Hangi suyun daha hızlı, sıcak veya soğuk donduğunu etkileyen birçok faktör vardır, ancak sorunun kendisi biraz garip görünüyor. Fizikten bilinen ve ima edilen bir şey var ki, sıcak suyun su ile karşılaştırılabilir bir sıcaklığa soğuması için hala zamana ihtiyacı var. soğuk su buza dönüşmek. Soğuk suda bu aşama atlanabilir ve buna göre zamanla kazanır.
Ancak, donun dışında hangi suyun daha hızlı donduğu - soğuk veya sıcak - sorusunun cevabı, kuzey enlemlerinin herhangi bir sakinini bilir. Aslında, bilimsel olarak, her durumda, soğuk suyun daha hızlı donması gerektiği ortaya çıktı.
1963'te okul çocuğu Erasto Mpemba'nın nedenini açıklama isteğiyle yanaştığı fizik öğretmeni soğuk karışım gelecekteki dondurma, benzerlerinden daha uzun süre donar, ancak sıcaktır.
"Bu dünya fiziği değil, bir tür Mpemba fiziği"
O zaman, öğretmen buna sadece güldü, ancak bir zamanlar Erasto'nun çalıştığı aynı okula giden bir fizik profesörü olan Deniss Osborne, böyle bir etkinin varlığını deneysel olarak doğruladı, ancak o zaman bunun için bir açıklama yoktu. 1969 yılında popüler bilimsel dergi bu tuhaf etkiyi anlatan bu iki kişi tarafından ortak bir makale yayınlandı.
O zamandan beri, bu arada, hangi suyun daha hızlı donduğu - sıcak veya soğuk - sorusunun kendi adı var - Mpemba'nın etkisi veya paradoksu.
Soru uzun zamandır ortaya çıktı
Doğal olarak böyle bir olay daha önce de yaşandı ve başka bilim adamlarının eserlerinde de bahsedildi. Bu konuyla sadece okul çocuğu ilgilenmedi, Rene Descartes ve hatta Aristoteles bile kendi zamanlarında bunu düşündüler.
İşte bu paradoksu çözmeye yönelik yaklaşımlar sadece yirminci yüzyılın sonunda görünmeye başladı.
Bir paradoksun gerçekleşmesi için koşullar
Dondurmada olduğu gibi, deney sırasında donan sıradan su değildir. Hangi suyun daha hızlı donduğunu tartışmaya başlamak için belirli koşulların mevcut olması gerekir - soğuk veya sıcak. Bu sürecin gidişatını neler etkiler?
Şimdi 21. yüzyılda bu paradoksu açıklayabilecek çeşitli seçenekler ortaya atıldı. Hangi suyun daha hızlı donduğu, sıcak veya soğuk, soğuk sudan daha hızlı buharlaşma hızına sahip olmasına bağlı olabilir. Böylece hacmi azalır ve hacimde bir azalma ile donma süresi, benzer bir ilk soğuk su hacmini aldığımızdan daha kısa olur.
Dondurucuyu uzun süre çözdürün
Hangi suyun daha hızlı donduğu ve neden olduğu, deney için kullanılan buzdolabının dondurucusunda bulunabilen kar tabakasından etkilenebilir. Hacim olarak aynı olan iki kap alırsanız, ancak bunlardan biri şunları içerecektir: sıcak su, ve diğerinde - soğuk, kapta sıcak su altındaki karı eritir, böylece teması iyileştirir termal seviye buzdolabının duvarı ile. ile konteyner soğuk su bunu yapamaz. Soğutucu bölmesinde kar ile böyle bir astar yoksa, soğuk su daha hızlı donmalıdır.
Üst - Alt
Ayrıca, suyun daha hızlı donması olgusu - sıcak veya soğuk, aşağıda açıklanmıştır. Belirli yasalara göre, soğuk su donmaya başlar. üst katmanlar sıcak olduğunda, tam tersi, aşağıdan yukarıya doğru donmaya başlar. Bu durumda, üstte soğuk bir tabaka bulunan ve yer yer buz oluşmuş olan soğuk suyun, konveksiyon süreçlerini kötüleştirdiği ve Isı radyasyonu, böylece hangi suyun daha hızlı donduğunu açıklar - soğuk veya sıcak. Amatör deneylerden fotoğraflar ektedir ve burada açıkça görülmektedir.
