Video: Hangi su daha hızlı donar - sıcak veya soğuk. Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar?

Mpemba etkisi veya sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Mpemba Etkisi (Mpemba Paradoksu), sıcak suyun belirli koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasından daha fazla zamana ihtiyaç duyduğuna dair olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir. Bu fenomen o zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi, ancak sadece 1963'te Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba, sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti. Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde pratik yemek pişirme çalışmaları yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri eritin, oda sıcaklığına soğutun ve sonra dondurmak için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle çalışkan bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünde erteledi. Dersin sonunda zamanında yetişemeyeceğinden korkarak hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha önce dondu. Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sıradan suyla da deney yaptı. Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi'nde bir öğrenci olarak, Darüsselam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermesi için davet edildi) su hakkında sordu: "Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece birinde su 35 ° C, diğerinde - 100 ° C olur ve dondurucuya koyun, sonra ikincisinde su donar daha hızlı Neden? Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını "Fizik Eğitimi" dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkiye Mpemba etkisi denir. Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Bilim adamlarının birçok versiyonu olmasına rağmen tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özellikleri arasındaki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi. farklı sıcaklıklar. Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuması için geçen sürenin, bu vücut ve çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından kurulmuştur ve o zamandan beri pratikte birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki suya göre 0°C'ye daha hızlı soğur. Bununla birlikte, Mpemba etkisi bilinen fizik içinde de açıklanabileceğinden, bu henüz bir paradoks anlamına gelmez. İşte Mpemba etkisi için birkaç açıklama: Buharlaşma Sıcak su bir kaptan daha hızlı buharlaşır, dolayısıyla hacmini azaltır ve aynı sıcaklıkta daha küçük hacimde su daha hızlı donar. 100 C'ye ısıtılan su, 0 C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder. Buharlaşmanın etkisi çift etkidir. İlk olarak, soğutma için gerekli su kütlesi azaltılır. İkincisi, su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer. Sıcaklık farkı Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha büyük olması nedeniyle - bu durumda ısı alışverişi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur. Aşırı soğutma Su 0 C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda su -20 C sıcaklıkta bile sıvı kalabilir. Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlaması için sıcaklık yeterince düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve buzu oluşturmak üzere donacak bir buz eriyiği oluşturacaklar. Sıcak su, hipotermiye karşı en hassastır, çünkü ısıtma, çözünmüş gazları ve kabarcıkları ortadan kaldırır ve bu da buz kristallerinin oluşum merkezleri olarak işlev görebilir. Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda, kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası, su ve soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşum hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle, üstü açık olduğu için çok daha hızlı ısı kaybeder. Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur. Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir. Konveksiyon Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri kötüleşir ve dolayısıyla ısı kaybı, sıcak su aşağıdan donmaya başlar. Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallikle açıklanmaktadır. Su 4 C'de maksimum yoğunluğa sahiptir. Suyu 4 C'ye soğutur ve daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır, ancak bu buz tabakası, 4 C sıcaklıkta kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. , daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır. Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su katmanları, sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı batarak ılık su katmanını yüzeye çıkarır. Bu su sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar. Fakat bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini bu konveksiyon açısından açıklamak için, suyun soğuk ve sıcak katmanlarının ayrıldığı ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiği varsayılacaktır. Ancak, deneysel veri yoktur. bu, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığı hipotezini doğrular. Suda Çözünen Gazlar Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında, bu gazlar yüksek sıcaklıkta suda çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde her zaman ısıtılmamış soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir. Termal İletkenlik Bu mekanizma, su küçük kaplarda bir dondurucu buzdolabına yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında içinde sıcak su bulunan kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği ve bu sayede dondurucunun duvarı ile ısıl teması ve ısıl iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabından ısı, soğuk olandan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren kap, altındaki karı eritmez. Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100'ünü yeniden ürettiği sorusuna kesin bir cevap alınamamıştır. Örneğin, 1995'te Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder. Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle sıcak suyun daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair daha önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içindeki çözünmüş gazlar uzaklaştırılır ve kaynatıldığında içinde çözünen bazı tuzlar çöker. Şimdiye kadar sadece bir şey iddia edilebilir - bu etkinin yeniden üretimi, esas olarak deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Kesinlikle çünkü her zaman yeniden üretilmiyor. O. V. Mosin

Mpemba etkisi(Mpemba paradoksu) - belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradoks. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasından daha fazla zamana ihtiyaç duyduğuna dair olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.

