Mpemba athari(Kitendawili cha Mpemba) ni kitendawili kinachosema hivyo maji ya moto Chini ya hali zingine, huganda haraka kuliko maji baridi, ingawa lazima ipitishe joto la maji baridi wakati wa kufungia. Kitendawili hiki ni ukweli wa majaribio ambao unapingana na mawazo ya kawaida, kulingana na ambayo, chini ya hali sawa, mwili wenye joto zaidi huchukua muda zaidi wa kupoa kwa joto fulani kuliko mwili wenye joto kidogo na baridi kwa joto sawa.
Jambo hili liligunduliwa wakati mmoja na Aristotle, Francis Bacon na Rene Descartes, lakini ilikuwa mwaka wa 1963 tu kwamba mtoto wa shule wa Kitanzania Erasto Mpemba aligundua kuwa mchanganyiko wa ice cream ya moto huganda haraka kuliko baridi.
Kuwa mwanafunzi wa Magambinskaya sekondari nchini Tanzania Erasto Mpemba alifanya hivyo kazi ya vitendo katika kupikia. Alihitaji kufanya ice cream ya nyumbani - kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi kwa joto la kawaida, na kisha kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii sana na alichelewa kukamilisha sehemu ya kwanza ya kazi hiyo. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema kuliko maziwa ya wenzi wake, yaliyotayarishwa kulingana na teknolojia aliyopewa.
Baada ya hayo, Mpemba alijaribu sio tu kwa maziwa, bali pia na maji ya kawaida. Kwa vyovyote vile, tayari akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Mkwava, alimwomba Profesa Dennis Osborne kutoka Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam (aliyealikwa na mkurugenzi wa shule hiyo kutoa somo la fizikia kwa wanafunzi) hasa kuhusu maji: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana na kiasi sawa cha maji ili katika moja yao maji yana joto la 35 ° C, na kwa nyingine - 100 ° C, na kuziweka kwenye friji, kisha kwa pili maji yatafungia kwa kasi zaidi. Kwa nini? Osborne alipendezwa na suala hili na punde, mwaka wa 1969, yeye na Mpemba walichapisha matokeo ya majaribio yao katika jarida la Elimu ya Fizikia. Tangu wakati huo, athari waliyogundua imeitwa Mpemba athari.
Hadi sasa, hakuna mtu anayejua jinsi ya kuelezea athari hii ya ajabu. Wanasayansi hawana toleo moja, ingawa kuna mengi. Yote ni juu ya tofauti katika mali ya maji ya moto na baridi, lakini bado haijulikani wazi ni mali gani ina jukumu katika kesi hii: tofauti ya baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au athari za gesi kioevu kwenye maji. joto tofauti.
Kitendawili cha athari ya Mpemba ni kwamba wakati ambao mwili hupoa hadi joto iliyoko unapaswa kuwa sawia na tofauti ya joto kati ya mwili huu na mazingira. Sheria hii ilianzishwa na Newton na tangu wakati huo imethibitishwa mara nyingi katika mazoezi. Katika athari hii, maji yenye joto la 100 ° C hupoa hadi joto la 0 ° C kwa kasi zaidi kuliko kiasi sawa cha maji na joto la 35 ° C.
Hata hivyo, hii bado haimaanishi kitendawili, kwani athari ya Mpemba inaweza kuelezwa ndani ya mfumo wa fizikia inayojulikana. Hapa kuna baadhi ya maelezo ya athari ya Mpemba:
Uvukizi
Maji ya moto huvukiza kwa kasi kutoka kwenye chombo, na hivyo kupunguza kiasi chake, na kiasi kidogo cha maji kwa joto sawa huganda haraka. Maji yenye joto hadi 100 C hupoteza 16% ya uzito wake yanapopozwa hadi 0 C.
Athari ya uvukizi ni athari mara mbili. Kwanza, wingi wa maji unaohitajika kwa baridi hupungua. Na pili, joto hupungua kutokana na ukweli kwamba joto la uvukizi wa mpito kutoka awamu ya maji hadi awamu ya mvuke hupungua.
Tofauti ya joto
Kutokana na tofauti ya joto kati ya maji ya moto na kuna hewa baridi zaidi - kwa hiyo, kubadilishana joto katika kesi hii ni kali zaidi na maji ya moto hupunguza kwa kasi.
