Video: air mana yang lebih cepat membeku - panas atau sejuk. Mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk?

Kesan Mpemba atau mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk? Kesan Mpemba (Mpemba Paradox) adalah paradoks yang menyatakan bahawa air panas dalam keadaan tertentu membeku lebih cepat daripada air sejuk, walaupun ia mesti melepasi suhu air sejuk dalam proses pembekuan. Paradoks ini adalah fakta eksperimen yang bercanggah dengan idea biasa, yang mengikutnya, dalam keadaan yang sama, badan yang lebih panas memerlukan lebih banyak masa untuk menyejukkan ke suhu tertentu daripada badan yang lebih sejuk untuk menyejukkan ke suhu yang sama. Fenomena ini diperhatikan pada masa itu oleh Aristotle, Francis Bacon dan Rene Descartes, tetapi hanya pada tahun 1963, budak sekolah Tanzania Erasto Mpemba mendapati bahawa campuran ais krim panas membeku lebih cepat daripada yang sejuk. Erasto Mpemba ialah seorang pelajar di Sekolah Tinggi Magambin di Tanzania melakukan kerja amali memasak. Dia terpaksa membuat ais krim buatan sendiri - susu mendidih, larutkan gula di dalamnya, sejukkan ke suhu bilik, dan kemudian masukkan ke dalam peti sejuk untuk membekukan. Nampaknya, Mpemba bukanlah seorang pelajar yang rajin dan berlengah-lengah pada bahagian pertama tugasan. Kerana takut dia tidak sampai pada waktunya menjelang tamat pelajaran, dia meletakkan susu yang masih panas itu ke dalam peti sejuk. Yang mengejutkannya, ia membeku lebih awal daripada susu rakan-rakannya, yang disediakan mengikut teknologi tertentu. Selepas itu, Mpemba bereksperimen bukan sahaja dengan susu, tetapi juga dengan air kosong. Walau apa pun, sudah menjadi pelajar di Sekolah Tinggi Mkwawa, dia bertanya kepada Profesor Dennis Osborne dari Kolej Universiti di Dar es Salaam (dijemput oleh pengarah sekolah untuk memberi syarahan mengenai fizik kepada pelajar) tentang air: "Jika anda mengambil dua bekas yang sama dengan isipadu air yang sama supaya dalam salah satu daripadanya air mempunyai suhu 35 ° C, dan dalam satu lagi - 100 ° C, dan masukkannya ke dalam peti sejuk, kemudian pada detik air akan membeku lebih cepat. kenapa? Osborne mula berminat dengan isu ini dan tidak lama kemudian pada tahun 1969, bersama-sama dengan Mpemba, mereka menerbitkan hasil eksperimen mereka dalam jurnal "Pendidikan Fizik". Sejak itu, kesan yang mereka temui dipanggil kesan Mpemba. Sehingga kini, tiada siapa yang tahu dengan tepat bagaimana untuk menerangkan kesan aneh ini. Para saintis tidak mempunyai satu versi, walaupun terdapat banyak. Ini semua tentang perbezaan dalam sifat air panas dan sejuk, tetapi masih belum jelas sifat mana yang memainkan peranan dalam kes ini: perbezaan dalam penyejukan super, penyejatan, pembentukan ais, perolakan, atau kesan gas cecair pada air pada suhu yang berbeza. Paradoks kesan Mpemba ialah masa di mana badan menjadi sejuk kepada suhu persekitaran mestilah berkadar dengan perbezaan suhu antara badan ini dan persekitaran. Undang-undang ini telah ditubuhkan oleh Newton dan sejak itu telah disahkan berkali-kali dalam amalan. Dalam kesan yang sama, air pada 100°C menyejuk hingga 0°C lebih cepat daripada jumlah air yang sama pada 35°C. Walau bagaimanapun, ini belum lagi membayangkan paradoks, kerana kesan Mpemba juga boleh dijelaskan dalam fizik yang diketahui. Berikut ialah beberapa penjelasan untuk kesan Mpemba: Penyejatan Air panas menyejat lebih cepat daripada bekas, dengan itu mengurangkan isipadunya, dan isipadu air yang lebih kecil pada suhu yang sama membeku lebih cepat. Air yang dipanaskan hingga 100 C kehilangan 16% jisimnya apabila disejukkan kepada 0 C. Kesan penyejatan ialah kesan berganda. Pertama, jisim air yang diperlukan untuk penyejukan dikurangkan. Dan kedua, suhu berkurangan disebabkan oleh fakta bahawa haba penyejatan peralihan dari fasa air ke fasa wap berkurangan. Perbezaan suhu Disebabkan oleh fakta bahawa perbezaan suhu antara air panas dan udara sejuk adalah lebih besar - maka pertukaran haba dalam kes ini lebih sengit dan air panas menyejuk lebih cepat. Penyejukan bawah Apabila air disejukkan di bawah 0 C, ia tidak sentiasa membeku. Dalam keadaan tertentu, ia boleh menjalani penyejukan super sambil terus kekal cair pada suhu di bawah takat beku. Dalam sesetengah kes, air boleh kekal cair walaupun pada suhu -20 C. Sebab untuk kesan ini ialah agar hablur ais pertama mula terbentuk, pusat pembentukan kristal diperlukan. Jika mereka tidak berada di dalam air cecair, maka penyejukan super akan diteruskan sehingga suhu turun cukup sehingga kristal mula terbentuk secara spontan. Apabila mereka mula terbentuk dalam cecair supercooled, mereka akan mula membesar dengan lebih cepat, membentuk slush ais yang akan membeku untuk membentuk ais. Air panas paling mudah terdedah kepada hipotermia kerana pemanasan ia menghilangkan gas