Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, horúca alebo studená, je ovplyvnená mnohými faktormi, ale samotná otázka sa zdá byť trochu zvláštna. Rozumie sa, a to je známe z fyziky, že horúca voda ešte potrebuje čas na ochladenie na teplotu porovnateľnú s studená voda premeniť sa na ľad. Studená voda môže túto fázu preskočiť, a preto vyhráva včas.
Ale odpoveď na otázku, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - studená alebo horúca - na ulici v mraze, vie každý obyvateľ severných zemepisných šírok. V skutočnosti sa vedecky ukazuje, že v každom prípade studená voda jednoducho musí rýchlejšie zamrznúť.
Rovnako aj učiteľ fyziky, ktorého v roku 1963 oslovil školák Erasto Mpemba, aby vysvetlil, prečo studená zmes budúca zmrzlina mrzne dlhšie ako podobná, ale horúca.
"Toto nie je svetová fyzika, ale nejaký druh fyziky Mpemba"
Učiteľ sa tomu vtedy iba zasmial, ale Deniss Osborne, profesor fyziky, ktorý svojho času chodil na tú istú školu, kde študoval Erasto, experimentálne potvrdil existenciu takéhoto efektu, hoci vtedy neexistovalo žiadne vysvetlenie. . V roku 1969 v populárnom vedecký časopis zverejnili spoločný článok týchto dvoch ľudí, ktorí opísali tento zvláštny efekt.
Odvtedy, mimochodom, otázka, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - horúca alebo studená, má svoj vlastný názov - efekt, alebo paradox, Mpemba.
Otázka je tu už dlho
Prirodzene, k takémuto javu došlo už predtým a bol spomenutý v prácach iných vedcov. O túto otázku sa zaujímal nielen školák, ale svojho času o nej uvažoval aj René Descartes a dokonca aj Aristoteles.
Tu sú len prístupy k riešeniu tohto paradoxu začali hľadať až na konci dvadsiateho storočia.
Podmienky pre vznik paradoxu
Rovnako ako pri zmrzline, pri experimente nezamrzne len obyčajná voda. Aby sa mohli začať hádať, ktorá voda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca, musia byť prítomné určité podmienky. Čo ovplyvňuje tento proces?
Teraz, v 21. storočí, bolo predložených niekoľko možností, ktoré môžu vysvetliť tento paradox. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, horúca alebo studená, môže závisieť od skutočnosti, že má vyššiu rýchlosť odparovania ako studená voda. Zmenšuje sa teda jej objem a s úbytkom objemu sa čas tuhnutia skracuje, ako keby sme odobrali podobný počiatočný objem studenej vody.
Mraznička je už dávno odmrazená
Ktorá voda zamrzne rýchlejšie a prečo to tak je, môže byť ovplyvnené snehovou výstelkou, ktorá sa môže nachádzať v mrazničke chladničky použitej na experiment. Ak vezmeme dve nádoby, ktoré sú objemovo rovnaké, ale jedna z nich bude obsahovať horúca voda, a v druhej - studenej, nádoba s horúca voda roztápa sneh pod ním, čím zlepšuje kontakt tepelná úroveň so stenou chladničky. nádoba s studená voda nemôže to urobiť. Ak v chladničke takéto obloženie snehom nie je, studená voda by mala rýchlejšie zamrznúť.
Hore - dole
Tiež jav, ktorého voda rýchlejšie zamrzne - horúca alebo studená, je vysvetlený nasledovne. Podľa určitých zákonov začne studená voda zamŕzať horné vrstvy za horúca to robí naopak - začína mrznúť zdola nahor. Zároveň sa ukazuje, že studená voda, ktorá má na vrchu studenú vrstvu s už miestami vytvoreným ľadom, tak zhoršuje konvekčné procesy a tepelné žiarenie, čím sa vysvetľuje, ktorá voda mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca. Priložená je fotografia z amatérskych experimentov a tu je dobre viditeľná.