Hypothermia
Maji yanapopoa chini ya 0 C, huwa haigandi kila wakati. Chini ya hali fulani, inaweza kupitia supercooling, kuendelea kubaki kioevu kwenye joto chini ya kufungia. Katika hali nyingine, maji yanaweza kubaki kioevu hata kwa joto la -20 C.
Sababu ya athari hii ni kwamba ili fuwele za kwanza za barafu zianze kuunda, vituo vya kuunda kioo vinahitajika. Ikiwa hazipo katika maji ya kioevu, basi supercooling itaendelea mpaka joto linapungua kutosha kwa fuwele kuunda kwa hiari. Wanapoanza kuunda kwenye kioevu kilichopozwa sana, wataanza kukua kwa kasi zaidi, na kutengeneza barafu la slush, ambalo litaganda na kuunda barafu.
Maji ya moto huathirika zaidi na hypothermia kwa sababu inapokanzwa huondoa gesi na Bubbles zilizoyeyushwa, ambazo zinaweza kutumika kama vituo vya kuunda fuwele za barafu.
Kwa nini hypothermia husababisha maji ya moto kuganda haraka? Katika kesi ya maji baridi, ambayo sio supercooled, zifuatazo hutokea. Kwa kesi hii safu nyembamba barafu itaunda juu ya uso wa chombo. Safu hii ya barafu itafanya kazi kama kizio kati ya maji na hewa baridi na itazuia uvukizi zaidi. Kiwango cha malezi ya fuwele za barafu katika kesi hii itakuwa chini. Katika kesi ya maji ya moto chini ya supercooling, maji supercooled haina safu ya uso ya kinga ya barafu. Kwa hiyo, inapoteza joto kwa kasi zaidi kupitia juu ya wazi.
Wakati mchakato wa supercooling unaisha na maji kufungia, mengi hupotea. joto zaidi na kwa hiyo barafu zaidi hutengenezwa.
Watafiti wengi wa athari hii wanaona hypothermia kuwa sababu kuu katika kesi ya athari ya Mpemba.
Convection
Maji baridi huanza kuganda kutoka juu, na hivyo kuzidisha michakato ya mionzi ya joto na convection, na hivyo kupoteza joto, wakati maji ya moto huanza kufungia kutoka chini.
Athari hii inaelezewa na anomaly katika wiani wa maji. Maji yana wiani wa juu saa 4 C. Ikiwa unapunguza maji hadi 4 C na kuiweka kwenye joto la chini, safu ya uso wa maji itafungia kwa kasi. Kwa sababu maji haya ni mnene kidogo kuliko maji kwa joto la 4 C, itabaki juu ya uso, na kutengeneza safu nyembamba ya baridi. Chini ya hali hizi, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa maji ndani ya muda mfupi, lakini safu hii ya barafu itatumika kama insulator, kulinda tabaka za chini za maji, ambazo zitabaki kwenye joto la 4 C. Kwa hivyo, mchakato wa baridi zaidi utakuwa polepole.
Katika kesi ya maji ya moto, hali ni tofauti kabisa. Safu ya uso ya maji itapoa haraka zaidi kutokana na uvukizi na tofauti kubwa ya joto. Kwa kuongeza, tabaka za maji baridi ni mnene zaidi kuliko tabaka za maji ya moto, hivyo safu ya maji baridi itazama chini, na kuinua safu ya maji ya joto kwenye uso. Mzunguko huu wa maji huhakikisha kushuka kwa kasi kwa joto.
Lakini kwa nini mchakato huu haufikii hatua ya usawa? Ili kuelezea athari ya Mpemba kutoka kwa mtazamo huu wa upitishaji, itakuwa muhimu kudhani kuwa tabaka za maji baridi na moto zimetenganishwa na mchakato wa kupitisha yenyewe unaendelea baada ya wastani wa joto la maji kushuka chini ya 4 C.
Hata hivyo, hakuna ushahidi wa majaribio kuunga mkono dhana hii kwamba tabaka za maji baridi na moto hutenganishwa na mchakato wa convection.
Gesi kufutwa katika maji
Maji daima yana gesi zilizoyeyushwa ndani yake - oksijeni na dioksidi kaboni. Gesi hizi zina uwezo wa kupunguza kiwango cha kuganda cha maji. Wakati maji yanapokanzwa, gesi hizi hutolewa kutoka kwa maji kwa sababu umumunyifu wao katika maji ni joto la juu chini. Kwa hiyo, wakati maji ya moto yanapopoa, daima huwa na gesi chini ya kufutwa kuliko katika maji baridi yasiyo na joto. Kwa hiyo, hatua ya kufungia ya maji yenye joto ni ya juu na inafungia kwa kasi. Sababu hii wakati mwingine inachukuliwa kuwa ndiyo kuu katika kuelezea athari ya Mpemba, ingawa hakuna data ya majaribio inayothibitisha ukweli huu.
