Video: ktorá voda zamrzne rýchlejšie - horúca alebo studená. Prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená?

Mpemba efekt alebo prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená? Mpembov efekt (Mpembov paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci počas procesu zmrazovania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore so zaužívanými predstavami, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá viac zohriatemu telesu na ochladenie na určitú teplotu viac času ako menej zohriatemu telesu na ochladenie na rovnakú teplotu. Tento jav si svojho času všimli aj Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, ale až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená. Erasto Mpemba ako študent strednej školy Magambi v Tanzánii vykonával praktickú prácu ako kuchár. Potreboval urobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s dokončením prvej časti úlohy meškal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie. Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwava sa profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar Es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) pýtal konkrétne na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. Prečo?" Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro, v roku 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt. Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty. Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa teleso ochladí na teplotu okolia, by malo byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol v praxi mnohokrát potvrdený. Pri tomto efekte sa voda s teplotou 100°C ochladí na teplotu 0°C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35°C. To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre Mpembov efekt: Odparovanie Horúca voda sa rýchlejšie vyparuje z nádoby, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stráca 16 % svojej hmoty pri ochladení na 0 C. Účinok vyparovania je dvojaký. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie klesá. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy. Teplotný rozdiel Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi teplou vodou a studeným vzduchom je väčší, výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie ochladzuje. Podchladenie Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom pri teplotách pod bodom mrazu zostane tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote -20 C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštáliky ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, aby sa kryštály spontánne vytvorili. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie, pričom sa vytvorí kašovitý ľad, ktorý zamrzne a vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie odstraňuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov. Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, sa stane nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade horúcej vody podrobenej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu. Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu. Konvekcia Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj tepelné straty, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri teplote 4 C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkeho času vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude slúžiť ako izolant, chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Okrem toho sú vrstvy studenej vody hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody zdvihne na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C. Neexistuje však experimentálne údaje, ktoré by potvrdili túto hypotézu, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené procesom konvekcie. Plyny rozpustené vo vode Voda vždy obsahuje v sebe rozpustené plyny – kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode je pri vysokých teplotách nižšia. Preto, keď sa horúca voda ochladí, vždy obsahuje menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť. Tepelná vodivosť Tento mechanizmus môže zohrávať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladiacom priestore s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztopí ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zasa neroztopí sneh pod ňou. Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli skúmané v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu Mpembovho efektu – nikdy nezískali. Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach skúmal vplyv podchladzovacej vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda bola schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej. Zatiaľ možno konštatovať len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje. O. V. Mosin

Mpemba efekt(Mpembov paradox) - paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore so zaužívanými predstavami, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá viac zohriatemu telesu na ochladenie na určitú teplotu viac času ako menej zohriatemu telesu na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si svojho času všimli aj Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, ale až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.

Erasto Mpemba ako študent strednej školy Magambi v Tanzánii vykonával praktickú prácu ako kuchár. Potreboval urobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s dokončením prvej časti úlohy meškal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwava sa profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar Es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) pýtal konkrétne na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. Prečo?" Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro, v roku 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýval Mpemba efekt.

Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.

Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa teleso ochladí na teplotu okolia, by malo byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol v praxi mnohokrát potvrdený. Pri tomto efekte sa voda s teplotou 100°C ochladí na teplotu 0°C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35°C.

To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.

Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie klesá. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.

Teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi teplou vodou a studeným vzduchom je väčší, výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.

Podchladenie

Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom pri teplotách pod bodom mrazu zostane tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote –20 C.

Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštály ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, aby sa kryštály spontánne vytvorili. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie, pričom sa vytvorí kašovitý ľad, ktorý zamrzne a vytvorí ľad.

Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie odstraňuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.

Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, sa stane nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade horúcej vody podrobenej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.

Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.

Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.

Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj tepelné straty, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.

Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri teplote 4 C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkeho času vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude slúžiť ako izolant, chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší.

