뜨거운 물과 차가운 물 중 어느 물이 더 빨리 얼느냐는 많은 요인의 영향을 받지만 질문 자체는 조금 이상해 보입니다. 뜨거운 물은 여전히 다음 온도와 비슷한 온도로 식는 데 시간이 필요하다는 것이 물리학에서 이해되고 있습니다. 차가운 물얼음으로 변합니다. 찬물은 이 단계를 건너뛸 수 있으므로 시간이 지나면 승리합니다.
그러나 서리가 내린 거리에서 물이 더 빨리 얼거나 더워지는 질문에 대한 대답은 북부 위도의 모든 주민이 알고 있습니다. 사실 과학적으로 어떤 경우에도 찬물은 더 빨리 얼어야 한다는 것이 밝혀졌습니다.
1963년 남학생 에라스토 음펨바가 그 이유를 설명하기 위해 접근한 물리학 교사도 마찬가지였습니다. 콜드 믹스미래의 아이스크림은 비슷한 것보다 더 오래 얼지만 뜨겁습니다.
"이것은 세계 물리학이 아니라 일종의 음펨바 물리학입니다."
그 당시 선생님은 이것에 비웃을 뿐이었다. 한때 에라스토가 공부했던 같은 학교를 다녔던 물리학 교수 데니스 오스본이 실험적으로 그런 효과의 존재를 확인했다. . 1969년, 대중들에게 과학 저널이 독특한 효과를 설명한 두 사람의 공동 기사를 발표했습니다.
그 이후로 어떤 물이 더 빨리 얼는지에 대한 질문 - 뜨겁거나 차갑고 자체 이름이 있습니다 - 효과 또는 역설, Memba.
질문은 오래전부터 있었습니다
당연히 그러한 현상은 이전에 발생했으며 다른 과학자들의 연구에서 언급되었습니다. 이 질문에 남학생뿐만 아니라 르네 데카르트와 아리스토텔레스도 한 번쯤은 생각했습니다.
이 역설을 해결하기 위한 접근 방식은 20세기 말에만 보기 시작한 것입니다.
역설이 일어나기 위한 조건
아이스크림과 마찬가지로 실험 중에 얼어 붙는 것은 평범한 물이 아닙니다. 차가운 물과 뜨거운 물 중에서 어느 물이 더 빨리 얼는지 논쟁을 시작하려면 특정 조건이 있어야 합니다. 이 프로세스에 영향을 주는 것은 무엇입니까?
이제 21세기에는 이 역설을 설명할 수 있는 몇 가지 옵션이 제시되었습니다. 뜨거운 물과 차가운 물 중 어느 물이 더 빨리 어는지는 찬물보다 증발률이 더 높다는 사실에 달려 있습니다. 따라서 부피가 감소하고 부피가 감소함에 따라 비슷한 초기 부피의 냉수를 섭취하는 경우보다 동결 시간이 짧아집니다.
냉동실은 오랫동안 해동되었습니다.
어떤 물이 더 빨리 얼고 왜 그렇게 하는지는 실험에 사용된 냉장고의 냉동고에 존재할 수 있는 눈 안감의 영향을 받을 수 있습니다. 부피가 동일한 두 개의 용기를 취하지만 그 중 하나에는 다음이 포함됩니다. 뜨거운 물, 그리고 다른 - 감기에, 용기 뜨거운 물아래의 눈을 녹여서 접촉을 향상시킵니다. 열 수준냉장고 벽과 함께. 용기 차가운 물할 수 없습니다. 냉장고에 눈이있는 그런 안감이 없으면 찬물이 더 빨리 얼어야합니다.
상단 - 하단
또한 물이 더 빨리 어는 현상(뜨거운 것이나 차가운 것이나)은 다음과 같이 설명됩니다. 특정 법률에 따라 찬물이 얼기 시작합니다. 상층뜨거울 때 반대 방향으로 - 아래에서 위로 얼기 시작합니다. 동시에, 차가운 물 위에 차가운 층이 있고 이미 여러 곳에 얼음이 형성되어 있어 대류 과정을 손상시키고 열복사, 따라서 어떤 물이 더 빨리 얼는지 설명합니다 - 차갑거나 뜨겁습니다. 아마추어 실험의 사진이 첨부되어 있으며 여기에 명확하게 보입니다.
