Wideo: która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna. Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda?

Efekt Mpemby, czyli dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda? Efekt Mpemby (paradoks Mpemby) to paradoks, który stwierdza, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż zimna woda, chociaż w procesie zamrażania musi przekroczyć temperaturę zimnej wody. Paradoks ten jest faktem eksperymentalnym, który zaprzecza utartym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach bardziej ogrzane ciało potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie się do określonej temperatury niż mniej ogrzane ciało, aby ochłodzić się do tej samej temperatury. Zjawisko to zauważyli kiedyś Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku uczeń z Tanzanii Erasto Mpemba odkrył, że gorąca mieszanka lodów zamarza szybciej niż zimna. Jako uczeń Magambi High School w Tanzanii Erasto Mpemba wykonywał praktyczną pracę jako kucharz. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, ostudzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki, aby zamrozić. Najwyraźniej Mpemba nie był uczniem szczególnie pilnym i zwlekał z wykonaniem pierwszej części zadania. W obawie, że nie zdąży do końca lekcji, włożył do lodówki jeszcze gorące mleko. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według podanej technologii. Następnie Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą. W każdym razie już jako uczeń Liceum Mkwava zapytał profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar Es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły, aby wygłosił dla uczniów wykład z fizyki) konkretnie o wodę: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą objętością wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim 100°C i włóż je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej. Dlaczego?" Osborne zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce, w 1969 roku, wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od tego czasu odkryty przez nich efekt nazwano efektem Mpemby. Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wyjaśnić ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, choć jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji czy wpływie skroplonych gazów na wodę w temperaturze różne temperatury. Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas schładzania ciała do temperatury otoczenia powinien być proporcjonalny do różnicy temperatur pomiędzy tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W efekcie woda o temperaturze 100°C ochładza się do temperatury o 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C. Nie oznacza to jednak jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby: Parowanie Gorąca woda paruje szybciej z pojemnika, zmniejszając w ten sposób swoją objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej. Woda ogrzana do 100 C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0 C. Efekt parowania jest podwójny. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, temperatura spada, ponieważ zmniejsza się ciepło parowania przejścia z fazy wodnej do fazy parowej. Różnica temperatur Ze względu na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa, dlatego wymiana ciepła w tym przypadku jest bardziej intensywna, a gorąca woda szybciej się wychładza. Hipotermia Kiedy woda ochładza się poniżej 0 C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulec przechłodzeniu, pozostając płynnym w temperaturach poniżej zera. W niektórych przypadkach woda może pozostać w stanie ciekłym nawet w temperaturze -20 C. Powodem tego efektu jest to, że aby zaczęły tworzyć się pierwsze kryształki lodu, potrzebne są centra tworzenia kryształów. Jeśli nie są one obecne w wodzie w stanie ciekłym, wówczas przechłodzenie będzie kontynuowane, aż temperatura spadnie na tyle, aby kryształy utworzyły się spontanicznie. Kiedy zaczną się tworzyć w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lód pośniegowy, który zamarznie, tworząc lód. Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie usuwa rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako ośrodki tworzenia się kryształków lodu. Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, dzieje się co następuje. W takim przypadku na powierzchni naczynia utworzy się cienka warstwa lodu. Ta warstwa lodu będzie działać jako izolator między wodą a zimnym powietrzem i zapobiegnie dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia się kryształków lodu w tym przypadku będzie niższa. W przypadku gorącej wody poddanej przechłodzeniu, przechłodzona woda nie posiada ochronnej warstwy powierzchniowej lodu. Dlatego przez otwarty dach traci ciepło znacznie szybciej. Kiedy proces przechłodzenia kończy się i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, w związku z czym tworzy się więcej lodu. Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby. Konwekcja Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając w ten sposób procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu. Efekt ten tłumaczy się anomalią w gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4 C. Jeśli schłodzisz wodę do 4 C i ustawisz ją na niższą temperaturę, powierzchniowa warstwa wody zamarznie szybciej. Ponieważ woda ta ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 4 C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką, zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody w krótkim czasie utworzy się cienka warstwa lodu, która jednak będzie pełnić funkcję izolatora, chroniąc dolne warstwy wody, które utrzymają temperaturę 4°C. Dlatego dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy. W przypadku ciepłej wody sytuacja jest zupełnie inna. Powierzchniowa warstwa wody schładza się szybciej w wyniku parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, podnosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury. Ale dlaczego proces ten nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z tego punktu widzenia konwekcji, należałoby założyć, że zimna i gorąca warstwa wody oddzielają się, a sam proces konwekcji trwa dalej po spadku średniej temperatury wody poniżej 4 C. Nie ma jednak dane eksperymentalne, które potwierdzałyby tę hipotezę, że zimne i gorące warstwy wody oddzielają się w procesie konwekcji. Gazy rozpuszczone w wodzie Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy – tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Podczas podgrzewania wody gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie jest mniejsza w wysokich temperaturach. Dlatego też, gdy gorąca woda się ochładza, zawsze zawiera mniej rozpuszczonych gazów niż nieogrzewana zimna woda. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Czynnik ten jest czasami uważany za główny czynnik wyjaśniający efekt Mpemby, chociaż nie ma danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt. Przewodność cieplna Mechanizm ten może odegrać znaczącą rolę, gdy woda zostanie umieszczona w komorze chłodziarki i zamrażarce w małych pojemnikach. Zaobserwowano, że w tych warunkach pojemnik z gorącą wodą topi lód w zamrażarce znajdującej się pod nią, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny ze ścianami zamrażarki i przewodność cieplną. Dzięki temu ciepło jest usuwane ze zbiornika z gorącą wodą szybciej niż z zimnego. Z kolei pojemnik z zimną wodą nie roztapia znajdującego się pod nim śniegu. Wszystkie te (i inne) warunki badano w wielu eksperymentach, ale nigdy nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają stuprocentowe odtworzenie efektu Mpemby. Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzony, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a zatem szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzony szybciej niż gorąca woda, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie. Ponadto wyniki Auerbacha zaprzeczyły wcześniejszym danym, że gorąca woda była w stanie osiągnąć większe przechłodzenie ze względu na mniejszą liczbę ośrodków krystalizacji. Po podgrzaniu wody usuwa się z niej rozpuszczone w niej gazy, a po zagotowaniu wytrąca się część rozpuszczonych w niej soli. Na razie można stwierdzić tylko jedno – reprodukcja tego efektu w istotny sposób zależy od warunków, w jakich przeprowadzany jest eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest powielana. O. V. Mosin