V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Okrem toho sú vrstvy studenej vody hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody zdvihne na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.

Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpembovho efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.

Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené procesom konvekcie.

Plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode je pri vysokých teplotách nižšia. Preto, keď sa horúca voda ochladí, vždy obsahuje menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladiacom priestore s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztopí ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zasa neroztopí sneh pod ňou.

Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli skúmané v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu Mpembovho efektu – nikdy nezískali.

Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach skúmal vplyv podchladzovacej vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.

Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda bola schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.

Zatiaľ možno konštatovať len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

O. V. Mosin

Literárnezdrojov:

"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; máj 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995.

"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.

Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu ponúka odmenu 1 000 libier každému, kto dokáže vedecky vysvetliť, prečo horúca voda v niektorých prípadoch zamrzne rýchlejšie ako studená.

„Moderná veda stále nedokáže odpovedať na túto zdanlivo jednoduchú otázku. Zmrzlinári a barmani využívajú tento efekt pri svojej každodennej práci, no nikto vlastne nevie, prečo to funguje. Tento problém je známy už tisícročia a filozofi ako Aristoteles a Descartes o ňom uvažujú,“ povedal profesor David Phillips, prezident Britskej kráľovskej spoločnosti pre chémiu, citované v tlačovej správe spoločnosti.

Ako kuchár z Afriky porazil britského profesora fyziky

Toto nie je prvoaprílový žart, ale tvrdá fyzická realita. Moderná veda, ktorá ľahko pracuje s galaxiami a čiernymi dierami a stavia obrovské urýchľovače na hľadanie kvarkov a bozónov, nedokáže vysvetliť, ako elementárna voda „funguje“. Školská učebnica jasne hovorí, že ochladenie teplejšieho telesa trvá dlhšie ako ochladenie studeného telesa. Ale pre vodu sa tento zákon nie vždy dodržiava. Na tento paradox upozornil Aristoteles v 4. storočí pred Kristom. e. Staroveký Grék napísal vo svojej knihe Meteorologica I: „Skutočnosť, že voda je predhriata, spôsobuje jej zamrznutie. Preto mnohí ľudia, keď chcú rýchlejšie schladiť horúcu vodu, ju dajú najskôr na slnko...“ V stredoveku sa tento jav pokúšali vysvetliť Francis Bacon a Rene Descartes. Žiaľ, nepodarilo sa to ani veľkým filozofom, ani početným vedcom, ktorí vyvinuli klasickú termofyziku, a preto sa na takýto nepríjemný fakt dlho „zabudlo“.

A až v roku 1968 si „spomenuli“ vďaka školákovi Erastovi Mpembemu z Tanzánie, ďaleko od akejkoľvek vedy. Počas štúdia na kuchárskej umeleckej škole v roku 1963 dostal 13-ročný Mpembe za úlohu vyrábať zmrzlinu. Podľa technológie bolo potrebné uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom vložiť do chladničky zmraziť. Mpemba zrejme nebol usilovným študentom a váhal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa všetkých pravidiel.

Keď sa Mpemba o svoj objav podelil so svojím učiteľom fyziky, vysmial ho pred celou triedou. Mpemba si spomenul na urážku. O päť rokov neskôr, už ako študent univerzity v Dar es Salaame, navštívil prednášku slávneho fyzika Denisa G. Osbornea. Po prednáške položil vedcovi otázku: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým množstvom vody, jednu s teplotou 35 °C (95 °F) a druhú s teplotou 100 °C (212 °F), a umiestnite ich v mrazničke, potom Voda v horúcej nádobe zamrzne rýchlejšie. Prečo?" Viete si predstaviť reakciu britského profesora na otázku mladého muža z Bohom zabudnutej Tanzánie. Robil si srandu zo študenta. Mpemba bol však na takúto odpoveď pripravený a vyzval vedca na stávku. Ich spor sa skončil experimentálnym testom, ktorý potvrdil, že Mpemba mal pravdu a Osborne porazil. Kuchársky učeň sa tak zapísal do histórie vedy a odteraz sa tento jav nazýva „Mpemba efekt“. Nie je možné ho zahodiť, vyhlásiť ho za „neexistujúci“. Fenomén existuje, a ako napísal básnik, „nebolí“.