열은 밖으로 나가서 위쪽으로 향하며 그곳에서 매우 시원한 층을 만납니다. 방열에 대한 자유 경로가 없으므로 냉각 과정이 어려워집니다. 뜨거운 물은 그 경로에 그런 장벽이 전혀 없습니다. 더 빨리 얼어붙는 것 - 차갑거나 뜨겁고, 가능한 결과가 좌우되며, 모든 물에는 특정 물질이 용해되어 있다고 말함으로써 답을 확장할 수 있습니다.
결과에 영향을 미치는 요소로서의 물 성분의 불순물
속임수를 쓰지 않고 특정 물질의 농도가 동일한 동일한 조성의 물을 사용하면 찬물이 더 빨리 얼어야합니다. 하지만 해산되는 상황이 발생하면 화학 원소뜨거운 물에만 사용 가능하고 찬 물에는 없는 경우 뜨거운 물이 더 일찍 얼 수 있습니다. 이것은 물에 용해된 물질이 결정화 중심을 생성하고 이러한 중심 수가 적기 때문에 물이 고체 상태로 변환되기 어렵다는 사실로 설명됩니다. 물의 과냉각도 가능합니다. 영하의 온도액체 상태가 됩니다.
그러나이 모든 버전은 분명히 과학자들에게 끝까지 적합하지 않았으며이 문제에 대해 계속 작업했습니다. 2013년에 싱가포르의 한 연구팀은 오래된 수수께끼를 풀었다고 말했습니다.
중국 과학자 그룹은 이 효과의 비밀이 수소 결합이라고 하는 결합에서 물 분자 사이에 저장된 에너지의 양에 있다고 주장합니다.
중국 과학자들의 대답
뜨거운 물과 차가운 물 중 어떤 물이 더 빨리 얼는지 파악하기 위해 화학 지식이 필요한 이해를 위해 추가 정보가 뒤따를 것입니다. 아시다시피, 그것은 2개의 H(수소) 원자와 1개의 O(산소) 원자로 구성되어 공유 결합으로 결합되어 있습니다.
그러나 한 분자의 수소 원자는 또한 이웃 분자, 즉 산소 성분에 끌립니다. 이러한 결합을 수소 결합이라고 합니다.
동시에 물 분자가 서로 반발적으로 작용한다는 것을 기억할 가치가 있습니다. 과학자들은 물이 가열되면 분자 사이의 거리가 증가하고 이것은 반발력에 의해 촉진된다는 점에 주목했습니다. 차가운 상태에서 분자 사이에 하나의 거리를 차지하면 늘어나며 더 많은 에너지 공급이 있다고 말할 수 있습니다. 물 분자가 서로 접근하기 시작할 때, 즉 냉각이 발생할 때 방출되는 에너지 비축량입니다. 뜨거운 물에서 더 많은 에너지 공급과 영하의 온도로 냉각될 때 더 많은 에너지가 방출되는 것은 그러한 에너지 공급이 더 적은 찬물에서보다 더 빨리 발생한다는 것이 밝혀졌습니다. 그렇다면 어떤 물이 더 빨리 얼까요 - 차갑거나 뜨겁습니까? 거리에서나 실험실에서나 음펨바 역설이 일어나야 하고 뜨거운 물이 더 빨리 얼음으로 변해야 한다.
그러나 질문은 여전히 열려 있습니다
이 단서에 대한 이론적인 확인만 있습니다. 이 모든 것이 아름다운 공식으로 작성되었으며 그럴듯해 보입니다. 그러나 뜨겁거나 차가운 물이 더 빨리 얼어 붙는 실험 데이터가 실용적인 의미로 들어가고 그 결과가 제시되면 음펨바 역설이 닫힌다는 문제를 고려할 수 있을 것입니다.
음펨바 효과(음펨바 역설) - 특정 조건에서 뜨거운 물이 얼어붙는 과정에서 찬물의 온도를 통과해야 하지만, 찬물보다 빨리 얼린다는 역설. 이 역설은 일반적인 생각과 모순되는 실험적 사실이며, 동일한 조건에서 더 뜨거운 물체가 같은 온도로 냉각되는 더 차가운 물체보다 특정 온도로 냉각되는 데 더 많은 시간이 필요합니다.
이 현상은 당시 Aristotle, Francis Bacon, Rene Descartes에 의해 발견되었지만 탄자니아 학생인 Erasto Memba는 1963년에야 뜨거운 아이스크림 혼합물이 차가운 아이스크림보다 빨리 얼리는 것을 발견했습니다.
