Există mulți factori care influențează ce apă îngheață mai repede, fierbinte sau rece, dar întrebarea în sine pare puțin ciudată. Se înțelege, și acest lucru se știe din fizică, că apa fierbinte încă are nevoie de timp pentru a se răci până la temperatura comparată. apă rece să se transforme în gheață. Apa rece poate sări peste această etapă și, în consecință, câștigă timp.
Dar răspunsul la întrebarea despre care apa îngheață mai repede - rece sau fierbinte - afară în frig, știe orice rezident al latitudinilor nordice. De fapt, din punct de vedere științific, se dovedește că, în orice caz, apa rece este pur și simplu obligată să înghețe mai repede.
Profesorul de fizică, căruia școlarul Erasto Mpemba l-a abordat în 1963 cu o cerere de a explica de ce amestec rece viitoarea înghețată îngheață mai mult decât una similară, dar fierbinte.
„Aceasta nu este fizica universală, ci un fel de fizică Mpemba”
La acea vreme, profesorul râdea doar de asta, dar Deniss Osborne, profesor de fizică, care la un moment dat a vizitat aceeași școală în care a studiat Erasto, a confirmat experimental prezența unui astfel de efect, deși atunci nu a existat o explicație pentru el. În 1969, în popular jurnal stiintific un articol comun a fost publicat de aceste două persoane care au descris acest efect deosebit.
De atunci, apropo, întrebarea care apă îngheață mai repede - caldă sau rece - își are propriul nume - efectul Mpemba, sau paradoxul.
Întrebarea există de mult timp
Desigur, un astfel de fenomen a mai avut loc și a fost menționat în lucrările altor oameni de știință. Nu doar școlarul a fost interesat de această problemă, ci și Rene Descartes și chiar Aristotel s-au gândit la un moment dat.
Dar ei au început să caute abordări pentru rezolvarea acestui paradox abia la sfârșitul secolului al XX-lea.
Condiții pentru a se produce un paradox
Ca și în cazul înghețatei, nu este doar apa simplă care îngheață în timpul experimentului. Anumite condiții trebuie să fie prezente pentru a începe să ne certați despre ce apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte. Ce influențează cursul acestui proces?
Acum, în secolul XXI, au fost propuse mai multe opțiuni care pot explica acest paradox. Ce apă îngheață mai repede, fierbinte sau rece, poate depinde de faptul că are o rată de evaporare mai mare decât apa rece. Astfel, volumul acestuia scade, iar pe măsură ce volumul scade, timpul de congelare devine mai scurt decât dacă luăm același volum inițial de apă rece.
A trecut ceva timp de când ai dezghețat congelatorul.
Ce apă îngheață mai repede și de ce se întâmplă acest lucru pot fi influențate de căptușeala de zăpadă care poate fi prezentă în congelatorul frigiderului folosit pentru experiment. Dacă luați două recipiente care au volum identic, dar unul dintre ele conține apa fierbinte, iar în celălalt - rece, recipient cu apa fierbinte topește zăpada de dedesubt, îmbunătățind astfel contactul nivelul termic cu peretele frigiderului. Container cu apă rece nu pot face asta. Dacă nu există o astfel de căptușeală cu zăpadă în compartimentul frigider, apa rece ar trebui să înghețe mai repede.
Sus jos
De asemenea, fenomenul căruia apa îngheață mai repede – caldă sau rece – se explică astfel. Urmând anumite legi, apa rece începe să înghețe la straturile superioare, cand este fierbinte face invers - incepe sa inghete de jos in sus. Se dovedește că apa rece, având deasupra un strat rece cu gheață deja formată pe alocuri, înrăutățește astfel procesele de convecție și Radiație termala, explicând astfel care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte. Sunt atașate fotografii de la experimente de amatori, iar acest lucru este clar vizibil aici.
Căldura se stinge, grăbindu-se în sus, și acolo întâlnește un strat foarte rece. Nu există o cale liberă pentru radiația de căldură, astfel încât procesul de răcire devine dificil. Apa caldă nu are absolut astfel de obstacole în cale. Care îngheață mai repede - rece sau cald, ce determină rezultatul probabil? Puteți extinde răspunsul spunând că orice apă are anumite substanțe dizolvate în ea.
