Video: kumpi vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?

Mpemba-ilmiö vai miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi? Mpemba-ilmiö (Mpemba Paradox) on paradoksi, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyä tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan. Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä. Erasto Mpemba opiskeli Magambin High Schoolissa Tansaniassa tekemässä käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen piti tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla. Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä. Joka tapauksessa, ollessaan jo Mkvavan lukion opiskelija, hän kysyi professori Dennis Osbornelta Dar es Salaamin yliopistosta (koulun johtaja kutsui pitämään luennon fysiikasta opiskelijoille) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä, niin että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laita ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi? Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutusta kutsutaan Mpemba-ilmiöksi. Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja. Mpemba-ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa. Tämä ei kuitenkaan vielä tarkoita paradoksia, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää myös tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on muutama selitys Mpemba-ilmiölle: Haihdutus Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä vettä samassa lämpötilassa jäätyy nopeammin. 100 C:een kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan ​​0 C:een jäähdytettynä. Haihtumisen vaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee. Lämpötilaero Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - joten lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin. Alijäähdytys Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi jäädä nestemäiseksi jopa -20 C:n lämpötilassa. Syynä tähän on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseen tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä. Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina. Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Kun kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi. Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän. Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa. Konvektio Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta. Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden maksimitiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jäähtyminen on hitaampaa. Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun. Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta oletetaan, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan toisistaan ​​ja itse konvektioprosessi jatkuu, kun veden keskilämpötila on laskenut alle 4 C. Kokeellisia tietoja ei kuitenkaan ole. joka vahvistaisi tämän hypoteesin, että kylmän ja kuuman veden kerrokset eroavat toisistaan ​​konvektiolla. Veteen liuenneet kaasut Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeassa lämpötilassa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian. Lämmönjohtavuus Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan pakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumaa vettä sisältävä säiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla. Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100% Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu. Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähdytetyn tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä. Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan suuremman alijäähdytyksen, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu. Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta. O. V. Mosin

Mpemba vaikutus(Mpemba paradoksi) - paradoksi, joka sanoo, että kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyä tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan.

Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.

Erasto Mpemba opiskeli Magambin High Schoolissa Tansaniassa tekemässä käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen piti tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.

Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä. Joka tapauksessa, ollessaan jo Mkvavan lukion opiskelija, hän kysyi professori Dennis Osbornelta Dar es Salaamin yliopistosta (koulun johtaja kutsui pitämään luennon fysiikasta opiskelijoille) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä, niin että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laita ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi? Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutus on nimeltään Mpemba vaikutus.

Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja.

Mpemba-ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa.

Tämä ei kuitenkaan vielä tarkoita paradoksia, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää myös tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:

Haihtuminen

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan ​​0 C:een jäähdytettynä.

Haihdutusvaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.

lämpötilaero

Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - joten lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

hypotermia

Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:ssa.

Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä.

Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.

Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Kun kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.

Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän.

Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.

Konvektio

Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.

Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden maksimitiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jäähtyminen on hitaampaa.

Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.

Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta pitäisi olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerros eroavat toisistaan ​​ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila laskee alle 4 C.

Kuitenkaan ei ole olemassa kokeellisia todisteita, jotka tukevat tätä hypoteesia, jonka mukaan kylmät ja kuumat vesikerrokset erottuvat konvektiosta.

veteen liuenneet kaasut

Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeassa lämpötilassa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappipakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumaa vettä sisältävä säiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla.

Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100% Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu.

Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähdytetyn tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä.

Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan suuremman alijäähdytyksen, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.

Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.

O. V. Mosin

Kirjallisuudenlähteet:

"Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Miksi se tekee niin?", Jearl Walker julkaisussa The Amateur Scientist, Scientific American, Voi. 237, nro 3, s. 246-257; syyskuuta, 1977.

"Kuuman ja kylmän veden jäätyminen", G.S. Kell julkaisussa American Journal of Physics, Voi. 37, nro. 5, s. 564-565; toukokuuta 1969.

"Supercooling and the Mpemba Effect", David Auerbach, American Journal of Physics, Voi. 63, nro. 10, s. 882-885; lokakuu, 1995.

"The Mpemba-ilmiö: kuuman ja kylmän veden jäätymisajat", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Voi. 64, nro. 5, s. 524; toukokuu, 1996.