마가바의 학생으로서 고등학교탄자니아에서 에라스토 음펨바는 실무요리 예술에서. 그는 수제 아이스크림을 만들어야했습니다. 우유를 끓여서 설탕을 녹이고 식히십시오. 실온그리고 냉동실에 넣어 얼립니다. 분명히 음펨바는 특별히 부지런한 학생이 아니었고 과제의 첫 부분을 미루었습니다. 그는 공과가 끝날 때까지 시간이 되지 않을 것을 두려워하여 여전히 뜨거운 우유를 냉장고에 넣었습니다. 놀랍게도 그것은 주어진 기술에 따라 준비된 동료의 우유보다 더 일찍 얼었습니다.
그 후 Memba는 우유뿐만 아니라 일반 물도 실험했습니다. 어쨌든, 그는 이미 Mkvava 고등학교의 학생이었고 Dar es Salaam에 있는 대학의 Dennis Osborne 교수에게 물에 대해 물에 대해 물었습니다. 같은 양의 물이 담긴 두 개의 동일한 용기를 가져 와서 그 중 하나의 물 온도는 35 ° C이고 다른 하나는 100 ° C이고 냉동실에 넣으면 두 번째로 물이 얼 것입니다. 왜? Osborne은 이 문제에 관심을 갖게 되었고 곧 1969년 Memba와 함께 "Physics Education" 저널에 실험 결과를 발표했습니다. 그 이후로 그들이 발견한 효과는 음펨바 효과.
지금까지 아무도 이 이상한 효과를 정확히 설명하는 방법을 모릅니다. 과학자들은 여러 버전이 있지만 단일 버전이 없습니다. 그것은 모두 뜨거운 물과 찬 물의 특성의 차이에 관한 것이지만 이 경우 어떤 특성이 역할을 하는지는 아직 명확하지 않습니다. 과냉각, 증발, 얼음 형성, 대류의 차이 또는 액화 가스가 물에 미치는 영향 다른 온도.
음펨바 효과의 역설은 몸이 체온으로 냉각되는 시간입니다. 환경, 이 몸과 환경 사이의 온도차에 비례해야 합니다. 이 법칙은 Newton에 의해 확립되었으며 그 이후로 실제로 여러 번 확인되었습니다. 같은 효과로 100°C의 물은 35°C의 동일한 양의 물보다 빠르게 0°C로 냉각됩니다.
그러나 이것은 음펨바 효과가 알려진 물리학 내에서도 설명될 수 있기 때문에 아직 역설을 의미하지는 않습니다. 다음은 음펨바 효과에 대한 몇 가지 설명입니다.
증발
뜨거운 물은 용기에서 더 빨리 증발하여 부피가 줄어들고 같은 온도의 물은 더 작은 부피가 더 빨리 얼게 됩니다. 100C로 가열된 물은 0C로 냉각될 때 질량의 16%를 잃습니다.
증발 효과는 이중 효과입니다. 첫째, 냉각에 필요한 물의 질량이 감소합니다. 둘째, 수상에서 기상으로의 전이 증발열이 감소하기 때문에 온도가 감소합니다.
온도차
뜨거운 물과 찬 공기 사이의 온도 차이가 더 크다는 사실 때문에 이 경우 열교환은 더 강렬하고 뜨거운 물은 더 빨리 냉각됩니다.
저체온증
물이 0C 이하로 냉각되면 항상 얼지는 않습니다. 특정 조건에서 과냉각을 겪으면서 빙점 이하의 온도에서 계속 액체 상태를 유지할 수 있습니다. 어떤 경우에는 물이 -20C에서도 액체 상태로 남아 있을 수 있습니다.
이 효과의 이유는 첫 번째 얼음 결정이 형성되기 시작하기 위해서는 결정 형성의 중심이 필요하기 때문입니다. 액체 상태가 아닌 경우 결정이 자발적으로 형성되기 시작할 정도로 온도가 떨어질 때까지 과냉각이 계속됩니다. 과냉각된 액체에서 형성되기 시작하면 더 빨리 자라기 시작하여 얼음을 형성하기 위해 얼어붙을 얼음 슬러시를 형성합니다.
뜨거운 물은 가열하면 용해된 가스와 거품이 제거되어 얼음 결정 형성의 중심 역할을 할 수 있기 때문에 저체온증에 가장 취약합니다.