dan buih terlarut, yang seterusnya boleh berfungsi sebagai pusat pembentukan hablur ais. Mengapakah hipotermia menyebabkan air panas membeku lebih cepat? Dalam kes air sejuk, yang tidak supersejuk, perkara berikut berlaku. Dalam kes ini, lapisan nipis ais akan terbentuk di permukaan kapal. Lapisan ais ini akan bertindak sebagai penebat antara air dan udara sejuk dan akan menghalang penyejatan selanjutnya. Kadar pembentukan hablur ais dalam kes ini akan menjadi kurang. Dalam kes air panas yang mengalami subcooling, air subcooled tidak mempunyai lapisan permukaan pelindung ais. Oleh itu, ia kehilangan haba dengan lebih cepat melalui bahagian atas terbuka. Apabila proses supercooling berakhir dan air membeku, lebih banyak haba hilang dan oleh itu lebih banyak ais terbentuk. Ramai penyelidik kesan ini menganggap hipotermia sebagai faktor utama dalam kes kesan Mpemba. Perolakan Air sejuk mula membeku dari atas, dengan itu memburukkan lagi proses sinaran haba dan perolakan, dan seterusnya kehilangan haba, manakala air panas mula membeku dari bawah. Kesan ini dijelaskan oleh anomali dalam ketumpatan air. Air mempunyai ketumpatan maksimum pada 4 C. Jika anda menyejukkan air hingga 4 C dan meletakkannya pada suhu yang lebih rendah, lapisan permukaan air akan membeku lebih cepat. Kerana air ini kurang tumpat daripada air pada 4°C, ia akan kekal di permukaan, membentuk lapisan sejuk yang nipis. Di bawah keadaan ini, lapisan nipis ais akan terbentuk di permukaan air untuk masa yang singkat, tetapi lapisan ais ini akan berfungsi sebagai penebat yang melindungi lapisan bawah air, yang akan kekal pada suhu 4 C. Oleh itu. , proses penyejukan selanjutnya akan menjadi lebih perlahan. Dalam kes air panas, keadaannya berbeza sama sekali. Lapisan permukaan air akan menjadi lebih cepat sejuk disebabkan oleh penyejatan dan perbezaan suhu yang lebih besar. Juga, lapisan air sejuk lebih tumpat daripada lapisan air panas, jadi lapisan air sejuk akan tenggelam ke bawah, mengangkat lapisan air suam ke permukaan. Peredaran air ini memastikan penurunan suhu yang cepat. Tetapi mengapa proses ini tidak mencapai titik keseimbangan? Untuk menerangkan kesan Mpemba dari sudut perolakan ini, diandaikan bahawa lapisan air sejuk dan panas diasingkan dan proses perolakan itu sendiri berterusan selepas purata suhu air turun di bawah 4 C. Walau bagaimanapun, tiada data eksperimen. yang akan mengesahkan hipotesis ini, bahawa lapisan air sejuk dan panas dipisahkan oleh perolakan. Gas Larut Dalam Air Air sentiasa mengandungi gas terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas ini mempunyai keupayaan untuk menurunkan takat beku air. Apabila air dipanaskan, gas-gas ini dibebaskan daripada air kerana keterlarutannya dalam air pada suhu tinggi adalah lebih rendah. Oleh itu, apabila air panas disejukkan, sentiasa terdapat lebih sedikit gas terlarut di dalamnya berbanding air sejuk yang tidak dipanaskan. Oleh itu, takat beku air yang dipanaskan adalah lebih tinggi dan ia lebih cepat membeku. Faktor ini kadangkala dianggap sebagai faktor utama dalam menjelaskan kesan Mpemba, walaupun tiada data eksperimen yang mengesahkan fakta ini. Kekonduksian Terma Mekanisme ini boleh memainkan peranan penting apabila air diletakkan di dalam peti sejuk beku dalam bekas kecil. Di bawah keadaan ini, telah diperhatikan bahawa bekas dengan air panas mencairkan ais penyejuk beku di bawahnya, dengan itu meningkatkan sentuhan terma dengan dinding penyejuk beku dan kekonduksian terma. Akibatnya, haba dikeluarkan dari bekas air panas lebih cepat daripada bekas sejuk. Sebaliknya, bekas dengan air sejuk tidak mencairkan salji di bawahnya. Semua keadaan ini (serta lain-lain) telah dikaji dalam banyak eksperimen, tetapi jawapan yang jelas kepada soalan - yang mana antara mereka memberikan pembiakan 100% kesan Mpemba - belum diperoleh. Jadi, sebagai contoh, pada tahun 1995, ahli fizik Jerman David Auerbach mengkaji pengaruh penyejukan super air terhadap kesan ini. Dia mendapati bahawa air panas, mencapai keadaan supersejuk, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air sejuk, dan oleh itu lebih cepat daripada yang terakhir. Tetapi air sejuk mencapai keadaan supersejuk lebih cepat daripada air panas, dengan itu mengimbangi ketinggalan sebelumnya. Di samping itu, keputusan Auerbach bercanggah dengan data awal bahawa air panas mampu mencapai penyejukan super yang lebih besar disebabkan oleh pusat penghabluran yang lebih sedikit. Apabila air dipanaskan, gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan daripadanya, dan apabila ia direbus, beberapa garam yang terlarut di dalamnya mendakan. Setakat ini, hanya satu perkara yang boleh ditegaskan - pembiakan kesan ini pada dasarnya bergantung pada keadaan di mana eksperimen dijalankan. Tepat kerana ia tidak selalu dihasilkan semula. O. V. Mosin

