Mpemba -efekti(Mpemba -paradoksi) - paradoksi, joka sanoo sen kuuma vesi joissakin olosuhteissa se jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, mutta samalla sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila pakastusprosessin aikana. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavanomaisten käsitteiden kanssa, joiden mukaan samoissa olosuhteissa kuumemman ruumiin jäähtyminen tiettyyn lämpötilaan kestää kauemmin kuin vähemmän kuumennetun ruumiin jäähtyminen samaan lämpötilaan.
Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba havaitsi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.
Magambinskayan opiskelijana lukio Tansaniassa Erasto Mpemba teki käytännön työ ruoanlaittoon. Hänen täytyi valmistaa kotitekoista jäätelöä - keittää maitoa, liuottaa siihen sokeria, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera oppilas ja viivästytti tehtävän ensimmäisen osan suorittamista. Peläten, ettei hän olisi ajoissa oppitunnin lopussa, hän laittoi kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyn tekniikan mukaisesti.
Sen jälkeen Mpemba kokeili maidon lisäksi myös pelkkä vesi... Joka tapauksessa, jo ollessaan Mkvavan lukion opiskelija, hän pyysi professori Dennis Osbornea Dar es Salaamin yliopistollisesta korkeakoulusta (rehtorin kutsusta pitämään oppilaille luennon fysiikasta) nimenomaan vedestä: ”Jos otat kaksi identtiset astiat, joissa on yhtä paljon vettä niin, että toisessa niistä veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laita ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. ? " Osborne kiinnostui tästä asiasta ja pian vuonna 1969 hän ja Mpemba julkaisivat kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien niiden löytämää vaikutusta kutsutaan Mpemba -efekti.
Tähän asti kukaan ei tiedä tarkalleen, miten selittää tämä outo vaikutus. Tiedemiehillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien erosta, mutta ei ole vielä selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero jäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa tai nesteytettyjen kaasujen vaikutus veteen eri lämpötiloissa.
Mpemba -ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen kehon ja ympäristön välisiin lämpötilaeroihin. Tämän lain perusti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Tällöin vesi, jonka lämpötila on 100 ° C, jäähtyy 0 ° C nopeammin kuin sama määrä vettä, jonka lämpötila on 35 ° C.
Tämä ei kuitenkaan vielä viittaa paradoksiin, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba -vaikutukselle:
Haihdutus
Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä vähentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä vettä samassa lämpötilassa jäätyy nopeammin. 100 ° C: seen lämmitetty vesi menettää 16% massastaan, kun se jäähdytetään 0 ° C: seen.
Haihtumisvaikutus - kaksinkertainen vaikutus. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittava vesimäärä vähenee. Ja toiseksi lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö vähenee.
Lämpötilaero
Johtuu siitä, että lämpötilaero välillä 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 jääty. Joissakin olosuhteissa se voi kärsiä hypotermiasta ja pysyä nesteenä jäätymispisteen alapuolella. Joissakin tapauksissa vesi voi jäädä nestemäiseksi jopa -20 ° C: n lämpötilassa.
Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteiden muodostumiskeskuksia. Jos niitä ei ole nestemäisessä vedessä, hypotermia jatkuu, kunnes lämpötila laskee niin paljon, että kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua ylikuumennetussa nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäähiekan, joka jäätymisestä muodostaa jäätä.
Kuuma vesi on alttiimpia hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneita kaasuja ja kuplia, jotka puolestaan voivat toimia keskuksina jääkiteiden muodostumiselle.
Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Tapauksessa kylmä vesi jota ei ole jäähdytetty, tapahtuu seuraava. Tässä tapauksessa ohut kerros astian pinnalle muodostuu jäätä. Tämä jääkerros toimii eristäjänä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen edelleen. Tässä tapauksessa jääkiteiden muodostumisnopeus on hitaampi. Jos käyttövesi on jäähdyttämistä, ylikuumennetussa vedessä ei ole suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan kautta.
Kun hypotermiaprosessi päättyy ja vesi jäätyy, paljon menetetään enemmän lämpöä ja siksi enemmän jäätä.
Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa tärkeimpänä tekijänä Mpemba -ilmiön tapauksessa.
Kiertoilma
Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas lämmin vesi alkaa jäätyä alhaalta.
Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavuudella. Veden enimmäistiheys on 4 ° C. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 ° C: ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen, kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu ohut kerros jäätä lyhyeksi ajaksi, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C: n lämpötilassa. , jäähdytys jatkuu hitaammin.
Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin toinen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Lisäksi kylmät vesikerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmä vesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä veden kierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.
Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba -ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta on oletettava, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan ja konvektioprosessi jatkuu, kun veden keskilämpötila laskee alle 4 ° C.
Ei kuitenkaan ole kokeellisia tietoja, jotka tukisivat tätä hypoteesia siitä, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan konvektiolla.
Kaasut liuotetaan veteen
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, kun kuumaa vettä jäähdytetään, siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus tärkeimpänä tekijänä Mpemba -vaikutuksen selittämisessä, vaikka tätä tosiasiaa vahvistavia kokeellisia tietoja ei ole.
Lämmönjohtokyky
Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun pakastimeen asetetaan vettä. jäähdytyskammio pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa huomattiin, että kuuman veden säiliö sulattaa pakastimen jään sen alle, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinään ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu astiasta kuumalla vedellä nopeammin kuin kylmästä vedestä. Sen sijaan kylmän veden säiliö ei sulata lunta sen alla.
Kaikkia näitä (samoin kuin muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tuottavat sataprosenttisen Mpemba -vaikutuksen - ei ole saatu.
Esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden ylikuumenemisen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa ylikuumennetun tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi, mikä tarkoittaa nopeampaa kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa ylikuumennetun tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellisen viiveen.
Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiemmin saatujen tietojen kanssa siitä, että kuuma vesi voi saavuttaa enemmän ylikuumenemista, koska kiteytymiskeskuksia on vähemmän. Kun vettä kuumennetaan, siihen liuenneet kaasut poistetaan siitä, ja kun se keitetään, jotkut siihen liuenneet suolat saostuvat.
Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistaminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.
Vanha hyvä kaava H20 ei näytä sisältävän salaisuuksia. Mutta itse asiassa vesi - elämän lähde ja maailman tunnetuin neste - on täynnä monia mysteerejä, joita joskus jopa tiedemiehet eivät pysty ratkaisemaan.
Tässä on 5 eniten mielenkiintoisia seikkoja vedestä:
1. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi
Ota kaksi astiaa vedellä: kaada kuumaa vettä toiseen ja kylmää vettä toiseen ja aseta ne pakastin... Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka asioiden logiikan mukaan kylmän veden olisi pitänyt muuttua ensimmäisenä jääksi: loppujen lopuksi kuuman veden on ensin jäähdytettävä kylmään lämpötilaan ja muututtava sitten jääksi kylmänä veden ei tarvitse jäähtyä. Miksi tämä tapahtuu?
Vuonna 1963 Erasto B. Mpemba, lukion yläasteella Tansaniassa, jäädyttäessään valmistettua jäätelökeittoa huomasi, että kuuma seos jäätyy pakastimessa nopeammin kuin kylmä. Kun nuori mies kertoi löydöstään fysiikan opettajalle, hän vain nauroi hänelle. Onneksi oppilas oli sitkeä ja vakuutti opettajan tekemään kokeilun, joka vahvisti hänen havaintonsa: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi todella jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Tätä ilmiötä, jossa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmää vettä, kutsutaan "Mpemba -ilmiöksi". Totta, kauan ennen häntä tämä ainutlaatuinen ominaisuus Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes panivat merkille veden.
Tutkijat eivät vieläkään täysin ymmärrä tämän ilmiön luonnetta ja selittävät sen joko hypotermian, haihtumisen, jään muodostumisen, konvektion tai erotuksen nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta kuumaan ja kylmään veteen.
Huomautus Х.RU: sta aiheeseen "Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi".
Koska jäähdytyskysymykset ovat lähempänä meitä, jääkaapit, annamme itsemme syventyä hieman tämän ongelman ytimeen ja annamme kaksi mielipidettä tällaisen ongelman luonteesta mystinen ilmiö.
1. Washingtonin yliopiston tiedemies tarjosi selityksen salaperäiselle ilmiölle, joka on tunnettu Aristotelesen ajoista lähtien: miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Ilmiötä nimeltä Mpemba -ilmiö käytetään laajalti käytännössä. Esimerkiksi asiantuntijat suosittelevat autoilijoita kaatamaan pesukoneen säiliöön talvella kylmää, ei kuumaa vettä. Mutta mikä on tämän ilmiön ydin, pitkä aika jäi tuntemattomaksi.