Efekt Mpemby(Paradoks Mpemby) – paradoks mówiący, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż zimna woda, choć w procesie zamarzania musi przekroczyć temperaturę zimnej wody. Paradoks ten jest faktem eksperymentalnym, który zaprzecza utartym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach bardziej ogrzane ciało potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie się do określonej temperatury niż mniej ogrzane ciało, aby ochłodzić się do tej samej temperatury.

Zjawisko to zauważyli kiedyś Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku uczeń z Tanzanii Erasto Mpemba odkrył, że gorąca mieszanka lodów zamarza szybciej niż zimna.

Jako uczeń Magambi High School w Tanzanii Erasto Mpemba wykonywał praktyczną pracę jako kucharz. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, ostudzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki, aby zamrozić. Najwyraźniej Mpemba nie był uczniem szczególnie pilnym i zwlekał z wykonaniem pierwszej części zadania. W obawie, że nie zdąży do końca lekcji, włożył do lodówki jeszcze gorące mleko. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według podanej technologii.

Następnie Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą. W każdym razie już jako uczeń Liceum Mkwava zapytał profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar Es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły, aby wygłosił dla uczniów wykład z fizyki) konkretnie o wodę: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą objętością wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim 100°C i włóż je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej. Dlaczego?" Osborne zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce, w 1969 roku, wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od tego czasu odkryty przez nich efekt został nazwany Efekt Mpemby.

Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wyjaśnić ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, choć jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji czy wpływie skroplonych gazów na wodę w temperaturze różne temperatury.

Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas schładzania ciała do temperatury otoczenia powinien być proporcjonalny do różnicy temperatur pomiędzy tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W efekcie woda o temperaturze 100°C ochładza się do temperatury o 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Nie oznacza to jednak jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby:

Odparowanie

Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym swoją objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej. Woda ogrzana do 100 C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0 C.

Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, temperatura spada, ponieważ zmniejsza się ciepło parowania przejścia z fazy wodnej do fazy parowej.

Różnica temperatur

Ze względu na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa, dlatego wymiana ciepła w tym przypadku jest bardziej intensywna, a gorąca woda szybciej się wychładza.

hipotermia

Woda schłodzona poniżej 0 C nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulec przechłodzeniu, pozostając płynnym w temperaturach poniżej zera. W niektórych przypadkach woda może pozostać płynna nawet w temperaturze -20 C.

Powodem tego efektu jest to, że aby zaczęły tworzyć się pierwsze kryształki lodu, potrzebne są centra ich tworzenia. Jeśli nie są one obecne w wodzie w stanie ciekłym, wówczas przechłodzenie będzie kontynuowane, aż temperatura spadnie na tyle, aby kryształy utworzyły się spontanicznie. Kiedy zaczną się tworzyć w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lód pośniegowy, który zamarznie, tworząc lód.

Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie usuwa rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako ośrodki tworzenia się kryształków lodu.

Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, dzieje się co następuje. W takim przypadku na powierzchni naczynia utworzy się cienka warstwa lodu. Ta warstwa lodu będzie działać jako izolator między wodą a zimnym powietrzem i zapobiegnie dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia się kryształków lodu w tym przypadku będzie niższa. W przypadku gorącej wody poddanej przechłodzeniu, przechłodzona woda nie posiada ochronnej warstwy powierzchniowej lodu. Dlatego przez otwarty dach traci ciepło znacznie szybciej.

Kiedy proces przechłodzenia kończy się i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, w związku z czym tworzy się więcej lodu.

Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.

Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając w ten sposób procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.

Efekt ten tłumaczy się anomalią w gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4 C. Jeśli schłodzisz wodę do 4 C i ustawisz ją na niższą temperaturę, powierzchniowa warstwa wody zamarznie szybciej. Ponieważ woda ta ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 4 C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką, zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody w krótkim czasie utworzy się cienka warstwa lodu, która jednak będzie pełnić funkcję izolatora, chroniąc dolne warstwy wody, które utrzymają temperaturę 4°C. Dlatego dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy.

W przypadku ciepłej wody sytuacja jest zupełnie inna. Powierzchniowa warstwa wody schładza się szybciej w wyniku parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, podnosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury.

Ale dlaczego proces ten nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z tego punktu widzenia konwekcji, należałoby założyć, że zimna i gorąca warstwa wody oddzielają się, a sam proces konwekcji trwa dalej, gdy średnia temperatura wody spadnie poniżej 4 C.

Nie ma jednak dowodów eksperymentalnych potwierdzających tę hipotezę, że zimne i gorące warstwy wody oddzielają się w procesie konwekcji.

Gazy rozpuszczone w wodzie

Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy – tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Podczas podgrzewania wody gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie jest mniejsza w wysokich temperaturach. Dlatego też, gdy gorąca woda się ochładza, zawsze zawiera mniej rozpuszczonych gazów niż nieogrzewana zimna woda. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Czynnik ten jest czasami uważany za główny czynnik wyjaśniający efekt Mpemby, chociaż nie ma danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt.

Przewodność cieplna

Mechanizm ten może odegrać znaczącą rolę, gdy woda zostanie umieszczona w komorze chłodziarki i zamrażarce w małych pojemnikach. Zaobserwowano, że w tych warunkach pojemnik z gorącą wodą topi lód w zamrażarce znajdującej się pod nią, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny ze ścianami zamrażarki i przewodność cieplną. Dzięki temu ciepło jest usuwane ze zbiornika z gorącą wodą szybciej niż z zimnego. Z kolei pojemnik z zimną wodą nie roztapia znajdującego się pod nim śniegu.

Wszystkie te (i inne) warunki badano w wielu eksperymentach, ale nigdy nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają stuprocentowe odtworzenie efektu Mpemby.

Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzony, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a zatem szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzony szybciej niż gorąca woda, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie.

Ponadto wyniki Auerbacha zaprzeczyły wcześniejszym danym, że gorąca woda była w stanie osiągnąć większe przechłodzenie ze względu na mniejszą liczbę ośrodków krystalizacji. Po podgrzaniu wody usuwa się z niej rozpuszczone w niej gazy, a po zagotowaniu wytrąca się część rozpuszczonych w niej soli.

Na razie można stwierdzić tylko jedno – reprodukcja tego efektu w istotny sposób zależy od warunków, w jakich przeprowadzany jest eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest powielana.

O. V. Mosin

Literackiźródła:

„Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda. Dlaczego tak się dzieje?”, Jearl Walker w The Amateur Scientist, Scientific American, tom. 237, Nie. 3, s. 246-257; Wrzesień 1977.

„Zamarzanie ciepłej i zimnej wody”, G.S. Kell w American Journal of Physics, tom. 37, Nie. 5, s. 564-565; Maj 1969.

„Przechłodzenie i efekt Mpemby”, David Auerbach, w American Journal of Physics, tom. 63, Nie. 10, s. 882-885; Październik 1995.

„Efekt Mpemby: czasy zamarzania gorącej i zimnej wody”, Charles A. Knight, w American Journal of Physics, tom. 64, Nie. 5, s. 524; Maj 1996.

Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemiczne oferuje nagrodę w wysokości 1000 funtów każdemu, kto w naukowy sposób wyjaśni, dlaczego w niektórych przypadkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna.

„Współczesna nauka wciąż nie jest w stanie odpowiedzieć na to pozornie proste pytanie. Producenci lodów i barmani wykorzystują ten efekt w swojej codziennej pracy, ale nikt tak naprawdę nie wie, dlaczego to działa. Problem ten jest znany od tysiącleci i zastanawiali się nad nim filozofowie tacy jak Arystoteles i Kartezjusz” – powiedział profesor David Phillips, prezes Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemii, cytowany w komunikacie prasowym Towarzystwa.