Bu fenomen o zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi, ancak sadece 1963'te Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba, sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti.

Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde pratik yemek pişirme çalışmaları yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri eritin, oda sıcaklığına soğutun ve sonra dondurmak için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle çalışkan bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünde erteledi. Dersin sonunda zamanında yetişemeyeceğinden korkarak hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha önce dondu.

Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sıradan suyla da deney yaptı. Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi'nde bir öğrenci olarak, Darüsselam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermesi için davet edildi) su hakkında sordu: "Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece birinde su 35 ° C, diğerinde - 100 ° C olur ve dondurucuya koyun, sonra ikincisinde su donar daha hızlı Neden? Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını "Fizik Eğitimi" dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkinin adı Mpemba etkisi.

Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Bilim adamlarının birçok versiyonu olmasına rağmen tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özellikleri arasındaki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi. farklı sıcaklıklar.

Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuması için geçen sürenin, bu vücut ve çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından kurulmuştur ve o zamandan beri pratikte birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki suya göre 0°C'ye daha hızlı soğur.

Bununla birlikte, Mpemba etkisi bilinen fizik içinde de açıklanabileceğinden, bu henüz bir paradoks anlamına gelmez. İşte Mpemba etkisi için bazı açıklamalar:

buharlaşma

Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşır, böylece hacmi azalır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100 C'ye ısıtılan su, 0 C'ye soğutulduğunda kütlesinin % 16'sını kaybeder.

Buharlaşma etkisi çift etkidir. İlk olarak, soğutma için gerekli su kütlesi azaltılır. İkincisi, su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer.

sıcaklık farkı

Sıcak su ve soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha büyük olması nedeniyle - bu durumda ısı değişimi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur.

hipotermi

Su 0 C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda su -20 C'de bile sıvı kalabilir.

Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlaması için sıcaklık yeterince düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve buzu oluşturmak üzere donacak bir buz eriyiği oluşturacaklar.

Sıcak su, hipotermiye karşı en hassastır, çünkü ısıtma, çözünmüş gazları ve kabarcıkları ortadan kaldırır ve bu da buz kristallerinin oluşum merkezleri olarak işlev görebilir.

Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda, kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası, su ve soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşum hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle, üstü açık olduğu için çok daha hızlı ısı kaybeder.

Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur.

Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.

Konveksiyon

Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçlerini ve dolayısıyla ısı kaybını kötüleştirir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar.

Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallikle açıklanmaktadır. Su 4 C'de maksimum yoğunluğa sahiptir. Suyu 4 C'ye soğutur ve daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır, ancak bu buz tabakası, 4 C sıcaklıkta kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. , daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.

Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su katmanları, sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı batarak ılık su katmanını yüzeye çıkarır. Bu su sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar.

Fakat bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini bu konveksiyon açısından açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiğini varsaymak gerekir.

Bununla birlikte, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.

suda çözünen gazlar

Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında, bu gazlar yüksek sıcaklıkta suda çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde her zaman ısıtılmamış soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.

Termal iletkenlik

Bu mekanizma, su küçük kaplarda bir buzdolabı dondurucusuna yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında içinde sıcak su bulunan kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği ve bu sayede dondurucunun duvarı ile ısıl teması ve ısıl iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabından ısı, soğuk olandan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren kap, altındaki karı eritmez.

Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100'ünü yeniden ürettiği sorusuna kesin bir cevap alınamamıştır.

Örneğin, 1995'te Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder.

Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle sıcak suyun daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair daha önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içindeki çözünmüş gazlar uzaklaştırılır ve kaynatıldığında içinde çözünen bazı tuzlar çöker.

Şimdiye kadar sadece bir şey iddia edilebilir - bu etkinin yeniden üretimi, esas olarak deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Kesinlikle çünkü her zaman yeniden üretilmiyor.