Impuritățile în apă ca factor care influențează rezultatul
Dacă nu înșeli și nu folosești apă cu aceeași compoziție, unde concentrațiile anumitor substanțe sunt identice, atunci apa rece ar trebui să înghețe mai repede. Dar dacă o situație apare atunci când este dizolvată elemente chimice sunt disponibile doar in apa calda, iar apa rece nu le are, atunci exista posibilitatea ca apa calda sa inghete mai devreme. Acest lucru se explică prin faptul că substanțele dizolvate în apă creează centre de cristalizare, iar cu un număr mic din acești centri, transformarea apei în stare solidă este dificilă. Este chiar posibil ca apa să devină suprarăcită, în sensul că atunci când temperatura sub zero va fi în stare lichidă.
Dar toate aceste versiuni, aparent, nu s-au potrivit pe deplin oamenilor de știință și au continuat să lucreze la această problemă. În 2013, o echipă de cercetători din Singapore a spus că au rezolvat un mister vechi.
Un grup de oameni de știință chinezi susțin că secretul acestui efect constă în cantitatea de energie care este stocată între moleculele de apă din legăturile sale, numite legături de hidrogen.
Răspunsul de la oamenii de știință chinezi
Ceea ce urmează sunt informații, pentru a înțelege care trebuie să aveți niște cunoștințe de chimie pentru a înțelege care apă îngheață mai repede - caldă sau rece. După cum se știe, este format din doi atomi de H (hidrogen) și un atom de O (oxigen), ținute împreună prin legături covalente.
Dar și atomii de hidrogen ai unei molecule sunt atrași de moleculele vecine, de componenta lor de oxigen. Aceste legături se numesc legături de hidrogen.
Merită să ne amintim că, în același timp, moleculele de apă au un efect respingător unul asupra celuilalt. Oamenii de știință au observat că atunci când apa este încălzită, distanța dintre moleculele sale crește, iar acest lucru este facilitat de forțele de respingere. Se dovedește că, ocupând aceeași distanță între molecule în stare rece, se poate spune că se întind și au un aport mai mare de energie. Această rezervă de energie este eliberată atunci când moleculele de apă încep să se apropie unele de altele, adică are loc răcirea. Se dovedește că o rezervă mai mare de energie în apa caldă și eliberarea ei mai mare la răcirea la temperaturi sub zero, are loc mai repede decât în apa rece, care are o rezervă mai mică de astfel de energie. Deci care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte? Pe stradă și în laborator ar trebui să apară paradoxul lui Mpemba, iar apa fierbinte să se transforme mai repede în gheață.
Dar întrebarea este încă deschisă
Există doar o confirmare teoretică a acestei soluții - toate acestea sunt scrise în formule frumoase și par plauzibile. Dar atunci când datele experimentale despre care apa îngheață mai repede - caldă sau rece - sunt puse în practică, iar rezultatele lor sunt prezentate, atunci problema paradoxului lui Mpemba poate fi considerată închisă.
Efectul Mpemba(Paradoxul lui Mpemba) - un paradox care afirmă că apa caldă în anumite condiții îngheață mai repede decât apa rece, deși trebuie să treacă de temperatura apei reci în procesul de îngheț. Acest paradox este un fapt experimental care contrazice ideile obișnuite, conform cărora, în aceleași condiții, unui corp mai încălzit ia mai mult timp să se răcească la o anumită temperatură decât unui corp mai puțin încălzit să se răcească la aceeași temperatură.
Acest fenomen a fost observat la un moment dat de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes, dar abia în 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a descoperit că un amestec de înghețată fierbinte îngheață mai repede decât unul rece.