British Royal Society of Chemistry tarjoaa 1 000 punnan palkkion jokaiselle, joka pystyy tieteellisesti selittämään, miksi kuuma vesi jäätyy joissakin tapauksissa nopeammin kuin kylmä vesi.

"Nykyaikainen tiede ei vieläkään voi vastata tähän näennäisesti yksinkertaiseen kysymykseen. Jäätelöntekijät ja baarimikot käyttävät tätä vaikutusta päivittäisessä työssään, mutta kukaan ei tiedä, miksi se toimii. Tämä ongelma on ollut tiedossa vuosituhansien ajan, ja filosofit, kuten Aristoteles ja Descartes, ovat pohtineet sitä”, sanoi professori David Philips, British Royal Society of Chemistry -yhdistyksen puheenjohtaja, järjestön lehdistötiedotteessa.

Kuinka afrikkalainen kokki voitti brittiläisen fysiikan professorin

Tämä ei ole aprillipila, vaan ankara fyysinen todellisuus. Nykypäivän tiede, joka toimii helposti galaksien ja mustien aukkojen kanssa ja rakentaa jättimäisiä kiihdyttimiä etsimään kvarkeja ja bosoneja, ei pysty selittämään, miten alkeisvesi "toimii". Koulukirjassa todetaan yksiselitteisesti, että kuuman ruumiin jäähdyttämiseen kuluu enemmän aikaa kuin kylmän ruumiin jäähdyttämiseen. Mutta veden osalta tätä lakia ei aina noudateta. Aristoteles kiinnitti huomion tähän paradoksiin 4. vuosisadalla eKr. e. Tässä on mitä antiikin kreikkalainen kirjoitti kirjassa "Meteorologica I": "Se, että vesi on esilämmitetty, edistää sen jäätymistä. Siksi monet ihmiset, kun he haluavat nopeasti jäähdyttää kuumaa vettä, laittavat sen ensin aurinkoon ... ”Keskiajalla Francis Bacon ja Rene Descartes yrittivät selittää tämän ilmiön. Valitettavasti eivät suuret filosofit tai lukuisat klassista lämpöfysiikkaa kehittäneet tiedemiehet onnistuneet tässä, ja siksi tällainen epämiellyttävä tosiasia "unohtui" pitkään.

Ja vasta vuonna 1968 he "muistivat" tansanialaisen koulupoika Erasto Mpemban ansiosta, kaukana mistään tieteestä. Vuonna 1963 13-vuotias Mpembe sai tehtäväkseen valmistaa jäätelöä keittokoulussa opiskellessaan. Tekniikan mukaan oli tarpeen keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut ahkera opiskelija ja epäröi. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen toveriensa maito, joka oli valmistettu kaikkien sääntöjen mukaan.

Kun Mpemba jakoi löytönsä fysiikan opettajalle, hän pilkkasi häntä koko luokan edessä. Mpemba muisti loukkauksen. Viisi vuotta myöhemmin hän oli jo Dar es Salaamin yliopiston opiskelijana kuuluisan fyysikon Denis G. Osbornin luennolla. Luennon jälkeen hän esitti tiedemiehelle kysymyksen: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on sama määrä vettä, toinen 35 °C:ssa (95 °F) ja toinen 100 °C:ssa (212 °F) ja laitat ne pakastimessa, niin kuumassa astiassa oleva vesi jäätyy nopeammin. Miksi?" Voit kuvitella brittiprofessorin reaktion jumalan hylkäämästä Tansaniasta kotoisin olevan nuoren miehen kysymykseen. Hän pilkkasi opiskelijaa. Mpemba oli kuitenkin valmis tällaiseen vastaukseen ja haastoi tiedemiehen vetoon. Heidän väitteensä huipentui kokeelliseen testiin, joka osoitti, että Mpemba oli oikeassa ja Osborne voitti. Niinpä opiskelija-keittiö kirjoitti nimensä tieteen historiaan, ja tästä lähtien tätä ilmiötä kutsutaan "Mpemba-ilmiöksi". Sen hylkääminen, sen julistaminen "olemattomaksi" ei toimi. Ilmiö on olemassa, ja kuten runoilija kirjoitti, "ei hampaassa jalan kanssa".

Ovatko pölyhiukkaset ja liuenneet aineet syyllisiä?