Conductivity ya joto
Utaratibu huu unaweza kuchukua jukumu muhimu wakati maji yanawekwa kwenye friji. chumba cha friji katika vyombo vidogo. Chini ya hali hizi, imeonekana kwamba chombo cha maji ya moto huyeyusha barafu kwenye friji chini, na hivyo kuboresha mawasiliano ya joto na ukuta wa friji na conductivity ya mafuta. Matokeo yake, joto huondolewa kwenye chombo cha maji ya moto kwa kasi zaidi kuliko kutoka kwa baridi. Kwa upande wake, chombo kilicho na maji baridi hakiyeyushi theluji chini.
Masharti haya yote (pamoja na mengine) yalichunguzwa katika majaribio mengi, lakini jibu la wazi kwa swali - ni nani kati yao hutoa uzazi wa asilimia mia moja ya athari ya Mpemba - haikupatikana kamwe.
Kwa mfano, mwaka wa 1995, mwanafizikia wa Ujerumani David Auerbach alisoma athari za maji ya supercooling juu ya athari hii. Aligundua kwamba maji ya moto, kufikia hali ya supercooled, kufungia kwa joto la juu kuliko maji baridi, na kwa hiyo kwa kasi zaidi kuliko mwisho. Lakini maji baridi hufikia hali ya supercooled kwa kasi zaidi kuliko maji ya moto, na hivyo kulipa fidia kwa lag ya awali.
Kwa kuongeza, matokeo ya Auerbach yalipingana na data ya awali kwamba maji ya moto yaliweza kufikia upoaji mkubwa zaidi kutokana na vituo vichache vya fuwele. Wakati maji yanapokanzwa, gesi zilizoyeyushwa ndani yake huondolewa kutoka kwake, na inapochemshwa, chumvi zingine huyeyuka ndani yake.
Kwa sasa, jambo moja tu linaweza kutajwa - uzazi wa athari hii kwa kiasi kikubwa inategemea hali ambayo jaribio linafanywa. Hasa kwa sababu haijatolewa kila wakati.
Inaweza kuonekana kuwa fomula nzuri ya zamani H 2 O haina siri. Lakini kwa kweli, maji - chanzo cha uhai na kioevu maarufu zaidi duniani - yamejaa siri nyingi ambazo hata wanasayansi wakati mwingine hawawezi kutatua.
Hapa kuna 5 zaidi ukweli wa kuvutia kuhusu maji:
1. Maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi
Wacha tuchukue vyombo viwili na maji: mimina maji ya moto kwenye moja, na maji baridi ndani ya nyingine, na uweke ndani. freezer. Maji ya moto yataganda haraka kuliko maji baridi, ingawa kwa mantiki, maji baridi yanapaswa kugeuka kuwa barafu kwanza: baada ya yote, maji ya moto lazima kwanza yapoe kwa joto la baridi, na kisha yageuke kuwa barafu, wakati maji baridi hayahitaji kupoa. Kwa nini hii inatokea?
Mnamo 1963, Erasto B. Mpemba, mwanafunzi wa shule ya upili nchini Tanzania, alikuwa akigandisha mchanganyiko wa ice cream na aligundua kuwa mchanganyiko huo wa moto uliganda haraka kwenye friji kuliko ule wa baridi. Kijana huyo aliposhiriki ugunduzi wake na mwalimu wake wa fizikia, alimcheka tu. Kwa bahati nzuri, mwanafunzi alikuwa akiendelea na akamshawishi mwalimu kufanya jaribio, ambalo lilithibitisha ugunduzi wake: chini ya hali fulani, maji ya moto hufungia kwa kasi zaidi kuliko maji baridi.
Sasa hali hii ya maji ya moto kuganda kwa kasi zaidi kuliko maji baridi inaitwa "athari ya Mpemba." Kweli, muda mrefu kabla yake mali ya kipekee maji yalibainishwa na Aristotle, Francis Bacon na René Descartes.
Wanasayansi bado hawaelewi kikamilifu asili ya jambo hili, wakielezea ama kwa tofauti katika baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au kwa athari za gesi zenye maji kwenye maji ya moto na baridi.