Kesan Mpemba(Mpemba paradox) - paradoks yang menyatakan bahawa air panas dalam keadaan tertentu membeku lebih cepat daripada air sejuk, walaupun ia mesti melepasi suhu air sejuk dalam proses pembekuan. Paradoks ini adalah fakta eksperimen yang bercanggah dengan idea biasa, yang mengikutnya, dalam keadaan yang sama, badan yang lebih panas memerlukan lebih banyak masa untuk menyejukkan ke suhu tertentu daripada badan yang lebih sejuk untuk menyejukkan ke suhu yang sama.

Fenomena ini diperhatikan pada masa itu oleh Aristotle, Francis Bacon dan Rene Descartes, tetapi hanya pada tahun 1963, budak sekolah Tanzania Erasto Mpemba mendapati bahawa campuran ais krim panas membeku lebih cepat daripada yang sejuk.

Erasto Mpemba ialah seorang pelajar di Sekolah Tinggi Magambin di Tanzania melakukan kerja amali memasak. Dia terpaksa membuat ais krim buatan sendiri - susu mendidih, larutkan gula di dalamnya, sejukkan ke suhu bilik, dan kemudian masukkan ke dalam peti sejuk untuk membekukan. Nampaknya, Mpemba bukanlah seorang pelajar yang rajin dan berlengah-lengah pada bahagian pertama tugasan. Kerana takut dia tidak sampai pada waktunya menjelang tamat pelajaran, dia meletakkan susu yang masih panas itu ke dalam peti sejuk. Yang mengejutkannya, ia membeku lebih awal daripada susu rakan-rakannya, yang disediakan mengikut teknologi tertentu.

Selepas itu, Mpemba bereksperimen bukan sahaja dengan susu, tetapi juga dengan air kosong. Walau apa pun, sudah menjadi pelajar di Sekolah Tinggi Mkwawa, dia bertanya kepada Profesor Dennis Osborne dari Kolej Universiti di Dar es Salaam (dijemput oleh pengarah sekolah untuk memberi syarahan mengenai fizik kepada pelajar) tentang air: "Jika anda mengambil dua bekas yang sama dengan isipadu air yang sama supaya dalam salah satu daripadanya air mempunyai suhu 35 ° C, dan dalam satu lagi - 100 ° C, dan masukkannya ke dalam peti sejuk, kemudian pada detik air akan membeku lebih cepat. kenapa? Osborne mula berminat dengan isu ini dan tidak lama kemudian pada tahun 1969, bersama-sama dengan Mpemba, mereka menerbitkan hasil eksperimen mereka dalam jurnal "Pendidikan Fizik". Sejak itu, kesan yang mereka temui dipanggil Kesan Mpemba.

Sehingga kini, tiada siapa yang tahu dengan tepat bagaimana untuk menerangkan kesan aneh ini. Para saintis tidak mempunyai satu versi, walaupun terdapat banyak. Ini semua tentang perbezaan dalam sifat air panas dan sejuk, tetapi masih belum jelas sifat mana yang memainkan peranan dalam kes ini: perbezaan dalam penyejukan super, penyejatan, pembentukan ais, perolakan, atau kesan gas cecair pada air pada suhu yang berbeza.

Paradoks kesan Mpemba ialah masa di mana badan menjadi sejuk kepada suhu persekitaran mestilah berkadar dengan perbezaan suhu antara badan ini dan persekitaran. Undang-undang ini telah ditubuhkan oleh Newton dan sejak itu telah disahkan berkali-kali dalam amalan. Dalam kesan yang sama, air pada 100°C menyejuk hingga 0°C lebih cepat daripada jumlah air yang sama pada 35°C.

Walau bagaimanapun, ini belum lagi membayangkan paradoks, kerana kesan Mpemba juga boleh dijelaskan dalam fizik yang diketahui. Berikut ialah beberapa penjelasan untuk kesan Mpemba:

Penyejatan

Air panas menyejat lebih cepat dari bekas, dengan itu mengurangkan isipadunya, dan isipadu air yang lebih kecil dengan suhu yang sama membeku lebih cepat. Air yang dipanaskan hingga 100 C kehilangan 16% jisimnya apabila disejukkan kepada 0 C.

Kesan penyejatan adalah kesan berganda. Pertama, jisim air yang diperlukan untuk penyejukan dikurangkan. Dan kedua, suhu berkurangan disebabkan oleh fakta bahawa haba penyejatan peralihan dari fasa air ke fasa wap berkurangan.

perbezaan suhu

Disebabkan fakta bahawa perbezaan suhu antara air panas dan udara sejuk adalah lebih besar - maka pertukaran haba dalam kes ini lebih sengit dan air panas menyejuk lebih cepat.

hipotermia

Apabila air disejukkan di bawah 0 C, ia tidak sentiasa membeku. Dalam keadaan tertentu, ia boleh menjalani penyejukan super sambil terus kekal cair pada suhu di bawah takat beku. Dalam sesetengah kes, air boleh kekal cair walaupun pada -20 C.

Sebab untuk kesan ini adalah bahawa untuk kristal ais pertama mula terbentuk, pusat pembentukan kristal diperlukan. Jika mereka tidak berada di dalam air cecair, maka penyejukan super akan diteruskan sehingga suhu turun cukup sehingga kristal mula terbentuk secara spontan. Apabila mereka mula terbentuk dalam cecair supercooled, mereka akan mula membesar dengan lebih cepat, membentuk slush ais yang akan membeku untuk membentuk ais.

Air panas paling mudah terdedah kepada hipotermia kerana pemanasan ia menghilangkan gas dan buih terlarut, yang seterusnya boleh berfungsi sebagai pusat pembentukan hablur ais.

Mengapakah hipotermia menyebabkan air panas membeku lebih cepat? Dalam kes air sejuk, yang tidak supersejuk, perkara berikut berlaku. Dalam kes ini, lapisan nipis ais akan terbentuk di permukaan kapal. Lapisan ais ini akan bertindak sebagai penebat antara air dan udara sejuk dan akan menghalang penyejatan selanjutnya. Kadar pembentukan hablur ais dalam kes ini akan menjadi kurang. Dalam kes air panas yang mengalami subcooling, air subcooled tidak mempunyai lapisan permukaan pelindung ais. Oleh itu, ia kehilangan haba dengan lebih cepat melalui bahagian atas terbuka.

Apabila proses supercooling berakhir dan air membeku, lebih banyak haba hilang dan oleh itu lebih banyak ais terbentuk.

Ramai penyelidik kesan ini menganggap hipotermia sebagai faktor utama dalam kes kesan Mpemba.

Perolakan

Air sejuk mula membeku dari atas, dengan itu memburukkan lagi proses sinaran haba dan perolakan, dan seterusnya kehilangan haba, manakala air panas mula membeku dari bawah.