저체온증으로 인해 뜨거운 물이 더 빨리 얼게 되는 이유는 무엇입니까? 과냉각되지 않은 냉수의 경우 다음과 같은 현상이 발생합니다. 이 경우 얇은 층용기 표면에 얼음이 형성됩니다. 이 얼음 층은 물과 찬 공기 사이의 절연체 역할을 하여 더 이상의 증발을 방지합니다. 이 경우 얼음 결정의 형성 속도는 더 적을 것입니다. 과냉각되는 뜨거운 물의 경우, 과냉각된 물에는 얼음의 보호 표면층이 없습니다. 따라서 열린 상단을 통해 훨씬 빨리 열을 잃습니다.
과냉각 과정이 끝나고 물이 얼면 많은 더 많은 열따라서 더 많은 얼음이 형성됩니다.
이 효과에 대한 많은 연구자들은 음펨바 효과의 경우 저체온증을 주요 요인으로 간주합니다.
전달
찬물은 위에서 얼기 시작하여 열복사 및 대류 과정을 악화시켜 열 손실을 일으키고 뜨거운 물은 아래에서 얼기 시작합니다.
이 효과는 물 밀도의 이상으로 설명됩니다. 물은 4C에서 최대 밀도를 갖습니다. 물을 4C로 식힌 다음 더 낮은 온도에 넣으면 물의 표면층이 더 빨리 얼게 됩니다. 이 물은 4°C의 물보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 머물면서 얇은 차가운 층을 형성합니다. 이러한 조건에서 짧은 시간 동안 물 표면에 얇은 얼음 층이 형성되지만 이 얼음 층이 아래층의 물을 보호하는 절연체 역할을 하여 4C의 온도를 유지하게 됩니다. 따라서 , 추가 냉각 프로세스는 느려집니다.
온수의 경우 상황이 완전히 다릅니다. 물의 표층은 증발과 더 큰 온도 차이로 인해 더 빨리 냉각됩니다. 또한 냉수층은 온수층보다 밀도가 높기 때문에 냉수층이 아래로 가라앉아 층이 올라갑니다. 따뜻한 물표면에. 이러한 물의 순환은 급격한 온도 강하를 보장합니다.
그러나 이 과정이 평형점에 도달하지 못하는 이유는 무엇입니까? 이러한 대류의 관점에서 음펨바 효과를 설명하려면 평균 수온이 4℃ 이하로 떨어진 후에도 냉수층과 온수층이 분리되고 대류 과정 자체가 계속된다고 가정해야 합니다.
그러나 차가운 물 층과 뜨거운 물 층이 대류에 의해 분리된다는 이 가설을 뒷받침하는 실험적 증거는 없습니다.
물에 녹아있는 기체
물에는 항상 가스가 용해되어 있습니다 - 산소 및 이산화탄소. 이 가스는 물의 어는점을 낮추는 능력이 있습니다. 물이 가열되면 이러한 가스는 물에 용해되기 때문에 물에서 방출됩니다. 높은 온도아래에. 따라서 뜨거운 물이 냉각되면 가열되지 않은 찬 물보다 항상 더 적은 수의 용해 가스가 있습니다. 따라서 가열된 물의 어는점은 더 높고 더 빨리 얼게 됩니다. 이 사실을 확인하는 실험 데이터는 없지만 이 요인은 때때로 음펨바 효과를 설명하는 주요 요인으로 간주됩니다.
열 전도성
이 메커니즘은 냉동실에 물을 넣을 때 중요한 역할을 할 수 있습니다. 냉장고 구획작은 용기에. 이러한 조건에서 뜨거운 물이 담긴 용기가 그 아래에 있는 얼음을 녹이는 것이 관찰되었습니다. 냉동고, 따라서 냉동실 벽과의 열 접촉 및 열전도율을 향상시킵니다. 결과적으로 뜨거운 물 용기에서 열이 찬 것보다 더 빨리 제거됩니다. 차례로, 차가운 물이 담긴 용기는 그 아래에서 눈을 녹이지 않습니다.
이 모든 조건(및 기타)은 많은 실험에서 연구되었지만 음펨바 효과의 100% 재현을 제공하는 조건에 대한 명확한 대답은 얻지 못했습니다.