Isı dışarı çıkar, yukarı doğru yönelir ve orada çok soğumuş bir katmanla karşılaşır. Isı radyasyonu için serbest bir yol yoktur, bu nedenle soğutma işlemi zorlaşır. Sıcak suyun yolunda kesinlikle böyle bir engel yoktur. Hangisi daha hızlı donar - olası sonucun bağlı olduğu soğuk veya sıcak, herhangi bir suyun içinde çözülmüş belirli maddelere sahip olduğu gerçeğiyle cevabı genişletebilirsiniz.
Sonucu etkileyen bir faktör olarak sudaki safsızlıklar
Hile yapmazsanız ve aynı bileşimde, belirli maddelerin konsantrasyonlarının aynı olduğu su kullanmazsanız, soğuk su daha hızlı donmalıdır. Ama çözüldüğünde bir durum oluşursa kimyasal elementler sadece sıcak suda bulunur ve soğuk su bunlara sahip değildir, o zaman sıcak suyun daha erken donması için bir fırsat vardır. Bu, sudaki çözünenlerin kristalleşme merkezleri oluşturması ve bu merkezlerin az sayıda olması nedeniyle suyun katı hale dönüştürülmesinin zor olmasıyla açıklanmaktadır. Suyun hipotermisi bile mümkündür, şu anlamda sıfırın altındaki sıcaklık sıvı halde olacaktır.
Ancak görünüşe göre tüm bu versiyonlar bilim adamlarına tam olarak uymadı ve bu konuda çalışmaya devam ettiler. 2013 yılında, Singapur'daki bir araştırma ekibi, asırlık bir gizemi çözdüklerini söyledi.
Bir grup Çinli bilim adamı, bu etkinin sırrının, hidrojen bağları adı verilen bağlarında su molekülleri arasında depolanan enerji miktarında yattığını savunuyor.
Çinli Bilim Adamlarından İpuçları
Bunu, hangi suyun daha hızlı donduğunu - sıcak veya soğuk - bulmak için kimyada biraz bilgi sahibi olmanın gerekli olduğunu anlamak için bilgi takip eder. Bildiğiniz gibi, kovalent bağlarla bir arada tutulan iki H (hidrojen) atomu ve bir O (oksijen) atomundan oluşur.
Ama aynı zamanda bir molekülün hidrojen atomları da komşu moleküllere, oksijen bileşenlerine çekilir. Hidrojen bağları olarak adlandırılan bu bağlardır.
Unutulmamalıdır ki aynı zamanda su molekülleri de birbirini iticidir. Bilim adamları, su ısındığında molekülleri arasındaki mesafenin arttığını ve bunun itici kuvvetlerden kaynaklandığını kaydetti. Soğuk durumda moleküller arasında bir mesafeyi işgal ettiklerinde, denebilecekleri söylenebilir, gerilirler ve daha büyük bir enerji kaynağına sahiptirler. Su molekülleri birbirine yaklaşmaya başladığında, yani soğuma gerçekleştiğinde açığa çıkan bu enerji deposudur. Sıcak suda daha büyük bir enerji kaynağının ve sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazla salınımının, daha az enerjiye sahip olan soğuk suya göre daha hızlı gerçekleştiği ortaya çıktı. Peki hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı? Sokakta ve laboratuvarda Mpemba paradoksu oluşmalı ve sıcak su daha hızlı buza dönüşmelidir.
Ama soru hala açık
Bu ipucunun yalnızca teorik bir doğrulaması var - tüm bunlar güzel formüllerle yazılmış ve makul görünüyor. Ancak suyun daha hızlı donduğu - sıcak veya soğuk - deneysel veriler pratik bir şekilde ortaya konduğunda ve sonuçları sunulduğunda, Mpemba paradoksu sorusu kapalı olarak kabul edilebilir.
Mpemba etkisi(Mpemba paradoksu), donma işlemi sırasında soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, sıcak suyun belirli koşullar altında soğuk suya göre daha hızlı donduğunu söyleyen bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha fazla ısıtılmış bir cismin belirli bir sıcaklığa soğumasının, daha az ısıtılmış bir cismin aynı sıcaklığa soğumasından daha uzun sürdüğüne göre olağan kavramlarla çelişen deneysel bir gerçektir.