Sú na vine prachové častice a roztoky?

V priebehu rokov sa mnohí pokúšali odhaliť záhadu mrznúcej vody. Bolo navrhnutých celý rad vysvetlení tohto javu: vyparovanie, konvekcia, vplyv rozpustených látok – ale žiadny z týchto faktorov nemožno považovať za definitívny. Množstvo vedcov zasvätilo Mpembovmu efektu celý svoj život. James Brownridge, člen Katedry radiačnej bezpečnosti na Štátnej univerzite v New Yorku, študuje paradox vo svojom voľnom čase už desaťročie. Po vykonaní stoviek experimentov vedec tvrdí, že má dôkazy o „vine“ podchladenia. Brownridge vysvetľuje, že pri 0 °C sa voda podchladí a začne mrznúť, keď teplota klesne pod. Bod tuhnutia je regulovaný nečistotami vo vode – menia rýchlosť tvorby ľadových kryštálikov. Nečistoty, ako sú prachové častice, baktérie a rozpustené soli, majú charakteristickú nukleačnú teplotu, keď sa okolo kryštalizačných centier tvoria kryštály ľadu. Keď je vo vode prítomných niekoľko prvkov naraz, bod tuhnutia je určený tým, ktorý má najvyššiu nukleačnú teplotu.

Pre experiment Brownridge odobral dve vzorky vody s rovnakou teplotou a umiestnil ich do mrazničky. Zistil, že jeden z exemplárov vždy zamrzol skôr ako druhý, pravdepodobne v dôsledku inej kombinácie nečistôt.

Brownridge hovorí, že horúca voda sa ochladzuje rýchlejšie, pretože je väčší rozdiel medzi teplotou vody a mrazničky – to jej pomáha dosiahnuť bod mrazu skôr, ako studená voda dosiahne svoj prirodzený bod mrazu, ktorý je aspoň o 5 °C nižší.

Brownridgeova úvaha však vyvoláva veľa otázok. Preto tí, ktorí si dokážu vysvetliť Mpembov efekt po svojom, majú šancu súťažiť o tisíc libier šterlingov od Britskej kráľovskej spoločnosti pre chémiu.

Jeden z mojich obľúbených predmetov v škole bola chémia. Raz nám učiteľ chémie dal veľmi zvláštnu a ťažkú ​​úlohu. Dal nám zoznam otázok, na ktoré sme museli odpovedať z hľadiska chémie. Na túto úlohu sme dostali niekoľko dní a mohli sme využívať knižnice a iné dostupné zdroje informácií. Jedna z týchto otázok sa týkala bodu mrazu vody. Už si presne nepamätám, ako tá otázka znela, ale išlo o to, že ak vezmete dve drevené vedrá rovnakej veľkosti, jedno s horúcou vodou, druhé so studenou (s presne udanou teplotou) a vložíte ich do prostredie s určitou teplotou, ktorá z nich bude rýchlejšie mrznúť? Samozrejme, odpoveď sa hneď navrhla – vedro studenej vody, no zdalo sa nám to príliš jednoduché. Na úplnú odpoveď to však nestačilo, potrebovali sme to dokázať z chemického hľadiska. Napriek všetkému premýšľaniu a skúmaniu som nedokázal dospieť k logickému záveru. V ten deň som sa dokonca rozhodol túto lekciu vynechať, takže som sa nikdy nenaučil riešenie tejto hádanky.