Jak kucharz z Afryki pokonał brytyjskiego profesora fizyki

To nie jest żart primaaprilisowy, ale brutalna rzeczywistość fizyczna. Współczesna nauka, która z łatwością operuje galaktykami i czarnymi dziurami oraz buduje gigantyczne akceleratory do poszukiwania kwarków i bozonów, nie jest w stanie wyjaśnić, jak „działa” woda elementarna. W podręczniku szkolnym wyraźnie jest napisane, że schłodzenie ciała cieplejszego zajmuje więcej czasu niż schłodzenie ciała zimnego. Ale w przypadku wody to prawo nie zawsze jest przestrzegane. Na ten paradoks zwrócił uwagę Arystoteles już w IV wieku p.n.e. mi. Oto, co starożytny Grek napisał w swojej książce Meteorologica I: „Podgrzanie wody powoduje jej zamarznięcie. Dlatego wiele osób, chcąc szybciej schłodzić ciepłą wodę, najpierw wystawia ją na słońce...” W średniowieczu Francis Bacon i Rene Descartes próbowali wyjaśnić to zjawisko. Niestety, nie udało się to ani wielkim filozofom, ani licznym naukowcom, którzy rozwinęli klasyczną termofizykę, dlatego tak niewygodny fakt został „zapomniany” na długi czas.

I dopiero w 1968 roku „przypomnieli sobie” dzięki uczniowi Erasto Mpembe z Tanzanii, dalekiej od jakiejkolwiek nauki. Podczas nauki w szkole sztuk kulinarnych w 1963 roku 13-letniemu Mpembe powierzono zadanie zrobienia lodów. Zgodnie z technologią należało zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, schłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był pilnym uczniem i zawahał się. W obawie, że nie zdąży do końca lekcji, włożył do lodówki jeszcze gorące mleko. Ku jego zaskoczeniu zamarzło jeszcze wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według wszelkich zasad.

Kiedy Mpemba podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten wyśmiał go przed całą klasą. Mpemba przypomniał sobie tę zniewagę. Pięć lat później, już jako student uniwersytetu w Dar es Salaam, wziął udział w wykładzie słynnego fizyka Denisa G. Osborne'a. Po wykładzie zadał naukowcowi pytanie: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą ilością wody, jeden o temperaturze 35°C (95°F), a drugi o temperaturze 100°C (212°F) i umieścicie je w zamrażarce, wówczas Woda w gorącym pojemniku zamarznie szybciej. Dlaczego?" Można sobie wyobrazić reakcję brytyjskiego profesora na pytanie młodego mężczyzny z zapomnianej przez Boga Tanzanii. Naśmiewał się ze studenta. Jednak Mpemba był gotowy na taką odpowiedź i rzucił naukowcowi zakład. Ich spór zakończył się eksperymentalnym testem, który potwierdził, że Mpemba miał rację, a Osborne pokonał. W ten sposób praktykant kucharz zapisał się w historii nauki i odtąd zjawisko to nazywane jest „efektem Mpemby”. Nie da się go odrzucić, uznać za „nieistniejący”. Zjawisko istnieje i – jak napisał poeta – „nie boli”.

Czy winne są cząsteczki kurzu i substancje rozpuszczone?

Przez lata wielu próbowało rozwikłać tajemnicę zamarzania wody. Zaproponowano całą masę wyjaśnień tego zjawiska: parowanie, konwekcja, wpływ substancji rozpuszczonych – żadnego z tych czynników nie można jednak uznać za ostateczne. Wielu naukowców poświęciło całe swoje życie efektowi Mpemby. James Brownridge, członek Wydziału Bezpieczeństwa Radiacyjnego na Uniwersytecie Stanowym w Nowym Jorku, od dziesięciu lat w wolnym czasie bada ten paradoks. Po przeprowadzeniu setek eksperymentów naukowiec twierdzi, że ma dowody na „winę” hipotermii. Brownridge wyjaśnia, że w temperaturze 0°C woda ulega jedynie przechłodzeniu i zaczyna zamarzać, gdy temperatura spadnie poniżej. Temperatura zamarzania jest regulowana przez zanieczyszczenia znajdujące się w wodzie - zmieniają one szybkość tworzenia się kryształków lodu. Zanieczyszczenia, takie jak cząsteczki kurzu, bakterie i rozpuszczone sole, mają charakterystyczną temperaturę zarodkowania, gdy wokół ośrodków krystalizacji tworzą się kryształki lodu. Gdy w wodzie występuje jednocześnie kilka pierwiastków, o temperaturze zamarzania decyduje ten, który ma najwyższą temperaturę zarodkowania.