Kumbuka kutoka X.RU juu ya mada "Maji moto hugandisha haraka kuliko maji baridi."
Kwa kuwa maswala ya upoezaji yapo karibu na sisi, wataalamu wa majokofu, tutajiruhusu kuzama kwa undani zaidi kiini cha shida hii na kutoa maoni mawili juu ya asili ya aina hii. jambo la ajabu.
1. Mwanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Washington amependekeza maelezo kwa jambo la ajabu lililojulikana tangu wakati wa Aristotle: kwa nini maji ya moto huganda kwa kasi zaidi kuliko maji baridi.
Jambo hilo, linaloitwa athari ya Mpemba, hutumiwa sana katika mazoezi. Kwa mfano, wataalam wanashauri madereva kumwaga maji baridi, sio moto, kwenye hifadhi ya washer wakati wa baridi. Lakini ni nini kiko nyuma ya jambo hili? kwa muda mrefu ilibaki haijulikani.
Dk. Jonathan Katz kutoka Chuo Kikuu cha Washington alichunguza jambo hili na akafikia hitimisho kwamba vitu vinavyoyeyushwa katika maji, ambavyo hupita wakati wa joto, vina jukumu muhimu, ripoti ya EurekAlert.
Chini ya kufutwa vitu dr. Katz inahusu bicarbonates za kalsiamu na magnesiamu, ambazo hupatikana katika maji ngumu. Wakati maji yanapokanzwa, vitu hivi hupanda, na kutengeneza kiwango kwenye kuta za kettle. Maji ambayo hayajawahi kupashwa joto yana uchafu huu. Inapoganda na kuunda fuwele za barafu, mkusanyiko wa uchafu katika maji huongezeka mara 50. Kwa sababu ya hili, kiwango cha kufungia cha maji hupungua. "Na sasa maji yanapaswa kupoa zaidi ili kuganda," aeleza Dakt. Katz.
Kuna sababu ya pili ambayo inazuia maji yasiyo na joto kutoka kwa kufungia. Kupunguza kiwango cha kufungia cha maji hupunguza tofauti ya joto kati ya awamu ngumu na kioevu. "Kwa sababu kiwango ambacho maji hupoteza joto hutegemea tofauti hii ya joto, maji ambayo hayajapashwa joto hupungua vizuri," asema Dakt. Katz.
Kulingana na mwanasayansi, nadharia yake inaweza kujaribiwa kwa majaribio, kwa sababu Athari ya Mpemba inaonekana zaidi kwa maji magumu.
2. Oksijeni pamoja na hidrojeni pamoja na baridi hutengeneza barafu. Kwa mtazamo wa kwanza, dutu hii ya uwazi inaonekana rahisi sana. Kwa kweli, barafu imejaa siri nyingi. Barafu, iliyoundwa na Mwafrika Erasto Mpemba, hakufikiria juu ya umaarufu. Siku zilikuwa moto. Alitaka barafu ya matunda. Alichukua sanduku la juisi na kuiweka kwenye friji. Alifanya hivi zaidi ya mara moja na kwa hivyo aligundua kuwa juisi huganda haraka sana ikiwa utaishikilia kwenye jua kwanza - huwasha moto sana! Hii ni ajabu, alifikiri mtoto wa shule wa Kitanzania ambaye alitenda kinyume hekima ya kidunia. Je, ni kweli kwamba ili kioevu kugeuka kuwa barafu kwa kasi, lazima kwanza iwe ... joto? Kijana huyo alishangaa sana hivi kwamba akamwambia mwalimu kisio chake. Aliripoti udadisi huu kwenye vyombo vya habari.
Hadithi hii ilitokea nyuma katika miaka ya sitini ya karne iliyopita. Sasa "Mpemba effect" inajulikana kwa wanasayansi. Lakini kwa muda mrefu jambo hili lililoonekana kuwa rahisi lilibaki kuwa siri. Kwa nini maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi?
Haikuwa hadi 1996 ambapo mwanafizikia David Auerbach alipata suluhisho. Ili kujibu swali hili, alifanya majaribio kwa mwaka mzima: alipasha moto maji kwenye glasi na akaipoza tena. Kwa hivyo aligundua nini? Wakati joto, Bubbles hewa kufutwa katika maji kuyeyuka. Maji yasiyo na gesi huganda kwa urahisi zaidi kwenye kuta za chombo. "Bila shaka, maji yenye kiwango cha juu cha hewa pia yataganda," asema Auerbach, "lakini si kwa nyuzi joto sifuri, lakini tu kwa digrii nne hadi sita." Bila shaka, itabidi kusubiri zaidi. Kwa hiyo, maji ya moto hufungia kabla ya maji baridi, hii ni ukweli wa kisayansi.
