Mpemba vaikutus(Mpemba paradoksi) - paradoksi, joka sanoo sen kuuma vesi joissakin olosuhteissa se jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka samalla sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätymisen aikana. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan samoissa olosuhteissa kuumenemman kappaleen jäähtyminen tiettyyn lämpötilaan kestää kauemmin kuin vähemmän kuumennetun kappaleen jäähtyminen samaan lämpötilaan.
Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.
Magabinskajan opiskelijana lukio Tansaniassa Erasto Mpemba teki käytännön työ ruoanlaitossa. Hänen täytyi tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja hän viivytteli tehtävän ensimmäisen osan suorittamista. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereiden maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.
Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös maitoa pelkkä vesi... Joka tapauksessa hän jo Mkvavan lukion opiskelijana kysyi professori Dennis Osbornelta Dar es Salaamin yliopistosta (rehtori kutsui pitämään opiskelijoille luento fysiikasta) nimenomaan vedestä: "Jos otat kaksi identtiset astiat, joissa on yhtä suuri vesimäärä niin, että yhdessä niistä veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laita ne pakastimeen, niin toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi ?" Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 hän ja Mpemba julkaisivat kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutus on ns Mpemba vaikutus.
Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja.
Mpemba-ilmiön paradoksi on, että aika, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Tässä vaikutuksessa vesi, jonka lämpötila on 100 ° C, jäähtyy 0 ° C lämpötilaan nopeammin kuin sama määrä vettä, jonka lämpötila on 35 ° C.
Tämä ei kuitenkaan vielä viittaa paradoksiin, sillä Mpemba-ilmiö voidaan selittää tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:
Haihtuminen
Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan 0 C:een jäähdytettynä.
Haihdutusvaikutus - kaksoisvaikutus. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden määrää vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.
Lämpötila ero
Johtuen siitä, että lämpötilaero kuuma vesi ja enemmän kylmää ilmaa - siksi lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.
Hypotermia
Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Joissakin olosuhteissa se voi joutua hypotermiaan ja pysyä nesteenä jäätymispisteen alapuolella. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:n lämpötilassa.
Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos niitä ei ole nestemäisessä vedessä, hypotermia jatkuu, kunnes lämpötila laskee niin paljon, että kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyessään muodostaa jäätä.
Kuuma vesi on alttiimmin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.
Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Siinä tapauksessa kylmä vesi jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa ohut kerros jäätä muodostuu aluksen pinnalle. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa hitaampi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähtyneessä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.
Kun hypotermiaprosessi päättyy ja vesi jäätyy, paljon menetetään enemmän lämpöä ja siksi jäätä muodostuu enemmän.
Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.
Konvektio
Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.
Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden enimmäistiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se jää pinnalle muodostaen ohuen, kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jatkojäähdytysprosessi on hitaampi.
Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Lisäksi kylmävesikerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.
Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta pitäisi olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerrokset erottuvat ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila on laskenut alle 4 C.
Ei kuitenkaan ole olemassa kokeellista tietoa, joka tukisi tätä hypoteesia, jonka mukaan kylmät ja kuumat vesikerrokset erottuvat konvektiosta.
Veteen liuenneet kaasut
Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Kun vettä kuumennetaan, nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen klo korkea lämpötila alla. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.
Lämmönjohtokyky
Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan pakastimeen. jäähdytyskammio pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumaa vettä sisältävä astia sulattaa pakastimen jään alla, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinään ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu säiliöstä kuumalla vedellä nopeammin kuin kylmästä vedestä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan sulata lunta sen alla.
Kaikkia näitä (ja muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat Mpemba-ilmiön sataprosenttisen toiston - ei ole saatu.
Esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi, mikä tarkoittaa nopeampaa kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähtyneen tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä.
Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiemmin saatujen tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi voi saavuttaa enemmän alijäähdytystä, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.
Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.
Vanhassa hyvässä kaavassa H 2 O näyttää siltä, ei salaisuuksia. Mutta itse asiassa vesi - elämän lähde ja tunnetuin neste maailmassa - on täynnä monia mysteereitä, joita joskus jopa tiedemiehet eivät pysty ratkaisemaan.
