Mpemba efekt(Mpemba paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamrzne rýchlejšie ako studená voda, aj keď počas procesu zmrazovania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore s bežnými konceptmi, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá zahriatiu telesa na ochladenie na určitú teplotu dlhší čas, než sa zahriatiu telesa menej zahriateho na ochladenie na rovnakú teplotu.
Tento jav si vtedy všimli Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, ale až v roku 1963 tanzanský školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zmrzne rýchlejšie ako studená.
Ako študent strednej školy Magamba v Tanzánii robil Erasto Mpemba praktické kuchárske práce. Potreboval vyrobiť domácu zmrzlinu - uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť ho na izbovú teplotu a potom ho dať do chladničky zamraziť. Mpemba zrejme nebol obzvlášť usilovným študentom a s dokončením prvej časti zadania meškal. V obave, že do konca hodiny nestihne prísť, vložil horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho kamarátov, pripravené podľa danej technológie.
Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent strednej školy v Mkvave, požiadal profesora Dennisa Osborna z University College v Dar es Salaamu (pozval ho riaditeľ, aby študentom prednášal o fyzike) konkrétne o vode: „Ak si dáte dvoch identické nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednom z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhom - 100 ° C, a vložte ich do mrazničky, potom v druhom voda zmrzne rýchlejšie. Prečo ? " Osborne sa o túto problematiku začal zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembom publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa jav, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt.
Doteraz nikto presne nevie, ako si tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú ani jednu verziu, aj keď ich je veľa. Celé je to o rozdiele vo vlastnostiach horúcej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti v tomto prípade zohrávajú úlohu: rozdiel v podchladení, odparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rôzne teploty.
Paradoxom účinku Mpemba je, že doba, počas ktorej sa telo ochladí na teplotu okolia, by mala byť úmerná rozdielu teplôt medzi týmto telom a prostredím. Tento zákon stanovil Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. V tomto prípade sa voda s teplotou 100 ° C ochladí na teplotu 0 ° C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 ° C.
Napriek tomu to ešte nenaznačuje paradox, pretože efekt Mpemba je možné vysvetliť v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení efektu Mpemba:
Odparovanie
Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenší jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou zamrzne rýchlejšie. Voda ohriata na 100 ° C stráca 16% svojej hmotnosti po ochladení na 0 ° C.
Odparovací efekt - dvojitý efekt. Najprv sa zníži množstvo vody potrebné na chladenie. A za druhé, teplota klesá v dôsledku skutočnosti, že teplo odparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy klesá.
Teplotný rozdiel
Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda sa ochladzuje rýchlejšie.
Podchladenie
Keď je voda ochladená na 0 ° C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže dôjsť k podchladeniu a pri teplotách pod bodom mrazu zostáva naďalej tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote -20 ° C.
Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa mohli začať vytvárať prvé ľadové kryštály, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v tekutej vode, potom bude podchladenie pokračovať, až kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú vytvárať v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá po zmrazení vytvorí ľad.
Horúca voda je najcitlivejšia na podchladenie, pretože zahrievaním sa odstraňujú rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálov.
Prečo podchladenie spôsobuje, že horúca voda zmrzne rýchlejšie? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, nastáva nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolátor medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. V tomto prípade bude rýchlosť tvorby ľadových kryštálov pomalšia. V prípade horúcej vody podchladenej podchladením nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Cez otvorený vrch preto stráca teplo oveľa rýchlejšie.
Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla a preto sa tvorí viac ľadu.
Mnoho výskumníkov tohto účinku považuje za hlavný faktor v prípade efektu Mpemba podchladenie.
Konvekcia
Studená voda zhora zmrzne, čím sa zhoršia procesy tepelného žiarenia a prúdenia a tým aj strata tepla, zatiaľ čo horúca voda zospodu zamrzne.
Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou hustoty vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak ochladíte vodu na 4 C a postavíte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody zamrzne rýchlejšie. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri 4 ° C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú, studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody nakrátko vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude slúžiť ako izolátor chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. , ďalší proces chladenia bude pomalší.
V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku odparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú navyše hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zvýši vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zaisťuje rýchly pokles teploty.
Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie efektu Mpemba z tohto hľadiska prúdenia je potrebné predpokladať, že sa oddelia studené a horúce vrstvy vody a samotný proces prúdenia pokračuje potom, čo priemerná teplota vody klesne pod 4 ° C.