Tohtori Jonathan Katz Washingtonin yliopistosta tutki tätä ilmiötä ja totesi, että veteen liuenneilla aineilla, jotka saostuvat kuumennettaessa, on tärkeä rooli EurekAlertin mukaan.
Liuenneen alla aineet dr Katz viittaa kovassa vedessä oleviin kalsium- ja magnesiumbikarbonaateihin. Kun vettä kuumennetaan, nämä aineet kerääntyvät ja muodostavat vedenkeittimen seinille asteikon. Vesi, jota ei ole koskaan lämmitetty, sisältää näitä epäpuhtauksia. Kun se jäätyy ja muodostuu jääkiteitä, epäpuhtauksien pitoisuus vedessä kasvaa 50 kertaa. Tämä alentaa veden jäätymispistettä. "Ja nyt veden täytyy vielä jäähtyä jäätyäkseen", kertoo tohtori Katz.
On toinenkin syy, joka estää lämmittämättömän veden jäätymisen. Veden jäätymispisteen laskeminen pienentää kiinteän ja nestefaasin 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 -vaikutus korostuu kovemman veden tapauksessa.
2. Happi ja vety sekä kylmä tekevät jäästä. Ensi silmäyksellä tämä läpinäkyvä aine vaikuttaa hyvin yksinkertaiselta. Todellisuudessa jää on täynnä monia mysteerejä. 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 ennen sitä - se on todella kuuma! Tämä on outoa, ajatteli tansanialainen koulupoika, maailmallinen viisaus... Todella, jotta neste muuttuisi nopeammin jääksi, 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 -vaikutus" on tiedemiesten hyvin tiedossa. Mutta pitkään tämä näennäisesti yksinkertainen ilmiö jäi mysteeriksi. Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?
Fyysikko David Auerbach löysi ratkaisun vasta vuonna 1996. Vastatakseen tähän kysymykseen hän teki kokeen koko vuoden: hän lämmitti vettä lasissa ja jäähdytti sen uudelleen. Mitä hän sitten sai selville? Kuumennettaessa veteen liuotetut ilmakuplat haihtuvat. Kaasuton vesi jäätyy helpommin astian seinille. "Tietysti myös korkea ilmanpitoisuus sisältävä vesi jäätyy", sanoo Auerbach, "mutta ei nollassa, mutta vain miinus neljä tai kuusi astetta." 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 alkeismolekyyleistä, jotka sisältävät kaksi vetyatomia ja yhden hapen. Kuitenkin jää on epäilemättä maailman salaperäisin aine. Tutkijat eivät ole vielä kyenneet selittämään joitakin sen ominaisuuksia.
2. Ylijäähdytys ja "välitön" jäädyttäminen
Kaikki tietävät, että vesi muuttuu aina jääksi, kun se on jäähtynyt 0 ° C: seen ... paitsi joissakin tapauksissa! Tällainen tapaus on esimerkiksi "jäähdytys", joka on erittäin ominaisuus puhdas vesi jää nesteeksi, vaikka se jäähtyisi jäätymispisteen alapuolelle. Tämä ilmiö tulee mahdolliseksi, koska ympäristö ei sisällä kiteytymiskeskuksia tai -ytimiä, jotka voisivat aiheuttaa jääkiteiden muodostumista. Ja siksi vesi pysyy nestemäisessä muodossa, vaikka se jäähdytetään alle nollaan celsiusasteeseen. Kiteytymisprosessi voidaan käynnistää esimerkiksi kaasukuplien, epäpuhtauksien (epäpuhtauksien), epätasainen pinta kapasiteettia. Ilman niitä vesi jää nestemäiseksi. Kun kiteytysprosessi alkaa, voit tarkkailla, kuinka ylikuumentunut vesi muuttuu hetkessä jääksi.
Katso Phil Medinan (www.mrsciguy.com) video (2901 Kb, 60 sek) ja katso itse >>
Kommentti. Ylikuumentunut vesi pysyy myös nestemäisenä, vaikka se lämmitetään kiehumispisteen yläpuolelle.
3. "Lasi" vesi
Nimeä nopeasti ja epäröimättä kuinka paljon eri olosuhteissa onko vedellä?