O. V. Mosin

edebikaynaklar:

"Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Neden böyle yapıyor?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Cilt. 237, hayır. 3, sayfa 246-257; Eylül, 1977.

"Sıcak ve Soğuk Suyun Dondurulması", G.S. Kell, American Journal of Physics, Vol. 37, hayır. 5, sayfa 564-565; Mayıs 1969.

"Süper soğutma ve Mpemba etkisi", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, hayır. 10, sayfa 882-885; Ekim, 1995.

"Mpemba etkisi: Sıcak ve soğuk suyun donma süreleri", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, hayır. 5, sayfa 524; Mayıs, 1996.

İngiliz Kraliyet Kimya Topluluğu, bazı durumlarda sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğunu bilimsel olarak açıklayabilen herkese 1.000 £ ödül veriyor.

“Modern bilim, görünüşte basit olan bu soruyu hala cevaplayamıyor. Dondurmacılar ve barmenler bu etkiyi günlük işlerinde kullanırlar ama kimse bunun neden işe yaradığını gerçekten bilmiyor. Bu sorun binlerce yıldır biliniyor ve Aristoteles ve Descartes gibi filozoflar bunun hakkında düşünmüşler” dedi İngiliz Kraliyet Kimya Derneği Başkanı Profesör David Philips, Topluluğun basın açıklamasında alıntı yaptı.

Afrikalı bir şef İngiliz fizik profesörünü nasıl yendi?

Bu bir 1 Nisan şakası değil, sert bir fiziksel gerçeklik. Galaksiler ve kara delikler üzerinde kolaylıkla işleyen, kuarkları ve bozonları aramak için dev hızlandırıcılar inşa eden günümüz bilimi, elemental suyun nasıl "işe yaradığını" açıklayamıyor. Okul ders kitabı açık bir şekilde, sıcak bir cismi soğutmanın soğuk bir cismi soğutmaktan daha fazla zaman aldığını belirtir. Ancak su için bu yasaya her zaman uyulmaz. Aristoteles bu paradoksa MÖ 4. yy'da dikkat çekmiştir. e. Antik Yunan'ın "Meteorologica I" kitabında yazdığı şey şudur: "Suyun önceden ısıtılmış olması, donmasına katkıda bulunur. Bu nedenle birçok insan, sıcak suyu hızlı bir şekilde soğutmak istediğinde, önce güneşe koyar... ”Orta Çağ'da Francis Bacon ve Rene Descartes bu fenomeni açıklamaya çalıştı. Ne yazık ki, ne büyük filozoflar ne de klasik termal fiziği geliştiren sayısız bilim adamı bunu başardı ve bu nedenle böyle uygunsuz bir gerçek uzun süre “unutuldu”.

Ve sadece 1968'de Tanzanya'dan herhangi bir bilimden uzak olan okul çocuğu Erasto Mpemba sayesinde “hatırladılar”. 1963 yılında bir aşçılık okulunda okurken 13 yaşındaki Mpembe'ye dondurma yapma görevi verildi. Teknolojiye göre sütü kaynatmak, içindeki şekeri eritmek, oda sıcaklığına soğutmak ve daha sonra donması için buzdolabına koymak gerekiyordu. Görünüşe göre, Mpemba çalışkan bir öğrenci değildi ve tereddüt etti. Dersin sonunda zamanında yetişemeyeceğinden korkarak hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, tüm kurallara göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha önce dondu.