예를 들어, 1995년 독일 물리학자 David Auerbach는 물의 과냉각이 이 효과에 미치는 영향을 연구했습니다. 그는 과냉각 상태에 도달한 뜨거운 물이 찬 물보다 더 높은 온도에서 얼고 따라서 찬 물보다 더 빨리 어는 것을 발견했습니다. 그러나 찬물은 뜨거운 물보다 빨리 과냉각 상태에 도달하여 이전 지연을 보상합니다.
또한 Auerbach의 결과는 뜨거운 물이 결정화 센터가 적기 때문에 더 큰 과냉각을 달성할 수 있다는 이전 데이터와 모순되었습니다. 물을 가열하면 물에 녹아있는 가스가 제거되고 끓으면 물에 녹아있는 소금이 침전됩니다.
지금까지 단 한 가지만 주장할 수 있습니다. 이 효과의 재현은 본질적으로 실험이 수행되는 조건에 달려 있습니다. 항상 재생산되는 것은 아니기 때문입니다.
O.V. 모신
문호출처:
"뜨거운 물은 찬 물보다 빨리 얼지 않습니다. 왜 그렇게 합니까?", 아마추어 과학자의 Jearl Walker, Scientific American, Vol. 237, 아닙니다. 3, 246-257쪽; 1977년 9월.
"온수와 냉수의 동결", G.에스. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, 아니. 5, 564-565쪽; 1969년 5월.
"과냉각 및 음펨바 효과", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, 아니. 10, pp. 882-885; 1995년 10월.
"음펨바 효과: 뜨거운 물과 찬 물의 결빙 시간", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, 아니. 5, 524쪽; 1996년 5월.
음펨바 효과 또는 뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 얼는 이유는 무엇입니까? 음펨바 효과(Mpemba Paradox)는 특정 조건에서 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 얼지만, 얼어붙는 과정에서 찬물의 온도를 통과해야 한다는 역설입니다. 이 역설은 일반적인 생각과 모순되는 실험적 사실이며, 동일한 조건에서 더 뜨거운 물체가 같은 온도로 냉각되는 더 차가운 물체보다 특정 온도로 냉각되는 데 더 많은 시간이 필요합니다. 이 현상은 당시 Aristotle, Francis Bacon, Rene Descartes에 의해 발견되었지만 탄자니아 학생인 Erasto Memba는 1963년에야 뜨거운 아이스크림 혼합물이 차가운 아이스크림보다 빨리 얼리는 것을 발견했습니다. 에라스토 음펨바는 탄자니아 마감빈 고등학교에서 요리 실습을 하던 학생이었습니다. 그는 수제 아이스크림을 만들어야했습니다. 우유를 끓여서 설탕을 녹이고 실온으로 식힌 다음 냉장고에 넣어 얼려야했습니다. 분명히 음펨바는 특별히 부지런한 학생이 아니었고 과제의 첫 부분을 미루었습니다. 그는 공과가 끝날 때까지 시간이 되지 않을 것을 두려워하여 여전히 뜨거운 우유를 냉장고에 넣었습니다. 놀랍게도 그것은 주어진 기술에 따라 준비된 동료의 우유보다 더 일찍 얼었습니다. 그 후 Memba는 우유뿐만 아니라 일반 물도 실험했습니다. 어쨌든, 그는 이미 Mkvava 고등학교의 학생이었고 Dar es Salaam에 있는 대학의 Dennis Osborne 교수에게 물에 대해 물에 대해 물었습니다. 같은 양의 물이 담긴 두 개의 동일한 용기를 가져 와서 그 중 하나의 물 온도는 35 ° C이고 다른 하나는 100 ° C이고 냉동실에 넣으면 두 번째로 물이 얼 것입니다. 왜? Osborne은 이 문제에 관심을 갖게 되었고 곧 1969년 Memba와 함께 "Physics Education" 저널에 실험 결과를 발표했습니다. 