Fiind un student al Magambinskaya liceuîn Tanzania Erasto Mpemba a făcut munca practicaîn gătit. Avea nevoie să facă înghețată de casă - fierbe laptele, dizolvă zahărul în el, se răcește până când temperatura camerei si apoi se pune la frigider pentru a se congela. Aparent, Mpemba nu a fost un student deosebit de harnic și a întârziat finalizarea primei părți a sarcinii. De teamă că nu va ajunge până la sfârșitul lecției, a pus lapte încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, preparat după tehnologia dată.
După aceasta, Mpemba a experimentat nu numai cu lapte, ci și cu apă obișnuită. În orice caz, deja ca student la Mkwava Secondary School, l-a rugat pe profesorul Dennis Osborne de la University College din Dar Es Salaam (invitat de directorul școlii să susțină o prelegere despre fizică studenților) în special despre apă: „Dacă iei două recipiente identice cu volume egale de apă astfel încât într-unul dintre ele apa să aibă temperatura de 35°C, iar în celălalt - 100°C, și le punem la congelator, apoi în al doilea apa va îngheța mai repede. De ce?" Osborne a devenit interesat de această problemă și curând, în 1969, el și Mpemba au publicat rezultatele experimentelor lor în revista Physics Education. De atunci, efectul pe care l-au descoperit a fost numit Efectul Mpemba.
Până acum, nimeni nu știe exact cum să explice acest efect ciudat. Oamenii de știință nu au o singură versiune, deși există multe. Este vorba despre diferența dintre proprietățile apei calde și ale apei reci, dar nu este încă clar care proprietăți joacă un rol în acest caz: diferența de suprarăcire, evaporare, formare a gheții, convecție sau efectul gazelor lichefiate asupra apei la temperaturi diferite.
Paradoxul efectului Mpemba este că timpul în care corpul se răcește la temperatură mediu inconjurator, trebuie să fie proporțională cu diferența de temperatură dintre acest corp și mediu. Această lege a fost stabilită de Newton și de atunci a fost confirmată de multe ori în practică. În acest efect, apa cu o temperatură de 100°C se răcește la o temperatură de 0°C mai repede decât aceeași cantitate de apă cu o temperatură de 35°C.
Cu toate acestea, acest lucru nu implică încă un paradox, deoarece efectul Mpemba poate fi explicat în cadrul fizicii cunoscute. Iată câteva explicații pentru efectul Mpemba:
Evaporare
Apa fierbinte se evaporă mai repede din recipient, reducându-i astfel volumul, iar un volum mai mic de apă la aceeași temperatură îngheață mai repede. Apa încălzită la 100 C își pierde 16% din masă atunci când este răcită la 0 C.
Efectul de evaporare este un efect dublu. În primul rând, masa de apă necesară pentru răcire scade. Și în al doilea rând, temperatura scade datorită faptului că căldura de evaporare a trecerii de la faza de apă la faza de abur scade.
Diferența de temperatură
Datorita faptului ca diferenta de temperatura dintre apa calda si aerul rece este mai mare, prin urmare schimbul de caldura in acest caz este mai intens si apa calda se raceste mai repede.
Hipotermie
Când apa se răcește sub 0 C, nu îngheață întotdeauna. În anumite condiții, poate suferi suprarăcire, continuând să rămână lichidă la temperaturi sub zero. În unele cazuri, apa poate rămâne lichidă chiar și la o temperatură de –20 C.
Motivul acestui efect este că pentru ca primele cristale de gheață să înceapă să se formeze, sunt necesare centre de formare a cristalelor. Dacă nu sunt prezente în apă lichidă, atunci suprarăcirea va continua până când temperatura scade suficient pentru ca cristalele să se formeze spontan. Când încep să se formeze în lichidul suprarăcit, vor începe să crească mai repede, formând gheață de nămol, care va îngheța pentru a forma gheață.
Apa caldă este cel mai susceptibilă la hipotermie, deoarece încălzirea ei elimină gazele dizolvate și bulele, care, la rândul lor, pot servi drept centre pentru formarea cristalelor de gheață.