Tässä on 5 eniten mielenkiintoisia seikkoja vedestä:
1. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi
Ota kaksi vesisäiliötä: kaada kuumaa vettä toiseen ja kylmää vettä toiseen ja laita ne pakastin... Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka loogisesti ajatellen kylmän veden olisi pitänyt muuttua ensimmäisenä jääksi: kuuman veden on loppujen lopuksi ensin jäähdytettävä kylmään ja sitten muututtava jääksi, kun taas kylmän veden ei tarvitse jäähtyä. viilentyä. Miksi tämä tapahtuu?
Vuonna 1963 Erasto B. Mpemba, ylioppilas Tansaniassa pakastaessaan valmistettua jäätelösekoitetta, huomasi, että kuuma seos jäätyi pakastimessa nopeammin kuin kylmä seos. Kun nuori mies jakoi löytönsä fysiikan opettajalle, hän vain nauroi hänelle. Onneksi oppilas oli sinnikäs ja vakuutti opettajan suorittamaan kokeen, joka vahvisti hänen löytönsä: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Nyt tätä ilmiötä, jossa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, kutsutaan "Mpemba-ilmiöksi". Totta, kauan ennen häntä tämä ainutlaatuinen omaisuus veden panivat merkille Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.
Tutkijat eivät vieläkään täysin ymmärrä tämän ilmiön luonnetta, selittäen sen joko erolla hypotermiassa, haihtumisen, jään muodostumisessa, konvektiossa tai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksella kuumaan ja kylmään veteen.
Х.RU:n huomautus aiheeseen "Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi".
Koska jäähdytyskysymykset ovat lähempänä meitä, jääkaappeja, annamme itsellemme mahdollisuuden syventyä hieman tämän ongelman olemukseen ja antaa kaksi mielipidettä sen luonteesta. mystinen ilmiö.
1. Washingtonin yliopiston tiedemies tarjosi selityksen Aristoteleen ajoilta tunnetulle mystiselle ilmiölle: miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Mpemba-ilmiötä käytetään laajasti käytännössä. Esimerkiksi asiantuntijat neuvovat autoilijoita kaatamaan kylmää, ei kuumaa vettä pesukoneen säiliöön talvella. Mutta mikä on tämän ilmiön ytimessä, pitkä aika jäi tuntemattomaksi.
Tohtori Jonathan Katz Washingtonin yliopistosta tutki tätä ilmiötä ja päätteli, että veteen liuenneilla aineilla, jotka saostuvat kuumennettaessa, on tärkeä rooli EurekAlertin mukaan.
Alle liuennut aineet dr Katz viittaa kovan veden kalsium- ja magnesiumbikarbonaatteihin. Kun vettä kuumennetaan, nämä aineet kerrostuvat ja muodostavat kalkkia vedenkeittimen seinille. Vesi, jota ei ole koskaan lämmitetty, sisältää näitä epäpuhtauksia. Kun se jäätyy ja jääkiteitä muodostuu, epäpuhtauksien pitoisuus vedessä kasvaa 50-kertaiseksi. Tämä alentaa veden jäätymispistettä. "Ja nyt veden täytyy vielä jäähtyä jäätyäkseen", selittää tohtori Katz.
On toinen syy, joka estää lämmittämättömän veden jäätymisen. Veden jäätymispisteen alentaminen pienentää kiinteän ja nestefaasin välistä lämpötilaeroa. "Koska nopeus, jolla vesi menettää lämpöä, riippuu tästä lämpötilaerosta, vesi, jota ei ole lämmitetty, jäähtyy huonommin", sanoo tohtori Katz.
Tiedemiehen mukaan hänen teoriaansa voidaan testata kokeellisesti, koska Mpemba-ilmiö tulee voimakkaammaksi kovemmalla vedellä.
2. Happi plus vety ja kylmä tekevät jäätä. Ensi silmäyksellä tämä läpinäkyvä aine näyttää hyvin yksinkertaiselta. Todellisuudessa jää on täynnä monia mysteereitä. Afrikkalaisen Erasto Mpemban luoma jää ei haaveillut kuuluisuudesta. Oli kuumia päiviä. Hän halusi hedelmäjäätä... Hän otti pakkauksen mehua ja laittoi sen pakastimeen. Hän teki tämän useammin kuin kerran ja huomasi siksi, että mehu jäätyy erityisen nopeasti, jos pidät sitä auringossa etukäteen - se on todella kuuma! Tämä on outoa, ajatteli tansanialainen koulupoika, joka toimi päinvastoin maallista viisautta... Todellakin, jotta neste muuttuisi jääksi nopeammin, se on ensin ... lämmitettävä? Nuori mies oli niin yllättynyt, että hän kertoi arvauksensa opettajalle. Hän kertoi tästä uteliaisuudesta lehdistössä.