Teplo ide von, smeruje nahor a tam sa stretáva s veľmi chladnou vrstvou. Neexistuje žiadna voľná cesta pre tepelné vyžarovanie, takže proces chladenia sa stáva ťažkým. Horúca voda nemá na svojej ceste absolútne žiadne takéto bariéry. Ktorá mrzne rýchlejšie – studená alebo horúca, od čoho závisí pravdepodobný výsledok, odpoveď môžete rozšíriť tým, že akákoľvek voda má v sebe rozpustené určité látky.
Nečistoty v zložení vody ako faktor ovplyvňujúci výsledok
Ak nepodvádzate a používate vodu s rovnakým zložením, kde sú koncentrácie určitých látok identické, tak by studená voda mala zamrznúť rýchlejšie. Ak ale nastane situácia, kedy sa rozp chemické prvky k dispozícii iba v horúcej vode, zatiaľ čo studená voda ich nemá, potom existuje možnosť, že horúca voda zamrzne skôr. Vysvetľuje sa to tým, že rozpustené látky vo vode vytvárajú centrá kryštalizácie a pri malom počte týchto centier je premena vody do tuhého skupenstva náročná. Dokonca je možné aj podchladenie vody v tom zmysle, že kedy mínusová teplota bude v tekutom stave.
Všetky tieto verzie však vedcom zjavne nevyhovovali a pokračovali v práci na tejto otázke. V roku 2013 tím výskumníkov v Singapure povedal, že vyriešili starú záhadu.
Skupina čínskych vedcov tvrdí, že tajomstvo tohto efektu spočíva v množstve energie, ktorá je uložená medzi molekulami vody v jej väzbách, nazývaných vodíkové väzby.
Odpoveď čínskych vedcov
Nasledujú ďalšie informácie, na pochopenie ktorých je potrebné mať určité znalosti z chémie, aby ste zistili, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - horúca alebo studená. Ako viete, pozostáva z dvoch atómov H (vodíka) a jedného atómu O (kyslíka), ktoré sú držané pohromade kovalentnými väzbami.
Ale atómy vodíka jednej molekuly sú priťahované aj susednými molekulami, ich kyslíkovou zložkou. Tieto väzby sa nazývajú vodíkové väzby.
Zároveň je potrebné pripomenúť, že molekuly vody na seba súčasne pôsobia odpudivo. Vedci poznamenali, že keď sa voda zahrieva, vzdialenosť medzi jej molekulami sa zväčšuje, čo je uľahčené odpudivými silami. Ukazuje sa, že pri obsadení jednej vzdialenosti medzi molekulami v studenom stave sa dá povedať, že sa naťahujú a majú väčší prísun energie. Práve táto energetická rezerva sa uvoľňuje, keď sa molekuly vody začnú k sebe približovať, to znamená, že dochádza k ochladzovaniu. Ukazuje sa, že väčší prísun energie v horúcej vode a jej väčšie uvoľnenie pri ochladzovaní na mínusové teploty nastáva rýchlejšie ako v studenej vode, ktorá má takú energiu menšiu zásobu. Ktorá voda teda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca? Na ulici a v laboratóriu by malo dôjsť k Mpembovmu paradoxu a horúca voda by sa mala rýchlejšie zmeniť na ľad.
Ale otázka je stále otvorená
Existuje iba teoretické potvrdenie tejto stopy - to všetko je napísané v krásnych vzorcoch a zdá sa byť pravdepodobné. Keď sa však experimentálne údaje, ktoré voda rýchlejšie zamŕza - horúca alebo studená, dostanú do praktického významu a budú prezentované ich výsledky, potom bude možné považovať otázku Mpembovho paradoxu za uzavretú.
Mpemba efekt(Mpembov paradox) - paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.
Tento jav si v tom čase všimli už Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, no až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.
Ako študent Magamby stredná škola v Tanzánii to urobil Erasto Mpemba praktická práca v kulinárskom umení. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť izbová teplota a potom vložte do chladničky zmraziť. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s prvou časťou úlohy otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.
Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s čistou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwawa, opýtal sa profesora Dennisa Osborna z University College v Dar es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby prednášal študentom o fyzike) o vode: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. prečo? Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembou publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt.
Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.
Paradoxom Mpemba efektu je čas, za ktorý sa telo ochladí na teplotu životné prostredie, by mala byť úmerná teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým efektom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.
To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť aj v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:
Odparovanie
Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie vyparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.
Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, teplota klesá v dôsledku skutočnosti, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.
teplotný rozdiel
Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.
podchladenie
Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 C.
Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštáliky ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad.
Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.
Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamŕzanie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, nastáva nasledovné. V tomto prípade tenká vrstva na povrchu nádoby sa vytvorí ľad. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade menšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.
Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, veľa viac tepla a preto sa tvorí viac ľadu.
Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.
Konvekcia
Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.
Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto , ďalšie chladenie bude pomalšie.
V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva zvýši. teplá voda na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.
Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.
Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené konvekciou.
plyny rozpustené vo vode
Voda vždy obsahuje v sebe rozpustené plyny – kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri zahrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysoká teplota nižšie. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.
Tepelná vodivosť
Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v mrazničke. chladiaci priestor v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou pod ňou roztápa ľad. mraznička, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou.
Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať.
Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.
Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.
Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu v podstate závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.
O. V. Mosin
Literárnezdrojov:
"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená voda. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.
"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; mája 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995
"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.
Mpemba efekt alebo prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená? Mpembov efekt (Mpembov paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamrzne rýchlejšie ako studená voda, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu. Tento jav si v tom čase všimli už Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, no až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená. Erasto Mpemba bol študentom strednej školy Magambin v Tanzánii, kde robil praktické kuchárske práce. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s prvou časťou úlohy otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie. Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s čistou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwawa, opýtal sa profesora Dennisa Osborna z University College v Dar es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby prednášal študentom o fyzike) o vode: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. prečo? Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembou publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt. Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty. Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa telo ochladí na teplotu okolia, musí byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým efektom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C. To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť aj v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre Mpembov efekt: Odparovanie Horúca voda sa rýchlejšie vyparuje z nádoby, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda ohriata na 100 C stráca pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty. Účinok vyparovania je dvojaký. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, teplota klesá v dôsledku skutočnosti, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy. Teplotný rozdiel Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda sa rýchlejšie ochladí. Podchladenie Pri ochladzovaní vody pod 0 C nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote -20 C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštáliky ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov. Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamŕzanie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, nastáva nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade menšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu. Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu. Konvekcia Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy sálania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto , ďalšie chladenie bude pomalšie. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by sa predpokladalo, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C. Neexistujú však žiadne experimentálne údaje. čo by potvrdilo túto hypotézu, že vrstvy studenej a horúcej vody sú oddelené konvekciou. Plyny rozpustené vo vode Voda vždy obsahuje v sebe rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokej teplote je nižšia. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť. Tepelná vodivosť Tento mechanizmus môže zohrávať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladničke s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztápa ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou. Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať. Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej. Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu v podstate závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje. O. V. Mosin
Mnoho výskumníkov predložilo a predkladá svoje vlastné verzie, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Zdalo by sa to paradoxné – veď horúca voda, aby zamrzla, musí najskôr vychladnúť. Faktom však zostáva a vedci to vysvetľujú rôznymi spôsobmi.
Hlavné verzie
V súčasnosti existuje niekoľko verzií, ktoré túto skutočnosť vysvetľujú:
- Keďže vyparovanie v horúcej vode je rýchlejšie, jej objem sa zmenšuje. Menšie množstvo vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne.
- Mraziaci priestor chladničky má snehovú výstelku. Nádoba s horúcou vodou roztopí sneh pod ňou. To zlepšuje tepelný kontakt s mrazničkou.
- Zmrazovanie studenej vody, na rozdiel od horúcej, začína zhora. V tomto prípade sa zhoršuje konvekcia a tepelné žiarenie a tým aj tepelné straty.
- V studenej vode sú centrá kryštalizácie – látky v nej rozpustené. Pri ich malom obsahu vo vode je námraza ťažká, aj keď zároveň je možné ju prechladiť - keď má pri mínusových teplotách tekuté skupenstvo.