Jos vastasit kolmeen (kiinteä, nestemäinen, kaasumainen), olet väärässä. Tutkijat erottavat vähintään viisi nestemäisen veden tilaa ja 14 jäätilaa.
Muistatko keskustelun ylikuumennetusta vedestä? Riippumatta siitä, mitä teet, jopa -38 ° C: n lämpötilassa jopa puhtain jäähdytetty vesi muuttuu yhtäkkiä jääksi. Mitä tapahtuu edelleen vähentyessä
lämpötila? -120 ° C: ssa vedelle alkaa tapahtua jotain outoa: siitä tulee erittäin viskoosia tai viskoosia, kuten melassia, ja alle -135 ° C: n lämpötilassa se muuttuu "lasi-" tai "lasimaiseksi" vedeksi - kiinteä jossa ei ole kristallirakennetta.
4. Veden kvanttiominaisuudet
Molekyylitasolla vesi on vieläkin yllättävämpää. Vuonna 1995 tutkijoiden tekemä neutronien hajotuskokeilu antoi odottamattoman tuloksen: fyysikot havaitsivat, että vesimolekyyleihin suunnatut neutronit "näkevät" 25% vähemmän vetyproteoneja kuin odotettiin.
Kävi ilmi, että yhden attosekunnin nopeudella (10-18 sekuntia) epätavallinen kvanttivaikutus ja kemiallinen kaava vesi tavallisen - H 2O: n sijaan tulee H 1,5 O!
5. Onko vedellä muisti?
Homeopatia, vaihtoehto virallinen lääke, väittää, että laimennettu liuos lääkevalmiste voi tarjota parantava vaikutus kehossa, vaikka laimennuskerroin on niin suuri, että liuokseen ei jää mitään muuta kuin vesimolekyylejä. Homeopatian kannattajat selittävät tämän paradoksin käsitteellä nimeltä "veden muisti", jonka mukaan molekyylitasolla olevalla vedellä on "muisti" aineesta, joka oli kerran liuennut siihen ja joka säilyttää liuoksen ominaisuudet sen alkuperäisen konsentraation jälkeen. siihen ei jää yhtään ainesosan molekyyliä.
Kansainvälinen tiedemiesryhmä, jota johtaa professori Madeleine Ennis Queen's Belfastin yliopistosta ja kritisoi homeopatian periaatteita, teki vuonna 2002 kokeen, jolla kumottiin tämä käsite lopullisesti. "Veden muistin" vaikutuksesta. Riippumattomien asiantuntijoiden valvonnassa tehdyt kokeet eivät kuitenkaan ole tuottaneet tuloksia. Kiistat "vesimuistin" ilmiön 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. Salaisuuksia eloton luonto... Maailmankaikkeuden salaperäisin aine/http://www.bibliotekar.ru.
Näyttää ilmeiseltä, että kylmä vesi jäätyy nopeammin kuin kuuma vesi, koska samoissa olosuhteissa kuuman veden jäähtyminen ja sen jälkeen 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 selitetään, ilmiö, että kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, tunnetaan nimellä Mpemba -ilmiö, joka on nimetty tansanialaiselle opiskelijalle Erasto Mpemballe, joka teki jäätelöä vuonna 1963 osana kouluprojektia. Oppilaiden täytyi kiehauttaa kerman ja sokerin seos, antaa sen jäähtyä ja laittaa se sitten pakastimeen.
Sen sijaan Erasto laittaa seoksen päälle välittömästi, kuumana odottamatta sen jäähtymistä. Tämän seurauksena hänen seoksensa oli jo jäädytetty 1,5 tunnin kuluttua, mutta muiden opiskelijoiden seokset eivät olleet. Ilmiöstä kiinnostunut 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 ilmiö itsessään mainitaan Aristotelesen papereissa, jotka ovat peräisin 4. vuosisadalta eKr. NS. Francis Bacon ja Descartes totesivat tämän ilmiön myös tutkimuksissaan.