De ce hipotermia face ca apa fierbinte să înghețe mai repede? În cazul apei rece care nu este suprarăcită, se întâmplă următoarele. În acest caz strat subțire se va forma gheață pe suprafața vasului. Acest strat de gheață va acționa ca un izolator între apă și aerul rece și va preveni evaporarea ulterioară. Rata de formare a cristalelor de gheață în acest caz va fi mai mică. În cazul apei calde supuse suprarăcirii, apa suprarăcită nu are un strat de suprafață de protecție de gheață. Prin urmare, pierde căldură mult mai repede prin partea superioară deschisă.
Când procesul de suprarăcire se termină și apa îngheață, se pierde mult. mai multa caldurași prin urmare se formează mai multă gheață.
Mulți cercetători ai acestui efect consideră că hipotermia este principalul factor în cazul efectului Mpemba.
Convecție
Apa rece începe să înghețe de sus, înrăutățind astfel procesele de radiație a căldurii și convecție și, prin urmare, pierderea de căldură, în timp ce apa caldă începe să înghețe de jos.
Acest efect se explică printr-o anomalie în densitatea apei. Apa are o densitate maximă la 4 C. Dacă răciți apa la 4 C și o puneți la o temperatură mai scăzută, stratul de apă de la suprafață va îngheța mai repede. Deoarece această apă este mai puțin densă decât apa la o temperatură de 4 C, va rămâne la suprafață, formând un strat subțire rece. În aceste condiții, la suprafața apei se va forma un strat subțire de gheață în scurt timp, dar acest strat de gheață va servi drept izolator, protejând straturile inferioare de apă, care vor rămâne la o temperatură de 4 C. Prin urmare, procesul de răcire ulterioară va fi mai lent.
In cazul apei calde situatia este cu totul alta. Stratul de suprafață de apă se va răci mai repede din cauza evaporării și a unei diferențe mai mari de temperatură. În plus, straturile de apă rece sunt mai dense decât straturile de apă caldă, astfel încât stratul de apă rece se va scufunda, ridicând stratul. apa calda la suprafata. Această circulație a apei asigură o scădere rapidă a temperaturii.
Dar de ce acest proces nu ajunge la un punct de echilibru? Pentru a explica efectul Mpemba din acest punct de vedere al convecției, ar fi necesar să presupunem că straturile de apă rece și fierbinte sunt separate și procesul de convecție în sine continuă după ce temperatura medie a apei scade sub 4 C.
Cu toate acestea, nu există dovezi experimentale care să susțină această ipoteză că straturile de apă reci și fierbinți sunt separate prin procesul de convecție.
Gaze dizolvate în apă
Apa conține întotdeauna gaze dizolvate în ea - oxigen și dioxid de carbon. Aceste gaze au capacitatea de a reduce punctul de îngheț al apei. Când apa este încălzită, aceste gaze sunt eliberate din apă deoarece solubilitatea lor în apă este temperatura ridicata de mai jos. Prin urmare, atunci când apa fierbinte se răcește, conține întotdeauna mai puține gaze dizolvate decât în apa rece neîncălzită. Prin urmare, punctul de îngheț al apei încălzite este mai mare și îngheață mai repede. Acest factor este uneori considerat ca fiind principalul în explicarea efectului Mpemba, deși nu există date experimentale care să confirme acest fapt.
Conductivitate termică
Acest mecanism poate juca un rol semnificativ atunci când apa este introdusă în congelator. camera frigorificaîn recipiente mici. În aceste condiții, s-a observat că un recipient cu apă fierbinte topește gheața dedesubt Lada frigorifica, îmbunătățind astfel contactul termic cu peretele congelatorului și conductivitatea termică. Ca urmare, căldura este îndepărtată dintr-un recipient cu apă caldă mai repede decât dintr-un recipient rece. La rândul său, un recipient cu apă rece nu topește zăpada de dedesubt.
Toate aceste condiții (precum și alte) au fost studiate în multe experimente, dar un răspuns clar la întrebare - care dintre ele oferă reproducerea sută la sută a efectului Mpemba - nu a fost niciodată obținut.