Kesan ini dijelaskan oleh anomali dalam ketumpatan air. Air mempunyai ketumpatan maksimum pada 4 C. Jika anda menyejukkan air hingga 4 C dan meletakkannya pada suhu yang lebih rendah, lapisan permukaan air akan membeku lebih cepat. Kerana air ini kurang tumpat daripada air pada 4°C, ia akan kekal di permukaan, membentuk lapisan sejuk yang nipis. Di bawah keadaan ini, lapisan nipis ais akan terbentuk di permukaan air untuk masa yang singkat, tetapi lapisan ais ini akan berfungsi sebagai penebat yang melindungi lapisan bawah air, yang akan kekal pada suhu 4 C. Oleh itu. , proses penyejukan selanjutnya akan menjadi lebih perlahan.

Dalam kes air panas, keadaannya berbeza sama sekali. Lapisan permukaan air akan menjadi lebih cepat sejuk disebabkan oleh penyejatan dan perbezaan suhu yang lebih besar. Juga, lapisan air sejuk lebih tumpat daripada lapisan air panas, jadi lapisan air sejuk akan tenggelam ke bawah, mengangkat lapisan air suam ke permukaan. Peredaran air ini memastikan penurunan suhu yang cepat.

Tetapi mengapa proses ini tidak mencapai titik keseimbangan? Untuk menerangkan kesan Mpemba dari sudut perolakan ini, adalah perlu untuk mengandaikan bahawa lapisan air sejuk dan panas dipisahkan dan proses perolakan itu sendiri berterusan selepas purata suhu air turun di bawah 4 C.

Walau bagaimanapun, tiada bukti eksperimen untuk menyokong hipotesis ini bahawa lapisan air sejuk dan panas dipisahkan oleh perolakan.

gas terlarut dalam air

Air sentiasa mengandungi gas yang terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas ini mempunyai keupayaan untuk menurunkan takat beku air. Apabila air dipanaskan, gas-gas ini dibebaskan daripada air kerana keterlarutannya dalam air pada suhu tinggi adalah lebih rendah. Oleh itu, apabila air panas disejukkan, sentiasa terdapat lebih sedikit gas terlarut di dalamnya berbanding air sejuk yang tidak dipanaskan. Oleh itu, takat beku air yang dipanaskan adalah lebih tinggi dan ia lebih cepat membeku. Faktor ini kadangkala dianggap sebagai faktor utama dalam menjelaskan kesan Mpemba, walaupun tiada data eksperimen yang mengesahkan fakta ini.

Kekonduksian terma

Mekanisme ini boleh memainkan peranan penting apabila air diletakkan di dalam peti sejuk beku dalam bekas kecil. Di bawah keadaan ini, telah diperhatikan bahawa bekas dengan air panas mencairkan ais penyejuk beku di bawahnya, dengan itu meningkatkan sentuhan terma dengan dinding penyejuk beku dan kekonduksian terma. Akibatnya, haba dikeluarkan dari bekas air panas lebih cepat daripada bekas sejuk. Sebaliknya, bekas dengan air sejuk tidak mencairkan salji di bawahnya.

Semua keadaan ini (serta lain-lain) telah dikaji dalam banyak eksperimen, tetapi jawapan yang jelas kepada soalan - yang mana antara mereka memberikan pembiakan 100% kesan Mpemba - belum diperoleh.

Jadi, sebagai contoh, pada tahun 1995, ahli fizik Jerman David Auerbach mengkaji pengaruh penyejukan super air terhadap kesan ini. Dia mendapati bahawa air panas, mencapai keadaan supersejuk, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air sejuk, dan oleh itu lebih cepat daripada yang terakhir. Tetapi air sejuk mencapai keadaan supersejuk lebih cepat daripada air panas, dengan itu mengimbangi ketinggalan sebelumnya.

Di samping itu, keputusan Auerbach bercanggah dengan data awal bahawa air panas mampu mencapai penyejukan super yang lebih besar disebabkan oleh pusat penghabluran yang lebih sedikit. Apabila air dipanaskan, gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan daripadanya, dan apabila ia direbus, beberapa garam yang terlarut di dalamnya mendakan.

Setakat ini, hanya satu perkara yang boleh ditegaskan - pembiakan kesan ini pada dasarnya bergantung pada keadaan di mana eksperimen dijalankan. Tepat kerana ia tidak selalu dihasilkan semula.

O. V. Mosin

sasterasumber:

"Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Mengapa ia berbuat demikian?", Jearl Walker dalam The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, no. 3, ms 246-257; September, 1977.

"Pembekuan Air Panas dan Sejuk", G.S. Kell dalam American Journal of Physics, Vol. 37, tidak. 5, ms 564-565; Mei 1969.

"Supercooling dan kesan Mpemba", David Auerbach, dalam American Journal of Physics, Vol. 63, tidak. 10, ms 882-885; Okt, 1995.

"Kesan Mpemba: Masa beku air panas dan sejuk", Charles A. Knight, dalam American Journal of Physics, Vol. 64, tidak. 5, hlm 524; Mei, 1996.

British Royal Society of Chemistry menawarkan ganjaran £1,000 kepada sesiapa sahaja yang boleh menjelaskan secara saintifik mengapa, dalam beberapa kes, air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk.

“Sains moden masih tidak dapat menjawab soalan yang kelihatan mudah ini. Pembuat ais krim dan pelayan bar menggunakan kesan ini dalam kerja harian mereka, tetapi tiada siapa yang benar-benar tahu mengapa ia berkesan. Masalah ini telah diketahui sejak beribu tahun lalu, ahli falsafah seperti Aristotle dan Descartes telah memikirkannya,” kata Presiden Persatuan Kimia Diraja British, Profesor David Philips, yang dipetik dalam kenyataan akhbar daripada Persatuan itu.