Na potrzeby eksperymentu Brownridge pobrał dwie próbki wody o tej samej temperaturze i umieścił je w zamrażarce. Odkrył, że jeden z okazów zawsze zamarzał przed drugim, prawdopodobnie z powodu innej kombinacji zanieczyszczeń.

Brownridge twierdzi, że gorąca woda schładza się szybciej, ponieważ istnieje większa różnica między temperaturą wody a temperaturą zamrażarki – pomaga to osiągnąć punkt zamarzania, zanim zimna woda osiągnie swój naturalny punkt zamarzania, który jest co najmniej o 5°C niższy.

Jednakże rozumowanie Brownridge’a rodzi wiele pytań. Dlatego ci, którzy na swój sposób potrafią wyjaśnić efekt Mpemby, mają szansę powalczyć o tysiąc funtów szterlingów od Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemii.

Jednym z moich ulubionych przedmiotów w szkole była chemia. Pewnego razu nauczyciel chemii dał nam bardzo dziwne i trudne zadanie. Dał nam listę pytań, na które musieliśmy odpowiedzieć z zakresu chemii. Na to zadanie otrzymaliśmy kilka dni i pozwolono nam skorzystać z bibliotek i innych dostępnych źródeł informacji. Jedno z tych pytań dotyczyło temperatury zamarzania wody. Nie pamiętam dokładnie, jak brzmiało pytanie, ale chodziło o to, że jeśli weźmie się dwa drewniane wiadra tej samej wielkości, jedno z gorącą wodą, drugie z zimną (o dokładnie wskazanej temperaturze), i umieści się je w środowisko o określonej temperaturze, która będzie Czy zamarzną szybciej? Oczywiście odpowiedź od razu nasunęła się sama – wiadro zimnej wody, ale uznaliśmy, że to zbyt proste. Ale to nie wystarczyło, aby dać pełną odpowiedź; musieliśmy to udowodnić z chemicznego punktu widzenia. Pomimo całego mojego myślenia i badań nie mogłem dojść do logicznego wniosku. Postanowiłem nawet tego dnia pominąć tę lekcję, więc nigdy nie poznałem rozwiązania tej zagadki.

Minęły lata i poznałem wiele codziennych mitów na temat temperatury wrzenia i zamarzania wody, a jeden z nich brzmiał: „gorąca woda zamarza szybciej”. Przeglądałem wiele stron internetowych, ale informacje były zbyt sprzeczne. A to były tylko opinie, bezpodstawne z naukowego punktu widzenia. I postanowiłem przeprowadzić własny eksperyment. Ponieważ nie mogłem znaleźć drewnianych wiader, skorzystałem z zamrażarki, kuchenki, wody i termometru cyfrowego. O wynikach moich doświadczeń opowiem nieco później. Najpierw podzielę się z Wami kilkoma ciekawymi argumentami na temat wody:

Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Większość ekspertów twierdzi, że zimna woda zamarza szybciej niż gorąca. Ale jedno zabawne zjawisko (tak zwany efekt Memby) z nieznanych przyczyn dowodzi czegoś przeciwnego: gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda. Jednym z kilku wyjaśnień jest proces parowania: jeśli bardzo gorąca woda zostanie umieszczona w zimnym otoczeniu, woda zacznie parować (pozostała ilość wody zamarznie szybciej). I zgodnie z prawami chemii wcale nie jest to mit i najprawdopodobniej właśnie to chciał od nas usłyszeć nauczyciel.

Przegotowana woda zamarza szybciej niż woda z kranu. Pomimo wcześniejszych wyjaśnień niektórzy eksperci twierdzą, że przegotowana woda schłodzona do temperatury pokojowej powinna zamarzać szybciej, ponieważ gotowanie zmniejsza ilość tlenu.

Zimna woda wrze szybciej niż gorąca. Jeśli gorąca woda zamarza szybciej, to może zimna woda wrze szybciej! Jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, a naukowcy twierdzą, że tak być nie może. Gorąca woda z kranu powinna wrzeć szybciej niż zimna. Jednak gotowanie gorącej wody nie oszczędza energii. Możesz zużyć mniej gazu lub światła, ale podgrzewacz wody zużyje taką samą ilość energii potrzebnej do podgrzania zimnej wody. (W przypadku energii słonecznej sytuacja jest nieco inna). W wyniku podgrzania wody przez podgrzewacz może pojawić się osad, przez co woda będzie się dłużej nagrzewać.

