On monia tekijöitä, jotka vaikuttavat siihen, mihin vesi jäätyy nopeammin, kuumana vai kylmänä, mutta itse kysymys vaikuttaa hieman oudolta. On oletettu, ja tämä tiedetään fysiikasta, että kuuma vesi tarvitsee vielä aikaa jäähtyäkseen verrattavissa olevaan lämpötilaan. kylmä vesi muuttua jääksi. Kylmässä vedessä tämä vaihe voidaan ohittaa, ja vastaavasti se voittaa ajoissa.
Mutta vastauksen kysymykseen, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma - ulkona pakkasessa, tietää kuka tahansa pohjoisten leveysasteiden asukas. Itse asiassa tieteellisesti käy ilmi, että joka tapauksessa kylmän veden täytyy yksinkertaisesti jäätyä nopeammin.
Fysiikan opettaja, jonka puoleen koulupoika Erasto Mpemba otti vuonna 1963 pyynnön selittää miksi kylmä sekoitus tuleva jäätelö jäätyy pidempään kuin vastaava, mutta kuuma.
"Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan jonkinlaista Mpemba-fysiikkaa"
Tuolloin opettaja vain nauroi tälle, mutta Deniss Osborne, fysiikan professori, joka ajoi samaan kouluun, jossa Erasto opiskeli, vahvisti kokeellisesti tällaisen vaikutuksen olemassaolon, vaikka siihen ei silloin ollut selitystä. Vuonna 1969 suositussa tieteellinen lehti nämä kaksi henkilöä julkaisivat yhteisen artikkelin, jotka kuvasivat tätä erikoista vaikutusta.
Siitä lähtien kysymyksellä siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä - on muuten oma nimensä - Mpemban vaikutus tai paradoksi.
Kysymys heräsi pitkään
Luonnollisesti tällainen ilmiö tapahtui aiemmin, ja se mainittiin muiden tutkijoiden töissä. Ei vain koulupoika ollut kiinnostunut tästä asiasta, vaan Rene Descartes ja jopa Aristoteles ajattelivat sitä aikanaan.
Tässä on vain lähestymistapoja tämän paradoksin ratkaisemiseen, jota alettiin tarkastella vasta 1900-luvun lopulla.
Edellytykset paradoksille
Kuten jäätelön kanssa, ei vain tavallinen vesi jäätyy kokeen aikana. Tietyt olosuhteet täytyy olla olemassa, jotta voidaan alkaa kiistellä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Mikä vaikuttaa tämän prosessin kulkuun?
Nyt, 2000-luvulla, on esitetty useita vaihtoehtoja, jotka voivat selittää tämän paradoksin. Kumpi vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, voi riippua siitä, että sen haihtumisnopeus on nopeampi kuin kylmällä vedellä. Siten sen tilavuus pienenee, ja tilavuuden pienentyessä jäätymisajasta tulee lyhyempi kuin jos otamme samanlaisen alkuperäisen tilavuuden kylmää vettä.
Sulata pakastimessa pitkään
Se, mikä vesi jäätyy nopeammin ja miksi niin tapahtuu, voi vaikuttaa kokeeseen käytetyn jääkaapin pakastimesta löytyvällä lumivuorella. Jos otat kaksi säiliötä, jotka ovat tilavuudeltaan identtisiä, mutta yksi niistä sisältää kuuma vesi, ja toisessa - kylmä, kontti kuuma vesi sulattaa lumen alta ja parantaa siten kosketusta lämpötaso jääkaapin seinän kanssa. Säiliö kylmä vesi hän ei voi tehdä sitä. Jos jääkaappiosastossa ei ole tällaista lumella vuorausta, kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin.
Yläosa - alaosa
Myös ilmiö, jossa vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, selitetään seuraavasti. Tiettyjen lakien mukaisesti kylmä vesi alkaa jäätyä ylemmät kerrokset kun kuuma tekee sen toisin päin, se alkaa jäätyä alhaalta ylöspäin. Tässä tapauksessa käy ilmi, että kylmä vesi, jonka päällä on kylmä kerros, jossa on jo paikoin muodostunut jäätä, huonontaa siten konvektioprosesseja ja lämpösäteilyä, mikä selittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Liitteenä on valokuva amatöörikokeista, ja se näkyy selvästi täällä.