Mpemba keşfini bir fizik öğretmeniyle paylaştığında, tüm sınıfın önünde onunla dalga geçti. Mpemba hakareti hatırladı. Beş yıl sonra, zaten Darüsselam Üniversitesi'nde öğrenciyken, ünlü fizikçi Denis G. Osborn'un bir konferansındaydı. Dersten sonra bilim adamına bir soru sordu: "Biri 35 °C'de (95 °F) ve diğeri 100 °C'de (212 °F) olmak üzere aynı miktarda su içeren iki özdeş kap alır ve onları dondurucuda, daha sonra sıcak bir kaptaki su daha hızlı donar. Neden?" Tanrı'nın unuttuğu Tanzanya'dan gelen genç bir adamın sorusuna İngiliz bir profesörün tepkisini hayal edebilirsiniz. Öğrenciyle alay etti. Ancak Mpemba böyle bir cevaba hazırdı ve bilim adamını bir bahse davet etti. Argümanları, Mpemba'nın haklı olduğunu ve Osborne'un mağlup olduğunu kanıtlayan deneysel bir testle sonuçlandı. Böylece öğrenci-pişirici adını bilim tarihine yazdırdı ve bundan böyle bu fenomene "Mpemba etkisi" adı verildi. Onu atmak, "yok" gibi ilan etmek işe yaramaz. Fenomen var ve şairin yazdığı gibi "ayaklı dişte değil".

Toz parçacıkları ve çözünmüş maddeler suçlanıyor mu?

Yıllar boyunca birçok kişi donmuş suyun gizemini çözmeye çalıştı. Bu fenomen için bir sürü açıklama önerildi: buharlaşma, konveksiyon, çözünen maddelerin etkisi - ancak bu faktörlerin hiçbiri kesin olarak kabul edilemez. Bir dizi bilim adamı tüm hayatlarını Mpemba etkisine adadı. New York Eyalet Üniversitesi Radyasyon Güvenliği Departmanı üyesi olan James Brownridge, on yıldan fazla bir süredir boş zamanlarında paradoksu inceliyor. Yüzlerce deney yaptıktan sonra, bilim adamı hipoterminin "suçluluğuna" dair kanıtlara sahip olduğunu iddia ediyor. Brownridge, 0°C'de suyun sadece aşırı soğuduğunu ve sıcaklık altına düştüğünde donmaya başladığını açıklıyor. Donma noktası sudaki safsızlıklar tarafından düzenlenir - buz kristallerinin oluşum hızını değiştirirler. Safsızlıklar ve bunlar toz parçacıkları, bakteriler ve çözünmüş tuzlardır, kristalleşme merkezlerinin etrafında buz kristalleri oluştuğunda karakteristik çekirdeklenme sıcaklıklarına sahiptirler. Suda aynı anda birkaç element bulunduğunda, donma noktası en yüksek çekirdeklenme sıcaklığına sahip olan tarafından belirlenir.

Deney için Brownridge aynı sıcaklıkta iki su örneği aldı ve bunları bir dondurucuya yerleştirdi. Numunelerden birinin her zaman diğerinden önce donduğunu buldu - muhtemelen farklı bir kirlilik kombinasyonu nedeniyle.

Brownridge, su ile dondurucu arasındaki daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle sıcak suyun daha hızlı soğuduğunu iddia ediyor - bu, soğuk su en az 5°C daha düşük olan doğal donma noktasına ulaşmadan önce donma noktasına ulaşmasına yardımcı oluyor.

Ancak Brownridge'in mantığı birçok soruyu gündeme getiriyor. Bu nedenle Mpemba etkisini kendi yöntemleriyle açıklayabilenler, İngiliz Kraliyet Kimya Cemiyeti'nden bin sterlin için rekabet etme şansına sahip oluyorlar.

Kimya okulda en sevdiğim derslerden biriydi. Bir keresinde bir kimya öğretmeni bize çok garip ve zor bir görev verdi. Bize kimya açısından cevaplamamız gereken soruların bir listesini verdi. Bu görev için bize birkaç gün verildi ve kütüphaneleri ve diğer mevcut bilgi kaynaklarını kullanmamıza izin verildi. Bu sorulardan biri suyun donma noktasıyla ilgiliydi. Sorunun kulağa nasıl geldiğini tam olarak hatırlamıyorum, ancak aynı boyutta iki tahta kova alırsanız, biri sıcak, diğeri soğuk su (tam olarak belirtilen sıcaklıkta) ve bunları yerleştirin. belli bir sıcaklığa sahip bir ortamda hangisi daha hızlı donar? Tabii ki, cevap hemen kendini önerdi - bir kova soğuk su, ama bize çok basit görünüyordu. Ancak bu tam bir cevap vermek için yeterli değildi, kimyasal açıdan kanıtlamamız gerekiyordu. Tüm düşüncelerime ve araştırmalarıma rağmen mantıklı bir sonuç çıkaramadım. Bu gün, bu dersi atlamaya bile karar verdim, bu yüzden bu bilmecenin çözümünü asla bulamadım.