Bagaimana seorang chef Afrika mengalahkan seorang profesor fizik British

Ini bukan jenaka April Fool, tetapi realiti fizikal yang keras. Sains hari ini, yang mudah beroperasi pada galaksi dan lubang hitam, membina pemecut gergasi untuk mencari kuark dan boson, tidak dapat menjelaskan bagaimana air unsur "berfungsi". Buku teks sekolah dengan jelas menyatakan bahawa memerlukan lebih banyak masa untuk menyejukkan badan yang panas daripada menyejukkan badan yang sejuk. Tetapi untuk air, undang-undang ini tidak selalu dipatuhi. Aristotle menarik perhatian kepada paradoks ini pada abad ke-4 SM. e. Inilah yang ditulis oleh orang Yunani kuno dalam buku "Meteorologica I": "Fakta bahawa air dipanaskan terlebih dahulu menyumbang kepada pembekuan. Oleh itu, ramai orang, apabila mereka ingin menyejukkan air panas dengan cepat, mula-mula meletakkannya di bawah sinar matahari ... ”Pada Zaman Pertengahan, Francis Bacon dan Rene Descartes cuba menjelaskan fenomena ini. Malangnya, ahli falsafah hebat mahupun ramai saintis yang membangunkan fizik terma klasik tidak berjaya dalam hal ini, dan oleh itu fakta yang menyusahkan itu "dilupakan" untuk masa yang lama.

Dan hanya pada tahun 1968 mereka "teringat" terima kasih kepada budak sekolah Erasto Mpemba dari Tanzania, jauh dari sebarang sains. Semasa belajar di sekolah memasak, pada tahun 1963, Mpembe yang berusia 13 tahun telah diberi tugas membuat aiskrim. Menurut teknologi, susu perlu direbus, larutkan gula di dalamnya, sejukkan ke suhu bilik, dan kemudian masukkan ke dalam peti sejuk untuk membekukan. Nampaknya Mpemba bukanlah seorang pelajar yang rajin dan teragak-agak. Kerana takut dia tidak sampai pada waktunya menjelang tamat pelajaran, dia meletakkan susu yang masih panas itu ke dalam peti sejuk. Yang mengejutkannya, ia membeku lebih awal daripada susu rakan-rakannya, disediakan mengikut semua peraturan.

Apabila Mpemba berkongsi penemuannya dengan seorang guru fizik, dia mengejeknya di hadapan seluruh kelas. Mpemba teringat penghinaan itu. Lima tahun kemudian, sudah menjadi pelajar di Universiti Dar es Salaam, dia berada di kuliah oleh ahli fizik terkenal Denis G. Osborne. Selepas kuliah, dia bertanya kepada saintis itu soalan: "Jika anda mengambil dua bekas yang sama dengan jumlah air yang sama, satu pada 35 °C (95 °F) dan satu lagi pada 100 °C (212 °F), dan meletakkan mereka di dalam peti sejuk, kemudian air dalam bekas panas akan membeku lebih cepat. kenapa?" Anda boleh bayangkan reaksi seorang profesor British terhadap soalan seorang lelaki muda dari Tanzania yang terkutuk. Dia mengejek pelajar itu. Bagaimanapun, Mpemba bersedia untuk jawapan sedemikian dan mencabar saintis itu untuk bertaruh. Hujah mereka memuncak dalam ujian eksperimen yang membuktikan Mpemba betul dan Osborne kalah. Jadi pelajar-tukang masak itu menulis namanya dalam sejarah sains, dan seterusnya fenomena ini dipanggil "kesan Mpemba". Untuk membuangnya, untuk mengisytiharkannya seolah-olah "tidak wujud" tidak berfungsi. Fenomena itu wujud, dan, seperti yang ditulis oleh penyair, "bukan di gigi dengan kaki."

Adakah zarah habuk dan bahan terlarut harus dipersalahkan?

Selama bertahun-tahun, ramai yang cuba merungkai misteri air beku. Sebilangan besar penjelasan untuk fenomena ini telah dicadangkan: penyejatan, perolakan, pengaruh zat terlarut - tetapi tiada satu pun daripada faktor ini boleh dianggap muktamad. Sebilangan saintis menumpukan seluruh hidup mereka untuk kesan Mpemba. James Brownridge, ahli Jabatan Keselamatan Sinaran di Universiti Negeri New York, telah mengkaji paradoks itu pada masa lapangnya selama lebih sedekad. Selepas menjalankan beratus-ratus eksperimen, saintis itu mendakwa bahawa dia mempunyai bukti "rasa bersalah" hipotermia. Brownridge menerangkan bahawa pada 0°C, air hanya menjadi supersejuk, dan mula membeku apabila suhu turun di bawah. Takat beku dikawal oleh kekotoran dalam air - ia mengubah kadar pembentukan hablur ais. Kekotoran, dan ini adalah zarah habuk, bakteria dan garam terlarut, mempunyai suhu nukleasi cirinya, apabila hablur ais terbentuk di sekitar pusat penghabluran. Apabila beberapa unsur hadir dalam air sekaligus, takat beku ditentukan oleh unsur yang mempunyai suhu nukleasi tertinggi.

Untuk eksperimen, Brownridge mengambil dua sampel air pada suhu yang sama dan meletakkannya di dalam peti sejuk. Dia mendapati bahawa salah satu spesimen sentiasa membeku sebelum yang lain - mungkin disebabkan oleh gabungan kekotoran yang berbeza.

Brownridge mendakwa bahawa air panas menyejuk lebih cepat disebabkan perbezaan suhu yang lebih besar antara air dan penyejuk beku - ini membantu ia mencapai takat bekunya sebelum air sejuk mencapai takat beku semula jadi, iaitu sekurang-kurangnya 5°C lebih rendah.

Walau bagaimanapun, alasan Brownridge menimbulkan banyak persoalan. Oleh itu, mereka yang boleh menerangkan kesan Mpemba dengan cara mereka sendiri mempunyai peluang untuk bersaing untuk mendapatkan seribu pound sterling daripada British Royal Society of Chemistry.