Videossa on useita vaihtoehtoja selittää mitä tapahtuu:
- Huurre on dielektrinen, ja siksi pakkasen kylmä vesi varastoi lämpöä paremmin kuin lämmin lasi, joka sulaa jään kosketuksissaan
- Kylmässä vedessä on enemmän liuenneita kaasuja kuin lämpimässä vedessä, ja tutkijat spekuloivat, että tällä voi olla vaikutusta jäähdytysnopeuteen, vaikka ei ole vielä selvää, miten
- Kuuma vesi menettää enemmän vesimolekyylejä haihtumisen vuoksi, joten vähemmän jäädytetään
- Lämmintä vettä voi jäähtyä nopeammin lisääntyneiden konvektiivisten virtojen vuoksi. Nämä virrat syntyvät, koska ensinnäkin lasin vesi jäähtyy pinnalla ja sivuilla, jolloin kylmä vesi vajoaa ja kuuma nousee. Lämpimässä lasissa konvektiiviset virrat ovat aktiivisempia, mikä voi vaikuttaa jäähdytysnopeuteen.
Vuonna 2016 tehtiin kuitenkin huolellisesti kontrolloitu tutkimus, joka osoitti päinvastaisen: kuuma vesi jäätyi paljon hitaammin kuin kylmä vesi. Samaan aikaan tiedemiehet huomasivat, että lämpöparin sijainnin muuttaminen - laite, joka määrittää lämpötilan laskut - vain senttimetrillä, johtaa Mpemba -ilmiöön. Muita vastaavia teoksia koskeva tutkimus osoitti, että kaikissa tapauksissa, joissa tämä vaikutus havaittiin, termopari siirtyi senttimetrin sisällä.
Vesi on yksi maailman hämmästyttävimmistä nesteistä, jolla on epätavallisia ominaisuuksia. Esimerkiksi jää on nesteen kiinteä tila, jolla on tietty painovoima matalampi kuin itse vesi, mikä mahdollisti elämän syntymisen ja kehittymisen maapallolla monin tavoin. Lisäksi pseudotieteellisessä ja jopa tieteellisessä maailmassa keskustellaan siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä. Jokainen, joka osoittaa kuumien nesteiden nopeamman jäädytyksen tietyissä olosuhteissa ja tieteellisesti perustelee päätöksensä, saa 1000 punnan palkinnon British Royal Society of Chemistsilta.
Ongelman historia
Se, että kun useat ehdot täyttyvät, kuuma vesi on jäätymisnopeuden kannalta nopeampaa kuin kylmä vesi, huomattiin keskiajalla. Francis Bacon ja René Descartes ovat ponnistelleet selittääkseen tämän ilmiön. Klassisen lämmitystekniikan näkökulmasta tätä paradoksia ei kuitenkaan voida selittää, ja he yrittivät ujosti hiljentää sen. Kiistelyn jatkamisen sysäys oli hieman utelias tarina, joka tapahtui tansanialaiselle koulupojalle Erasto Mpemballe vuonna 1963. Kerran, kokkien koulun jälkiruokavalmistustunnin aikana, poika, joka oli hämmentynyt vieraista asioista, ei ehtinyt jäähdyttää jäätelöseosta ajoissa ja laittaa kuumaa sokeriliuosta maitoon pakastimeen. Yllätyksekseen tuote jäähtyi jonkin verran nopeammin kuin hänen harjoittelijat lämpötilajärjestelmä jäätelön valmistus.
Yrittäessään ymmärtää ilmiön olemuksen poika kääntyi fysiikanopettajansa puoleen, joka yksityiskohtiin menemättä pilkkasi hänen kulinaarisia kokeitaan. Kuitenkin Erasto erottui kadehdittavasta sinnikkyydestä ja jatkoi kokeitaan enää maidon, vaan veden kanssa. Hän oli vakuuttunut siitä, että joissakin tapauksissa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Päästyään Dar es Salaamin yliopistoon Erasto Mpembe osallistui professori Dennis G. Osbornen luentoon. Valmistuttuaan opiskelija hämmästytti tutkijaa veden jäätymisnopeuden ongelmasta sen lämpötilan mukaan. D.G. Osborne nauroi itse kysymystä ja totesi ylpeänä, että köyhä oppilas tietää, että kylmä vesi jäätyy nopeammin. Nuoren miehen luontainen itsepäisyys sai kuitenkin tuntua. Hän lyö vetoa professorin kanssa ja ehdotti täällä, laboratoriossa, kokeellisen testin suorittamista. Erasto sijoitti kaksi vesisäiliötä pakastimeen, yhden 35 ° C: n ja toisen 100 ° C: n. Kuvittele professorin ja sitä ympäröivien "fanien" yllätys, kun toisen astian vesi jäätyi nopeammin. Sittemmin tätä ilmiötä on kutsuttu "Mpemba -paradoksi".