Bu fenomen o zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi, ancak 1963'e kadar Tanzanya'lı bir okul çocuğu Erasto Mpemba, sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti.
Magambinskaya'nın öğrencisi olarak lise Tanzanya'da Erasto Mpemba yaptı pratik iş yemek pişirmek üzerine. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri çözün, soğumaya bırakın. oda sıcaklığı ve sonra dondurmak için soğutun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle çalışkan bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünü tamamlamayı erteledi. Dersin sonunda zamanında yetişemeyeceğinden korkarak sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha önce dondu.
Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sıradan suyla da deney yaptı. Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi'nin bir öğrencisi olarak, Darüsselam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik üzerine bir ders vermesi için davet edildi) özellikle su hakkında sordu: eşit hacimde su içeren aynı kaplar, böylece bir tanesinde su 35 ° C, diğerinde - 100 ° C sıcaklığa sahip olur ve dondurucuya koyun, sonra ikincisinde su daha hızlı donar. ? " Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da o ve Mpemba deneylerinin sonuçlarını "Fizik Eğitimi" dergisinde yayınladı. O zamandan beri keşfettikleri etkinin adı Mpemba etkisi.
Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Bilim adamlarının birçok versiyonu olmasına rağmen tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özellikleri arasındaki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi. farklı sıcaklıklar.
Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun belirli bir sıcaklığa kadar soğuma süresidir. Çevre, bu vücut ve çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olmalıdır. Bu yasa Newton tarafından kurulmuştur ve o zamandan beri pratikte birçok kez onaylanmıştır. Bu etkide, sıcaklığı 100 °C olan su, sıcaklığı 35 °C olan aynı miktardaki suya göre 0 °C daha hızlı soğur.
Bununla birlikte, Mpemba etkisi iyi bilinen fizik çerçevesinde açıklanabileceğinden, bu henüz bir paradoks önermez. İşte Mpemba etkisi için bazı açıklamalar:
buharlaşma
Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşır, böylece hacmi azalır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100 C'ye ısıtılan su, 0 C'ye soğutulduğunda kütlesinin % 16'sını kaybeder.
Buharlaşma etkisi - çift etki. İlk olarak, soğutma için gerekli su miktarı azaltılır. İkincisi, su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer.
Sıcaklık farkı
Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha büyük olması nedeniyle - bu nedenle, bu durumda ısı değişimi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur.
hipotermi
Su 0 C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Bazı koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederek hipotermiye maruz kalabilir. Bazı durumlarda su, -20 C sıcaklıkta bile sıvı kalabilir.
Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda yoksa, sıcaklık o kadar düşene kadar hipotermi devam eder ki kristaller kendiliğinden oluşmaya başlar. Aşırı soğutulmuş bir sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve donarak buz oluşturacak bir buzlu sulu kar oluşturacaklar.
Sıcak su, hipotermiye karşı en hassastır, çünkü ısıtılması çözünmüş gazları ve kabarcıkları giderir ve bu da buz kristallerinin oluşum merkezleri olarak işlev görebilir.
Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda ince tabaka geminin yüzeyinde buz oluşacaktır. Bu buz tabakası, su ve soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşum hızı daha yavaş olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle, üstü açık olduğundan çok daha hızlı ısı kaybeder.
Hipotermi süreci sona erdiğinde ve su donduğunda çok şey kaybedilir. daha fazla sıcaklık ve bu nedenle daha fazla buz formu.
Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.
Konveksiyon
Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçlerini ve dolayısıyla ısı kaybını kötüleştirir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar.
Bu etki su yoğunluğu anomalisi ile açıklanmaktadır. Su 4 C'de maksimum yoğunluğa sahiptir. Suyu 4 C'ye soğutur ve daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince, soğuk bir tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır, ancak bu buz tabakası, 4 C sıcaklıkta kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. , daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.
Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca soğuk su katmanları, sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı çökerek katmanı yükseltir. ılık su yüzeye. Bu su sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar.
Fakat bu süreç neden bir denge noktasına ulaşamıyor? Mpemba etkisini bu konveksiyon açısından açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığı ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiği varsayılmalıdır.
Ancak, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel veri yoktur.
Suda çözünen gazlar
Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbon dioksit... Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında, bu gazlar sudaki çözünürlükleri nedeniyle sudan salınır. Yüksek sıcaklık aşağıda. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde her zaman ısıtılmamış soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.