Yıllar geçti ve suyun kaynama noktası ve donma noktası hakkında birçok günlük efsane öğrendim ve bir efsane şöyle dedi: "sıcak su daha hızlı donar." Birçok web sitesine baktım ama bilgiler çok çelişkili. Ve bunlar sadece bilim açısından temelsiz görüşlerdi. Ve kendi deneyimimi yürütmeye karar verdim. Tahta kova bulamadığım için dondurucu, set üstü ocak, biraz su ve dijital termometre kullandım. Biraz sonra deneyimlerimin sonuçları hakkında konuşacağım. İlk olarak, sizinle su hakkında bazı ilginç argümanları paylaşacağım:

Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Çoğu uzman, soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donacağını söylüyor. Ancak komik bir fenomen (sözde Memba etkisi), bilinmeyen nedenlerle bunun tam tersini kanıtlıyor: Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Birkaç açıklamadan biri buharlaşma sürecidir: çok sıcak su soğuk bir ortama konursa, su buharlaşmaya başlar (kalan su daha hızlı donar). Ve kimya yasalarına göre, bu bir efsane değil ve büyük olasılıkla öğretmenin bizden duymak istediği şey buydu.

Kaynamış su, musluk suyundan daha hızlı donar. Önceki açıklamaya rağmen bazı uzmanlar, kaynama sonucu oksijen miktarı azaldığından oda sıcaklığına soğuyan kaynamış suyun daha hızlı donması gerektiğini savunuyorlar.

Soğuk su, sıcak sudan daha hızlı kaynar. Sıcak su daha hızlı donarsa, soğuk su daha hızlı kaynar! Bu sağduyuya aykırıdır ve bilim adamları bunun basitçe olamayacağını savunuyorlar. Sıcak musluk suyu aslında soğuk sudan daha hızlı kaynatılmalıdır. Ancak kaynatmak için sıcak su kullanarak enerji tasarrufu sağlamıyorsunuz. Daha az gaz veya elektrik kullanabilirsiniz, ancak şofben soğuk suyu ısıtmak için gereken enerjiyle aynı miktarda kullanacaktır. (Güneş enerjisi biraz farklıdır.) Suyun şofben ile ısıtılması sonucunda tortu oluşabilir, bu nedenle suyun ısınması daha uzun sürer.

Suya tuz eklerseniz daha çabuk kaynar. Tuz kaynama noktasını arttırır (ve bu nedenle donma noktasını düşürür - bu nedenle bazı ev kadınları dondurmaya biraz kaya tuzu ekler). Ancak bu durumda, başka bir soruyla ilgileniyoruz: su ne kadar kaynar ve bu durumda kaynama noktası 100 ° C'nin üzerine çıkabilir mi). Yemek kitaplarının söylediğine rağmen, bilim adamları kaynayan suya eklediğimiz tuz miktarının kaynamanın süresini veya sıcaklığını etkilemek için yeterli olmadığını söylüyorlar.

Ama işte aldığım şey:

Soğuk su: Üç adet 100 ml'lik cam beher saf su kullandım: bir oda sıcaklığı (72°F/22°C), bir sıcak su (115°F/46°C) ve bir kaynatılmış (212°F/100°) C). Üç bardağı da -18°C'de dondurucuya koydum. Ve suyun hemen buza dönüşmeyeceğini bildiğim için, “tahta şamandıra” ile donma derecesini belirledim. Bardağın ortasına yerleştirilen çubuk artık tabana değmediğinde suyun donmuş olduğuna inandım. Her beş dakikada bir bardakları kontrol ettim. Ve sonuçlarım neler? İlk bardaktaki su 50 dakika sonra dondu. Sıcak su 80 dakika sonra dondu. Haşlanmış - 95 dakika sonra. Çıkardığım sonuçlar: Dondurucudaki koşullar ve kullandığım su göz önüne alındığında Memba etkisini yeniden oluşturamadım.