De exemplu, în 1995, fizicianul german David Auerbach a studiat efectul suprarăcirii apei asupra acestui efect. El a descoperit că apa fierbinte, ajungând într-o stare suprarăcită, îngheață la o temperatură mai mare decât apa rece și, prin urmare, mai repede decât cea din urmă. Dar apa rece atinge o stare de suprarăcire mai repede decât apa fierbinte, compensând astfel întârzierea anterioară.
În plus, rezultatele lui Auerbach au contrazis datele anterioare conform cărora apa caldă a putut obține o suprarăcire mai mare datorită mai puține centre de cristalizare. Când apa este încălzită, gazele dizolvate în ea sunt îndepărtate din ea, iar când este fiertă, precipită unele săruri dizolvate în ea.
Pentru moment, un singur lucru poate fi afirmat - reproducerea acestui efect depinde în mod semnificativ de condițiile în care se desfășoară experimentul. Tocmai pentru că nu este întotdeauna reprodusă.
O. V. Mosin
Literarsurse:
„Apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. De ce face asta?”, Jearl Walker în The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, p. 246-257; septembrie 1977.
„Înghețarea apei calde și reci”, G.S. Kell în Jurnalul American de Fizică, Vol. 37, nr. 5, pp 564-565; mai 1969.
„Superrăcirea și efectul Mpemba”, David Auerbach, în American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, p. 882-885; octombrie 1995.
„Efectul Mpemba: timpii de înghețare a apei calde și reci”, Charles A. Knight, în American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, p. 524; mai 1996.
Efectul Mpemba sau de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece? Efectul Mpemba (Paradoxul Mpemba) este un paradox care afirmă că apa fierbinte în anumite condiții îngheață mai repede decât apa rece, deși trebuie să treacă de temperatura apei reci în timpul procesului de înghețare. Acest paradox este un fapt experimental care contrazice ideile obișnuite, conform cărora, în aceleași condiții, unui corp mai încălzit ia mai mult timp să se răcească la o anumită temperatură decât unui corp mai puțin încălzit să se răcească la aceeași temperatură. Acest fenomen a fost observat la un moment dat de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes, dar abia în 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a descoperit că un amestec de înghețată fierbinte îngheață mai repede decât unul rece. În calitate de elev la Liceul Magambi din Tanzania, Erasto Mpemba a făcut lucrări practice ca bucătar. Trebuia să facă înghețată de casă - să fierbe laptele, să dizolve zahărul în el, să-l răcească la temperatura camerei și apoi să-l pună la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student deosebit de harnic și a întârziat finalizarea primei părți a sarcinii. De teamă că nu va ajunge până la sfârșitul lecției, a pus lapte încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, preparat după tehnologia dată. După aceasta, Mpemba a experimentat nu numai cu lapte, ci și cu apă obișnuită. În orice caz, deja ca student la Mkwava Secondary School, l-a rugat pe profesorul Dennis Osborne de la University College din Dar Es Salaam (invitat de directorul școlii să susțină o prelegere despre fizică studenților) în special despre apă: „Dacă iei două recipiente identice cu volume egale de apă astfel încât într-unul dintre ele apa să aibă temperatura de 35°C, iar în celălalt - 100°C, și le punem la congelator, apoi în al doilea apa va îngheța mai repede. De ce?" Osborne a devenit interesat de această problemă și curând, în 1969, el și Mpemba au publicat rezultatele experimentelor lor în revista Physics Education. De atunci, efectul pe care l-au descoperit a fost numit efectul Mpemba. Până acum, nimeni nu știe exact cum să explice acest efect ciudat. Oamenii de știință nu au o singură versiune, deși există multe. Este vorba despre diferența dintre proprietățile apei calde și ale apei reci, dar nu este încă clar care proprietăți joacă un rol în acest caz: diferența de suprarăcire, evaporare, formare a gheții, convecție sau efectul