Tämä tarina tapahtui viime vuosisadan 60-luvulla. Nyt "Mpemba-ilmiö" on tiedemiesten hyvin tiedossa. Mutta pitkään tämä näennäisesti yksinkertainen ilmiö pysyi mysteerinä. Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?
Vasta vuonna 1996 fyysikko David Auerbach löysi ratkaisun. Vastatakseen tähän kysymykseen hän suoritti koko vuoden kokeen: lämmitti vettä lasissa ja jäähdytti sen uudelleen. Mitä hän sitten sai selville? Kuumennettaessa veteen liuenneet ilmakuplat haihtuvat. Vesi, jossa ei ole kaasuja, jäätyy helpommin astian seinille. "Tietenkin vesi, jossa on paljon ilmaa, jäätyy myös", Auerbach sanoo, "mutta ei nollassa, vaan vain miinus neljässä tai kuudessa asteessa." On selvää, että odotus kestää kauemmin. Joten kuuma vesi jäätyy ennen kylmää vettä, tämä on tieteellinen tosiasia.
Tuskin on ainetta, joka ilmestyisi silmiemme eteen yhtä helposti kuin jää. Se koostuu vain vesimolekyyleistä - eli alkuainemolekyyleistä, jotka sisältävät kaksi vetyatomia ja yhden hapen. Jää on kuitenkin kiistatta maailmankaikkeuden salaperäisin aine. Tiedemiehet eivät ole vielä pystyneet selittämään joitakin sen ominaisuuksia.
2. Superjäähdytys ja "välitön" jäädytys
Kaikki tietävät, että vesi muuttuu aina jääksi, kun se jäähtyy 0 °C:seen ... paitsi joissain tapauksissa! Tällainen tapaus on esimerkiksi "ylijäähdytys", joka on erittäin ominaisuus puhdas vesi pysyy nesteenä myös jäähtyneenä jäätymispisteen alapuolelle. Tämä ilmiö tulee mahdolliseksi, koska ympäristössä ei ole kiteytyskeskuksia tai -ytimiä, jotka voisivat aiheuttaa jääkiteiden muodostumista. Ja siksi vesi pysyy nestemäisessä muodossa, vaikka se jäähtyy alle nollan celsiusasteen lämpötiloihin. Kiteytysprosessin voivat laukaista esimerkiksi kaasukuplat, epäpuhtaudet (epäpuhtaudet), epätasainen pinta kapasiteettia. Ilman niitä vesi pysyy nestemäisenä. Kun kiteytysprosessi alkaa, voit tarkkailla kuinka alijäähdytetty vesi muuttuu hetkessä jääksi.
Katso Phil Medinan (www.mrsciguy.com) video (2 901 Kb, 60 s) ja katso itse >>
Kommentti. Tulistettu vesi pysyy myös nestemäisenä, vaikka se kuumennetaan kiehumispisteen yläpuolelle.
3. "Lasi" vesi
Nimeä nopeasti ja epäröimättä kuinka paljon erilaiset olosuhteet onko vedessä?
Jos vastasit kolmeen (kiinteä, nestemäinen, kaasumainen), olet väärässä. Tutkijat erottavat vähintään 5 erilaista nestemäistä vettä ja 14 jään tilaa.
Muistatko keskustelun alijäähdyttetystä vedestä? Joten riippumatta siitä, mitä teet, -38 ° C: n lämpötilassa puhtainkin alijäähdytetty vesi muuttuu yhtäkkiä jääksi. Mitä tapahtuu lisävähennyksen yhteydessä
lämpötila? -120 °C:ssa vedellä alkaa tapahtua jotain outoa: siitä tulee superviskoosia tai viskoosia, kuten melassia, ja alle -135 °C:n lämpötiloissa se muuttuu "lasiksi" tai "lasimaiseksi" vedeksi - kiinteä jossa ei ole kiderakennetta.
4. Veden kvanttiominaisuudet
Molekyylitasolla vesi on vieläkin yllättävämpää. Vuonna 1995 tutkijoiden suorittama neutronien sirontakoe antoi odottamattoman tuloksen: fyysikot havaitsivat, että vesimolekyyleihin suunnatut neutronit "näkevät" 25 % odotettua vähemmän vetyprotoneja.