그 이후로 그들이 발견한 효과를 음펨바 효과라고 합니다. 지금까지 아무도 이 이상한 효과를 정확히 설명하는 방법을 모릅니다. 과학자들은 여러 버전이 있지만 단일 버전이 없습니다. 그것은 모두 뜨거운 물과 찬 물의 특성의 차이에 관한 것이지만 이 경우 어떤 특성이 역할을 하는지는 아직 명확하지 않습니다. 과냉각, 증발, 얼음 형성, 대류의 차이 또는 액화 가스가 물에 미치는 영향 다른 온도. 음펨바 효과의 역설은 신체가 주변 온도로 냉각되는 시간이 이 신체와 환경 사이의 온도 차이에 비례해야 한다는 것입니다. 이 법칙은 Newton에 의해 확립되었으며 그 이후로 실제로 여러 번 확인되었습니다. 같은 효과로 100°C의 물은 35°C의 동일한 양의 물보다 빠르게 0°C로 냉각됩니다. 그러나 이것은 음펨바 효과가 알려진 물리학 내에서도 설명될 수 있기 때문에 아직 역설을 의미하지는 않습니다. 음펨바 효과에 대한 몇 가지 설명은 다음과 같습니다. 증발 뜨거운 물은 용기에서 더 빨리 증발하여 부피가 줄어들고 같은 온도에서 더 적은 부피의 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 100C로 가열된 물은 0C로 냉각될 때 질량의 16%를 잃습니다. 증발 효과는 이중 효과입니다. 첫째, 냉각에 필요한 물의 질량이 감소합니다. 둘째, 수상에서 기상으로의 전이 증발열이 감소하기 때문에 온도가 감소합니다. 온도 차이 뜨거운 물과 찬 공기 사이의 온도 차이가 더 크기 때문에 이 경우 열교환이 더 강렬하고 뜨거운 물이 더 빨리 냉각됩니다. 과냉각 물이 0C 이하로 냉각될 때 항상 얼지는 않습니다. 특정 조건에서 과냉각을 겪으면서 빙점 이하의 온도에서 계속 액체 상태를 유지할 수 있습니다. 어떤 경우에는 -20C의 온도에서도 물이 액체 상태로 남아 있을 수 있습니다. 이러한 효과의 이유는 첫 번째 얼음 결정이 형성되기 시작하기 위해서는 결정 형성의 중심이 필요하기 때문입니다. 액체 상태가 아닌 경우 결정이 자발적으로 형성되기 시작할 정도로 온도가 떨어질 때까지 과냉각이 계속됩니다. 과냉각된 액체에서 형성되기 시작하면 더 빨리 자라기 시작하여 얼음을 형성하기 위해 얼어붙을 얼음 슬러시를 형성합니다. 뜨거운 물은 가열하면 용해된 가스와 거품이 제거되어 얼음 결정 형성의 중심 역할을 할 수 있기 때문에 저체온증에 가장 취약합니다. 저체온증으로 인해 뜨거운 물이 더 빨리 얼게 되는 이유는 무엇입니까? 과냉각되지 않은 냉수의 경우 다음과 같은 현상이 발생합니다. 이 경우 용기 표면에 얇은 얼음 층이 형성됩니다. 이 얼음 층은 물과 찬 공기 사이의 절연체 역할을 하여 더 이상의 증발을 방지합니다. 이 경우 얼음 결정의 형성 속도는 더 적을 것입니다. 과냉각되는 뜨거운 물의 경우, 과냉각된 물에는 얼음의 보호 표면층이 없습니다. 따라서 열린 상단을 통해 훨씬 빨리 열을 잃습니다. 과냉각 과정이 끝나고 물이 얼면 훨씬 더 많은 열이 손실되어 더 많은 얼음이 형성됩니다. 이 효과에 대한 많은 연구자들은 음펨바 효과의 경우 저체온증을 주요 요인으로 간주합니다. 대류 찬물은 위에서부터 얼기 시작하여 열복사 및 대류 과정을 악화시켜 열 손실을 일으키고 뜨거운 물은 아래에서 얼기 시작합니다. 이 효과는 물 밀도의 이상으로 설명됩니다. 물은 4C에서 최대 밀도를 갖습니다. 물을 4C로 식힌 다음 더 낮은 온도에 넣으면 물의 표면층이 더 빨리 얼게 됩니다. 이 물은 4°C의 물보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 머물면서 얇은 차가운 층을 형성합니다. 이러한 조건에서 짧은 시간 동안 물 표면에 얇은 얼음 층이 형성되지만 이 얼음 층이 아래층의 물을 보호하는 절연체 역할을 하여 4C의 온도를 유지하게 됩니다. 