Neexistujú však žiadne experimentálne údaje, ktoré by podporovali túto hypotézu, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené konvekciou.
Plyny rozpustené vo vode
Voda vždy obsahuje v nej rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Keď sa voda zahreje, tieto plyny sa z vody uvoľňujú, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokých teplotách je nižšia. Preto keď je horúca voda ochladená, je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v nevykurovanej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní účinku Mpemba, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.
Tepelná vodivosť
Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v mrazničke v chladničke v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou topí ľad mrazničky pod sebou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Výsledkom je, že teplo je z nádoby s horúcou vodou odvádzané rýchlejšie ako zo studenej vody. Nádoba so studenou vodou zase pod ňou nerozmrazuje sneh.
Všetky tieto (ako aj ďalšie) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, ale jednoznačnú odpoveď na otázku - ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu efektu Mpemba - sa nepodarilo získať.
Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento účinok. Zistil, že horúca voda, ktorá dosahuje superchladený stav, mrzne pri vyššej teplote ako studená voda, čo znamená rýchlejšie ako tá druhá. Studená voda však dosiahne superchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.
Výsledky Auerbachu boli navyše v rozpore s predtým získanými údajmi, že horúca voda môže dosiahnuť viac podchladenia vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Keď sa voda zahreje, odstránia sa z nej plyny rozpustené v nej a keď sa varí, vyzrážajú sa v nej rozpustené niektoré soli.
Zatiaľ je možné tvrdiť iba jednu vec - reprodukcia tohto účinku v zásade závisí od podmienok, za ktorých sa experiment vykonáva. Práve preto, že nie vždy je reprodukovaný.
Zdá sa, že starý dobrý vzorec H 2 O neobsahuje žiadne tajomstvá. Ale v skutočnosti je voda - zdroj života a najznámejšia tekutina na svete - plná mnohých záhad, ktoré niekedy nevedia vyriešiť ani vedci.
Tu je 5 najzaujímavejších faktov o vode:
1. Horúca voda zmrzne rýchlejšie ako studená voda
Vezmite dve nádoby s vodou: do jednej nalejte horúcu vodu a do druhej studenú vodu a vložte ich do mrazničky. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená voda, aj keď logicky by mala byť studená voda prvá, ktorá sa zmení na ľad: horúca voda sa musí najskôr ochladiť na studenú teplotu a potom sa premeniť na ľad, zatiaľ čo studená voda nemusí schladiť. Prečo sa to deje?
V roku 1963 si Erasto B. Mpemba, študent strednej školy v Tanzánii, pri zmrazovaní pripraveného zmrzlinového nápoja všimol, že horúci nápoj v mrazničke zamrzne rýchlejšie ako studený. Keď sa mladík podelil o svoj objav s učiteľkou fyziky, iba sa mu vysmial. Našťastie bol študent vytrvalý a presvedčil učiteľa, aby vykonal experiment, ktorý potvrdil jeho objav: za určitých podmienok horúca voda skutočne zmrzne rýchlejšie ako studená.
Teraz sa tento jav zmrazovania horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody nazýva „efekt Mpemba“. Je pravda, že dávno pred ním túto jedinečnú vlastnosť vody zaznamenali Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes.
Vedci stále úplne nerozumejú povahe tohto javu, vysvetľuje to buď rozdielom v podchladení, odparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii, alebo vplyvom skvapalnených plynov na horúcu a studenú vodu.
Poznámka z Х.RU k téme „Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená voda“.
Pretože sú nám otázky chladenia bližšie, chladničkám, dovolíme si ponoriť sa do podstaty tohto problému a uvedieme dva názory na povahu takého záhadného javu.
1. Vedec z Washingtonskej univerzity ponúkol 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 radia motoristom, aby do nádržky ostrekovačov v zime nalievali studenú vodu, nie horúcu. Čo je však základom tohto javu, zostalo dlho neznáme.
Doktor Jonathan Katz z Washingtonskej univerzity tento fenomén skúmal a dospel k záveru, že rozpustené látky vo vode, ktoré sa pri zahrievaní zrážajú, zohrávajú podľa EurekAlert dôležitú úlohu.