Hakuna kitu kinachoonekana mbele ya macho yetu kwa urahisi sawa na barafu. Inajumuisha tu molekuli za maji - yaani, molekuli za msingi zilizo na atomi mbili za hidrojeni na atomi moja ya oksijeni. Walakini, barafu labda ndio dutu ya kushangaza zaidi katika Ulimwengu. Wanasayansi bado hawajaweza kueleza baadhi ya sifa zake.
2. Supercooling na "papo hapo" kufungia
Kila mtu anajua kwamba maji daima hugeuka kuwa barafu wakati kilichopozwa hadi 0 ° C ... isipokuwa katika baadhi ya matukio! Kesi kama hiyo, kwa mfano, ni "supercooling", ambayo ni mali ya sana maji safi kubaki kioevu hata ikipozwa hadi chini ya kuganda. Jambo hili linawezekana kutokana na ukweli kwamba mazingira hayana vituo au nuclei ya fuwele ambayo inaweza kusababisha uundaji wa fuwele za barafu. Na hivyo maji hubakia katika hali ya kimiminika hata yakipozwa hadi chini ya nyuzi joto sifuri. Mchakato wa fuwele unaweza kuchochewa, kwa mfano, na Bubbles za gesi, uchafu (uchafuzi), uso usio na usawa vyombo. Bila wao, maji yatabaki katika hali ya kioevu. Mchakato wa uwekaji fuwele unapoanza, unaweza kutazama maji yaliyopozwa sana yakibadilika mara moja kuwa barafu.
Tazama video (KB 2,901, sekunde 60) kutoka kwa Phil Medina (www.mrsciguy.com) na ujionee mwenyewe >>
Maoni. Maji yenye joto kali pia hubaki kuwa kioevu hata yanapokanzwa juu ya kiwango chake cha kuchemka.
3. "Kioo" maji
Haraka na bila kusita, taja kiasi gani hali mbalimbali kuna karibu na maji?
Ikiwa ulijibu tatu (imara, kioevu, gesi), basi ulikosea. Wanasayansi wanatambua angalau majimbo 5 tofauti ya maji ya kioevu na majimbo 14 ya barafu.
Je, unakumbuka mazungumzo kuhusu maji yaliyopozwa sana? Kwa hivyo, haijalishi utafanya nini, kwa -38 °C hata maji safi kabisa yaliyopozwa hubadilika kuwa barafu ghafla. Nini kinatokea kwa kupungua zaidi?
joto? Katika -120 °C kitu cha ajabu huanza kutokea kwa maji: inakuwa ya viscous au viscous, kama molasi, na kwa joto chini ya -135 ° C inageuka kuwa "glasi" au "vitreous" maji - imara, ambayo hakuna muundo wa kioo.
4. Quantum mali ya maji
Katika ngazi ya Masi, maji ni ya kushangaza zaidi. Mnamo mwaka wa 1995, jaribio la kueneza kwa nyutroni lililofanywa na wanasayansi lilitoa matokeo yasiyotarajiwa: wanafizikia waligundua kwamba neutroni zinazolenga molekuli za maji "ona" 25% ya protoni za hidrojeni chache kuliko ilivyotarajiwa.
Ilibadilika kuwa kwa kasi ya attosecond moja (sekunde 10 -18) isiyo ya kawaida athari ya quantum, Na formula ya kemikali maji badala ya kawaida - H 2 O, inakuwa H 1.5 O!
5. Je, maji yana kumbukumbu?
Homeopathy, mbadala dawa rasmi, inasema kuwa suluhisho la dilute bidhaa ya dawa inaweza kutoa athari ya uponyaji kwenye mwili, hata ikiwa sababu ya dilution ni ya juu sana kwamba hakuna kitu kilichosalia katika suluhisho isipokuwa molekuli za maji. Watetezi wa homeopathy wanaelezea kitendawili hiki na dhana inayoitwa "kumbukumbu ya maji," kulingana na ambayo maji katika kiwango cha Masi yana "kumbukumbu" ya dutu mara moja kufutwa ndani yake na huhifadhi mali ya suluhisho la mkusanyiko wa asili baada ya sio hata moja. molekuli ya kiungo inabaki ndani yake.