Bu deneyi daha önce kaynamış, oda sıcaklığına soğutulmuş su ile de denedim. 60 dakikada dondu - donması soğuk sudan daha uzun sürdü.

Kaynamış su: Oda sıcaklığında bir litre su alıp ateşe verdim. 6 dakikada pişti. Sonra tekrar oda sıcaklığına soğutup sıcak olana ekledim. Aynı ateşle 4 saat 30 dakikada sıcak su kaynadı. Sonuç: beklendiği gibi, sıcak su çok daha hızlı kaynar.

Kaynamış su (tuzlu): 1 litre suya 2 büyük yemek kaşığı sofra tuzu ekledim. 6 dakika 33 saniyede kaynadı ve termometrenin gösterdiği gibi 102°C sıcaklığa ulaştı. Kuşkusuz, tuz kaynama noktasını etkiler, ancak çok fazla değil. Sonuç: Sudaki tuz, sıcaklığı ve kaynama süresini büyük ölçüde etkilemez. Mutfağıma laboratuvar demenin zor olduğunu dürüstçe kabul ediyorum ve belki de sonuçlarım gerçeğe aykırıdır. Dondurucum yiyecekleri eşit olmayan şekilde dondurabilir. Cam gözlüklerim düzensiz olabilir, vb. Ama laboratuvarda ne olursa olsun, mutfakta suyun dondurulması veya kaynatılması söz konusu olduğunda en önemli şey sağduyudur.

su hakkında ilginç gerçeklerle bağlantı su hakkında her şey
forum.ixbt.com forumunda önerildiği gibi, bu etki (sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı dondurulmasının etkisi) "Aristoteles-Mpemba etkisi" olarak adlandırılır.

Şunlar. kaynamış su (soğutulmuş) "ham" sudan daha hızlı donar

Eski güzel formül H 2 O'da hiçbir sır yok gibi görünüyor. Ama aslında, yaşamın kaynağı ve dünyadaki en ünlü sıvı olan su, bazen bilim adamlarının bile çözemediği birçok gizemle doludur.

İşte su hakkında en ilginç 5 gerçek:

1. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar

İki kap su alın: birine sıcak su, diğerine soğuk su dökün ve dondurucuya koyun. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar, ancak mantıksal olarak, soğuk suyun önce buza dönüşmesi gerekir: sonuçta, sıcak suyun önce soğuk sıcaklığa kadar soğuması ve ardından buza dönüşmesi gerekirken, soğuk suyun soğuması gerekmez. Bu neden oluyor?

1963 yılında Tanzanya'da lise son sınıf öğrencisi olan Erasto B. Mpemba, hazırlanmış bir dondurma karışımını dondururken, sıcak karışımın dondurucuda soğuktan daha hızlı katılaştığını fark etti. Genç adam keşfini bir fizik öğretmeniyle paylaştığında ona sadece güldü. Neyse ki, öğrenci ısrarcıydı ve öğretmeni, keşfini doğrulayan bir deney yapmaya ikna etti: belirli koşullar altında, sıcak su gerçekten soğuk sudan daha hızlı donar.

Şimdi bu sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olgusuna Mpemba etkisi denir. Doğru, ondan çok önce, suyun bu eşsiz özelliği Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından not edildi.

Bilim adamları, bu fenomenin doğasını tam olarak anlamıyorlar, bunu ya hipotermi, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon ya da sıvılaştırılmış gazların sıcak ve soğuk su üzerindeki etkisi arasındaki farkla açıklıyorlar.

Х.RU'dan "Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar" konusuna not edin.

Soğutma sorunları bize daha yakın olduğu için, soğutma uzmanları, bu sorunun özüne daha derinden inmek ve böyle gizemli bir fenomenin doğası hakkında iki fikir vermek için kendimize izin vereceğiz.

1. Washington Üniversitesi'nden bir bilim adamı, Aristo'nun zamanından beri bilinen gizemli bir fenomen için bir açıklama yaptı: Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar.

Mpemba etkisi olarak adlandırılan fenomen, pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin uzmanlar, sürücülere kışın yıkayıcı haznesine sıcak su yerine soğuk su dökmelerini tavsiye ediyor. Ancak bu fenomenin altında yatan şey uzun süre bilinmedi.