Jeśli dodasz soli do wody, zagotuje się ona szybciej. Sól podnosi temperaturę wrzenia (i odpowiednio obniża temperaturę zamarzania - dlatego niektóre gospodynie domowe dodają do lodów odrobinę soli kamiennej). Ale w tym przypadku interesuje nas inne pytanie: jak długo woda będzie się gotować i czy temperatura wrzenia w tym przypadku może wzrosnąć powyżej 100°C). Wbrew temu, co mówią książki kucharskie, naukowcy twierdzą, że ilość soli, którą dodajemy do wrzącej wody, nie jest wystarczająca, aby wpłynąć na czas i temperaturę gotowania.

Ale oto co dostałem:

Zimna woda: Użyłem trzech szklanych szklanek oczyszczonej wody o pojemności 100 ml: jednej szklanki o temperaturze pokojowej (22°C), jednej z gorącą wodą (115°F/46°C) i jednej z przegotowaną wodą (212°C). °F/100°C). Wszystkie trzy szklanki umieściłam w zamrażarce w temperaturze -18°C. A ponieważ wiedziałem, że woda nie zamieni się od razu w lód, stopień zamarzania określiłem za pomocą „drewnianego pływaka”. Kiedy patyczek umieszczony na środku szklanki przestał dotykać podstawy, uznałem, że woda jest zamarznięta. Sprawdzałem okulary co pięć minut. A jakie są moje wyniki? Woda w pierwszej szklance zamarzła po 50 minutach. Gorąca woda zamarzła po 80 minutach. Gotowane - po 95 minutach. Moje wnioski: Biorąc pod uwagę warunki w zamrażarce i wodę, której użyłem, nie byłem w stanie odtworzyć efektu Memba.

Próbowałem także tego eksperymentu z wcześniej przegotowaną wodą, która ostygła do temperatury pokojowej. Zamarzło w 60 minut – i tak trwało to dłużej niż zamarznięcie zimnej wody.

Przegotowana woda: Wziąłem litr wody o temperaturze pokojowej i podpaliłem. Gotowało się w ciągu 6 minut. Następnie ostudziłem go z powrotem do temperatury pokojowej i dodałem, gdy był gorący. Przy tym samym ogniu gorąca woda zagotowała się w ciągu 4 godzin i 30 minut. Wniosek: zgodnie z oczekiwaniami gorąca woda wrze znacznie szybciej.

Przegotowana woda (z solą): Na 1 litr wody dodałam 2 duże łyżki soli kuchennej. Gotowała się w ciągu 6 minut i 33 sekund i jak wskazywał termometr, osiągnęła temperaturę 102°C. Niewątpliwie sól wpływa na temperaturę wrzenia, ale niewiele. Wniosek: sól w wodzie nie wpływa znacząco na temperaturę i czas wrzenia. Przyznam szczerze, że moją kuchnię trudno nazwać laboratorium i być może moje wnioski są sprzeczne z rzeczywistością. Moja zamrażarka może nie zamrażać żywności równomiernie. Moje szklane okulary mogły mieć nieregularny kształt itp. Jednak cokolwiek dzieje się w laboratorium, jeśli chodzi o zamrożenie czy zagotowanie wody w kuchni, najważniejszy jest zdrowy rozsądek.

link do ciekawostek o wodziewszystko o wodzie
zgodnie z sugestią na forum forum.ixbt.com efekt ten (efekt szybszego zamarzania gorącej wody niż zimnej) nazywany jest „efektem Arystotelesa-Mpemby”

Te. Woda przegotowana (schłodzona) zamarza szybciej niż woda „surowa”.

Wydawać by się mogło, że stara, dobra formuła H 2 O nie kryje żadnych tajemnic. Ale tak naprawdę woda – źródło życia i najsłynniejsza ciecz na świecie – kryje w sobie wiele tajemnic, których czasami nawet naukowcy nie są w stanie rozwiązać.

Oto 5 najciekawszych faktów na temat wody:

1. Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda

Weźmy dwa pojemniki z wodą: do jednego wlej gorącą wodę, do drugiego zimną wodę i włóż je do zamrażarki. Gorąca woda zamarznie szybciej niż zimna woda, chociaż logicznie rzecz biorąc, zimna woda powinna najpierw zamienić się w lód: w końcu gorąca woda musi najpierw ostygnąć do zimnej temperatury, a następnie zamienić się w lód, podczas gdy zimna woda nie musi się ochładzać. Dlaczego to się dzieje?

W 1963 roku Erasto B. Mpemba, uczeń szkoły średniej w Tanzanii, zamrażał mieszankę lodową i zauważył, że gorąca mieszanka krzepnie w zamrażarce szybciej niż zimna. Kiedy młody człowiek podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten tylko się wyśmiał. Na szczęście uczeń był wytrwały i namówił nauczyciela do przeprowadzenia eksperymentu, który potwierdził jego odkrycie: w pewnych warunkach gorąca woda faktycznie zamarza szybciej niż zimna woda.