Roky plynuli a ja som sa naučil mnoho každodenných mýtov o bode varu a bode tuhnutia vody a jeden mýtus hovoril: „horúca voda zamrzne rýchlejšie“. Pozrel som si veľa webových stránok, ale informácie boli príliš protichodné. A boli to len názory, z vedeckého hľadiska nepodložené. A rozhodol som sa uskutočniť svoj vlastný experiment. Keďže som nenašiel drevené vedrá, použil som mrazničku, sporák, trochu vody a digitálny teplomer. O výsledkoch mojej skúsenosti vám poviem trochu neskôr. Najprv sa s vami podelím o niekoľko zaujímavých argumentov o vode:

Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Väčšina odborníkov tvrdí, že studená voda zamrzne rýchlejšie ako horúca. Jeden vtipný jav (takzvaný Memba efekt) však z neznámych dôvodov dokazuje opak: Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Jedným z niekoľkých vysvetlení je proces vyparovania: ak sa veľmi horúca voda umiestni do chladného prostredia, voda sa začne odparovať (zvyšné množstvo vody rýchlejšie zamrzne). A podľa zákonov chémie to vôbec nie je mýtus a s najväčšou pravdepodobnosťou to chcel od nás učiteľ počuť.

Prevarená voda zamrzne rýchlejšie ako voda z vodovodu. Napriek predchádzajúcemu vysvetleniu niektorí odborníci tvrdia, že prevarená voda, ktorá vychladla na izbovú teplotu, by mala rýchlejšie zamrznúť, pretože varom sa znižuje množstvo kyslíka.

Studená voda vrie rýchlejšie ako horúca voda. Ak horúca voda zamrzne rýchlejšie, potom možno studená voda rýchlejšie vrie! To je v rozpore so zdravým rozumom a vedci tvrdia, že to jednoducho nemôže byť. Horúca voda z vodovodu by v skutočnosti mala vrieť rýchlejšie ako studená voda. Ale použitie horúcej vody na varenie nešetrí energiu. Môžete spotrebovať menej plynu alebo svetla, ale ohrievač vody spotrebuje rovnaké množstvo energie, aké je potrebné na ohrev studenej vody. (So ​​slnečnou energiou je situácia trochu iná). V dôsledku ohrevu vody ohrievačom vody sa môže objaviť sediment, takže ohrev vody bude trvať dlhšie.

Ak do vody pridáte soľ, bude vrieť rýchlejšie. Soľ zvyšuje bod varu (a podľa toho znižuje bod tuhnutia – preto si niektoré gazdinky pridávajú do zmrzliny trochu kamennej soli). Ale v tomto prípade nás zaujíma iná otázka: ako dlho bude voda vrieť a či bod varu v tomto prípade môže stúpnuť nad 100 ° C). Napriek tomu, čo hovoria kuchárske knihy, vedci tvrdia, že množstvo soli, ktoré pridávame do vriacej vody, nestačí na ovplyvnenie doby alebo teploty varu.

Ale tu je to, čo som dostal:

Studená voda: Použil som tri 100 ml sklenené poháre čistenej vody: jeden pohár s izbovou teplotou (72 °F/22 °C), jeden s horúcou vodou (115 °F/46 °C) a jeden s prevarenou vodou (212 °F/100 °C). Všetky tri poháre som dala do mrazničky na -18°C. A keďže som vedel, že voda sa hneď nezmení na ľad, určil som stupeň zamrznutia pomocou „dreveného plaváka“. Keď sa tyčinka umiestnená v strede pohára už nedotýkala základne, považoval som vodu za zamrznutú. Kontroloval som okuliare každých päť minút. A aké sú moje výsledky? Voda v prvom pohári zamrzla po 50 minútach. Horúca voda zamrzla po 80 minútach. Varené - po 95 minútach. Moje zistenia: Vzhľadom na podmienky v mrazničke a použitú vodu som nebol schopný reprodukovať efekt Memba.

Tento experiment som vyskúšal aj s predtým prevarenou vodou, ktorá vychladla na izbovú teplotu. Zamrzol do 60 minút – aj tak to trvalo dlhšie ako zamrznutie studenej vody.