따라서 , 추가 냉각 프로세스는 느려집니다. 온수의 경우 상황이 완전히 다릅니다. 물의 표층은 증발과 더 큰 온도 차이로 인해 더 빨리 냉각됩니다. 또한 냉수층은 온수층보다 밀도가 높기 때문에 냉수층이 아래로 가라앉으면서 따뜻한 물층을 표면으로 들어 올립니다. 이러한 물의 순환은 급격한 온도 강하를 보장합니다. 그러나 이 과정이 평형점에 도달하지 못하는 이유는 무엇입니까? 이러한 대류의 관점에서 음펨바 효과를 설명하기 위해서는 평균 수온이 4℃ 이하로 떨어진 후에도 냉수층과 온수층이 분리되어 대류 자체가 계속된다고 가정한다. 그러나 실험 데이터는 없다. 이는 냉수층과 온수층이 대류에 의해 분리된다는 이 가설을 확인시켜 줄 것입니다. 물에 용해된 가스 물에는 항상 산소와 이산화탄소와 같은 용해된 가스가 포함되어 있습니다. 이 가스는 물의 어는점을 낮추는 능력이 있습니다. 물이 가열되면 고온의 물에 대한 용해도가 낮기 때문에 이러한 가스가 물에서 방출됩니다. 따라서 뜨거운 물이 냉각되면 가열되지 않은 찬 물보다 항상 더 적은 수의 용해 가스가 있습니다. 따라서 가열된 물의 어는점은 더 높고 더 빨리 얼게 됩니다. 이 사실을 확인하는 실험 데이터는 없지만 이 요인은 때때로 음펨바 효과를 설명하는 주요 요인으로 간주됩니다. 열전도율 이 메커니즘은 작은 용기에 담긴 냉동고 냉장고에 물을 넣을 때 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이러한 조건에서 뜨거운 물이 담긴 용기가 냉동실 하부의 얼음을 녹여 냉동실 벽과의 열 접촉 및 열전도율을 향상시키는 것으로 관찰되었습니다. 결과적으로 뜨거운 물 용기에서 열이 찬 것보다 더 빨리 제거됩니다. 차례로, 차가운 물이 담긴 용기는 그 아래에서 눈을 녹이지 않습니다. 이 모든 조건(및 기타)은 많은 실험에서 연구되었지만 음펨바 효과의 100% 재현을 제공하는 조건에 대한 명확한 대답은 얻지 못했습니다. 예를 들어, 1995년 독일 물리학자 David Auerbach는 물의 과냉각이 이 효과에 미치는 영향을 연구했습니다. 그는 과냉각 상태에 도달한 뜨거운 물이 찬 물보다 더 높은 온도에서 얼고 따라서 찬 물보다 더 빨리 어는 것을 발견했습니다. 그러나 찬물은 뜨거운 물보다 빨리 과냉각 상태에 도달하여 이전 지연을 보상합니다. 또한 Auerbach의 결과는 뜨거운 물이 결정화 센터가 적기 때문에 더 큰 과냉각을 달성할 수 있다는 이전 데이터와 모순되었습니다. 물을 가열하면 물에 녹아있는 가스가 제거되고 끓으면 물에 녹아있는 소금이 침전됩니다. 지금까지 단 한 가지만 주장할 수 있습니다. 이 효과의 재현은 본질적으로 실험이 수행되는 조건에 달려 있습니다. 항상 재생산되는 것은 아니기 때문입니다. O.V. 모신
많은 연구자들이 왜 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 얼는지에 대한 자신의 버전을 내놓았고 또 내놓고 있습니다. 역설적으로 보일 것입니다. 결국, 얼기 위해서는 뜨거운 물이 먼저 식어야 합니다. 그러나 사실은 남아 있으며 과학자들은 이를 다른 방식으로 설명합니다.
주요 버전
현재 이 사실을 설명하는 여러 버전이 있습니다.
- 뜨거운 물에서는 증발이 빠르기 때문에 부피가 줄어듭니다. 같은 온도의 물의 양이 적을수록 더 빨리 얼게 됩니다.
- 냉장고의 냉동실에는 스노우 라이닝이 있습니다. 뜨거운 물이 담긴 용기가 밑에 있는 눈을 녹입니다. 이렇게 하면 냉동실과의 열 접촉이 향상됩니다.
- 뜨거운 것과 달리 찬물을 얼리는 것은 위에서부터 시작됩니다. 이 경우 대류 및 열 복사가 발생하여 결과적으로 열 손실이 악화됩니다.