Kimia adalah salah satu mata pelajaran kegemaran saya di sekolah. Pernah seorang guru kimia memberi kami tugas yang sangat pelik dan sukar. Dia memberi kami senarai soalan yang perlu kami jawab dari segi kimia. Kami diberi masa beberapa hari untuk tugasan ini dan dibenarkan menggunakan perpustakaan dan sumber maklumat lain yang tersedia. Salah satu soalan ini berkaitan dengan takat beku air. Saya tidak ingat dengan tepat bagaimana soalan itu berbunyi, tetapi ia adalah mengenai hakikat bahawa jika anda mengambil dua baldi kayu dengan saiz yang sama, satu dengan air panas, satu lagi dengan air sejuk (tepat pada suhu yang ditentukan), dan letakkannya dalam persekitaran dengan suhu tertentu, yang manakah akan lebih cepat membeku? Sudah tentu, jawapannya dengan serta-merta mencadangkan dirinya - baldi air sejuk, tetapi nampaknya kami terlalu mudah. Tetapi ini tidak mencukupi untuk memberikan jawapan yang lengkap, kami perlu membuktikannya dari sudut pandangan kimia. Walaupun semua pemikiran dan penyelidikan saya, saya tidak dapat membuat kesimpulan yang logik. Pada hari ini, saya juga memutuskan untuk melangkau pelajaran ini, jadi saya tidak pernah menemui penyelesaian untuk teka-teki ini.

Tahun berlalu, dan saya belajar banyak mitos setiap hari tentang takat didih dan takat beku air, dan satu mitos berkata: "air panas membeku lebih cepat." Saya melihat banyak laman web tetapi maklumat itu terlalu bercanggah. Dan ini hanyalah pendapat, tidak berasas dari sudut pandangan sains. Dan saya memutuskan untuk menjalankan pengalaman saya sendiri. Oleh kerana saya tidak menemui baldi kayu, saya menggunakan peti sejuk beku, dapur memasak, sedikit air dan termometer digital. Saya akan bercakap tentang hasil pengalaman saya sedikit kemudian. Pertama, saya akan berkongsi dengan anda beberapa hujah menarik tentang air:

Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Kebanyakan pakar mengatakan bahawa air sejuk akan membeku lebih cepat daripada air panas. Tetapi satu fenomena lucu (yang dipanggil kesan Memba), atas sebab yang tidak diketahui, membuktikan sebaliknya: Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Salah satu daripada beberapa penjelasan ialah proses penyejatan: jika air yang sangat panas diletakkan dalam persekitaran yang sejuk, maka air akan mula menyejat (baki jumlah air akan membeku lebih cepat). Dan mengikut undang-undang kimia, ini bukan mitos sama sekali, dan kemungkinan besar inilah yang guru ingin dengar daripada kami.

Air masak membeku lebih cepat daripada air paip. Walaupun penjelasan sebelum ini, beberapa pakar berpendapat bahawa air masak yang telah disejukkan ke suhu bilik harus membeku lebih cepat kerana jumlah oksigen berkurangan akibat mendidih.

Air sejuk mendidih lebih cepat daripada air panas. Jika air panas membeku lebih cepat, maka air sejuk mungkin mendidih lebih cepat! Ini bertentangan dengan akal sehat dan saintis berpendapat bahawa ini tidak boleh. Air paip panas sebenarnya sepatutnya mendidih lebih cepat daripada air sejuk. Tetapi dengan menggunakan air panas untuk mendidih, anda tidak menjimatkan tenaga. Anda mungkin menggunakan kurang gas atau elektrik, tetapi pemanas air akan menggunakan jumlah tenaga yang sama yang diperlukan untuk memanaskan air sejuk. (Kuasa solar sedikit berbeza.) Akibat memanaskan air dengan pemanas air, sedimen mungkin terbentuk, jadi air akan mengambil masa yang lebih lama untuk dipanaskan.

Jika anda menambah garam ke dalam air, ia akan mendidih lebih cepat. Garam meningkatkan takat didih (dan oleh itu merendahkan takat beku - itulah sebabnya sesetengah suri rumah menambah sedikit garam batu ke dalam aiskrim). Tetapi dalam kes ini, kami berminat dengan soalan lain: berapa lama air akan mendidih dan sama ada takat didih dalam kes ini boleh meningkat melebihi 100 ° C). Walaupun apa yang dikatakan oleh buku masakan, saintis mengatakan bahawa jumlah garam yang kita tambah ke dalam air mendidih tidak mencukupi untuk menjejaskan masa atau suhu mendidih.

Tetapi inilah yang saya dapat:

Air sejuk: Saya menggunakan tiga bikar kaca 100 ml air tulen: satu suhu bilik (72°F/22°C), satu air panas (115°F/46°C) dan satu rebus (212°F/100° C). Saya meletakkan ketiga-tiga gelas di dalam peti sejuk pada suhu -18°C. Dan kerana saya tahu bahawa air tidak akan segera berubah menjadi ais, saya menentukan tahap pembekuan oleh "apungan kayu". Apabila tongkat, diletakkan di tengah-tengah kaca, tidak lagi menyentuh pangkal, saya percaya bahawa air telah membeku. Saya memeriksa cermin mata setiap lima minit. Dan apakah keputusan saya? Air dalam gelas pertama membeku selepas 50 minit. Air panas membeku selepas 80 minit. Rebus - selepas 95 minit. Kesimpulan Saya: Memandangkan keadaan di dalam peti sejuk dan air yang saya gunakan, saya tidak dapat menghasilkan semula kesan Memba.

Saya juga mencuba eksperimen ini dengan air masak yang telah disejukkan ke suhu bilik. Ia membeku dalam masa 60 minit - ia masih mengambil masa lebih lama daripada air sejuk untuk membeku.

Air masak: Saya mengambil satu liter air pada suhu bilik dan meletakkannya di atas api. Dia mendidih dalam 6 minit. Kemudian saya menyejukkannya ke suhu bilik sekali lagi dan menambahnya kepada yang panas. Dengan api yang sama, air panas mendidih dalam masa 4 jam 30 minit. Kesimpulan: seperti yang dijangkakan, air panas mendidih lebih cepat.