Termal iletkenlik
Bu mekanizma, dondurucuya su konulduğunda önemli bir rol oynayabilir. soğutma odası küçük kaplarda. Bu şartlar altında içinde sıcak su bulunan bir kabın altındaki buzu erittiği fark edildi. dondurucu böylece dondurucu duvar ile termal teması ve termal iletkenliği iyileştirir. Sonuç olarak, sıcak su ile kaptan ısı, soğuk sudan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren bir kap, altındaki karı eritmez.
Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin yüzde yüz yeniden üretilmesini sağladığı sorusuna net bir cevap alınamamıştır.
Örneğin, 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta donduğunu, yani ikincisinden daha hızlı olduğunu buldu. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş bir duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder.
Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle sıcak suyun daha fazla aşırı soğutma sağlayabileceğine dair önceden elde edilen verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içindeki çözünmüş gazlar çıkarılır ve kaynatıldığında içinde çözünen bazı tuzlar çöker.
Şimdiye kadar sadece bir şey iddia edilebilir - bu etkinin yeniden üretimi, esas olarak deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Kesinlikle çünkü her zaman yeniden üretilmiyor.
O. V. Mosin
edebikaynaklar:
"Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Neden böyle yapıyor?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Cilt. 237, Hayır. 3, sayfa 246-257; Eylül, 1977.
"Sıcak ve Soğuk Suyun Dondurulması", G.S. Kell, American Journal of Physics, Vol. 37, Hayır. 5, sayfa 564-565; Mayıs, 1969.
"Süper soğutma ve Mpemba etkisi", David Auerbach, American Journal of Physics, Cilt. 63, Hayır. 10, sayfa 882-885; Ekim, 1995.
"Mpemba etkisi: Sıcak ve soğuk suyun donma süreleri", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Cilt. 64, Hayır. 5, sayfa 524; Mayıs, 1996.
Mpemba etkisi veya sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Mpemba etkisi (Mpemba paradoksu), sıcak suyun belirli koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma işlemi sırasında soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha fazla ısıtılmış bir cismin belirli bir sıcaklığa soğumasının, daha az ısıtılmış bir cismin aynı sıcaklığa soğumasından daha uzun sürdüğüne göre olağan kavramlarla çelişen deneysel bir gerçektir. Bu fenomen o zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi, ancak 1963'e kadar Tanzanya'lı bir okul çocuğu Erasto Mpemba, sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti. Tanzanya'daki Magamba Lisesi'nde öğrenciyken Erasto Mpemba pratik yemek pişirme çalışmaları yaptı. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri çözün, oda sıcaklığına soğutun ve sonra dondurmak için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle çalışkan bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünü tamamlamayı erteledi. Dersin sonunda zamanında yetişemeyeceğinden korkarak sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha önce dondu. Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sıradan suyla da deney yaptı. Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi'nin bir öğrencisi olarak, Darüsselam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik üzerine bir ders vermesi için davet edildi) özellikle su hakkında sordu: eşit hacimde su içeren aynı kaplar, böylece bir tanesinde su 35 ° C, diğerinde - 100 ° C sıcaklığa sahip olur ve dondurucuya koyun, sonra ikincisinde su daha hızlı donar. ? " Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da o ve Mpemba deneylerinin sonuçlarını "Fizik Eğitimi" dergisinde yayınladı. O zamandan beri keşfettikleri etkiye Mpemba etkisi denir. Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Bilim adamlarının birçok versiyonu olmasına rağmen tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özellikleri arasındaki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi. farklı sıcaklıklar. Mpemba etkisinin paradoksu, bir cismin ortam sıcaklığına soğuması için geçen sürenin, bu cisim ile ortam arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından kurulmuştur ve o zamandan beri pratikte birçok kez onaylanmıştır. Bu etkide, sıcaklığı 100 °C olan su, sıcaklığı 35 °C olan aynı miktardaki suya göre 0 °C daha hızlı soğur. Bununla birlikte, Mpemba etkisi iyi bilinen fizik çerçevesinde açıklanabileceğinden, bu henüz bir paradoks önermez. İşte Mpemba etkisi için bazı açıklamalar: Buharlaşma Sıcak su bir kaptan daha hızlı buharlaşarak hacmini azaltır ve aynı sıcaklıkta daha küçük hacimde su daha hızlı donar. 