- 찬물에는 결정화의 중심이 있습니다 - 물질이 용해되어 있습니다. 물에 적은 양의 내용물이 있으면 결빙이 어렵지만 동시에 영하의 온도에서 액체 상태를 가질 때 저체온이 가능합니다.
공정하게 말하면이 효과가 항상 관찰되는 것은 아니라고 말할 수 있습니다. 찬물은 뜨거운 물보다 빨리 얼게 되는 경우가 많습니다.
물은 어떤 온도에서 얼까?
왜 물은 전혀 얼까요? 그것은 일정량의 미네랄 또는 유기 입자를 포함합니다. 예를 들어, 이들은 모래, 먼지 또는 점토의 매우 미세한 입자일 수 있습니다. 기온이 떨어지면 이 입자들이 중심이 되어 얼음 결정이 형성됩니다.
결정화 핵의 역할은 물이 담긴 용기의 기포와 균열에 의해서도 수행될 수 있습니다. 물을 얼음으로 바꾸는 과정의 속도는 그러한 센터의 수에 크게 영향을 받습니다. 센터가 많으면 액체가 더 빨리 얼게 됩니다. 정상적인 조건에서 정상적인 기압, 물은 0도의 온도에서 액체에서 고체 상태로 변합니다.
음펨바 효과의 본질
음펨바 효과는 역설로 이해되며, 그 본질은 특정 상황에서 뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 얼게 된다는 것입니다. 이 현상은 아리스토텔레스와 데카르트가 주목했습니다. 그러나 1963년이 되어서야 탄자니아의 에라스토 음펨바(Erasto Mpemba)가 뜨거운 아이스크림이 차가운 아이스크림보다 더 짧은 시간에 얼린다는 사실을 알아냈습니다. 그는 요리라는 임무를 수행하면서 그런 결론을 내렸다.
그는 끓인 우유에 설탕을 녹이고 식힌 후 냉장고에 넣어 얼려야 했습니다. 분명히 Memba는 특별한 근면에서 다르지 않았고 작업의 첫 번째 부분을 늦게 수행하기 시작했습니다. 따라서 그는 우유가 식을 때까지 기다리지 않고 뜨거운 냉장고에 넣었습니다. 주어진 기술에 따라 일을 하던 동급생들보다 훨씬 더 빨리 얼어붙어 매우 놀랐다.
이 사실은 청년에게 매우 흥미가 있었고 그는 일반 물로 실험을 시작했습니다. 1969년 Physics Education 저널은 Memba와 Dar es Salaam 대학의 Dennis Osborn 교수의 연구 결과를 발표했습니다. 그들이 기술한 효과는 음펨바(Mpemba)라는 이름이 주어졌습니다. 그러나 오늘날에도 이 현상에 대한 명확한 설명은 없습니다. 모든 과학자들은 이것의 주요 역할이 냉수와 온수의 특성의 차이에 속한다는 데 동의하지만 정확히 무엇이 알려져 있지 않습니다.
싱가포르 버전
싱가포르 대학 중 한 곳의 물리학자들도 뜨거운 물과 찬 물 중 어느 물이 더 빨리 얼까?라는 질문에 관심이 있었습니다. Xi Zhang이 이끄는 연구팀은 이 역설을 물의 속성으로 정확하게 설명했습니다. 모두는 여전히 학교에서 물의 구성, 즉 산소 원자와 두 개의 수소 원자를 알고 있습니다. 산소는 수소로부터 전자를 어느 정도 끌어당기므로 분자는 일종의 "자석"입니다.
결과적으로 물의 특정 분자는 서로 약간 끌리고 수소 결합으로 결합됩니다. 그 강도는 공유 결합보다 몇 배나 낮습니다. 싱가포르 연구원들은 음펨바 역설의 설명이 정확히 수소 결합에 있다고 믿습니다. 물 분자가 매우 가깝게 위치하면 분자 사이의 강한 상호 작용으로 인해 분자 자체의 중간에 있는 공유 결합이 변형될 수 있습니다.
그러나 물이 가열되면 결합된 분자가 서로 약간 멀어집니다. 결과적으로 공유 결합의 이완은 과잉 에너지의 반환과 가장 낮은 에너지 준위로의 전환과 함께 분자 중간에서 발생합니다. 이것은 뜨거운 물이 빠르게 냉각되기 시작한다는 사실로 이어집니다. 적어도 이것은 싱가포르 과학자들이 수행한 이론적 계산이 보여주는 것입니다.
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