Kävi ilmi, että yhden attosekunnin (10 -18 sekuntia) nopeudella oli epätavallista kvanttiefekti, ja kemiallinen kaava vesi tavallisen H 2 O sijaan muuttuu H 1,5 O:ksi!
5. Onko vedellä muistia?
Homeopatia, vaihtoehto virallinen lääketiede, väittää, että laimennettu liuos lääkettä voi tarjota parantava vaikutus kehoon, vaikka laimennuskerroin on niin suuri, ettei liuokseen jää mitään muuta kuin vesimolekyylejä. Homeopatian kannattajat selittävät tämän paradoksin käsitteellä, jota kutsutaan "veden muistiksi", jonka mukaan vedellä molekyylitasolla on "muisti" aineesta, joka oli kerran liuennut siihen ja säilyttää alkuperäisen pitoisuutensa liuoksen ominaisuudet sen jälkeen. siihen ei jää ainuttakaan ainesosan molekyyliä.
Kansainvälinen tiedemiesryhmä, jota johti professori Madeleine Ennis Belfastin yliopistosta ja kritisoi homeopatian periaatteita, suoritti vuonna 2002 kokeen kumotakseen tämän käsityksen lopullisesti, jonka tutkijat sanoivat pystyneensä todistamaan todellisuuden. "veden muistin" vaikutuksesta. Riippumattomien asiantuntijoiden valvonnassa tehdyt kokeet eivät kuitenkaan ole tuottaneet tuloksia. Kiistat "veden muistin" olemassaolosta jatkuvat.
Vedellä on monia muita epätavallisia ominaisuuksia, joita emme ole käsitelleet tässä artikkelissa.
Kirjallisuus.
1.5 Todella outoja asioita vedestä / http://www.neatorama.com.
2. Veden mysteeri: Aristoteles-Mpemba-ilmiön teoria on luotu / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Mysteerit eloton luonto... Maailmankaikkeuden salaperäisin aine / http://www.bibliotekar.ru.
Näyttää ilmeiseltä, että kylmä vesi jäätyy nopeammin kuin kuuma vesi, koska tasaisissa olosuhteissa kuuman veden jäähtyminen ja jäätyminen kestää kauemmin. Tuhansien vuosien havainnot ja nykyaikaiset kokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että myös päinvastoin: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Tiedekanava Sciencium selittää tämän ilmiön:
Kuten yllä olevassa videossa selitettiin, kuuman veden jäätymistä nopeammin kuin kylmää vettä kutsutaan Mpemba-ilmiöksi, joka on nimetty tansanialaisen Erasto Mpemban mukaan, joka teki jäätelöä vuonna 1963 osana kouluprojektia. Oppilaiden piti kiehauttaa kerman ja sokerin seos, antaa sen jäähtyä ja laittaa se sitten pakastimeen.
Sen sijaan Erasto laittoi seoksensa päälle heti kuumana odottamatta sen jäähtymistä. Seurauksena oli, että 1,5 tunnin kuluttua hänen seos oli jo jäätynyt, mutta muiden opiskelijoiden seokset eivät. Ilmiöstä kiinnostuneena Mpemba alkoi tutkia asiaa fysiikan professori Denis Osbornen kanssa, ja vuonna 1969 he julkaisivat artikkelin, jonka mukaan lämmin vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Tämä oli ensimmäinen vertaisarvioitu tällainen tutkimus, mutta itse ilmiö mainitaan Aristoteleen papereissa, jotka ovat peräisin 4. vuosisadalta eKr. NS. Myös Francis Bacon ja Descartes panivat merkille tämän ilmiön tutkimuksissaan.
Videolla on useita vaihtoehtoja tapahtuman selittämiseen:
- Huurre on eriste, ja siksi pakkas kylmä vesi varastoi lämpöä paremmin kuin lämmin lasi, joka sulattaa jäätä kosketuksessaan siihen
- Kylmässä vedessä on enemmän liuenneita kaasuja kuin lämpimässä vedessä, ja tutkijat olettavat, että tämä saattaa vaikuttaa jäähtymisnopeuteen, vaikka ei ole vielä selvää, miten
- Kuuma vesi menettää enemmän vesimolekyylejä haihtumisen vuoksi, joten jäätymiseen jää vähemmän
- Lämmintä vettä voi jäähtyä nopeammin lisääntyneiden konvektiivisten virtojen vuoksi. Nämä virrat syntyvät, koska ensinnäkin lasissa oleva vesi jäähtyy pinnalla ja sivuilla, jolloin kylmä vesi laskeutuu ja kuuma nousee. Lämpimässä lasissa konvektiiviset virrat ovat aktiivisempia, mikä voi vaikuttaa jäähdytysnopeuteen.