Lämpö menee ulos, suuntautuu ylöspäin, ja siellä se kohtaa hyvin jäähtyneen kerroksen. Lämpösäteilylle ei ole vapaata polkua, joten jäähdytysprosessi vaikeutuu. Kuumalla vedellä ei ole lainkaan tällaisia esteitä. Kumpi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma, josta todennäköinen lopputulos riippuu, voit laajentaa vastausta sillä, että mihin tahansa veteen on liuennut tiettyjä aineita.
Veden epäpuhtaudet tulokseen vaikuttavana tekijänä
Jos et huijaa ja käytä vettä, jolla on sama koostumus, jossa tiettyjen aineiden pitoisuudet ovat samat, kylmän veden tulisi jäätyä nopeammin. Mutta jos tilanne syntyy, kun hajotetaan kemiallisia alkuaineita saatavilla vain kuumassa vedessä, eikä kylmällä vedellä ole niitä, niin kuumalla vedellä on mahdollisuus jäätyä aikaisemmin. Tämä selittyy sillä, että veteen liuenneet aineet muodostavat kiteytyskeskuksia, ja pienellä määrällä näitä keskuksia veden muuttuminen kiinteäksi olomuodoksi on vaikeaa. On jopa mahdollista veden hypotermia siinä mielessä, että milloin pakkasta lämpötila se on nestemäisessä tilassa.
Mutta kaikki nämä versiot eivät ilmeisesti täysin sopineet tutkijoille, ja he jatkoivat työskentelyä tämän asian parissa. Vuonna 2013 tutkijaryhmä Singaporessa sanoi ratkaissensa ikivanhan mysteerin.
Ryhmä kiinalaisia tutkijoita väittää, että tämän vaikutuksen salaisuus piilee energiamäärässä, joka varastoituu vesimolekyylien väliin sen sidoksissa, joita kutsutaan vetysidoksiksi.
Vihje kiinalaisilta tutkijoilta
Tätä seuraa tietoa, jonka ymmärtämiseksi tarvitaan jonkin verran tietoa kemiasta, jotta voidaan selvittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Kuten tiedät, se koostuu kahdesta H (vety) atomista ja yhdestä O (happi) atomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset.
Mutta myös yhden molekyylin vetyatomit vetoavat viereisiin molekyyleihin, niiden happikomponenttiin. Juuri näitä sidoksia kutsutaan vetysidoksiksi.
On muistettava, että samalla vesimolekyylit ovat vastenmielisiä toisilleen. Tutkijat totesivat, että kun vesi lämpenee, sen molekyylien välinen etäisyys kasvaa, ja tämä johtuu hylkivistä voimista. Osoittautuu, että kun ne vievät yhden etäisyyden molekyylien välillä kylmässä tilassa, ne venyvät ja niillä on enemmän energiaa. Juuri tämä energiavarasto vapautuu, kun vesimolekyylit alkavat lähestyä toisiaan, eli tapahtuu jäähtymistä. Osoittautuu, että suurempi energian saanti kuumassa vedessä ja sen suurempi vapautuminen jäähtyneenä pakkaselle tapahtuu nopeammin kuin kylmässä vedessä, jossa on vähemmän energiaa. Joten kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma? Kadulla ja laboratoriossa pitäisi tapahtua Mpemba-paradoksi, ja kuuman veden pitäisi muuttua jääksi nopeammin.
Mutta kysymys on edelleen avoin
Tälle vihjeelle on vain teoreettinen vahvistus - kaikki tämä on kirjoitettu kauniilla kaavoilla ja näyttää uskottavalta. Mutta kun kokeelliset tiedot, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, asetetaan käytännön merkitykseen ja niiden tulokset esitetään, niin kysymystä Mpemba-paradoksista voidaan pitää suljettuna.
Mpemba vaikutus(Mpemba paradoksi) - paradoksi, joka sanoo, että kuuma vesi jäätyy nopeammin tietyissä olosuhteissa kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätymisen aikana. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan samoissa olosuhteissa kuumenemman kappaleen jäähtyminen tiettyyn lämpötilaan kestää kauemmin kuin vähemmän kuumennetun kappaleen jäähtyminen samaan lämpötilaan.
Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.
Magabinskajan opiskelijana lukio Tansaniassa Erasto Mpemba teki käytännön työ ruoanlaittoliiketoiminnassa. Hänen täytyi tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huonelämpötila ja sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja hän viivytteli tehtävän ensimmäisen osan suorittamista. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereiden maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.
Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä. Joka tapauksessa hän jo Mkvavskajan lukion opiskelijana kysyi professori Dennis Osbornen Dar es Salaamin yliopistosta (rehtori kutsui pitämään opiskelijoille luennon fysiikasta) nimenomaan vedestä: "Jos otamme kaksi identtiset astiat, joissa on yhtä suuri vesimäärä niin, että yhdessä niistä veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laita ne pakastimeen, niin toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi ?" Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 hän ja Mpemba julkaisivat kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutus on ns Mpemba vaikutus.
Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja.
Mpemba-ilmiön paradoksi on se aika, jonka aikana keho jäähtyy lämpötilaan ympäristöön, tulee olla verrannollinen tämän kehon ja ympäristön väliseen lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Tässä vaikutuksessa vesi, jonka lämpötila on 100 ° C, jäähtyy 0 ° C lämpötilaan nopeammin kuin sama määrä vettä, jonka lämpötila on 35 ° C.
Tämä ei kuitenkaan vielä viittaa paradoksiin, sillä Mpemba-ilmiö voidaan selittää tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:
Haihtuminen
Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan 0 C:een jäähdytettynä.
Haihdutusvaikutus - kaksoisvaikutus. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden määrää vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.
Lämpötila ero
Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - siksi lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.
Hypotermia
Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Joissakin olosuhteissa se voi joutua hypotermiaan ja pysyä nesteenä jäätymispisteen alapuolella. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:n lämpötilassa.
Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos niitä ei ole nestemäisessä vedessä, hypotermia jatkuu, kunnes lämpötila laskee niin paljon, että kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyessään muodostaa jäätä.
Kuuma vesi on alttiimmin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.
Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Kun kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa ohut kerros jäätä muodostuu aluksen pinnalle. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa hitaampi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähtyneessä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.
Kun hypotermiaprosessi päättyy ja vesi jäätyy, paljon menetetään enemmän lämpöä ja siksi jäätä muodostuu enemmän.
Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.
Konvektio
Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.
Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden enimmäistiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se jää pinnalle muodostaen ohuen, kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jatkojäähdytysprosessi on hitaampi.
Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron ansiosta. Lisäksi kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa kerrosta lämmintä vettä pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.
Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta tulee olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerrokset erottuvat ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila on laskenut alle 4 C.
Ei kuitenkaan ole olemassa kokeellista tietoa, joka tukisi tätä hypoteesia, jonka mukaan kylmät ja kuumat vesikerrokset erottuvat konvektiosta.
Veteen liuenneet kaasut
Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidi... Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Kun vettä kuumennetaan, nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen klo korkea lämpötila alla. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.
Lämmönjohtokyky
Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan pakastimeen. jäähdytyskammio pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa havaittiin, että kuumaa vettä sisältävä astia sulattaa jäätä alta. pakastin parantaa siten lämpökosketusta pakastimen seinään ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumalla vedellä varustetusta astiasta nopeammin kuin kylmästä vedestä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan sulata lunta sen alla.
Kaikkia näitä (ja muita) olosuhteita tutkittiin monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat Mpemba-ilmiön sataprosenttisen toiston - ei ole saatu.
Esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi, mikä tarkoittaa nopeampaa kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähtyneen tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä.
Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien havaintojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi voi saavuttaa suuremman hypotermian, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.
Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.
O. V. Mosin
Kirjallisuudenlähteet:
"Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Miksi se tekee niin?", Jearl Walker julkaisussa The Amateur Scientist, Scientific American, Voi. 237, nro 3, s. 246-257; syyskuuta, 1977.
"Kuuman ja kylmän veden jäätyminen", G.S. Kell julkaisussa American Journal of Physics, voi. 37, nro 5, s. 564-565; toukokuuta 1969.
"Supercooling and the Mpemba Effect", David Auerbach, American Journal of Physics, Voi. 63, nro 10, s. 882-885; lokakuu, 1995.
"The Mpemba-ilmiö: kuuman ja kylmän veden jäätymisajat", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Voi. 64, nro 5, s. 524; toukokuu, 1996.