Obecnie to zjawisko polegające na szybszym zamarzaniu gorącej wody niż zimnej nazywa się „efektem Mpemby”. To prawda, że na długo przed nim tę wyjątkową właściwość wody zauważyli Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes.

Naukowcy wciąż nie do końca rozumieją naturę tego zjawiska, tłumacząc je różnicą w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji lub wpływem skroplonych gazów na gorącą i zimną wodę.

Notatka od X.RU na temat „Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda”.

Ponieważ tematyka chłodnictwa jest nam, specjalistom chłodnictwa, bliższa, pozwolimy sobie nieco głębiej zagłębić się w istotę tego problemu i przedstawić dwa opinie na temat natury tak tajemniczego zjawiska.

1. Naukowiec z Uniwersytetu Waszyngtońskiego zaproponował wyjaśnienie tajemniczego zjawiska znanego od czasów Arystotelesa: dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna.

Zjawisko zwane efektem Mpemby jest szeroko stosowane w praktyce. Na przykład eksperci doradzają kierowcom, aby zimą wlewali zimną, a nie gorącą wodę do zbiornika spryskiwacza. Ale to, co leży u podstaw tego zjawiska, przez długi czas pozostawało nieznane.

Doktor Jonathan Katz z Uniwersytetu Waszyngtońskiego badał to zjawisko i doszedł do wniosku, że ważną rolę odgrywają substancje rozpuszczone w wodzie, które wytrącają się po podgrzaniu, odgrywają tu ważną rolę, podaje EurekAlert.

Przez substancje rozpuszczone dr Katz rozumie wodorowęglany wapnia i magnezu, które znajdują się w twardej wodzie. Podczas podgrzewania wody substancje te wytrącają się, tworząc kamień na ściankach czajnika. Woda, która nigdy nie była podgrzewana, zawiera te zanieczyszczenia. Gdy zamarza i tworzą się kryształki lodu, stężenie zanieczyszczeń w wodzie wzrasta 50-krotnie. Z tego powodu temperatura zamarzania wody spada. „A teraz woda musi się jeszcze bardziej ochłodzić, aby zamarznąć” – wyjaśnia dr Katz.

Jest drugi powód, który zapobiega zamarzaniu nieogrzewanej wody. Obniżenie temperatury zamarzania wody zmniejsza różnicę temperatur pomiędzy fazą stałą i ciekłą. „Ponieważ szybkość utraty ciepła przez wodę zależy od tej różnicy temperatur, woda, która nie została podgrzana, stygnie gorzej” – komentuje dr Katz.

Według naukowca jego teorię można sprawdzić eksperymentalnie, ponieważ Efekt Mpemby staje się bardziej zauważalny w przypadku twardszej wody.

2. Tlen, wodór i zimno tworzą lód. Na pierwszy rzut oka ta przezroczysta substancja wydaje się bardzo prosta. W rzeczywistości lód kryje w sobie wiele tajemnic. Ice, stworzony przez Afrykanina Erasto Mpembę, nie myślał o sławie. Dni były gorące. Miał ochotę na lody. Wziął pudełko po soku i włożył je do zamrażarki. Zrobił to więcej niż raz i dlatego zauważył, że sok zamarza szczególnie szybko, jeśli najpierw trzyma się go na słońcu - naprawdę go nagrzewa! To dziwne, pomyślał tanzański uczeń, który postąpił wbrew światowej mądrości. Czy to prawda, że aby ciecz szybciej zamieniła się w lód, trzeba ją najpierw... podgrzać? Młody człowiek był tak zaskoczony, że podzielił się swoim przypuszczeniem z nauczycielem. O tej ciekawości poinformował prasę.

Ta historia wydarzyła się w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Teraz „efekt Mpemby” jest dobrze znany naukowcom. Jednak to pozornie proste zjawisko przez długi czas pozostawało tajemnicą. Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda?

Dopiero w 1996 roku fizyk David Auerbach znalazł rozwiązanie. Aby odpowiedzieć na to pytanie, przez cały rok prowadził eksperyment: podgrzewał wodę w szklance i ponownie ją schładzał. Czego więc się dowiedział? Po podgrzaniu odparowują pęcherzyki powietrza rozpuszczone w wodzie. Woda pozbawiona gazów łatwiej zamarza na ściankach naczynia. „Oczywiście woda z dużą zawartością powietrza również zamarznie” – mówi Auerbach – „ale nie w temperaturze zera stopni Celsjusza, ale tylko w temperaturze od minus czterech do sześciu stopni”. Oczywiście trzeba będzie poczekać dłużej. Tak więc gorąca woda zamarza przed zimną wodą, jest to fakt naukowy.