gazelor lichefiate asupra apei la temperaturi diferite. Paradoxul efectului Mpemba este că timpul în care un corp se răcește la temperatura ambiantă ar trebui să fie proporțional cu diferența de temperatură dintre acest corp și mediu. Această lege a fost stabilită de Newton și de atunci a fost confirmată de multe ori în practică. În acest efect, apa cu o temperatură de 100°C se răcește la o temperatură de 0°C mai repede decât aceeași cantitate de apă cu o temperatură de 35°C. Cu toate acestea, acest lucru nu implică încă un paradox, deoarece efectul Mpemba poate fi explicat în cadrul fizicii cunoscute. Iată câteva explicații pentru efectul Mpemba: Evaporare Apa fierbinte se evaporă mai repede dintr-un recipient, reducându-i astfel volumul, iar un volum mai mic de apă la aceeași temperatură îngheață mai repede. Apa încălzită la 100 C pierde 16% din masă când este răcită la 0 C. Efectul evaporării este un efect dublu. În primul rând, masa de apă necesară pentru răcire scade. Și în al doilea rând, temperatura scade datorită faptului că căldura de evaporare a trecerii de la faza de apă la faza de abur scade. Diferența de temperatură Datorită faptului că diferența de temperatură dintre apa caldă și aerul rece este mai mare, prin urmare schimbul de căldură în acest caz este mai intens și apa caldă se răcește mai repede. Hipotermie Când apa se răcește sub 0 C, nu îngheață întotdeauna. În anumite condiții, poate suferi suprarăcire, continuând să rămână lichidă la temperaturi sub zero. În unele cazuri, apa poate rămâne lichidă chiar și la o temperatură de -20 C. Motivul acestui efect este că pentru ca primele cristale de gheață să înceapă să se formeze, sunt necesare centre de formare a cristalelor. Dacă nu sunt prezente în apă lichidă, atunci suprarăcirea va continua până când temperatura scade suficient pentru ca cristalele să se formeze spontan. Când încep să se formeze în lichidul suprarăcit, vor începe să crească mai repede, formând gheață de nămol, care va îngheța pentru a forma gheață. Apa caldă este cel mai susceptibilă la hipotermie, deoarece încălzirea ei elimină gazele dizolvate și bulele, care, la rândul lor, pot servi drept centre pentru formarea cristalelor de gheață. De ce hipotermia face ca apa fierbinte să înghețe mai repede? În cazul apei rece care nu este suprarăcită, se întâmplă următoarele. În acest caz, pe suprafața vasului se va forma un strat subțire de gheață. Acest strat de gheață va acționa ca un izolator între apă și aerul rece și va preveni evaporarea ulterioară. Rata de formare a cristalelor de gheață în acest caz va fi mai mică. În cazul apei calde supuse suprarăcirii, apa suprarăcită nu are un strat de suprafață de protecție de gheață. Prin urmare, pierde căldură mult mai repede prin partea superioară deschisă. Când procesul de suprarăcire se termină și apa îngheață, se pierde mult mai multă căldură și, prin urmare, se formează mai multă gheață. Mulți cercetători ai acestui efect consideră că hipotermia este principalul factor în cazul efectului Mpemba. Convecție Apa rece începe să înghețe de sus, înrăutățind astfel procesele de radiație și convecție a căldurii și, prin urmare, pierderea de căldură, în timp ce apa caldă începe să înghețe de jos. Acest efect se explică printr-o anomalie în densitatea apei. Apa are o densitate maximă la 4 C. Dacă răciți apa la 4 C și o puneți la o temperatură mai scăzută, stratul de apă de la suprafață va îngheța mai repede. Deoarece această apă este mai puțin densă decât apa la o temperatură de 4 C, va rămâne la suprafață, formând un strat subțire rece. În aceste condiții, la suprafața apei se va forma un strat subțire de gheață în scurt timp, dar acest strat de gheață va servi drept izolator, protejând straturile inferioare de apă, care vor rămâne la o temperatură de 4 C. Prin urmare, procesul de răcire ulterioară va fi mai lent. In cazul apei calde situatia este cu totul alta. Stratul de suprafață de apă se va răci mai repede din cauza evaporării și a unei diferențe mai mari de