Rozpustenými látkami doktor Katz odkazuje na hydrogenuhličitany vápenaté a horečnaté nachádzajúce sa v tvrdej vode. Keď sa voda ohreje, tieto látky sa usadzujú a vytvárajú na stenách kanvice vodný kameň. Voda, ktorá nebola nikdy zahriata, obsahuje tieto nečistoty. Keď zmrzne a vytvoria sa kryštály ľadu, koncentrácia nečistôt vo vode sa zvýši 50 -krát. To znižuje bod tuhnutia vody. „A teraz musí voda stále chladnúť, aby zamrzla,“ vysvetľuje doktor Katz.
Existuje aj druhý dôvod, ktorý zabraňuje zamrznutiu nevykurovanej vody. Zníženie bodu tuhnutia vody znižuje teplotný rozdiel medzi pevnou a kvapalnou fázou. „Pretože rýchlosť, ktorou voda stráca teplo, závisí od tohto teplotného rozdielu, voda, ktorá nebola zahriata, chladne horšie,“ hovorí doktor Katz.
Podľa vedca jeho teóriu je možné testovať experimentálne, pretože efekt Mpemba sa stáva výraznejším pre tvrdšiu vodu.
2. Kyslík plus vodík plus chlad robí ľad. Na prvý pohľad sa zdá, že táto priehľadná látka je veľmi jednoduchá. V skutočnosti je ľad plný mnohých záhad. Ľad, ktorý vytvoril Afričan Erasto Mpemba, nesníval o sláve. Boli horúce dni. Chcel zmrzlinu. Vzal balíček šťavy a vložil ho do mrazničky. Urobil to viackrát, a preto si všimol, že šťava obzvlášť rýchlo zamrzne, ak ju pred tým držíte na slnku - je skutočne horúco! Je to zvláštne, pomyslel si tanzanský školák, ktorý konal v rozpore so svetskou múdrosťou. Naozaj, aby sa kvapalina rýchlejšie zmenila na ľad, musí sa najskôr ... zahriať? Mladý muž bol taký prekvapený, že sa so svojim odhadom podelil s učiteľkou. Túto kuriozitu oznámil v tlači.
Tento príbeh sa stal ešte v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Teraz je „efekt Mpemba“ vedcom dobre známy. Tento zdanlivo jednoduchý jav však dlho zostával záhadou. Prečo horúca voda zmrzne rýchlejšie ako studená voda?
Až v roku 1996 našiel fyzik David Auerbach riešenie. Aby odpovedal na túto otázku, vykonal experiment celý rok: ohrial vodu v pohári a znova ho ochladil. Čo teda zistil? Pri zahrievaní sa vzduchové bubliny rozpustené vo vode odparia. Voda bez plynov zamrzne ľahšie na stenách nádoby. „Samozrejme, že zamrzne aj voda s vysokým obsahom vzduchu,“ hovorí Auerbach, „ale nie pri nulových stupňoch Celzia, ale iba pri mínus štyroch alebo šiestich stupňoch.“ Očividne bude čakanie trvať dlhšie. Horúca voda teda zamrzne pred studenou vodou, to je vedecký fakt.
Sotva existuje látka, ktorá by sa nám objavila pred očami rovnako ľahko ako ľad. Skladá sa iba z molekúl vody - to znamená z elementárnych molekúl obsahujúcich dva atómy vodíka a jeden kyslík. Ľad je však pravdepodobne najzáhadnejšou látkou vo vesmíre. Vedcom sa zatiaľ nepodarilo vysvetliť niektoré jeho vlastnosti.
2. Podchladenie a „okamžité“ zmrazenie
Každý vie, že voda sa po ochladení na 0 ° C vždy zmení na ľad ... okrem niektorých prípadov! Takým prípadom je napríklad „podchladenie“, čo je vlastnosť veľmi čistej vody, ktorá zostáva tekutá, aj keď sa ochladí pod bod mrazu. Tento jav je možný vďaka skutočnosti, že prostredie neobsahuje centrá ani jadrá kryštalizácie, čo by mohlo vyvolať tvorbu ľadových kryštálov. A preto voda zostáva v kvapalnej forme, aj keď je ochladená na teploty pod nulou stupňov Celzia. Proces kryštalizácie môže byť spustený napríklad bublinami plynu, nečistotami (nečistotami) alebo nerovným povrchom nádoby. Bez nich zostane voda tekutá. Keď sa kryštalizačný proces začne, môžete pozorovať, ako sa podchladená voda okamžite zmení na ľad.
Pozrite si video (2 901 KB, 60 sekúnd) od spoločnosti Phil Medina (www.mrsciguy.com) a presvedčte sa sami >>
Komentovať. Prehriata voda tiež zostáva tekutá, aj keď je zahriata na teplotu nad bodom varu.