100 C'ye ısıtılan su, 0 C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder. Buharlaşmanın etkisi çift etkidir. İlk olarak, soğutma için gerekli su miktarı azaltılır. İkincisi, su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer. Sıcaklık Farkı Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha fazla olması nedeniyle - bu durumda ısı değişimi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur. Hipotermi Su 0 C'nin altına düştüğünde her zaman donmaz. Bazı koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederek hipotermiye maruz kalabilir. Bazı durumlarda su –20 C sıcaklıkta bile sıvı halde kalabilir. Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda yoksa, sıcaklık o kadar düşene kadar hipotermi devam eder ki kristaller kendiliğinden oluşmaya başlar. Aşırı soğutulmuş bir sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve donarak buz oluşturacak bir buzlu sulu kar oluşturacaklar. Sıcak su, hipotermiye karşı en hassastır, çünkü ısıtılması çözünmüş gazları ve kabarcıkları giderir ve bu da buz kristallerinin oluşum merkezleri olarak işlev görebilir. Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda, kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası, su ve soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşum hızı daha yavaş olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle, üstü açık olduğundan çok daha hızlı ısı kaybeder. Hipotermi süreci sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur. Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir. Konveksiyon Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri kötüleşir ve dolayısıyla ısı kaybı, sıcak su aşağıdan donmaya başlar. Bu etki su yoğunluğu anomalisi ile açıklanmaktadır. Su 4 C'de maksimum yoğunluğa sahiptir. Suyu 4 C'ye soğutur ve daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince, soğuk bir tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır, ancak bu buz tabakası, 4 C sıcaklıkta kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. , daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır. Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ek olarak, soğuk su katmanları, sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı, ılık su katmanını yüzeye çıkararak batar. Bu su sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar. Fakat bu süreç neden bir denge noktasına ulaşamıyor? Mpemba etkisini bu konveksiyon açısından açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiğini kabul etmek gerekir. soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığı hipotezini doğrulayacak veriler. Suda çözünen gazlar Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbon dioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında, bu gazlar yüksek sıcaklıklarda suda çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde her zaman ısıtılmamış soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir. Termal İletkenlik Bu mekanizma, su küçük kaplarda bir buzdolabı bölmesine yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında, içinde sıcak su bulunan bir kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği, böylece dondurucu duvarı ile ısıl teması ve ısıl iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su ile kaptan ısı, soğuk sudan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren bir kap, altındaki karı eritmez. Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin yüzde yüz yeniden üretilmesini sağladığı sorusuna net bir cevap alınamamıştır. Örneğin, 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta donduğunu, yani ikincisinden daha hızlı olduğunu buldu. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş bir duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder. Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle sıcak suyun daha fazla aşırı soğutma sağlayabileceğine dair önceden elde edilen verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içindeki çözünmüş gazlar çıkarılır ve kaynatıldığında içinde çözünen bazı tuzlar çöker. Şimdiye kadar sadece bir şey iddia edilebilir - bu etkinin yeniden üretimi, esas olarak deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Kesinlikle çünkü her zaman yeniden üretilmiyor. O. V. Mosin
Birçok araştırmacı, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu konusunda kendi versiyonlarını ortaya koymuş ve ortaya atmaktadır. Bir paradoks gibi görünüyor - sonuçta, donmak için sıcak suyun önce soğuması gerekiyor. Ancak, gerçek devam ediyor ve bilim adamları bunu farklı şekillerde açıklıyor.
Başlıca sürümler
Şu anda, bu gerçeği açıklayan birkaç versiyon var:
- Sıcak su daha hızlı buharlaştıkça hacmi azalır. Aynı sıcaklıktaki daha az su daha hızlı donar.
- Buzdolabının dondurucu bölmesinde bir kar yastığı vardır. Sıcak su kabı altındaki karı eritir. Bu, dondurucu ile termal teması iyileştirir.
- Soğuk suyun donması, sıcak suyun aksine yukarıdan başlar. Bu durumda, konveksiyon ve ısı radyasyonu ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşir.