Vuosien varrella monet ovat yrittäneet selvittää veden jäätymisen mysteeriä. Tälle ilmiölle on ehdotettu useita selityksiä: haihtuminen, konvektio, liuenneiden aineiden vaikutus - mutta mitään näistä tekijöistä ei voida pitää lopullisena. Useat tiedemiehet omistivat koko elämänsä Mpemba-ilmiölle. James Brownridge, New Yorkin osavaltion yliopiston säteilyturvallisuuden laitoksen jäsen, on tutkinut paradoksia vapaa-ajallaan yli vuosikymmenen ajan. Suoritettuaan satoja kokeita tiedemies väittää, että hänellä on todisteita hypotermian "syyllisyydestä". Brownridge selittää, että 0 °C:ssa vesi vain jäähtyy ja alkaa jäätyä, kun lämpötila laskee alle. Jäätymispistettä säätelevät veden epäpuhtaudet - ne muuttavat jääkiteiden muodostumisnopeutta. Epäpuhtauksilla, ja nämä ovat pölyhiukkasia, bakteereja ja liuenneita suoloja, on tyypillinen ydintymislämpötilansa, kun jääkiteitä muodostuu kiteytyskeskusten ympärille. Kun vedessä on samanaikaisesti useita alkuaineita, jäätymispiste määräytyy sen mukaan, jonka ytimen muodostumislämpötila on korkein.

Kokeeseen Brownridge otti kaksi näytettä samassa lämpötilassa olevaa vettä ja laittoi ne pakastimeen. Hän havaitsi, että yksi näytteistä jäätyy aina ennen toista - oletettavasti erilaisen epäpuhtauksien yhdistelmän vuoksi.

Brownridge väittää, että kuuma vesi jäähtyy nopeammin veden ja pakastimen välisen suuremman lämpötilaeron vuoksi - tämä auttaa sitä saavuttamaan jäätymispisteensä ennen kuin kylmä vesi saavuttaa luonnollisen jäätymispisteensä, joka on vähintään 5 °C alempi.

Brownridgen päättely herättää kuitenkin monia kysymyksiä. Siksi niillä, jotka pystyvät selittämään Mpemba-ilmiön omalla tavallaan, on mahdollisuus kilpailla tuhannesta punnista British Royal Society of Chemistrystä.

Kemia oli yksi lempiaineistani koulussa. Kerran kemian opettaja antoi meille hyvin oudon ja vaikean tehtävän. Hän antoi meille luettelon kysymyksistä, joihin meidän oli vastattava kemian osalta. Saimme tähän tehtävään useita päiviä ja saimme käyttää kirjastoja ja muita saatavilla olevia tietolähteitä. Yksi näistä kysymyksistä koski veden jäätymispistettä. En muista tarkalleen miltä kysymys kuulosti, mutta se koski sitä, että jos otat kaksi samankokoista puista ämpäriä, joista toisessa on kuumaa vettä, toisessa kylmää vettä (täsmälleen määritetyssä lämpötilassa) ja asetat ne Kumpi ne jäätyy nopeammin ympäristössä, jossa on tietty lämpötila? Tietysti vastaus ehdotti heti itseään - ämpäri kylmää vettä, mutta se näytti meistä liian yksinkertaiselta. Mutta tämä ei riittänyt antamaan täydellistä vastausta, meidän piti todistaa se kemiallisesta näkökulmasta. Kaikesta ajattelustani ja tutkimuksestani huolimatta en voinut tehdä loogista johtopäätöstä. Tänä päivänä päätin jopa ohittaa tämän oppitunnin, joten en koskaan löytänyt ratkaisua tähän arvoitukseen.