3. „Sklenená“ voda
Rýchlo a bez váhania pomenujte, koľko rôznych stavov má voda?
Ak ste odpovedali na tri (tuhé, kvapalné, plynné), mýlili ste sa. Vedci rozlišujú najmenej 5 rôznych stavov kvapalnej vody a 14 stavov ľadu.
Pamätáte si rozhovor o podchladenej vode? Nech už robíte čokoľvek, pri teplote -38 ° C sa aj tá najčistejšia podchladená voda zrazu zmení na ľad. Čo sa stane s ďalším poklesom
teplota? Pri -120 ° C sa s vodou začína diať niečo zvláštne: stáva sa super viskóznym alebo viskóznym, ako je melasa, a pri teplotách pod -135 ° C sa mení na „sklenenú“ alebo „sklovitú“ vodu -tuhú látku, ktorej chýba kryštalická štruktúra.
4. Kvantové vlastnosti vody
Na molekulárnej úrovni je voda ešte prekvapivejšia. V roku 1995 vedci uskutočnili experiment rozptylu neutrónov, ktorý 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 neobvyklému kvantovému efektu a chemický vzorec vody, namiesto obvyklého - H 2 O, sa stáva H 1,5 O!
5. Má voda pamäť?
Homeopatia, alternatíva k oficiálnej medicíne, tvrdí, že zriedený roztok lieku môže mať na telo liečebný účinok, aj keď je faktor riedenia taký veľký, že v roztoku nezostane nič iné ako molekuly vody. Zástancovia homeopatie vysvetľujú tento paradox pojmom nazývaným „pamäť vody“, podľa ktorého má voda na molekulárnej úrovni „pamäť“ na látku, ktorá v nej bola kedysi rozpustená, a zachováva si vlastnosti roztoku svojej pôvodnej koncentrácie po r. nezostane v ňom ani jedna molekula zložky.
Medzinárodná skupina vedcov pod vedením profesorky Madeleine Ennisovej z Queen's University of Belfast, ktorá kritizovala princípy homeopatie, uskutočnila v roku 2002 experiment, aby raz a navždy vyvrátila tento koncept. Vedci uviedli, že dokázali dokázať realitu o účinku „pamäti vody“. Experimenty vykonávané pod dohľadom nezávislých odborníkov však nepriniesli výsledky. Spory o existencii fenoménu „pamäti vody“ pokračujú.
Voda má mnoho ďalších neobvyklých vlastností, o ktorých sme sa v tomto článku nezaoberali.
Literatúra.
1.5 Naozaj podivné veci o vode/http://www.neatorama.com.
2. Tajomstvo vody: teória o účinku Aristotela-Mpemby bola vytvorená/http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Tajomstvo neživej prírody. Najzáhadnejšia látka vo vesmíre/http://www.bibliotekar.ru.
Zdá sa zrejmé, že studená voda zmrzne rýchlejšie ako horúca voda, pretože za rovnakých podmienok trvá horúcej vode jej vychladnutie a následné zmrazenie dlhšie. Tisíce rokov pozorovaní, ako aj moderné experimenty však ukázali, že opak je tiež pravdou: za určitých podmienok horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Vedecký kanál Sciencium vysvetľuje tento jav:
Ako je vysvetlené vo videu vyššie, fenomén zmrazovania horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody je známy ako efekt Mpemba, pomenovaný podľa Erasta Mpembu, tanzánskeho študenta, ktorý v roku 1963 v rámci školského projektu vyrobil zmrzlinu. Študenti museli zmes smotany a cukru priviesť k varu, nechať vychladnúť a potom ju vložiť do mrazničky.
Namiesto toho Erasto okamžite, horúco, vložil svoju zmes bez toho, aby čakal, kým vychladne. Výsledkom bolo, že po 1,5 hodine už bola jeho zmes zmrazená, ale zmesi ostatných študentov nie. Mpemba, zaujatý týmto javom, začal túto záležitosť študovať s profesorom fyziky Denisom Osbornem a v roku 1969 publikovali článok, v ktorom sa uvádza, že teplá voda mrzne rýchlejšie ako studená. Išlo o prvú recenzovanú štúdiu, ale samotný fenomén je spomenutý v Aristotelových listoch zo 4. storočia pred n. L. NS. Tento jav zaznamenali vo svojich štúdiách aj Francis Bacon a Descartes.