EurekAlert, Washington Üniversitesi'nden Dr. Jonathan Katz bu fenomeni araştırdı ve suda çözünen ve ısıtıldığında çöken maddelerin önemli bir rol oynadığı sonucuna vardı.

Çözünenler ile Dr. Katz, sert suda bulunan kalsiyum ve magnezyum bikarbonatları ifade eder. Su ısıtıldığında, bu maddeler çökerek su ısıtıcısının duvarlarında kireç oluşturur. Hiç ısıtılmamış su bu safsızlıkları içerir. Donduğunda ve buz kristalleri oluştuğunda, sudaki safsızlıkların konsantrasyonu 50 kat artar. Bu, suyun donma noktasını düşürür. Dr. Katz, "Ve şimdi suyun donması için soğuması gerekiyor" diye açıklıyor.

Isıtılmamış suyun donmasını engelleyen ikinci bir sebep daha var. Suyun donma noktasının düşürülmesi, katı ve sıvı fazlar arasındaki sıcaklık farkını azaltır. Dr. Katz, "Suyun ısı kaybetme hızı bu sıcaklık farkına bağlı olduğundan, ısıtılmamış suyun soğuması daha az olasıdır" diyor.

Bilim adamına göre, teorisi deneysel olarak test edilebilir, çünkü. Mpemba etkisi daha sert su için daha belirgin hale gelir.

2. Oksijen artı hidrojen artı soğuk buz oluşturur. İlk bakışta, bu şeffaf madde çok basit görünüyor. Aslında, buz birçok gizemle doludur. Afrika Erasto Mpemba'nın yarattığı buz, zafer hakkında düşünmedi. Günler sıcaktı. Dondurma istedi. Bir karton meyve suyu alıp dondurucuya koydu. Bunu bir kereden fazla yaptı ve bu nedenle, ondan önce güneşte tutarsanız, meyve suyunun özellikle hızlı bir şekilde donduğunu fark etti - sadece ısıtın! Bu garip, diye düşündü dünyevi bilgeliğe aykırı davranan Tanzanyalı okul çocuğu. Sıvının buza daha hızlı dönüşmesi için önce ... ısıtılması gerekir mi? Genç adam o kadar şaşırdı ki tahminini öğretmenle paylaştı. Bu merakını basına bildirdi.

Bu hikaye 1960'larda oldu. Şimdi "Mpemba etkisi" bilim adamları tarafından iyi biliniyor. Ancak görünüşte basit olan bu fenomen uzun bir süre bir sır olarak kaldı. Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar?

1996 yılına kadar fizikçi David Auerbach bir çözüm bulamadı. Bu soruyu cevaplamak için bir yıl boyunca bir deney yaptı: Bir bardakta suyu ısıttı ve tekrar soğuttu. Peki ne öğrendi? Isıtıldığında, suda çözünen hava kabarcıkları buharlaşır. Gazsız su, kabın duvarlarında daha kolay donar. Auerbach, "Elbette yüksek hava içeriğine sahip su da donacaktır" diyor Auerbach, "ama sıfır santigrat derecede değil, sadece eksi dört ila altı derecede." Tabii ki daha uzun süre beklemeniz gerekecek. Yani sıcak su soğuk sudan önce donar, bu bilimsel bir gerçektir.

Buz gibi kolaylıkla gözlerimizin önüne gelecek bir madde yok denecek kadar azdır. Sadece su moleküllerinden oluşur - yani iki hidrojen atomu ve bir oksijen içeren temel moleküller. Ancak buz belki de evrendeki en gizemli maddedir. Bilim adamları şimdiye kadar bazı özelliklerini açıklayamadılar.