Toistaiseksi ei kuitenkaan ole johdonmukaista teoreettista hypoteesia, joka selittäisi "Mpemba -paradoksi". Ei ole selvää, kumpi ulkoiset tekijät, kemiallinen koostumus vesi, liuenneiden kaasujen ja mineraalien läsnäolo siinä vaikuttaa nesteiden jäätymisnopeuteen eri lämpötiloissa. "Mpemba -efektin" paradoksi on se, että se on ristiriidassa yhden I. Newtonin löytämän lain kanssa, jonka mukaan veden jäähdytysaika on suoraan verrannollinen nesteen ja ympäristön lämpötilaeroon. Ja jos kaikki muut nesteet noudattavat täysin tätä lakia, vesi on joissakin 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 sen tilavuus pienenee, ja pienempi nestemäärä jäähtyy nopeammin - kun vesi jäähdytetään + 100 ° C: sta 0 ° C: seen, tilavuushäviöt ilmanpaineessa saavuttavat 15%;
- lämmönsiirron voimakkuus nesteen ja ympäristöön mitä korkeampi, sitä suurempi lämpötilaero, joten kiehuvan veden lämpöhäviöt kulkevat nopeammin;
- kun kuuma vesi jäähtyy, sen pinnalle muodostuu jääkuori, joka estää nesteen jäätymisen ja haihtumisen kokonaan;
- korkeassa veden lämpötilassa tapahtuu sen konvektiosekoitusta, mikä lyhentää jäätymisaikaa;
- veteen liuenneet kaasut alentavat jäätymispistettä ja vievät energiaa kiteiden muodostumiseen - kuumassa vedessä ei ole liuenneita kaasuja.
Kaikki nämä olosuhteet on testattu toistuvasti kokeellisesti. Erityisesti saksalainen tiedemies David Auerbach havaitsi, että kuuman veden kiteytymislämpötila on hieman korkeampi kuin kylmän veden, mikä mahdollistaa ensimmäisen jäädyttämisen nopeammin. Kuitenkin myöhemmin hänen kokeitaan kritisoitiin ja monet tutkijat ovat vakuuttuneita siitä, että "Mpemba -ilmiö", josta vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä, voidaan toistaa vain tietyissä olosuhteissa, joiden etsintään ja määrittelyyn ei ole toistaiseksi osallistuttu.
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 tutkijat eivät löydä tarkkaa selitystä, on tunnettu muinaisista ajoista lähtien. Esimerkiksi jopa Aristotelesella on kuvaus talvinen kalastus: kalastajat työnsivät sauvat jäässä oleviin reikiin ja kaatoivat jäätä, jotta ne jäätyvät mahdollisimman pian lämmintä vettä... Tämän ilmiön nimen antoi Erasto Mpemba XX -luvun 60 -luvulla. Mnemba huomasi oudon vaikutuksen valmistellessaan jäätelöä ja kääntyi fysiikanopettajansa, tohtori Denis Osbornen puoleen selityksen saamiseksi. Mpemba ja tohtori Osborne kokeilivat eri lämpötilojen vettä ja päättivät, että lähes kiehuva vesi alkaa jäätyä paljon nopeammin kuin huoneenlämpöinen vesi. Muut tutkijat suorittivat omia kokeitaan ja saivat samanlaisia tuloksia joka kerta.
Fysikaalisen ilmiön selitys
Ei ole yleisesti hyväksyttyä selitystä miksi näin tapahtuu. Monet tutkijat ehdottavat, että kyse on nesteen hypotermiasta, joka ilmenee, kun sen lämpötila laskee jäätymispisteen alapuolelle. Toisin sanoen, jos vesi jäätyy alle 0 ° C: n lämpötilassa, ylikuumennetun veden lämpötila voi olla esimerkiksi -2 ° C ja se voi samalla jäädä nestemäiseksi muuttumatta jääksi. Kun yritämme jäädyttää kylmää vettä, on mahdollista, että se ensin jäähtyy ja kovettuu vasta jonkin ajan kuluttua. Muut prosessit tapahtuvat lämmitetyssä vedessä. Sen nopeampi muuttuminen jääksi liittyy konvektioon.
Kiertoilma- Tämä on fyysinen ilmiö, jossa nesteen lämpimät alemmat kerrokset nousevat ja ylempi, jäähtynyt, putoavat.