Vuonna 2016 kuitenkin tehtiin huolellisesti kontrolloitu tutkimus, joka osoitti päinvastaista: kuuma vesi jäätyi paljon hitaammin kuin kylmä vesi. Samanaikaisesti tutkijat huomasivat, että lämpöparin - lämpötilan pudotuksia määrittävän laitteen - sijainnin muuttaminen vain senttimetrillä johtaa Mpemba-ilmiön ilmestymiseen. Muiden vastaavien töiden tutkiminen osoitti, että kaikissa tapauksissa, joissa tämä vaikutus havaittiin, termopari siirtyi senttimetrin sisällä.
Vesi on yksi maailman upeimmista nesteistä, jolla on epätavallisia ominaisuuksia. Esimerkiksi jää on nesteen kiinteä tila tietty painovoima alhaisempi kuin itse vesi, mikä mahdollisti elämän syntymisen ja kehittymisen maapallolla monin tavoin. Lisäksi pseudotieteellisessä ja tieteellisessä maailmassa keskustellaan siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Jokainen, joka todistaa kuumien nesteiden nopeamman jäätymisen tietyissä olosuhteissa ja perustelee päätöksensä tieteellisesti, saa 1000 punnan palkinnon British Royal Society of Chemists -järjestöltä.
Ongelman historia
Se tosiasia, että useiden ehtojen täyttyessä kuuma vesi on jäätymisnopeudeltaan nopeampaa kuin kylmä vesi, havaittiin keskiajalla. Francis Bacon ja René Descartes ovat nähneet paljon vaivaa selittääkseen tämän ilmiön. Klassisen lämmitystekniikan näkökulmasta tätä paradoksia ei kuitenkaan voida selittää, ja siitä yritettiin ujosti vaieta. Sysäyksenä kiistan jatkumiselle oli hieman omituinen tarina, joka tapahtui tansanialaiselle koulupojalle Erasto Mpemballe vuonna 1963. Kerran kokkikoulun jälkiruokien valmistustunnilla poika, joka oli vieraiden asioiden hajamielinen, ei ehtinyt jäähdyttää jäätelöseosta ajoissa ja laittaa kuumaa sokeriliuosta maidossa pakastimeen. Hänen yllätyksekseen tuote jäähtyi jonkin verran nopeammin kuin hänen tarkkailevien harjoittajiensa lämpötilajärjestelmä jäätelön tekeminen.
Yrittäessään ymmärtää ilmiön olemusta poika kääntyi fysiikan opettajansa puoleen, joka yksityiskohtiin menemättä pilkkasi hänen kulinaarisia kokeitaan. Erasto erottui kuitenkin kadehdittavasta sinnikkyydestään ja jatkoi kokeitaan ei enää maidolla, vaan vedellä. Hän oli vakuuttunut siitä, että joissain tapauksissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Tultuaan Dar es Salaamin yliopistoon Erasto Mpembe osallistui professori Dennis G. Osbornen luennolle. Valmistumisensa jälkeen opiskelija ymmärsi tiedemiehen ongelman veden jäätymisnopeudesta riippuen sen lämpötilasta. DG Osborne pilkkasi itse kysymystä ja totesi tylysti, että jokainen köyhä opiskelija tietää, että kylmä vesi jäätyy nopeammin. Nuoren miehen luonnollinen itsepäisyys kuitenkin tuntui. Hän teki vedon professorin kanssa ehdottaen täällä, laboratoriossa, kokeellisen testin suorittamista. Erasto asetti kaksi vesisäiliötä pakastimeen, toisen 35 °C:seen (95 °F) ja toisen 100 °C:seen. Kuvittele professorin ja ympäröivien "fanien" yllätys, kun toisessa astiassa oleva vesi jäätyi nopeammin. Siitä lähtien tätä ilmiötä on kutsuttu "Mpemba-paradoksiksi".