temperatură. În plus, straturile de apă rece sunt mai dense decât straturile de apă caldă, astfel încât stratul de apă rece se va scufunda, ridicând stratul de apă caldă la suprafață. Această circulație a apei asigură o scădere rapidă a temperaturii. Dar de ce acest proces nu ajunge la un punct de echilibru? Pentru a explica efectul Mpemba din acest punct de vedere al convecției, ar fi necesar să presupunem că straturile de apă rece și fierbinte sunt separate și procesul de convecție în sine continuă după ce temperatura medie a apei scade sub 4 C. Cu toate acestea, nu există date experimentale care ar confirma această ipoteză că straturile reci de apă calde sunt separate prin procesul de convecție. Gaze dizolvate în apă Apa conține întotdeauna gaze dizolvate în ea - oxigen și dioxid de carbon. Aceste gaze au capacitatea de a reduce punctul de îngheț al apei. Când apa este încălzită, aceste gaze sunt eliberate din apă deoarece solubilitatea lor în apă este mai mică la temperaturi ridicate. Prin urmare, atunci când apa fierbinte se răcește, conține întotdeauna mai puține gaze dizolvate decât în apa rece neîncălzită. Prin urmare, punctul de îngheț al apei încălzite este mai mare și îngheață mai repede. Acest factor este uneori considerat ca fiind principalul în explicarea efectului Mpemba, deși nu există date experimentale care să confirme acest fapt. Conductivitate termică Acest mecanism poate juca un rol semnificativ atunci când apa este plasată în congelatorul din compartimentul frigider în recipiente mici. În aceste condiții, s-a observat că un recipient cu apă fierbinte topește gheața din congelatorul de dedesubt, îmbunătățind astfel contactul termic cu peretele congelatorului și conductivitatea termică. Ca urmare, căldura este îndepărtată dintr-un recipient cu apă caldă mai repede decât dintr-un recipient rece. La rândul său, un recipient cu apă rece nu topește zăpada de dedesubt. Toate aceste condiții (precum și alte) au fost studiate în multe experimente, dar un răspuns clar la întrebare - care dintre ele oferă reproducerea sută la sută a efectului Mpemba - nu a fost niciodată obținut. De exemplu, în 1995, fizicianul german David Auerbach a studiat efectul suprarăcirii apei asupra acestui efect. El a descoperit că apa fierbinte, ajungând într-o stare suprarăcită, îngheață la o temperatură mai mare decât apa rece și, prin urmare, mai repede decât cea din urmă. Dar apa rece atinge o stare de suprarăcire mai repede decât apa fierbinte, compensând astfel întârzierea anterioară. În plus, rezultatele lui Auerbach au contrazis datele anterioare conform cărora apa caldă a putut obține o suprarăcire mai mare datorită mai puține centre de cristalizare. Când apa este încălzită, gazele dizolvate în ea sunt îndepărtate din ea, iar când este fiertă, precipită unele săruri dizolvate în ea. Pentru moment, un singur lucru poate fi afirmat - reproducerea acestui efect depinde în mod semnificativ de condițiile în care se desfășoară experimentul. Tocmai pentru că nu este întotdeauna reprodusă. O. V. Mosin
Mulți cercetători au propus și propun propriile versiuni cu privire la motivul pentru care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Ar părea un paradox - la urma urmei, pentru a îngheța, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească. Cu toate acestea, faptul rămâne un fapt, iar oamenii de știință îl explică în moduri diferite.
Versiuni majore
În acest moment, există mai multe versiuni care explică acest fapt:
- Deoarece apa fierbinte se evaporă mai repede, volumul ei scade. Și înghețarea unei cantități mai mici de apă la aceeași temperatură are loc mai repede.
- Compartimentul congelator al frigiderului are o căptușeală de zăpadă. Un recipient care conține apă fierbinte topește zăpada de dedesubt. Acest lucru îmbunătățește contactul termic cu congelatorul.
- Înghețarea apei reci, spre deosebire de apa fierbinte, începe de la vârf. În același timp, convecția și radiația de căldură și, în consecință, pierderile de căldură se înrăutățesc.