2. Aşırı soğutma ve "flaş" dondurma

Suyun 0 °C'ye soğuduğunda her zaman buza dönüştüğünü herkes bilir... Bazı durumlar dışında! Böyle bir durum, örneğin, çok saf suyun donma noktasının altına soğutulduğunda bile sıvı kalması özelliği olan "aşırı soğutma"dır. Bu fenomen, ortamın buz kristallerinin oluşumunu tetikleyebilecek kristalizasyon merkezleri veya çekirdekleri içermemesi nedeniyle mümkün olur. Böylece su, sıfır santigrat derecenin altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda bile sıvı halde kalır. Kristalizasyon işlemi, örneğin gaz kabarcıkları, kirlilikler (kirlilik), kabın pürüzlü yüzeyi tarafından tetiklenebilir. Onlar olmadan su sıvı halde kalacaktır. Kristalleşme süreci başladığında, süper soğutulmuş suyun nasıl anında buza dönüştüğünü izleyebilirsiniz.

Phil Medina'nın (www.mrsciguy.com) videosunu (2 901 Kb, 60 c) izleyin ve kendiniz görün >>

Yorum. Kızgın su, kaynama noktasının üzerinde ısıtıldığında bile sıvı kalır.

3. "Cam" su

Çabuk ve tereddüt etmeden, suyun kaç farklı hali olduğunu söyleyin?

Üç (katı, sıvı, gaz) yanıtı verdiyseniz, yanılıyorsunuz. Bilim adamları, sıvı haldeki en az 5 farklı su durumunu ve 14 buz durumunu ayırt eder.

Süper soğutulmuş su hakkındaki konuşmayı hatırlıyor musunuz? Yani ne yaparsanız yapın -38°C'de en saf süper soğutulmuş su bile bir anda buza dönüşür. Daha fazla düşüşle ne olur?

sıcaklık? -120 °C'de suya garip bir şey olmaya başlar: melas gibi süper viskoz veya viskoz hale gelir ve -135 °C'nin altındaki sıcaklıklarda "camsı" veya "camsı" suya dönüşür - katı bir maddedir. kristal yapı yoktur.

4. Suyun kuantum özellikleri

Moleküler düzeyde, su daha da şaşırtıcıdır. 1995'te bilim adamları tarafından yürütülen bir nötron saçılması deneyi beklenmedik bir sonuç verdi: fizikçiler, su moleküllerine yönelik nötronların beklenenden %25 daha az hidrojen protonu "gördüklerini" buldular.

Bir attosaniye (10 -18 saniye) hızında olağandışı bir kuantum etkisinin meydana geldiği ve suyun kimyasal formülünün olağan olan - H 2 O yerine H 1.5 O olduğu ortaya çıktı!

5. Suyun hafızası var mı?

Geleneksel tıbba bir alternatif olan homeopati, seyreltme faktörü o kadar büyük olsa da, çözeltide su moleküllerinden başka hiçbir şey kalmasa bile, bir tıbbi ürünün seyreltilmiş çözeltisinin vücut üzerinde iyileştirici bir etkisi olabileceğini iddia eder. Homeopati savunucuları bu paradoksu "suyun hafızası" adı verilen bir kavramla açıklar; buna göre moleküler seviyedeki su, içinde çözündükten sonra maddenin bir "hafızasına" sahiptir ve bir süre sonra orijinal konsantrasyonun çözeltisinin özelliklerini muhafaza eder. bileşenin tek molekülü içinde kalır.

Homeopati ilkelerini eleştiren Belfast Queen's Üniversitesi'nden Profesör Madeleine Ennis liderliğindeki uluslararası bir bilim adamları ekibi, 2002 yılında bu kavramı kesin olarak çürütmek için bir deney yaptılar.Sonuç tam tersi oldu.Daha sonra bilim adamları, "Suyun hafızasının" etkisinin gerçekliğini kanıtlayabildiler. Ancak bağımsız uzmanların gözetiminde yapılan deneyler sonuç vermedi. "Suyun hafızası" olgusunun varlığına dair tartışmalar devam ediyor.

Su, bu makalede ele almadığımız birçok olağandışı özelliğe sahiptir.

Edebiyat.

1. Su Hakkında Gerçekten Garip 5 Şey / http://www.neatorama.com.
2. Suyun gizemi: Aristoteles-Mpemba etkisinin teorisi oluşturuldu / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Cansız doğanın sırları. Evrendeki en gizemli madde / http://www.bibliotekar.ru.