Prevarená voda: Vzal som liter vody izbovej teploty a dal som ju na oheň. Za 6 minút sa to uvarilo. Potom som ju schladil späť na izbovú teplotu a pridal som ju do nej, kým bola horúca. Pri tom istom ohni sa horúca voda uvarila za 4 hodiny a 30 minút. Záver: Podľa očakávania horúca voda vrie oveľa rýchlejšie.

Prevarená voda (so soľou): Na 1 liter vody som pridala 2 veľké polievkové lyžice kuchynskej soli. Uvaril za 6 minút 33 sekúnd a ako ukázal teplomer, dosiahol teplotu 102°C. Soľ nepochybne ovplyvňuje bod varu, ale nie veľmi. Záver: soľ vo vode veľmi neovplyvňuje teplotu a čas varu. Úprimne priznávam, že moju kuchyňu možno len ťažko nazvať laboratóriom a možno moje závery odporujú realite. Moja mraznička nemusí zmraziť potraviny rovnomerne. Moje sklenené okuliare môžu mať nepravidelný tvar atď. Ale bez ohľadu na to, čo sa deje v laboratóriu, pri zmrazovaní alebo varení vody v kuchyni je najdôležitejší zdravý rozum.

prepojenie so zaujímavými faktami o vode, všetko o vode
ako sa uvádza na fóre forum.ixbt.com, tento efekt (efekt zmrazovania horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody) sa nazýva „Aristotelov-Mpembov efekt“

Tie. Prevarená voda (chladená) zamrzne rýchlejšie ako „surová“ voda

Zdalo by sa, že starý dobrý vzorec H2O neobsahuje žiadne tajomstvá. Ale v skutočnosti je voda – zdroj života a najznámejšia kvapalina na svete – opradená mnohými záhadami, ktoré niekedy nedokážu rozlúštiť ani vedci.

Tu je 5 najzaujímavejších faktov o vode:

1. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená

Vezmime si dve nádoby s vodou: do jednej nalejeme horúcu vodu a do druhej studenú a dáme do mrazničky. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, aj keď logicky by sa studená mala najskôr zmeniť na ľad: veď horúca voda sa musí najskôr ochladiť na studenú teplotu a potom sa premení na ľad, zatiaľ čo studená voda chladiť nemusí. Prečo sa to deje?

V roku 1963 Erasto B. Mpemba, študent strednej školy v Tanzánii, zmrazoval zmrzlinovú zmes a všimol si, že horúca zmes tuhne v mrazničke rýchlejšie ako studená. Keď sa mladík o svoj objav podelil so svojím učiteľom fyziky, len sa mu vysmial. Našťastie bol študent vytrvalý a presvedčil učiteľa, aby urobil experiment, ktorý potvrdil jeho objav: za určitých podmienok horúca voda skutočne zamrzne rýchlejšie ako studená.

Teraz sa tento jav, kedy horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená voda, nazýva „Mpemba efekt“. Pravda, dávno pred ním túto jedinečnú vlastnosť vody zaznamenali Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes.

Vedci stále úplne nechápu podstatu tohto javu, vysvetľujú ho buď rozdielom v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii, alebo vplyvom skvapalnených plynov na teplú a studenú vodu.

Poznámka od X.RU na tému „Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená voda“.

Keďže nám, chladiarenským špecialistom je bližšia problematika chladenia, dovolíme si trochu hlbšie preniknúť do podstaty tohto problému a uviesť dva názory na podstatu takéhoto záhadného javu.

1. Vedec z Washingtonskej univerzity navrhol vysvetlenie záhadného javu známeho už od čias Aristotela: prečo horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená.

Fenomén nazývaný Mpemba efekt je v praxi široko používaný. Odborníci napríklad motoristom radia, aby v zime nalievali do nádržky ostrekovačov studenú, nie horúcu vodu. Čo je však základom tohto javu, zostávalo dlho neznáme.