Kundi la kimataifa la wanasayansi wakiongozwa na Profesa Madeleine Ennis kutoka Chuo Kikuu cha Malkia wa Belfast, ambaye alishutumu kanuni za ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa ugonjwa wa uzazi ulifanya majaribio mwaka wa 2002 ili kukataa dhana hii mara moja na kwa wote waliweza kuthibitisha ukweli wa athari ya "kumbukumbu ya maji" Hata hivyo, majaribio yaliyofanywa chini ya usimamizi wa wataalam wa kujitegemea hayakuleta matokeo yoyote.
Maji yana mali nyingine nyingi zisizo za kawaida ambazo hatukuzungumzia katika makala hii.
Fasihi.
1. Mambo 5 Ya Ajabu Sana Kuhusu Maji / http://www.neatorama.com.
2. Siri ya maji: nadharia ya athari ya Aristotle-Mpemba iliundwa / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Siri asili isiyo hai. Dutu ya ajabu zaidi katika ulimwengu / http://www.bibliotekar.ru.
Inaonekana dhahiri kuwa maji baridi huganda haraka kuliko maji ya moto, kwani chini ya hali sawa maji ya moto huchukua muda mrefu kupoa na kufungia. Hata hivyo, maelfu ya miaka ya uchunguzi, pamoja na majaribio ya kisasa, yameonyesha kuwa kinyume chake pia ni kweli: chini ya hali fulani, maji ya moto hufungia kwa kasi zaidi kuliko maji baridi. Idhaa ya Sayansi ya Sayansi inaelezea jambo hili:
Kama ilivyoelezwa kwenye video hapo juu, hali ya maji ya moto kuganda haraka kuliko maji baridi inajulikana kama athari ya Mpemba, iliyopewa jina la Erasto Mpemba, mwanafunzi wa Kitanzania aliyetengeneza ice cream kama sehemu ya mradi wa shule mnamo 1963. Wanafunzi walipaswa kuleta mchanganyiko wa cream na sukari kwa chemsha, wacha iwe baridi, na kisha kuiweka kwenye friji.
Badala yake, Erasto aliweka mchanganyiko wake mara moja, moto, bila kungoja upoe. Matokeo yake, baada ya saa 1.5 mchanganyiko wake ulikuwa tayari umeganda, lakini mchanganyiko wa wanafunzi wengine haukuwa. Kwa kupendezwa na jambo hilo, Mpemba alianza kusoma suala hilo na profesa wa fizikia Denis Osborne, na mnamo 1969 walichapisha karatasi iliyosema kuwa maji ya joto huganda haraka kuliko maji baridi. Huu ulikuwa utafiti wa kwanza wa aina yake uliopitiwa na rika, lakini jambo lenyewe limetajwa kwenye karatasi za Aristotle, zilizoanzia karne ya 4 KK. e. Francis Bacon na Descartes pia walibainisha jambo hili katika masomo yao.
Video inaorodhesha chaguzi kadhaa za kuelezea kile kinachotokea:
- Frost ni dielectric, na kwa hivyo maji baridi ya baridi huhifadhi joto bora kuliko glasi ya joto, ambayo huyeyusha barafu inapogusana nayo.
- Maji baridi yana gesi nyingi zilizoyeyushwa kuliko maji ya joto, na watafiti wanakisia kuwa hii inaweza kuchukua jukumu katika kiwango cha kupoeza, ingawa bado haijawa wazi jinsi gani.
- Maji ya moto hupoteza molekuli nyingi za maji kupitia uvukizi, kwa hivyo kuna chache zaidi kugandisha
- Maji ya joto inaweza kupoa haraka kwa sababu ya kuongezeka kwa mikondo ya convective. Mikondo hii hutokea kwa sababu maji katika glasi hupoa kwanza kwenye uso na kando, na kusababisha maji baridi kuzama na maji ya moto kupanda. Katika glasi ya joto, mikondo ya convective inafanya kazi zaidi, ambayo inaweza kuathiri kiwango cha baridi.