Mpemba-ilmiö eli miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi? Mpemba-ilmiö (Mpemba paradoksi) on paradoksi, joka väittää, että kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi tietyissä olosuhteissa, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätymisen aikana. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan samoissa olosuhteissa kuumenemman kappaleen jäähtyminen tiettyyn lämpötilaan kestää kauemmin kuin vähemmän kuumennetun kappaleen jäähtyminen samaan lämpötilaan. Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä. Tansaniassa Magamba High Schoolin opiskelijana Erasto Mpemba teki käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen täytyi tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja hän viivytteli tehtävän ensimmäisen osan suorittamista. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereiden maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla. Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä. Joka tapauksessa hän jo Mkvavskajan lukion opiskelijana kysyi professori Dennis Osbornen Dar es Salaamin yliopistosta (rehtori kutsui pitämään opiskelijoille luennon fysiikasta) nimenomaan vedestä: "Jos otamme kaksi identtiset astiat, joissa on yhtä suuri vesimäärä niin, että yhdessä niistä veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laita ne pakastimeen, niin toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi ?" Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 hän ja Mpemba julkaisivat kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutusta kutsutaan Mpemba-ilmiöksi. Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja. Mpemba-ilmiön paradoksi on, että aika, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilojen eroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Tässä vaikutuksessa vesi, jonka lämpötila on 100 ° C, jäähtyy 0 ° C lämpötilaan nopeammin kuin sama määrä vettä, jonka lämpötila on 35 ° C. Tämä ei kuitenkaan vielä viittaa paradoksiin, sillä Mpemba-ilmiö voidaan selittää tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-ilmiölle: Haihdutus Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä vettä samassa lämpötilassa jäätyy nopeammin. 100 C:een lämmitetty vesi menettää 16 % massastaan 0 C:een jäähdytettynä. Haihtumisen vaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden määrää vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee. Lämpötilaero Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - siksi lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin. Hypotermia Kun vesi jäähdytetään alle 0 °C, se ei aina jäädy. Joissakin olosuhteissa se voi joutua hypotermiaan ja pysyä nesteenä jäätymispisteen alapuolella. Joissain tapauksissa vesi voi jäädä nestemäiseksi jopa -20 C:n lämpötilassa. Syynä tähän on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumiseen tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos niitä ei ole nestemäisessä vedessä, hypotermia jatkuu, kunnes lämpötila laskee niin paljon, että kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyessään muodostaa jäätä. Kuuma vesi on alttiimmin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina. Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Kun kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tällöin aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa hitaampi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähtyneessä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi. Kun hypotermiaprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän. Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa. Konvektio Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta. Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden enimmäistiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se jää pinnalle muodostaen ohuen, kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jatkojäähdytysprosessi on hitaampi. Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron ansiosta. Lisäksi kylmävesikerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun. Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta tulee hyväksyä se, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan toisistaan ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila on laskenut alle 4 C. Kokeellista tietoa ei kuitenkaan ole, joka vahvista tämä hypoteesi, että kylmä ja kuuma vesikerrokset erotetaan toisistaan konvektiolla. Veteen liuenneet kaasut Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä näitä kaasuja vapautuu vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeissa lämpötiloissa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian. Lämmönjohtavuus Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappiosastoon pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa havaittiin, että kuumavesisäiliö sulattaa pakastimen jäätä alta, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinään ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumalla vedellä varustetusta astiasta nopeammin kuin kylmästä vedestä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan sulata lunta sen alla. Kaikkia näitä (ja muita) olosuhteita tutkittiin monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat Mpemba-ilmiön sataprosenttisen toiston - ei ole saatu. Esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi, mikä tarkoittaa nopeampaa kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähtyneen tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä. Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien havaintojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi voi saavuttaa suuremman hypotermian, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu. Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta. O. V. Mosin
Monet tutkijat ovat esittäneet ja esittävät omia versioitaan siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Se vaikuttaisi paradoksilta - loppujen lopuksi kuuman veden on ensin jäähdyttävä jäätyäkseen. Tosiasia kuitenkin pysyy, ja tutkijat selittävät sen eri tavoin.
Tärkeimmät versiot
Tällä hetkellä on olemassa useita versioita, jotka selittävät tämän tosiasian:
- Kun kuuma vesi haihtuu nopeammin, sen tilavuus pienenee. Vähemmän samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin.
- Jääkaapin pakastinosastossa on lumipehmuste. Kuumavesisäiliö sulattaa lumen alta. Tämä parantaa lämpökosketusta pakastimen kanssa.
- Kylmän veden jäätyminen, toisin kuin kuuma vesi, alkaa ylhäältä. Tässä tapauksessa konvektio ja lämpösäteily ja siten lämpöhäviö pahenevat.
- Kylmässä vedessä on kiteytyskeskuksia - siihen liuenneita aineita. Pienellä pitoisuudella niitä vedessä jäätyminen on vaikeaa, vaikka samalla se voidaan ylijäähdyttää - pakkasessa se on nestemäistä.