Doktor Jonathan Katz z Washingtonskej univerzity študoval tento jav a dospel k záveru, že dôležitú úlohu zohrávajú látky rozpustené vo vode, ktoré sa pri zahriatí vyzrážajú, uvádza EurekAlert.

Pod pojmom rozpustené látky Dr. Katz rozumie hydrogenuhličitany vápnika a horčíka, ktoré sa nachádzajú v tvrdej vode. Pri ohrievaní vody sa tieto látky zrážajú a vytvárajú vodný kameň na stenách kanvice. Voda, ktorá nebola nikdy ohrievaná, obsahuje tieto nečistoty. Keď mrzne a tvoria sa ľadové kryštály, koncentrácia nečistôt vo vode sa zvyšuje 50-krát. Z tohto dôvodu sa bod mrazu vody znižuje. "A teraz sa voda musí ďalej ochladiť, aby zamrzla," vysvetľuje Dr. Katz.

Existuje druhý dôvod, ktorý zabraňuje zamrznutiu neohriatej vody. Zníženie bodu tuhnutia vody znižuje teplotný rozdiel medzi tuhou a kvapalnou fázou. „Pretože rýchlosť, ktorou voda stráca teplo, závisí od tohto teplotného rozdielu, voda, ktorá nebola zohriata, sa ochladzuje horšie,“ komentuje Dr. Katz.

Podľa vedca sa jeho teória dá experimentálne testovať, pretože Mpemba efekt sa stáva zreteľnejším pri tvrdšej vode.

2. Kyslík plus vodík plus chlad vytvára ľad. Na prvý pohľad pôsobí táto priehľadná hmota veľmi jednoducho. V skutočnosti je ľad plný mnohých záhad. Ľad, ktorý vytvoril Afričan Erasto Mpemba, na slávu nemyslel. Dni boli horúce. Chcel nanuky. Vzal krabicu s džúsom a vložil ju do mrazničky. Urobil to viac ako raz, a preto si všimol, že šťava zamrzne obzvlášť rýchlo, ak ju najprv podržíte na slnku - skutočne ju zahreje! To je zvláštne, pomyslel si tanzánsky školák, ktorý konal v rozpore so svetskou múdrosťou. Naozaj platí, že aby sa tekutina rýchlejšie zmenila na ľad, musí sa najprv... zahriať? Mladík bol taký prekvapený, že sa o svoj odhad podelil s učiteľkou. O tejto kuriozite informoval v tlači.

Tento príbeh sa stal v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Teraz je "Mpemba efekt" vedcom dobre známy. Tento zdanlivo jednoduchý jav však zostal dlho záhadou. Prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená?

Až v roku 1996 našiel fyzik David Auerbach riešenie. Aby odpovedal na túto otázku, robil celý rok experiment: ohrieval vodu v pohári a znova ju ochladzoval. Čo teda zistil? Pri zahrievaní sa vzduchové bubliny rozpustené vo vode odparujú. Voda zbavená plynov ľahšie primrzne na stenách nádoby. "Samozrejme, že voda s vysokým obsahom vzduchu tiež zamrzne," hovorí Auerbach, "ale nie pri nule stupňov Celzia, ale iba pri mínus štyroch až šiestich stupňoch." Samozrejme, budete musieť počkať dlhšie. Takže horúca voda zamrzne skôr ako studená, to je vedecký fakt.

Sotva existuje látka, ktorá by sa nám objavila pred očami s takou ľahkosťou ako ľad. Pozostáva len z molekúl vody – teda elementárnych molekúl obsahujúcich dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka. Ľad je však možno najzáhadnejšou látkou vo vesmíre. Vedci zatiaľ nedokázali vysvetliť niektoré jeho vlastnosti.