Walakini, mnamo 2016, uchunguzi uliodhibitiwa kwa uangalifu ulifanyika ambao ulionyesha kinyume: maji ya moto yaliganda polepole zaidi kuliko maji baridi. Wakati huo huo, wanasayansi waliona kwamba kubadilisha eneo la thermocouple - kifaa kinachoamua mabadiliko ya joto - kwa sentimita moja tu husababisha kuonekana kwa athari ya Mpemba. Uchunguzi wa tafiti zingine zinazofanana ulionyesha kuwa katika hali zote ambapo athari hii ilizingatiwa, kulikuwa na uhamishaji wa thermocouple ndani ya sentimita.
Maji ni moja ya vinywaji vya kushangaza zaidi ulimwenguni, ambayo ina mali isiyo ya kawaida. Kwa mfano, barafu ni hali ngumu ya kioevu, ina mvuto maalum chini ya maji yenyewe, ambayo ilifanya kuibuka na maendeleo ya maisha duniani kwa kiasi kikubwa iwezekanavyo. Kwa kuongeza, katika ulimwengu wa pseudo-kisayansi na kisayansi kuna majadiliano kuhusu ambayo maji hufungia kwa kasi - moto au baridi. Yeyote anayeweza kuthibitisha kwamba kioevu cha moto huganda haraka chini ya hali fulani na kuthibitisha kisayansi suluhisho lao atapokea zawadi ya £1,000 kutoka kwa Jumuiya ya Kifalme ya Wanakemia ya Uingereza.
Usuli
Ukweli kwamba chini ya hali kadhaa, maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi ilionekana nyuma katika Zama za Kati. Francis Bacon na René Descartes walitumia juhudi nyingi kuelezea jambo hili. Walakini, kwa mtazamo wa uhandisi wa joto wa kawaida, kitendawili hiki hakiwezi kuelezewa, na walijaribu kunyamaza kwa aibu juu yake. Msukumo wa kuendelea kwa mdahalo huo ulikuwa hadithi ya kushangaza iliyompata mvulana wa shule Mtanzania Erasto Mpemba mnamo 1963. Siku moja, wakati wa somo la kufanya desserts katika shule ya mpishi, mvulana, akiwa na wasiwasi na mambo mengine, hakuwa na wakati wa kupoza mchanganyiko wa ice cream kwa wakati na kuweka suluhisho la moto la sukari kwenye maziwa kwenye friji. Kwa mshangao wake, bidhaa hiyo ilipoa haraka zaidi kuliko ile ya madaktari wenzake walioona utawala wa joto kutengeneza ice cream.
Kujaribu kuelewa kiini cha jambo hilo, mvulana aligeuka kwa mwalimu wa fizikia, ambaye, bila kuingia katika maelezo, alidhihaki majaribio yake ya upishi. Walakini, Erasto alitofautishwa na uvumilivu unaowezekana na aliendelea na majaribio yake sio juu ya maziwa, lakini juu ya maji. Alishawishika kuwa katika hali zingine maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi.
Baada ya kuingia Chuo Kikuu cha Dar es Salaam, Erasto Mpembe alihudhuria mhadhara wa Profesa Dennis G. Osborne. Baada ya kukamilika, mwanafunzi huyo alimshangaza mwanasayansi huyo kwa tatizo kuhusu kasi ya kuganda kwa maji kulingana na joto lake. D.G. Osborne alidhihaki uulizaji wa swali hilo, akitangaza kwa upole kwamba mwanafunzi yeyote maskini anajua kwamba maji baridi yataganda haraka. Walakini, ukakamavu wa asili wa kijana huyo ulijifanya kuhisi. Aliweka dau na profesa huyo, akipendekeza kufanya mtihani wa majaribio papa hapa kwenye maabara. Erasto aliweka vyombo viwili vya maji kwenye friza, kimoja kwenye 95°F (35°C) na kingine 212°F (100°C). Hebu fikiria mshangao wa profesa na "mashabiki" walio karibu wakati maji katika chombo cha pili yaliganda kwa kasi. Tangu wakati huo, jambo hili limeitwa "Kitendawili cha Mpemba".
Hata hivyo, hadi sasa hakuna nadharia dhabiti ya kinadharia inayoeleza “Kitendawili cha Mpemba”. Haijulikani ni ipi mambo ya nje, muundo wa kemikali maji, uwepo wa gesi zilizoyeyushwa na madini ndani yake huathiri kiwango cha kufungia kwa vinywaji kwa joto tofauti. Kitendawili cha "Athari ya Mpemba" ni kwamba inapingana na moja ya sheria zilizogunduliwa na I. Newton, ambayo inasema kwamba wakati wa baridi wa maji ni sawa na tofauti ya joto kati ya kioevu na mazingira. Na ikiwa vinywaji vingine vyote vinatii kabisa sheria hii, basi maji katika hali zingine ni ubaguzi.