Vuodet kuluivat, ja opin paljon jokapäiväisiä myyttejä veden kiehumispisteestä ja jäätymispisteestä, ja yksi myytti sanoi: "kuuma vesi jäätyy nopeammin." Katselin monia verkkosivustoja, mutta tiedot olivat liian ristiriitaisia. Ja nämä olivat vain mielipiteitä, tieteen kannalta perusteettomia. Ja päätin tehdä oman kokemukseni. Koska en löytänyt puisia kauhoja, käytin pakastinta, liesitasoa, vettä ja digitaalista lämpömittaria. Kerron kokemukseni tuloksista hieman myöhemmin. Ensin kerron teille mielenkiintoisia väitteitä vedestä:

Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Useimmat asiantuntijat sanovat, että kylmä vesi jäätyy nopeammin kuin kuuma vesi. Mutta yksi hassu ilmiö (ns. Memba-ilmiö), tuntemattomista syistä, todistaa päinvastaisen: kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Yksi useista selityksistä on haihdutusprosessi: jos erittäin kuuma vesi sijoitetaan kylmään ympäristöön, vesi alkaa haihtua (jäljellä oleva vesi jäätyy nopeammin). Ja kemian lakien mukaan tämä ei ole ollenkaan myytti, ja todennäköisesti tämä on se, mitä opettaja halusi kuulla meiltä.

Keitetty vesi jäätyy nopeammin kuin vesijohtovesi. Aiemmasta selityksestä huolimatta jotkut asiantuntijat väittävät, että huoneenlämpöiseksi jäähtyneen keitetyn veden pitäisi jäätyä nopeammin, koska hapen määrä vähenee kiehumisen seurauksena.

Kylmä vesi kiehuu nopeammin kuin kuuma vesi. Jos kuuma vesi jäätyy nopeammin, kylmä vesi voi kiehua nopeammin! Tämä on vastoin tervettä järkeä, ja tutkijat väittävät, että näin ei yksinkertaisesti voi olla. Kuuman vesijohtoveden pitäisi itse asiassa kiehua nopeammin kuin kylmä vesi. Mutta käyttämällä kuumaa vettä keittämiseen, et säästä energiaa. Voit käyttää vähemmän kaasua tai sähköä, mutta vedenlämmitin käyttää saman määrän energiaa kuin kylmän veden lämmittämiseen tarvitaan. (Aurinkoenergia on hieman erilainen.) Veden lämmittämisen seurauksena vedenlämmittimellä voi muodostua sedimenttiä, jolloin veden lämpeneminen kestää kauemmin.

Jos lisäät veteen suolaa, se kiehuu nopeammin. Suola nostaa kiehumispistettä (ja siten alentaa jäätymispistettä - minkä vuoksi jotkut kotiäidit lisäävät jäätelöön hieman vuorisuolaa). Mutta tässä tapauksessa olemme kiinnostuneita toisesta kysymyksestä: kuinka kauan vesi kiehuu ja voiko kiehumispiste tässä tapauksessa nousta yli 100 ° C). Huolimatta siitä, mitä keittokirjoissa sanotaan, tutkijat sanovat, että kiehuvaan veteen lisäämämme suolan määrä ei riitä vaikuttamaan kiehumisaikaan tai -lämpötilaan.

Mutta tässä mitä sain:

Kylmä vesi: Käytin kolmea 100 ml:n dekantterilasia puhdistettua vettä: yhtä huoneenlämpöistä (22 °C), yhtä kuumaa vettä (115 °F/46 °C) ja yhtä keitettyä (212 °F/100 °C). C). Laitoin kaikki kolme lasia pakastimeen -18°C:een. Ja koska tiesin, että vesi ei heti muutu jääksi, määritin jäätymisasteen "puisella kellukkeella". Kun lasin keskelle asetettu tikku ei enää koskenut pohjaan, uskoin, että vesi oli jäätynyt. Tarkistin lasit viiden minuutin välein. Ja mitkä ovat minun tulokseni? Ensimmäisen lasin vesi jäätyi 50 minuutin kuluttua. Kuuma vesi jäätyi 80 minuutin kuluttua. Keitetty - 95 minuutin kuluttua. Johtopäätökseni: Pakastimen olosuhteet ja käyttämäni vesi huomioon ottaen en pystynyt toistamaan Memba-efektiä.

Kokeilin myös tätä koetta aiemmin keitetyllä vedellä, joka oli jäähdytetty huoneenlämpöön. Se jäätyi 60 minuutissa - sen jäätyminen kesti silti kauemmin kuin kylmän veden.

Keitetty vesi: Otin litran huoneenlämpöistä vettä ja laitoin sen tuleen. Hän kiehui 6 minuutissa. Sitten jäähdytin sen uudelleen huoneenlämpöön ja lisäsin kuumaan. Samalla tulella kuuma vesi keitettiin 4 tunnissa ja 30 minuutissa. Johtopäätös: odotetusti kuuma vesi kiehuu paljon nopeammin.