Vaikka rehellisyyden nimissä voimme sanoa, että tätä vaikutusta ei aina havaita. Hyvin usein kylmä vesi jäätyy nopeammin kuin kuuma vesi.
Missä lämpötilassa vesi jäätyy
Miksi vesi jäätyy ylipäänsä? Se sisältää tietyn määrän mineraali- tai orgaanisia hiukkasia. Nämä voivat olla esimerkiksi erittäin hienoja hiekan, pölyn tai saven hiukkasia. Kun ilman lämpötila laskee, nämä hiukkaset ovat keskuksia, joiden ympärille muodostuu jääkiteitä.
Kiteytysytimien roolia voivat olla myös ilmakuplat ja halkeamat vettä sisältävässä säiliössä. Veden jääksi muuttamisprosessin nopeuteen vaikuttaa suuresti tällaisten keskusten lukumäärä - jos niitä on paljon, neste jäätyy nopeammin. Normaaliolosuhteissa normaalilla ilmakehän paine, vesi muuttuu kiinteäksi olomuodoksi nesteestä 0 asteen lämpötilassa.
Mpemba-efektin ydin
Mpemba-ilmiö ymmärretään paradoksina, jonka ydin on, että tietyissä olosuhteissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Tämän ilmiön huomasivat Aristoteles ja Descartes. Kuitenkin vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba päätti, että kuuma jäätelö jäätyy lyhyemmässä ajassa kuin kylmä jäätelö. Tämän johtopäätöksen hän teki suorittaessaan ruoanlaittotehtävää.
Hänen piti liuottaa sokeria keitettyyn maitoon ja jäähdyttämisen jälkeen laittaa se jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei eronnut erityisestä innostuksesta ja alkoi suorittaa tehtävän ensimmäistä osaa viiveellä. Siksi hän ei odottanut maidon jäähtymistä, vaan laittoi sen jääkaappiin kuumana. Hän oli hyvin yllättynyt, kun se jäätyi jopa nopeammin kuin hänen luokkatoverinsa, jotka suorittivat työn annetun tekniikan mukaisesti.
Nuori mies oli erittäin kiinnostunut tästä tosiasiasta, ja hän aloitti kokeita puhtaalla vedellä. Vuonna 1969 Physics Education julkaisi Mpemban ja Dar es Salaamin yliopiston professorin Dennis Osbornen tutkimustulokset. Heidän kuvailemansa vaikutuksen nimi oli Mpemba. Ilmiölle ei kuitenkaan vielä tänä päivänä ole selkeää selitystä. Kaikki tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että päärooli tässä erossa jäähdytetyn ja kuuman veden ominaisuuksien välillä kuuluu, mutta ei tiedetä tarkasti, kumpi.
Singaporen versio
Singaporen yliopiston fyysikot olivat myös kiinnostuneita kysymyksestä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä? Xi Zhangin johtama tutkijaryhmä selitti tämän paradoksin juuri veden ominaisuuksilla. Kaikki tietävät edelleen veden koostumuksen koulusta - happiatomi ja kaksi vetyatomia. Happi vetää jossain määrin elektroneja pois vedystä, joten molekyyli on eräänlainen "magneetti".
Seurauksena on, että tietyt vedessä olevat molekyylit vetäytyvät hieman toisiinsa ja ne yhdistyvät vetysidoksella. Sen lujuus on monta kertaa pienempi kuin kovalenttisen sidoksen. Singaporelaiset tutkijat uskovat, että selitys Mpemba-paradoksille on vetysidoksissa. Jos vesimolekyylit ovat hyvin tiiviisti sijoittuneet keskenään, niin vahva molekyylien välinen vuorovaikutus voi muuttaa kovalenttista sidosta itse molekyylin keskellä.
Mutta kun vettä lämmitetään, sitoutuneet molekyylit siirtyvät hieman poispäin toisistaan. Tämän seurauksena molekyylien keskellä tapahtuu kovalenttisten sidosten rentoutumista ylimääräisen energian vapautumisen ja siirtymisen alemmalle energiatasolle. Tämä johtaa siihen, että kuuma vesi alkaa jäähtyä nopeasti. Ainakin singaporelaisten tutkijoiden tekemät teoreettiset laskelmat osoittavat tämän.
Veden välitön jäätyminen - 5 uskomatonta temppua: Video
