõik teavad veel kooliajast vee koostist – hapnikuaatom ja kaks vesinikuaatomit. Hapnik tõmbab mingil määral elektrone vesinikust eemale, seega on molekul omamoodi "magnet".
Selle tulemusena tõmbuvad teatud molekulid vees üksteise poole kergelt ja neid ühendab vesinikside. Selle tugevus on mitu korda väiksem kui kovalentsel sidemel. Singapuri teadlased usuvad, et Mpemba paradoksi seletus peitub vesiniksidemetes. Kui veemolekulid asetsevad omavahel väga tihedalt, siis nii tugev molekulidevaheline interaktsioon võib deformeerida molekuli enda keskel asuva kovalentse sideme.
Kuid kui vett kuumutada, liiguvad seotud molekulid üksteisest veidi eemale. Selle tulemusena toimub molekulide keskel kovalentsete sidemete lõdvenemine koos liigse energia vabanemisega ja üleminek madalamale energiatasemele. See toob kaasa asjaolu, et kuum vesi hakkab kiiresti jahtuma. Vähemalt nii näitavad Singapuri teadlaste teostatud teoreetilised arvutused.
Vee kohene külmutamine – 5 uskumatut trikki: Video