Aj keď spravodlivo možno povedať, že tento efekt nie je vždy pozorovaný. Studená voda často zamrzne rýchlejšie ako horúca voda.
Pri akej teplote voda zamrzne
Prečo voda vôbec zamŕza? Obsahuje určité množstvo minerálnych alebo organických častíc. Môžu to byť napríklad veľmi jemné častice piesku, prachu alebo hliny. Keď teplota vzduchu klesá, tieto častice sa stávajú centrami, okolo ktorých sa tvoria ľadové kryštály.
Úlohu kryštalizačných jadier môžu plniť aj vzduchové bubliny a praskliny v nádobe s vodou. Rýchlosť procesu premeny vody na ľad je do značnej miery ovplyvnená počtom takýchto centier - ak ich je veľa, kvapalina zamrzne rýchlejšie. Za normálnych podmienok, pri normálnom atmosferický tlak, voda prechádza z kvapaliny do tuhého skupenstva pri teplote 0 stupňov.
Podstata Mpemba efektu
Mpemba efekt je chápaný ako paradox, ktorého podstatou je, že za určitých okolností horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Tento jav si všimli už Aristoteles a Descartes. Avšak až v roku 1963 Erasto Mpemba, školák z Tanzánie, zistil, že horúca zmrzlina zamrzne za kratší čas ako studená zmrzlina. Takýto záver urobil pri vykonávaní úlohy varenia.
Vo prevarenom mlieku musel rozpustiť cukor a po vychladnutí ho vložiť do chladničky zamraziť. Mpemba sa očividne nelíšil v osobitnej usilovnosti a prvú časť úlohy začal vykonávať neskoro. Preto nečakal, kým mlieko vychladne, a dal ho horúce do chladničky. Bol veľmi prekvapený, keď zamrzol ešte rýchlejšie ako u jeho spolužiakov, ktorí prácu robili v súlade s danou technológiou.
Táto skutočnosť mladého muža veľmi zaujala a začal experimentovať s obyčajnou vodou. V roku 1969 publikoval časopis Physics Education výsledky výskumu Mpembu a profesora Dennisa Osborna z Univerzity v Dar es Salaame. Efekt, ktorý opísali, dostal názov Mpemba. Avšak ani dnes neexistuje jasné vysvetlenie tohto javu. Všetci vedci sa zhodujú, že hlavnú úlohu v tom zohrávajú rozdiely vo vlastnostiach chladenej a horúcej vody, ale čo presne, nie je známe.
Singapurská verzia
Fyzikov z jednej zo singapurských univerzít zaujímala aj otázka, ktorá voda mrzne rýchlejšie – horúca alebo studená? Tím výskumníkov pod vedením Xi Zhanga vysvetlil tento paradox práve vlastnosťami vody. Každý ešte zo školy pozná zloženie vody – atóm kyslíka a dva atómy vodíka. Kyslík do určitej miery čerpá elektróny z vodíka, takže molekula je určitým druhom „magnetu“.
V dôsledku toho sa určité molekuly vo vode navzájom mierne priťahujú a sú spojené vodíkovou väzbou. Jeho pevnosť je mnohonásobne nižšia ako u kovalentnej väzby. Singapurskí vedci sa domnievajú, že vysvetlenie Mpembovho paradoxu spočíva práve vo vodíkových väzbách. Ak sú molekuly vody umiestnené veľmi blízko seba, potom takáto silná interakcia medzi molekulami môže deformovať kovalentnú väzbu v strede samotnej molekuly.
Ale keď sa voda zahreje, viazané molekuly sa od seba mierne vzdialia. V dôsledku toho dochádza k relaxácii kovalentných väzieb v strede molekúl s návratom prebytočnej energie a prechodom na najnižšiu energetickú hladinu. To vedie k tomu, že horúca voda začne rýchlo chladnúť. Aspoň to ukazujú teoretické výpočty, ktoré vykonali singapurskí vedci.
Okamžité zmrazenie vody – 5 neuveriteľných trikov: Video