Keitetty vesi (suolan kanssa): Lisäsin 2 isoa ruokalusikallista ruokasuolaa 1 litraan vettä. Se kiehui 6 minuutissa 33 sekunnissa, ja lämpömittarin mukaan se saavutti 102 °C:n lämpötilan. Epäilemättä suola vaikuttaa kiehumispisteeseen, mutta ei paljon. Johtopäätös: vedessä oleva suola ei vaikuta suuresti lämpötilaan ja kiehumisaikaan. Myönnän rehellisesti, että keittiöäni on vaikea kutsua laboratorioksi, ja ehkä päätelmäni ovat ristiriidassa todellisuuden kanssa. Pakastimeni voi jäätyä epätasaisesti. Lasilasini voivat olla epäsäännölliset jne. Mutta mitä tahansa laboratoriossa tapahtuukin, kun on kyse veden jäädyttämisestä tai keittämisestä keittiössä, tärkeintä on maalaisjärki.

linkki mielenkiintoisiin faktoihin vedestä ja vedestä
Kuten forum.ixbt.com-foorumilla ehdotettiin, tätä vaikutusta (vaikutus, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi) kutsutaan "Aristoteles-Mpemba-ilmiöksi".

Nuo. keitetty vesi (jäähdytetty) jäätyy nopeammin kuin "raaka"

Vanhassa hyvässä kaavassa H 2 O näyttää siltä, ​​​​että salaisuuksia ei ole. Mutta itse asiassa vesi - elämän lähde ja tunnetuin neste maailmassa - on täynnä monia mysteereitä, joita joskus jopa tiedemiehet eivät pysty ratkaisemaan.

Tässä on 5 mielenkiintoisinta faktaa vedestä:

1. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi

Ota kaksi vesisäiliötä: kaada kuumaa vettä toiseen ja kylmää vettä toiseen ja laita ne pakastimeen. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka loogisesti ajatellen kylmän veden olisi pitänyt muuttua ensin jääksi: kuuman veden on loppujen lopuksi ensin jäähdyttävä kylmään ja sitten muututtava jääksi, kun taas kylmän veden ei tarvitse jäähtyä. Miksi tämä tapahtuu?

Vuonna 1963 Erasto B. Mpemba, ylioppilas Tansaniassa pakastaessaan valmistettua jäätelösekoitusta, huomasi, että kuuma seos jähmettyi pakastimessa nopeammin kuin kylmä. Kun nuori mies jakoi löytönsä fysiikan opettajalle, hän vain nauroi hänelle. Onneksi opiskelija oli sinnikäs ja vakuutti opettajan suorittamaan kokeen, joka vahvisti hänen löytönsä: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi todella jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Nyt tätä ilmiötä, jossa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, kutsutaan Mpemba-ilmiöksi. Totta, kauan ennen häntä tämän ainutlaatuisen veden ominaisuuden panivat merkille Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Tutkijat eivät täysin ymmärrä tämän ilmiön luonnetta, vaan selittävät sen joko hypotermian, haihtumisen, jään muodostumisen, konvektion tai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksella kuumaan ja kylmään veteen.

Х.RU:n huomautus aiheeseen "Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi".

Koska jäähdytyskysymykset ovat meitä, jäähdytysasiantuntijoita, lähempänä, syvennytään hieman tämän ongelman olemukseen ja annetaan kaksi mielipidettä tällaisen mystisen ilmiön luonteesta.

1. Washingtonin yliopiston tiedemies on tarjonnut selityksen Aristoteleen ajoilta tunnetulle mystiselle ilmiölle: miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Ilmiö, jota kutsutaan Mpemba-ilmiöksi, on laajalti käytössä käytännössä. Esimerkiksi asiantuntijat neuvovat autoilijoita kaatamaan kylmää vettä mieluummin kuin kuumaa vettä pesukoneen säiliöön talvella. Mutta mikä tämän ilmiön taustalla on, jäi tuntemattomaksi pitkään.

Tohtori Jonathan Katz Washingtonin yliopistosta tutki tätä ilmiötä ja totesi, että veteen liuenneilla aineilla on siinä tärkeä rooli, jotka saostuvat kuumennettaessa, raportoi EurekAlert.