- Apa rece conține centri de cristalizare - substanțe dizolvate în ea. Dacă conținutul lor în apă este mic, glazura este dificilă, deși, în același timp, este posibilă suprarăcirea - atunci când la temperaturi sub zero are o stare lichidă.
Deși în mod corect putem spune că acest efect nu este întotdeauna observat. Foarte des, apa rece îngheață mai repede decât apa fierbinte.
La ce temperatură îngheață apa
De ce îngheață apa? Conține o anumită cantitate de particule minerale sau organice. Acestea pot fi, de exemplu, particule foarte mici de nisip, praf sau argilă. Pe măsură ce temperatura aerului scade, aceste particule sunt centrele în jurul cărora se formează cristalele de gheață.
Rolul nucleelor de cristalizare poate fi jucat și de bulele de aer și fisurile din recipientul care conține apă. Viteza procesului de transformare a apei în gheață este influențată în mare măsură de numărul de astfel de centre - dacă există mulți dintre ei, lichidul îngheață mai repede. În condiții normale, cu normal presiune atmosferică, apa se transformă în stare solidă din lichid la o temperatură de 0 grade.
Esența efectului Mpemba
Efectul Mpemba este un paradox, a cărui esență este că, în anumite circumstanțe, apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece. Acest fenomen a fost observat de Aristotel și Descartes. Cu toate acestea, abia în 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a stabilit că înghețata fierbinte îngheață într-un timp mai scurt decât înghețata rece. A făcut această concluzie în timp ce finaliza o sarcină de gătit.
A trebuit să dizolve zahărul în laptele fiert și, după ce l-a răcit, să-l pună la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost deosebit de sârguincios și a început să finalizeze prima parte a sarcinii târziu. Prin urmare, nu a așteptat să se răcească laptele și l-a pus în frigider fierbinte. A fost foarte surprins când a înghețat și mai repede decât cel al colegilor săi, care făceau munca în conformitate cu tehnologia dată.
Acest fapt l-a interesat foarte mult pe tânăr și a început experimentele cu apă plată. În 1969, revista Physics Education a publicat rezultatele cercetării lui Mpemba și a profesorului Dennis Osborne de la Universitatea din Dar Es Salaam. Efectul descris de ei a primit numele de Mpemba. Cu toate acestea, nici astăzi nu există o explicație clară pentru fenomen. Toți oamenii de știință sunt de acord că rolul principal în acest lucru aparține diferențelor dintre proprietățile apei răcite și ale apei calde, dar ce anume este necunoscut.
Versiunea Singapore
Fizicienii de la una dintre universitățile din Singapore au fost, de asemenea, interesați de întrebarea care apă îngheață mai repede - caldă sau rece? O echipă de cercetători condusă de Xi Zhang a explicat acest paradox tocmai prin proprietățile apei. Toată lumea știe de la școală compoziția apei - un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Oxigenul, într-o oarecare măsură, trage electronii departe de hidrogen, astfel încât molecula este un anumit tip de „magnet”.
Ca urmare, anumite molecule din apă sunt ușor atrase unele de altele și sunt unite printr-o legătură de hidrogen. Forța sa este de multe ori mai mică decât o legătură covalentă. Cercetătorii din Singapore cred că explicația paradoxului lui Mpemba constă tocmai în legăturile de hidrogen. Dacă moleculele de apă sunt așezate foarte strâns împreună, atunci o astfel de interacțiune puternică între molecule poate deforma legătura covalentă din mijlocul moleculei în sine.
Dar când apa este încălzită, moleculele legate se îndepărtează ușor unele de altele. Ca urmare, relaxarea legăturilor covalente are loc în mijlocul moleculelor cu eliberarea de energie în exces și trecerea la un nivel de energie mai scăzut. Acest lucru duce la faptul că apa fierbinte începe să se răcească rapid. Cel puțin, asta arată calculele teoretice efectuate de oamenii de știință din Singapore.
Apa înghețată instantaneu - 5 trucuri incredibile: Video