Kwa nini maji ya moto hufungia haraka?T
Kuna matoleo kadhaa ya kwa nini maji ya moto hufungia haraka kuliko maji baridi. Ya kuu ni:
- maji ya moto hupuka kwa kasi, wakati kiasi chake kinapungua, na kiasi kidogo cha kioevu kinapunguza kasi - wakati maji ya baridi kutoka + 100 ° C hadi 0 ° C, hasara za volumetric kwenye shinikizo la anga hufikia 15%;
- nguvu ya kubadilishana joto kati ya kioevu na mazingira juu, tofauti kubwa ya joto, hivyo kupoteza joto la maji ya moto hupita kwa kasi;
- wakati maji ya moto yanapopoa, ukoko wa barafu huunda juu ya uso wake, kuzuia kioevu kutoka kwa kufungia kabisa na kuyeyuka;
- kwa joto la juu la maji, mchanganyiko wa convection hutokea, kupunguza muda wa kufungia;
- Gesi kufutwa katika maji kupunguza kiwango cha kufungia, kuondoa nishati kwa ajili ya malezi ya kioo - hakuna gesi kufutwa katika maji ya moto.
Masharti haya yote yamejaribiwa mara kwa mara kwa majaribio. Hasa, mwanasayansi wa Ujerumani David Auerbach aligundua kuwa joto la crystallization ya maji ya moto ni kubwa zaidi kuliko ile ya maji baridi, ambayo inafanya uwezekano wa kufungia wa zamani kwa haraka zaidi. Hata hivyo, baadaye majaribio yake yalikosolewa na wanasayansi wengi wanaamini kwamba “Athari ya Mpemba”, ambayo huamua ni maji gani yanagandisha kwa kasi zaidi - moto au baridi, yanaweza kutolewa tena chini ya hali fulani, ambayo hakuna mtu ambaye amekuwa akizitafuta na kuzibainisha hadi sasa.
Katika makala hii tutaangalia swali la kwa nini maji ya moto hufungia kwa kasi zaidi kuliko maji baridi.
Maji yenye joto huganda haraka kuliko maji baridi! Mali hii ya ajabu ya maji, ambayo wanasayansi bado hawawezi kupata maelezo halisi, imejulikana tangu nyakati za kale. Kwa mfano, hata katika Aristotle kuna maelezo uvuvi wa msimu wa baridi: wavuvi waliingiza vijiti vya uvuvi kwenye mashimo kwenye barafu, na ili ziweze kuganda haraka, walimwagilia barafu. maji ya joto. Jambo hili lilipewa jina la Erasto Mpemba katika miaka ya 60 ya karne ya 20. Mnemba aliona athari ya ajabu wakati akitengeneza ice cream na kumgeukia mwalimu wake wa fizikia, Dk.Denis Osborne, ili apate maelezo. Mpemba na Dk Osborne walifanya majaribio ya maji kwa viwango tofauti vya joto na kuhitimisha kuwa karibu maji yanayochemka huanza kuganda kwa kasi zaidi kuliko maji kwenye joto la kawaida. Wanasayansi wengine walifanya majaribio yao wenyewe na kila wakati walipata matokeo sawa.
Ufafanuzi wa jambo la kimwili
Hakuna maelezo yanayokubalika kwa ujumla kwa nini hii inatokea. Watafiti wengi wanapendekeza kwamba hatua nzima iko kwenye baridi kali ya kioevu, ambayo hutokea wakati joto lake linapungua chini ya kiwango cha kufungia. Kwa maneno mengine, ikiwa maji hufungia kwa joto la chini ya 0 ° C, basi maji ya supercooled yanaweza kuwa na joto la, kwa mfano, -2 ° C na bado kubaki kioevu bila kugeuka kwenye barafu. Tunapojaribu kufungia maji baridi, kuna nafasi kwamba itakuwa ya kwanza kuwa supercooled na ngumu tu baada ya muda fulani. Michakato mingine hutokea katika maji yenye joto. Mabadiliko yake ya haraka katika barafu yanahusishwa na convection.
Convection-Hii jambo la kimwili, ambayo tabaka za chini za joto za kioevu hupanda, na za juu, zilizopozwa, huanguka.