- Soğuk suda kristalleşme merkezleri vardır - içinde çözünmüş maddeler. Sudaki küçük bir içeriği ile buzlanma zordur, ancak aynı zamanda aşırı soğutulabilir - sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı bir duruma sahip olduğunda.
Adil olmakla birlikte, bu etkinin her zaman gözlenmediğini söyleyebiliriz. Çoğu zaman soğuk su, sıcak sudan daha hızlı donar.
Su hangi sıcaklıkta donar
Su neden hiç donmaz? Belirli miktarda mineral veya organik partikül içerir. Bunlar örneğin çok ince kum, toz veya kil parçacıkları olabilir. Hava sıcaklığı düştüğünde, bu parçacıklar, etrafında buz kristallerinin oluştuğu merkezlerdir.
Kristalizasyon çekirdeklerinin rolü, su içeren bir kaptaki hava kabarcıkları ve çatlaklar tarafından da oynanabilir. Suyu buza dönüştürme işleminin hızı, büyük ölçüde bu tür merkezlerin sayısından etkilenir - eğer birçoğu varsa, sıvı daha hızlı donar. Normal şartlar altında, normal atmosferik basınç, su 0 derece sıcaklıkta bir sıvıdan katı hale geçer.
Mpemba etkisinin özü
Mpemba etkisi, özü belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olan bir paradoks olarak anlaşılır. Bu fenomen Aristoteles ve Descartes tarafından fark edildi. Ancak 1963 yılına kadar Tanzanya'dan bir öğrenci olan Erasto Mpemba, sıcak dondurmanın soğuk dondurmadan daha kısa sürede donduğunu tespit etti. Bir yemek pişirme ödevi yaparken böyle bir sonuca vardı.
Kaynamış sütte şekeri eritmesi gerekiyordu ve soğuduktan sonra dondurmak için buzdolabına koydu. Görünüşe göre, Mpemba özel bir coşkuyla farklı değildi ve görevin ilk bölümünü gecikmeyle gerçekleştirmeye başladı. Bu nedenle sütün soğumasını beklemedi ve sıcak olarak buzdolabına koydu. Verilen teknolojiye göre işi yapan sınıf arkadaşlarından bile daha hızlı donduğunda çok şaşırdı.
Genç adam bu gerçekle çok ilgilendi ve sade su ile deneylere başladı. 1969'da Fizik Eğitimi, Dar es Salaam Üniversitesi'nden Mpemba ve Profesör Dennis Osborne tarafından yapılan araştırma sonuçlarını yayınladı. Tanımladıkları etkiye Mpemba adı verildi. Bununla birlikte, bugün bile fenomen için net bir açıklama yoktur. Tüm bilim adamları, soğutulmuş ve sıcak suyun özellikleri arasındaki bu farkta ana rolün ait olduğu konusunda hemfikirdir, ancak tam olarak hangisi bilinmemektedir.
Singapur versiyonu
Singapur üniversitelerinden birinden fizikçiler, hangi su daha hızlı donar - sıcak mı soğuk mu? Xi Zhang liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu paradoksu tam olarak suyun özellikleriyle açıkladı. Okuldaki herkes hala suyun bileşimini biliyor - bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomu. Oksijen bir dereceye kadar elektronları hidrojenden uzaklaştırır, dolayısıyla molekül bir tür "mıknatıs"tır.
Sonuç olarak, sudaki belirli moleküller hafifçe birbirini çeker ve bir hidrojen bağı ile birleştirilir. Gücü, kovalent bağdan birçok kez daha düşüktür. Singapurlu araştırmacılar, Mpemba paradoksunun açıklamasının hidrojen bağlarında yattığına inanıyor. Su molekülleri kendi aralarında çok yoğun bir şekilde yerleştirildiyse, moleküller arasındaki bu kadar güçlü bir etkileşim, molekülün ortasındaki kovalent bağı deforme edebilir.
Ancak su ısıtıldığında bağlı moleküller birbirinden biraz uzaklaşır. Sonuç olarak, moleküllerin ortasında, fazla enerjinin salınması ve daha düşük bir enerji seviyesine geçiş ile kovalent bağların gevşemesi vardır. Bu, sıcak suyun hızla soğumaya başlamasına neden olur. En azından Singapurlu bilim adamlarının yaptığı teorik hesaplamalar bunu gösteriyor.
Suyun anında dondurulması - 5 inanılmaz numara: Video