Air masak (dengan garam): Saya menambah 2 sudu besar garam meja kepada 1 liter air. Ia mendidih dalam 6 minit 33 saat, dan seperti yang ditunjukkan oleh termometer ia mencapai suhu 102°C. Tidak dinafikan, garam menjejaskan takat didih, tetapi tidak banyak. Kesimpulan: garam dalam air tidak banyak mempengaruhi suhu dan masa mendidih. Saya secara jujur ​​mengakui bahawa dapur saya sukar untuk dipanggil makmal, dan mungkin kesimpulan saya bertentangan dengan realiti. Peti sejuk beku saya mungkin membekukan makanan secara tidak rata. Cermin mata saya mungkin tidak teratur, dsb. Tetapi apa pun yang berlaku di makmal, apabila membekukan atau mendidih air di dapur, perkara yang paling penting ialah akal.

kaitkan dengan fakta menarik tentang airsemua tentang air
seperti yang dicadangkan pada forum forum.ixbt.com, kesan ini (kesan membekukan air panas lebih cepat daripada air sejuk) dipanggil "kesan Aristotle-Mpemba"

Itu. air masak (sejuk) membeku lebih cepat daripada "mentah"

Dalam formula lama yang baik H 2 O, nampaknya tiada rahsia. Tetapi sebenarnya, air - sumber kehidupan dan cecair yang paling terkenal di dunia - penuh dengan banyak misteri yang kadangkala saintis tidak dapat menyelesaikannya.

Berikut adalah 5 fakta paling menarik tentang air:

1. Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk

Ambil dua bekas air: tuangkan air panas ke dalam satu dan air sejuk ke dalam satu lagi, dan letakkan di dalam peti sejuk. Air panas akan membeku lebih cepat daripada air sejuk, walaupun secara logiknya, air sejuk sepatutnya bertukar menjadi ais dahulu: lagipun, air panas mesti terlebih dahulu menyejukkan ke suhu sejuk, dan kemudian bertukar menjadi ais, manakala air sejuk tidak perlu menyejukkan. Kenapa ini terjadi?

Pada tahun 1963, Erasto B. Mpemba, pelajar sekolah menengah atas di Tanzania, semasa membekukan campuran aiskrim yang telah disediakan, menyedari bahawa campuran panas itu lebih cepat memejal di dalam peti sejuk daripada yang sejuk. Apabila pemuda itu berkongsi penemuannya dengan seorang guru fizik, dia hanya mentertawakannya. Nasib baik, pelajar itu gigih dan meyakinkan guru untuk menjalankan eksperimen, yang mengesahkan penemuannya: dalam keadaan tertentu, air panas benar-benar membeku lebih cepat daripada air sejuk.

Sekarang fenomena air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk dipanggil kesan Mpemba. Benar, jauh sebelum dia, sifat unik air ini telah diperhatikan oleh Aristotle, Francis Bacon dan Rene Descartes.

Para saintis tidak memahami sepenuhnya sifat fenomena ini, menjelaskannya sama ada dengan perbezaan hipotermia, penyejatan, pembentukan ais, perolakan, atau kesan gas cecair pada air panas dan sejuk.

Nota dari Х.RU kepada topik "Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk".

Memandangkan isu penyejukan lebih dekat kepada kami, pakar penyejukan, kami akan membenarkan diri kami mendalami intipati masalah ini dan memberikan dua pendapat tentang sifat fenomena misteri itu.

1. Seorang saintis Universiti Washington telah menawarkan penjelasan untuk fenomena misteri yang diketahui sejak zaman Aristotle: mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk.

Fenomena yang dipanggil kesan Mpemba, digunakan secara meluas dalam amalan. Sebagai contoh, pakar menasihatkan pemandu untuk menuangkan air sejuk berbanding air panas ke dalam takungan mesin basuh pada musim sejuk. Tetapi apa yang mendasari fenomena ini kekal tidak diketahui untuk masa yang lama.

Dr. Jonathan Katz dari Universiti Washington menyiasat fenomena ini dan membuat kesimpulan bahawa bahan terlarut dalam air memainkan peranan penting di dalamnya, yang memendakan apabila dipanaskan, lapor EurekAlert.

Dengan bahan terlarut, Dr. Katz bermaksud kalsium dan magnesium bikarbonat yang terdapat dalam air keras. Apabila air dipanaskan, bahan-bahan ini mendakan, membentuk skala pada dinding cerek. Air yang tidak pernah dipanaskan mengandungi kekotoran ini. Apabila ia membeku dan hablur ais terbentuk, kepekatan bendasing dalam air meningkat 50 kali ganda. Ini merendahkan takat beku air. "Dan kini air perlu menyejukkan untuk membekukan," jelas Dr. Katz.

Terdapat sebab kedua yang menghalang pembekuan air yang tidak dipanaskan. Menurunkan takat beku air mengurangkan perbezaan suhu antara fasa pepejal dan cecair. "Oleh kerana kadar air kehilangan haba bergantung pada perbezaan suhu ini, air yang belum dipanaskan berkemungkinan kecil menjadi sejuk," kata Dr. Katz.

Menurut saintis itu, teorinya boleh diuji secara eksperimen, kerana. kesan Mpemba menjadi lebih ketara untuk air yang lebih keras.

2. Oksigen ditambah hidrogen ditambah sejuk menghasilkan ais. Pada pandangan pertama, bahan lutsinar ini kelihatan sangat mudah. Sebenarnya, ais itu penuh dengan banyak misteri. Ais yang dicipta oleh Afrika Erasto Mpemba tidak memikirkan tentang kemuliaan. Hari-hari panas. Dia mahukan popsikel. Dia mengambil satu karton jus dan memasukkannya ke dalam peti sejuk beku. Dia melakukan ini lebih daripada sekali dan oleh itu perasan bahawa jus membeku terutamanya dengan cepat, jika anda memegangnya di bawah sinar matahari sebelum itu - hanya panaskan! Ini pelik, fikir budak sekolah Tanzania itu, yang bertindak bertentangan dengan kebijaksanaan duniawi. Adakah mungkin untuk cecair bertukar menjadi ais dengan lebih cepat, ia mesti terlebih dahulu ... dipanaskan? Pemuda itu sangat terkejut sehingga dia berkongsi tekaannya dengan guru itu. Dia melaporkan rasa ingin tahu ini dalam akhbar.