Liuenneilla aineilla Dr. Katz tarkoittaa kovasta vedestä löytyviä kalsium- ja magnesiumbikarbonaatteja. Kun vettä kuumennetaan, nämä aineet saostuvat ja muodostavat kalkkia vedenkeittimen seinille. Vesi, jota ei ole koskaan lämmitetty, sisältää näitä epäpuhtauksia. Kun se jäätyy ja muodostuu jääkiteitä, epäpuhtauksien pitoisuus vedessä kasvaa 50-kertaiseksi. Tämä alentaa veden jäätymispistettä. "Ja nyt veden täytyy jäähtyä jäätyäkseen", selittää tohtori Katz.

On toinen syy, joka estää lämmittämättömän veden jäätymisen. Veden jäätymispisteen alentaminen pienentää kiinteän ja nestefaasin välistä lämpötilaeroa. "Koska nopeus, jolla vesi menettää lämpöä, riippuu tästä lämpötilaerosta, vesi, jota ei ole lämmitetty, jäähtyy vähemmän todennäköisesti", sanoo tohtori Katz.

Tiedemiehen mukaan hänen teoriaansa voidaan testata kokeellisesti, koska. Mpemba-ilmiö tulee voimakkaammaksi kovemmalla vedellä.

2. Happi plus vety ja kylmä muodostavat jäätä. Ensi silmäyksellä tämä läpinäkyvä aine näyttää hyvin yksinkertaiselta. Itse asiassa jää on täynnä monia mysteereitä. Afrikkalaisen Erasto Mpemban luoma jää ei ajatellut kunniaa. Päivät olivat kuumia. Hän halusi mehujää. Hän otti mehulaatikon ja laittoi sen pakastimeen. Hän teki tämän useammin kuin kerran ja huomasi siksi, että mehu jäätyy erityisen nopeasti, jos pidät sitä auringossa ennen sitä - lämmitä vain! Tämä on outoa, ajatteli tansanialainen koulupoika, joka toimi vastoin maallista viisautta. Onko mahdollista, että jotta neste muuttuisi jääksi nopeammin, se on ensin ... lämmitettävä? Nuori mies oli niin yllättynyt, että hän kertoi arvauksensa opettajalle. Hän kertoi tästä uteliaisuudesta lehdistössä.

Tämä tarina tapahtui jo 1960-luvulla. Nyt "Mpemba-ilmiö" on tiedemiesten hyvin tiedossa. Mutta pitkään tämä näennäisesti yksinkertainen ilmiö pysyi mysteerinä. Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?

Vasta vuonna 1996 fyysikko David Auerbach löysi ratkaisun. Vastatakseen tähän kysymykseen hän suoritti koko vuoden kokeen: lämmitti vettä lasissa ja jäähdytti sen uudelleen. Joten mitä hän sai selville? Kuumennettaessa veteen liuenneet ilmakuplat haihtuvat. Vesi, jossa ei ole kaasuja, jäätyy helpommin astian seinille. "Tietenkin vesi, jossa on paljon ilmaa, jäätyy myös", Auerbach sanoo, "mutta ei nollassa, vaan vain miinus 4-6 asteessa." Tietysti joutuu odottamaan pidempään. Joten kuuma vesi jäätyy ennen kylmää vettä, tämä on tieteellinen tosiasia.

Tuskin on ainetta, joka ilmestyisi silmiemme eteen yhtä helposti kuin jää. Se koostuu vain vesimolekyyleistä - eli alkuainemolekyyleistä, jotka sisältävät kaksi vetyatomia ja yhden hapen. Jää on kuitenkin ehkä maailmankaikkeuden salaperäisin aine. Tiedemiehet eivät ole toistaiseksi pystyneet selittämään joitakin sen ominaisuuksia.