Video uvádza niekoľko možností, ako vysvetliť, čo sa deje:
- Mráz je dielektrikum, a preto mrazivá studená voda uchováva teplo lepšie ako teplé sklo, ktoré pri kontakte s ním topí ľad
- V studenej vode je viac rozpustených plynov ako v teplej vode a vedci špekulujú, že to môže hrať úlohu v rýchlosti chladenia, aj keď zatiaľ nie je jasné, ako
- Horúca voda stratí viac molekúl vody v dôsledku odparovania, takže menej zostane na zmrazenie
- Teplú vodu je možné rýchlejšie ochladiť zvýšením konvekčných prúdov. Tieto prúdy vznikajú, pretože voda v pohári sa v prvom rade ochladzuje na povrchu a po stranách, čo núti studenú vodu klesať a horúcu stúpať. V teplom skle sú konvekčné prúdy aktívnejšie, čo môže ovplyvniť rýchlosť chladenia.
V roku 2016 však bola vykonaná starostlivo kontrolovaná štúdia, ktorá ukázala opak: horúca voda mrzla oveľa pomalšie ako studená. Vedci si zároveň všimli, že zmena umiestnenia termočlánku - zariadenia, ktoré určuje pokles teploty - len o centimeter, vedie k vzniku efektu Mpemba. Štúdia ďalších podobných prác ukázala, že vo všetkých prípadoch, keď bol tento účinok pozorovaný, došlo k posunutiu termočlánku do centimetra.
Voda je jednou z najúžasnejších tekutín na svete s neobvyklými vlastnosťami. Napríklad ľad je tuhý stav kvapaliny, má nižšiu špecifickú hmotnosť ako samotná voda, čo umožnilo vznik a rozvoj života na Zemi mnohými spôsobmi. Navyše v pseudovedeckom, ba dokonca aj vedeckom svete sa diskutuje o tom, ktorá voda mrzne rýchlejšie - teplá alebo studená. Každý, kto preukáže za určitých podmienok rýchlejšie zmrazenie horúcich kvapalín a vedecky zdôvodní svoje rozhodnutie, získa od Britskej kráľovskej spoločnosti chemikov ocenenie 1 000 libier.
História problému
Skutočnosť, že keď je splnených niekoľko podmienok, horúca voda je z hľadiska rýchlosti tuhnutia rýchlejšia ako studená, bola zaznamenaná v stredoveku. Francis Bacon a René Descartes vynaložili veľké úsilie na vysvetlenie tohto javu. Z pohľadu klasickej vykurovacej techniky sa však tento paradox nedá vysvetliť a pokúsili sa o tom hanblivo mlčať. Podnetom na pokračovanie kontroverzie bol trochu kuriózny príbeh, ktorý sa v roku 1963 stal tanzánskemu školákovi Erastovi Mpembovi. Raz, počas hodiny výroby dezertov v škole kuchárov, chlapec, rozptyľovaný cudzími vecami, nestihol včas vychladiť zmrzlinovú zmes a vložiť do mrazničky horúci roztok cukru v mlieku. Na jeho prekvapenie výrobok chladol o niečo rýchlejšie ako jeho praktizujúci, pričom dodržiaval teplotný režim na výrobu zmrzliny.
V snahe porozumieť podstate tohto javu sa chlapec obrátil na svojho učiteľa fyziky, ktorý bez podrobností zosmiešňoval jeho kulinárske experimenty. Erasto sa však vyznačoval závideniahodnou vytrvalosťou a pokračoval vo svojich experimentoch už nie s mliekom, ale s vodou. Bol presvedčený, že v niektorých prípadoch horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená.
Po vstupe na univerzitu v Dar es Salaam sa Erasto Mpembe zúčastnil prednášky profesora Dennisa G. Osborna. Po ukončení štúdia si študent zmätil vedca s problémom rýchlosti zmrazovania vody v závislosti od jej teploty. D.G. Osborne samotnú otázku zosmiešnil a s uspokojením uviedol, že každý chudobný študent vie, že studená voda zamrzne rýchlejšie. Prirodzená tvrdohlavosť mladého muža však dala o sebe vedieť. Vsadil s profesorom a navrhol tu, v laboratóriu, vykonať experimentálny test. Erasto vložil do mrazničky dve nádoby s vodou, jednu pri teplote 35 ° C a druhú pri teplote 100 ° C. Predstavte si prekvapenie profesora a okolitých „fanúšikov“, keď voda v druhom kontajneri zamrzla rýchlejšie. Od tej doby sa tento jav nazýva „Mpemba Paradox“.