2. Prechladenie a „okamžité“ zmrazenie

Každý vie, že voda sa vždy po ochladení na 0°C zmení na ľad... okrem niektorých prípadov! Príkladom toho je „prechladenie“, čo je vlastnosť veľmi čistej vody, ktorá zostáva tekutá, aj keď sa ochladí pod bod mrazu. Tento jav je umožnený vďaka tomu, že prostredie neobsahuje centrá ani jadrá kryštalizácie, ktoré by mohli spustiť tvorbu ľadových kryštálikov. A tak voda zostáva v tekutej forme aj pri ochladení pod nulu stupňov Celzia. Proces kryštalizácie môžu spustiť napríklad bublinky plynu, nečistoty (kontaminanty) alebo nerovný povrch nádoby. Bez nich zostane voda v tekutom stave. Keď sa spustí proces kryštalizácie, môžete sledovať, ako sa podchladená voda okamžite mení na ľad.

Pozrite si video (2 901 KB, 60 s) od Phila Medinu (www.mrsciguy.com) a presvedčte sa sami >>

Komentujte. Prehriata voda zostáva tekutá aj pri zahriatí nad jej bod varu.

3. "Sklená" voda

Rýchlo a bez rozmýšľania pomenujte, koľko rôznych stavov má voda?

Ak ste odpovedali tri (tuhá látka, kvapalina, plyn), tak ste sa mýlili. Vedci identifikujú najmenej 5 rôznych stavov tekutej vody a 14 stavov ľadu.

Pamätáte si na rozhovor o super vychladenej vode? Takže nech robíte čokoľvek, pri -38 °C sa aj tá najčistejšia super vychladená voda zrazu zmení na ľad. Čo sa stane s ďalším poklesom?

teplota? Pri -120 °C sa s vodou začína diať niečo zvláštne: stáva sa superviskózna alebo viskózna, ako melasa, a pri teplotách pod -135 °C sa mení na „sklovitú“ alebo „sklovitú“ vodu – pevnú látku, ktorej chýba kryštalická štruktúra. .

4. Kvantové vlastnosti vody

Na molekulárnej úrovni je voda ešte prekvapivejšia. V roku 1995 experiment s rozptylom neutrónov, ktorý uskutočnili vedci, priniesol neočakávaný výsledok: fyzici zistili, že neutróny zamerané na molekuly vody „vidia“ o 25 % menej vodíkových protónov, ako sa očakávalo.

Ukázalo sa, že rýchlosťou jednej attosekundy (10 - 18 sekúnd) dochádza k nezvyčajnému kvantovému efektu a chemický vzorec vody sa namiesto obvyklého - H 2 O stáva H 1,5 O!

5. Má voda pamäť?

Homeopatia, alternatíva klasickej medicíny, tvrdí, že zriedený roztok liečiva môže pôsobiť na organizmus ozdravne, aj keď je faktor zriedenia taký veľký, že v roztoku nezostane nič okrem molekúl vody. Zástancovia homeopatie vysvetľujú tento paradox konceptom nazývaným „vodná pamäť“, podľa ktorého má voda na molekulárnej úrovni „pamäť“ látky, ktorá je v nej rozpustená a zachováva si vlastnosti roztoku s pôvodnou koncentráciou ani po jedinom molekula zložky zostáva v ňom.

Medzinárodná skupina vedcov vedená profesorkou Madeleine Ennis z Queen's University of Belfast, ktorá kritizovala princípy homeopatie, uskutočnila v roku 2002 experiment, aby tento koncept raz a navždy vyvrátila. Výsledok bol opačný. Potom vedci povedali, že sa podarilo dokázať reálnosť efektu „vodnej pamäte". Experimenty uskutočnené pod dohľadom nezávislých odborníkov však nepriniesli výsledky. Spory o existencii fenoménu „vodnej pamäte" pokračujú.

Voda má mnoho ďalších nezvyčajných vlastností, o ktorých sme v tomto článku nehovorili.

Literatúra.

1. 5 naozaj divných vecí o vode / http://www.neatorama.com.
2. Záhada vody: vznikla teória Aristotelovho-Mpembovho efektu / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Tajomstvá neživej prírody. Najzáhadnejšia látka vo vesmíre / http://www.bibliotekar.ru.