Toistaiseksi ei kuitenkaan ole olemassa yhtenäistä teoreettista hypoteesia, joka selittäisi "Mpemba-paradoksia". Ei ole selvää mikä ulkoiset tekijät, kemiallinen koostumus vesi, liuenneiden kaasujen ja mineraalien läsnäolo siinä vaikuttaa nesteiden jäätymisnopeuteen eri lämpötiloissa. "Mpemba-ilmiön" paradoksi on, että se on ristiriidassa yhden I. Newtonin löytämän lain kanssa, jonka mukaan veden jäähtymisaika on suoraan verrannollinen nesteen ja ympäristön lämpötilaeroon. Ja jos kaikki muut nesteet noudattavat täysin tätä lakia, vesi on joissain tapauksissa poikkeus.
Miksi kuuma vesi jäätyy nopeamminT
On olemassa useita versioita, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Tärkeimmät ovat:
- kuuma vesi haihtuu nopeammin, kun taas sen tilavuus pienenee ja pienempi nestemäärä jäähtyy nopeammin - kun vesi jäähdytetään + 100 ° C: sta 0 ° C: een, tilavuushäviöt ilmakehän paineessa saavuttavat 15%;
- lämmönsiirron intensiteetti nesteen ja ympäristöön mitä korkeampi, sitä suurempi lämpötilaero, joten kiehuvan veden lämpöhäviöt kulkevat nopeammin;
- kuuman veden jäähtyessä sen pinnalle muodostuu jääkuori, joka estää nesteen täydellisen jäätymisen ja haihtumisen;
- korkeassa veden lämpötilassa tapahtuu sen konvektiosekoittumista, mikä lyhentää jäätymisaikaa;
- veteen liuenneet kaasut alentavat jäätymispistettä ja vievät energiaa kiteytymiseen - kuumassa vedessä ei ole liuenneita kaasuja.
Kaikki nämä olosuhteet on toistuvasti testattu kokeellisesti. Erityisesti saksalainen tiedemies David Auerbach havaitsi, että kuuman veden kiteytyslämpötila on hieman korkeampi kuin kylmän veden, mikä mahdollistaa entisen jäätymisen nopeammin. Myöhemmin hänen kokeitaan kuitenkin kritisoitiin ja monet tutkijat ovat vakuuttuneita siitä, että "Mpemba-ilmiö", josta vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, voidaan toistaa vain tietyissä olosuhteissa, joiden etsimiseen ja määrittelyyn ei ole toistaiseksi osallistunut.
Tässä artikkelissa tarkastellaan kysymystä siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Kuuma vesi jäätyy paljon nopeammin kuin kylmä vesi! Tämä veden hämmästyttävä ominaisuus, jolle tiedemiehet eivät löydä tarkkaa selitystä, on tunnettu muinaisista ajoista lähtien. Esimerkiksi jopa Aristoteleella on kuvaus talvikalastus: kalastajat työnsivät vavat jäässä oleviin reikiin ja kaatoivat jään, jotta ne jäätyivät mahdollisimman pian lämmintä vettä... Ilmiö sai nimen Erasto Mpemba 1900-luvun 60-luvulla. Mnemba huomasi oudon vaikutuksen valmistaessaan jäätelöä ja kääntyi fysiikan opettajansa tohtori Denis Osbornen puoleen saadakseen selityksen. Mpemba ja tohtori Osborne kokeilivat erilämpöistä vettä ja päättelivät, että lähes kiehuva vesi alkaa jäätyä paljon nopeammin kuin vesi huoneenlämpötilassa. Muut tutkijat suorittivat omia kokeitaan ja saivat samanlaisia tuloksia joka kerta.
Fysikaalisen ilmiön selitys
Ei ole olemassa yleisesti hyväksyttyä selitystä miksi näin tapahtuu. Monet tutkijat ehdottavat, että kyse on nesteen hypotermiasta, joka tapahtuu, kun sen lämpötila laskee jäätymispisteen alapuolelle. Toisin sanoen, jos vesi jäätyy alle 0 °C:n lämpötiloissa, alijäähdytetyn veden lämpötila voi olla esimerkiksi -2 °C ja samalla se voi pysyä nesteenä muuttumatta jääksi. Kun yritämme jäädyttää kylmää vettä, on mahdollista, että se ensin alijäähtyy ja kovettuu vasta hetken kuluttua. Muut prosessit tapahtuvat lämmitetyssä vedessä. Sen nopeampi muuttuminen jääksi liittyy konvektioon.
Konvektio- Tämä on fyysinen ilmiö, jossa nesteen lämpimät alemmat kerrokset nousevat ja ylemmät, jäähtyneet, putoavat.