Kisah ini berlaku pada tahun 1960-an. Kini "kesan Mpemba" telah diketahui oleh para saintis. Tetapi untuk masa yang lama fenomena yang kelihatan mudah ini kekal sebagai misteri. Mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk?

Sehingga tahun 1996 ahli fizik David Auerbach menemui penyelesaian. Untuk menjawab soalan ini, dia menjalankan eksperimen selama setahun penuh: dia memanaskan air dalam gelas dan menyejukkannya semula. Jadi apa yang dia dapati? Apabila dipanaskan, gelembung udara yang dilarutkan dalam air tersejat. Air tanpa gas lebih mudah membeku di dinding kapal. "Sudah tentu, air dengan kandungan udara yang tinggi juga akan membeku," kata Auerbach, "tetapi bukan pada sifar darjah Celsius, tetapi hanya pada tolak empat hingga enam darjah." Sudah tentu, anda perlu menunggu lebih lama. Jadi, air panas membeku sebelum air sejuk, ini adalah fakta saintifik.

Hampir tidak ada bahan yang akan muncul di hadapan mata kita dengan kemudahan yang sama seperti ais. Ia hanya terdiri daripada molekul air - iaitu molekul asas yang mengandungi dua atom hidrogen dan satu oksigen. Walau bagaimanapun, ais mungkin bahan paling misteri di alam semesta. Para saintis tidak dapat menjelaskan beberapa sifatnya setakat ini.

2. Supercooling dan pembekuan "flash".

Semua orang tahu bahawa air sentiasa bertukar menjadi ais apabila ia menyejuk hingga 0 °C... kecuali dalam beberapa kes! Kes sedemikian, sebagai contoh, "supercooling", yang merupakan sifat air yang sangat tulen untuk kekal cair walaupun disejukkan di bawah titik beku. Fenomena ini menjadi mungkin disebabkan oleh fakta bahawa persekitaran tidak mengandungi pusat penghabluran atau nukleus yang boleh mencetuskan pembentukan hablur ais. Oleh itu, air kekal dalam bentuk cecair, walaupun apabila disejukkan ke suhu di bawah sifar darjah Celsius. Proses penghabluran boleh dicetuskan, contohnya, oleh gelembung gas, kekotoran (pencemaran), permukaan bekas yang tidak rata. Tanpa mereka, air akan kekal dalam keadaan cair. Apabila proses penghabluran bermula, anda boleh menonton bagaimana air sejuk super serta-merta bertukar menjadi ais.

Tonton video (2 901 Kb, 60 c) oleh Phil Medina (www.mrsciguy.com) dan lihat sendiri >>

Komen. Air panas lampau juga kekal cair walaupun dipanaskan di atas takat didihnya.

3. Air "kaca".

Dengan cepat dan tanpa teragak-agak, namakan berapa banyak keadaan air yang berbeza?

Jika anda menjawab tiga (pepejal, cecair, gas), maka anda silap. Para saintis membezakan sekurang-kurangnya 5 keadaan air yang berbeza dalam bentuk cecair dan 14 keadaan ais.

Ingat perbualan tentang air super sejuk? Jadi, tidak kira apa yang anda lakukan, pada -38 ° C, walaupun air sejuk paling tulen tiba-tiba bertukar menjadi ais. Apa yang berlaku dengan penurunan selanjutnya

suhu? Pada -120 °C, sesuatu yang aneh mula berlaku kepada air: ia menjadi sangat likat atau likat, seperti molase, dan pada suhu di bawah -135 °C ia bertukar menjadi air "berkaca" atau "berkaca" - bahan pepejal di mana tiada struktur kristal.

4. Sifat kuantum air

Pada peringkat molekul, air adalah lebih menakjubkan. Pada tahun 1995, saintis menjalankan eksperimen mengenai penyerakan neutron memberikan hasil yang tidak dijangka: ahli fizik mendapati bahawa neutron yang ditujukan kepada molekul air "melihat" 25% kurang proton hidrogen daripada yang dijangkakan.

Ternyata pada kelajuan satu attosaat (10 -18 saat) kesan kuantum yang luar biasa berlaku, dan formula kimia air dan bukannya yang biasa - H 2 O, menjadi H 1.5 O!

5. Adakah air mempunyai ingatan?

Homeopati, alternatif kepada perubatan konvensional, mendakwa bahawa larutan cair produk perubatan boleh memberi kesan penyembuhan pada badan, walaupun faktor pencairannya sangat besar sehingga tiada apa-apa lagi yang tinggal dalam larutan melainkan molekul air. Penyokong homeopati menerangkan paradoks ini dengan konsep yang dipanggil "memori air", mengikut mana air pada tahap molekul mempunyai "ingatan" bahan yang telah dilarutkan di dalamnya dan mengekalkan sifat larutan kepekatan asal selepas tidak molekul tunggal bahan kekal di dalamnya.

Pasukan saintis antarabangsa yang diketuai oleh Profesor Madeleine Ennis dari Queen's University of Belfast, yang mengkritik prinsip homeopati, menjalankan eksperimen pada tahun 2002 untuk menyangkal konsep ini sekali dan untuk semua. Hasilnya adalah sebaliknya. Selepas itu, saintis berkata bahawa mereka dapat membuktikan realiti kesan "ingatan air. Walau bagaimanapun, eksperimen yang dijalankan di bawah pengawasan pakar bebas, tidak membawa hasil. Pertikaian tentang kewujudan fenomena "memori air" berterusan.

Air mempunyai banyak sifat luar biasa lain yang tidak kami bincangkan dalam artikel ini.

kesusasteraan.

1. 5 Perkara Pelik Tentang Air / http://www.neatorama.com.
2. Misteri air: teori kesan Aristotle-Mpemba dicipta / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Rahsia alam yang tidak bernyawa. Bahan paling misteri di alam semesta / http://www.bibliotekar.ru.