K dnešnému dňu však neexistuje ucelená teoretická hypotéza vysvetľujúca „paradox Mpemba“. Nie je jasné, aké vonkajšie faktory, chemické zloženie vody, prítomnosť rozpustených plynov a minerálov v nej ovplyvňujú rýchlosť tuhnutia kvapalín pri rôznych teplotách. Paradoxom „efektu Mpemba“ je, že je v rozpore s jedným zo zákonov objavených I. Newtonom, ktorý uvádza, že doba chladnutia vody je priamo úmerná teplotnému rozdielu medzi kvapalinou a prostredím. A ak všetky ostatné tekutiny úplne dodržujú tento zákon, potom je voda v niektorých prípadoch výnimkou.
Prečo horúca voda mrzne rýchlejšieT
Existuje niekoľko verzií, prečo horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Medzi hlavné patria:
- horúca voda sa odparuje rýchlejšie, pričom sa jej objem zmenšuje a menší objem kvapaliny rýchlejšie chladne - keď sa voda ochladí z + 100 ° C na 0 ° C, objemové straty pri atmosférickom tlaku dosiahnu 15%;
- intenzita výmeny tepla medzi kvapalinou a prostredím je tým väčšia, čím väčší je teplotný rozdiel, preto tepelné straty vriacej vody prechádzajú rýchlejšie;
- keď sa horúca voda ochladí, na jej povrchu sa vytvorí kôra ľadu, ktorá zabráni úplnému zmrazeniu a odpareniu kvapaliny;
- pri vysokej teplote vody dochádza k jej konvekčnému miešaniu, čo znižuje dobu mrazenia;
- plyny rozpustené vo vode znižujú bod tuhnutia a odoberajú energiu pre kryštalizáciu - v horúcej vode nie sú rozpustené plyny.
Všetky tieto podmienky boli opakovane experimentálne testované. Nemecký vedec David Auerbach zistil, že teplota kryštalizácie horúcej vody je o niečo vyššia ako teplota studenej vody, čo umožňuje rýchlejšie zmrazenie. Neskôr boli jeho experimenty kritizované a mnoho vedcov je presvedčených, že „efekt Mpemba“, o ktorom voda mrzne rýchlejšie - horúca alebo studená, je možné reprodukovať iba za určitých podmienok, na ktorých hľadaní a špecifikovaní sa doteraz nikto nezaoberal.
V tomto článku sa pozrieme na otázku, prečo horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená.
Horúca voda zmrzne oveľa rýchlejšie ako studená voda! Táto úžasná vlastnosť vody, pre ktorú vedci nevedia nájsť presné vysvetlenie, je známa už od staroveku. Napríklad aj v Aristotele existuje opis zimného rybolovu: rybári vložili rybárske prúty do dier v ľade a aby radšej zamrzli, naliali na ľad teplú vodu. Názov tohto javu dostal meno Erasto Mpemba v 60. rokoch XX. Mnemba si pri príprave zmrzliny všimol zvláštny efekt a obrátil sa o vysvetlenie na svojho učiteľa fyziky doktora Denisa Osborna. Mpemba a doktor Osborne experimentovali s vodou s rôznymi teplotami a dospeli k záveru, že takmer vriaca voda začína mrznúť oveľa rýchlejšie ako voda pri izbovej teplote. Iní vedci uskutočnili svoje vlastné experimenty a zakaždým získali podobné výsledky.
Vysvetlenie fyzikálneho javu
Neexistuje všeobecne akceptované vysvetlenie, prečo sa to deje. Mnoho vedcov naznačuje, že je to všetko o podchladení kvapaliny, ku ktorému dochádza, keď jej teplota klesne pod bod mrazu. Inými slovami, ak voda zmrzne pri teplotách nižších ako 0 ° C, potom môže mať superchladená voda teplotu napríklad -2 ° C a zároveň zostane kvapalná bez toho, aby sa zmenila na ľad. Keď sa pokúsime zmraziť studenú vodu, existuje šanca, že bude najskôr podchladená a až po chvíli stvrdne. Ďalšie procesy prebiehajú vo vyhriatej vode. Jeho rýchlejšia transformácia na ľad je spojená s konvekciou.
Konvekcia- je to fyzikálny jav, pri ktorom stúpajú teplé spodné vrstvy kvapaliny a horné, chladené, klesajú.