Prawie żadna substancja nie pojawia się przed naszymi oczami z taką samą łatwością jak lód. Składa się wyłącznie z cząsteczek wody – czyli cząsteczek elementarnych zawierających dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Jednak lód jest prawdopodobnie najbardziej tajemniczą substancją we Wszechświecie. Naukowcom nie udało się jeszcze wyjaśnić niektórych jego właściwości.

2. Przechłodzenie i „natychmiastowe” zamrażanie

Każdy wie, że woda zawsze zamienia się w lód po schłodzeniu do 0°C… z wyjątkiem niektórych przypadków! Przykładem tego jest „przechłodzenie”, które charakteryzuje się tym, że bardzo czysta woda pozostaje płynna nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera. Zjawisko to jest możliwe dzięki temu, że w środowisku nie występują centra ani jądra krystalizacji, które mogłyby wywołać powstawanie kryształków lodu. Dlatego woda pozostaje w postaci płynnej nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera stopni Celsjusza. Proces krystalizacji może zostać wywołany np. pęcherzykami gazu, zanieczyszczeniami (zanieczyszczeniami) lub nierówną powierzchnią pojemnika. Bez nich woda pozostanie w stanie ciekłym. Kiedy rozpocznie się proces krystalizacji, możesz obserwować, jak przechłodzona woda natychmiast zamienia się w lód.

Obejrzyj wideo (2901 KB, 60 s) Phila Mediny (www.mrsciguy.com) i przekonaj się >>

Komentarz. Przegrzana woda również pozostaje płynna nawet po podgrzaniu powyżej temperatury wrzenia.

3. Woda „szklana”.

Szybko i bez zastanowienia wymień, ile różnych stanów ma woda?

Jeśli odpowiedziałeś na trzy (ciało stałe, ciecz, gaz), to się myliłeś. Naukowcy identyfikują co najmniej 5 różnych stanów wody w stanie ciekłym i 14 stanów lodu.

Pamiętasz rozmowę o super-schłodzonej wodzie? Zatem niezależnie od tego, co zrobisz, w temperaturze -38°C nawet najczystsza przechłodzona woda nagle zamienia się w lód. Co się stanie przy dalszym spadku?

temperatura? W temperaturze -120°C z wodą zaczyna dziać się coś dziwnego: staje się super lepka lub lepka jak melasa, a w temperaturach poniżej -135°C zamienia się w wodę „szklistą” lub „szklistą” – substancję stałą, która nie ma struktury krystalicznej .

4. Kwantowe właściwości wody

Na poziomie molekularnym woda jest jeszcze bardziej zaskakująca. W 1995 roku przeprowadzony przez naukowców eksperyment rozpraszania neutronów przyniósł nieoczekiwany wynik: fizycy odkryli, że neutrony skierowane na cząsteczki wody „widzą” o 25% mniej protonów wodoru, niż oczekiwano.

Okazało się, że z prędkością jednej attosekundy (10 -18 sekund) zachodzi niezwykły efekt kwantowy, a wzór chemiczny wody zamiast zwykłego - H 2 O, staje się H 1,5 O!

5. Czy woda ma pamięć?

Homeopatia, alternatywa dla medycyny konwencjonalnej, stwierdza, że rozcieńczony roztwór leku może mieć lecznicze działanie na organizm, nawet jeśli współczynnik rozcieńczenia jest tak duży, że w roztworze nie pozostaje nic poza cząsteczkami wody. Zwolennicy homeopatii tłumaczą ten paradoks koncepcją zwaną „pamięcią wody”, zgodnie z którą woda na poziomie molekularnym posiada „pamięć” substancji raz w niej rozpuszczonej i po nie jednej chwili zachowuje właściwości roztworu o pierwotnym stężeniu. cząsteczka składnika pozostaje w nim.

Międzynarodowa grupa naukowców pod przewodnictwem profesor Madeleine Ennis z Queen's University w Belfaście, która skrytykowała zasady homeopatii, przeprowadziła w 2002 roku eksperyment, aby raz na zawsze obalić tę koncepcję. Wynik był odwrotny. Po tym naukowcy stwierdzili, że nie udało się udowodnić realność efektu „pamięci wody”. Eksperymenty prowadzone pod okiem niezależnych ekspertów nie przyniosły jednak rezultatów. Spory o istnienie zjawiska „pamięci wody” trwają.

Woda ma wiele innych niezwykłych właściwości, o których nie mówiliśmy w tym artykule.

Literatura.

1. 5 naprawdę dziwnych rzeczy związanych z wodą / http://www.neatorama.com.
2. Tajemnica wody: powstała teoria efektu Arystotelesa-Mpemby / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Tajemnice przyrody nieożywionej. Najbardziej tajemnicza substancja we wszechświecie / http://www.bibliotekar.ru.