2. Superjäähdytys ja "flash" jäädytys

Kaikki tietävät, että vesi jäähtyy aina jäähtyessään 0 °C:seen... paitsi joissain tapauksissa! Tällainen tapaus on esimerkiksi "supercooling", joka on erittäin puhtaan veden ominaisuus pysyä nestemäisenä myös jäähtyneenä. Tämä ilmiö tulee mahdolliseksi, koska ympäristössä ei ole kiteytyskeskuksia tai ytimiä, jotka voisivat aiheuttaa jääkiteiden muodostumista. Ja niin vesi pysyy nestemäisessä muodossa, vaikka se jäähtyy alle nollan celsiusasteen lämpötiloihin. Kiteytysprosessin voivat laukaista esimerkiksi kaasukuplat, epäpuhtaudet (saasteet), säiliön epätasainen pinta. Ilman niitä vesi pysyy nestemäisessä tilassa. Kun kiteytysprosessi alkaa, voit seurata kuinka superjäähdytetty vesi muuttuu hetkessä jääksi.

Katso Phil Medinan (www.mrsciguy.com) video (2 901 Kb, 60 c) ja katso itse >>

Kommentti. Tulistettu vesi pysyy myös nestemäisenä, vaikka se kuumennetaan kiehumispisteensä yläpuolelle.

3. "Lasi" vesi

Nimeä nopeasti ja epäröimättä, kuinka monta eri tilaa vedellä on?

Jos vastasit kolmeen (kiinteä, nestemäinen, kaasu), olet väärässä. Tutkijat erottavat vähintään 5 erilaista nestemäistä vettä ja 14 jään tilaa.

Muistatko keskustelun superjäähdytteestä vedestä? Joten riippumatta siitä, mitä teet, -38 °C:ssa jopa puhtain superjäähdytetty vesi muuttuu yhtäkkiä jääksi. Mitä tapahtuu lisävähennyksellä

lämpötila? -120 °C:ssa vedelle alkaa tapahtua jotain outoa: se muuttuu superviskoosiksi tai viskoosiksi, kuten melassi, ja alle -135 °C:n lämpötiloissa se muuttuu "lasimaiseksi" tai "lasimaiseksi" vedeksi - kiinteäksi aineeksi, jossa ei ole kiderakennetta.

4. Veden kvanttiominaisuudet

Molekyylitasolla vesi on vieläkin yllättävämpää. Vuonna 1995 tutkijat suorittivat neutronien sironnan kokeen, joka antoi odottamattoman tuloksen: fyysikot havaitsivat, että vesimolekyyleihin suunnatut neutronit "näkevät" 25 % odotettua vähemmän vetyprotoneja.

Kävi ilmi, että yhden attosekunnin nopeudella (10 -18 sekuntia) tapahtuu epätavallinen kvanttivaikutus, ja veden kemiallisesta kaavasta tavallisen kaavan - H 2 O sijasta tulee H 1,5 O!

5. Onko vedellä muistia?

Vaihtoehtona perinteiselle lääketieteelle homeopatia väittää, että lääkevalmisteen laimealla liuoksella voi olla elimistöä parantava vaikutus, vaikka laimennuskerroin on niin suuri, ettei liuokseen jää muuta kuin vesimolekyylejä. Homeopatian kannattajat selittävät tämän paradoksin käsitteellä, jota kutsutaan "veden muistiksi", jonka mukaan vedellä molekyylitasolla on "muisti" aineesta, kun se on liuennut siihen ja säilyttää alkuperäisen pitoisuuden liuoksen ominaisuudet sen jälkeen, kun se on liuennut. ainesosan yksi molekyyli jää siihen.

Homeopatian periaatteita arvosteleva kansainvälinen tutkijaryhmä Belfastin Queen's Universityn professorin Madeleine Ennisin johdolla teki vuonna 2002 kokeen kumotakseen tämän käsitteen lopullisesti. Tulos oli päinvastainen. Sen jälkeen tiedemiehet sanoivat, että he pystyivät todistamaan "veden muistin" vaikutuksen todellisuuden. Riippumattomien asiantuntijoiden valvonnassa tehdyt kokeet eivät kuitenkaan tuottaneet tuloksia. Kiistat "veden muistin" olemassaolosta jatkuvat.

Vedellä on monia muita epätavallisia ominaisuuksia, joita emme ole käsitelleet tässä artikkelissa.

Kirjallisuus.

1. 5 todella outoa asiaa vedestä / http://www.neatorama.com.
2. Veden mysteeri: Aristoteles-Mpemba-ilmiön teoria luotiin / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Elottoman luonnon salaisuudet. Maailmankaikkeuden salaperäisin aine / http://www.bibliotekar.ru.