น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้นด้วยเอฟเฟกต์เย็น ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

เอฟเฟกต์ Mpemba(Mpemba paradox) - ความขัดแย้งที่บอกว่าน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าภายใต้สภาวะบางอย่างมากกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในระหว่างกระบวนการเยือกแข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงจากการทดลองซึ่งขัดแย้งกับแนวคิดปกติ ซึ่งภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่มีความร้อนมากกว่าเพื่อทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิหนึ่งจะใช้เวลานานกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าในการทำให้เย็นตัวถึงอุณหภูมิเดียวกัน

ปรากฏการณ์นี้สังเกตเห็นได้ในขณะนั้นโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรเน่ เดส์การตส์ แต่จนกระทั่งในปี 2506 เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนีย อีราสโต มเปมบา พบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าไอศกรีมที่เย็นจัด

ในฐานะนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Magamba ในประเทศแทนซาเนีย Erasto Mpemba ได้ทำงานทำอาหารเชิงปฏิบัติ เขาต้องทำไอศกรีมแบบโฮมเมด - ต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น เย็นจนอุณหภูมิห้อง แล้วใส่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษ และเขาล่าช้าในการทำส่วนแรกของงานที่ได้รับมอบหมาย กลัวว่าเขาจะไม่ทันเรียนจบ เขาจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น ที่ทำให้เขาประหลาดใจ มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขา ซึ่งเตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำธรรมดาด้วย ไม่ว่าในกรณีใดที่เป็นนักเรียนของโรงเรียนมัธยม Mkvava อยู่แล้วเขาถามศาสตราจารย์เดนนิสออสบอร์นจากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลาม (ได้รับเชิญจากอาจารย์ใหญ่ให้บรรยายวิชาฟิสิกส์แก่นักเรียน) โดยเฉพาะเกี่ยวกับน้ำ: “ถ้าคุณเอาสอง ภาชนะที่เหมือนกันซึ่งมีปริมาตรน้ำเท่ากันเพื่อให้น้ำหนึ่งในนั้นมีอุณหภูมิ 35 ° C และในอีก - 100 ° C และใส่ในช่องแช่แข็งจากนั้นในวินาทีที่น้ำจะหยุดเร็วขึ้น ทำไม ? " ออสบอร์นเริ่มให้ความสนใจในประเด็นนี้ และในไม่ช้าในปี 1969 เขาและ Mpemba ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของพวกเขาในวารสาร "Physics Education" ตั้งแต่นั้นมา เอฟเฟกต์ที่พวกเขาค้นพบจึงถูกเรียกว่า เอฟเฟกต์ Mpemba.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครรู้ว่าจะอธิบายเอฟเฟกต์แปลก ๆ นี้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีรุ่นเดียวถึงแม้ว่าจะมีมากมาย มันเป็นเรื่องของความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหยกลายเป็นน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba คือเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อมควรเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎข้อนี้ก่อตั้งโดยนิวตันและตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการยืนยันหลายครั้งในทางปฏิบัติ ในลักษณะนี้ น้ำที่มีอุณหภูมิ 100 ° C จะเย็นตัวลงที่อุณหภูมิ 0 ° C เร็วกว่าน้ำปริมาณเท่ากันที่มีอุณหภูมิ 35 ° C

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ยังไม่ชี้ให้เห็นถึงความขัดแย้ง เนื่องจากเอฟเฟกต์ Mpemba สามารถอธิบายได้ภายในกรอบของฟิสิกส์ที่รู้จักกันดี นี่คือคำอธิบายบางส่วนสำหรับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ ส่งผลให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำที่มีอุณหภูมิเท่ากันจะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนถึง 100 C สูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงถึง 0 C

เอฟเฟกต์การระเหย - เอฟเฟกต์สองเท่า ขั้นแรก ปริมาณน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองอุณหภูมิลดลงเนื่องจากความร้อนของการกลายเป็นไอของการเปลี่ยนจากเฟสของน้ำไปเป็นเฟสไอลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและลมเย็นนั้นมากกว่า ดังนั้น การแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงรุนแรงกว่าและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ

เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่แข็งตัวตลอดเวลา ภายใต้สภาวะบางอย่าง อุณหภูมิอาจลดลง โดยยังคงเป็นของเหลวต่อไปที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำยังคงเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัวขึ้น จำเป็นต้องมีศูนย์กลางของการก่อตัวของผลึก หากไม่มีอยู่ในน้ำที่เป็นของเหลว อุณหภูมิจะคงอยู่ต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากจนผลึกเริ่มก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่เย็นจัด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น ก่อตัวเป็นน้ำแข็งซึ่งเมื่อถูกแช่แข็งจะก่อตัวเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนไวต่ออุณหภูมิมากที่สุดเนื่องจากความร้อนจะขจัดก๊าซและฟองสบู่ที่ละลายน้ำออกไป ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางสำหรับการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง

ทำไมอุณหภูมิต่ำกว่าปกติทำให้น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น? ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่ซุปเปอร์คูลจะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ น้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของเรือ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และจะป้องกันการระเหยต่อไป อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะช้าลง ในกรณีของน้ำร้อนที่มี supercooling น้ำ supercooled ไม่มีชั้นผิวน้ำแข็งป้องกัน ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนเร็วกว่ามากเมื่อเปิดฝา

เมื่อกระบวนการลดอุณหภูมิร่างกายสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะหายไปมากและทำให้เกิดน้ำแข็งมากขึ้น

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง และด้วยเหตุนี้จึงสูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติของความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 องศาเซลเซียส หากคุณทำให้น้ำเย็นที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียสและวางไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ชั้นผิวของน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4 ° C จึงยังคงอยู่บนพื้นผิวทำให้เกิดชั้นบางๆ ที่เย็นจัด ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำในช่วงเวลาสั้นๆ แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันน้ำชั้นล่างซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ดังนั้น กระบวนการทำความเย็นต่อไปจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นลงเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ ชั้นน้ำเย็นจะมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้น ชั้นน้ำเย็นจะจมลง ทำให้ชั้นน้ำอุ่นขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่ทำไมกระบวนการนี้ถึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน เราควรสันนิษฐานว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากอุณหภูมิของน้ำเฉลี่ยลดลงต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส

อย่างไรก็ตาม ไม่มีข้อมูลการทดลองใดที่จะสนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนแยกจากกันด้วยการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้น - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำที่อุณหภูมิสูงจะต่ำกว่า ดังนั้น เมื่อระบายความร้อนด้วยน้ำร้อน จะมีก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่ผ่านความร้อนเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำอุ่นจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น ปัจจัยนี้บางครั้งถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองยืนยันข้อเท็จจริงนี้

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญเมื่อใส่น้ำในช่องแช่แข็งในช่องแช่เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ จะสังเกตเห็นว่าภาชนะที่มีน้ำร้อนละลายน้ำแข็งของช่องแช่แข็งไว้ข้างใต้ ดังนั้นจึงปรับปรุงการสัมผัสทางความร้อนกับผนังช่องแช่แข็งและการนำความร้อน เป็นผลให้ความร้อนจะถูกลบออกจากภาชนะด้วยน้ำร้อนเร็วกว่าจากน้ำเย็น ในทางกลับกันภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ละลายหิมะข้างใต้

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ยังไม่ได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถาม - ซึ่งให้การทำซ้ำ 100 เปอร์เซ็นต์ของเอฟเฟกต์ Mpemba - ยังไม่ได้รับ

ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาอิทธิพลของ supercooling ของน้ำที่มีต่อผลกระทบนี้ เขาพบว่าน้ำร้อนที่ถึงสถานะ supercooled จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น ซึ่งหมายความว่าเร็วกว่าอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะ supercooled เร็วกว่าน้ำร้อน ซึ่งจะช่วยชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลที่ได้รับก่อนหน้านี้ว่าน้ำร้อนสามารถให้ความเย็นสูงยิ่งขึ้นได้เนื่องจากมีศูนย์ตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อนขึ้น ก๊าซที่ละลายในนั้นจะถูกลบออกจากมัน และเมื่อต้มแล้ว เกลือบางชนิดที่ละลายในนั้นก็จะตกตะกอน

จนถึงตอนนี้ มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถยืนยันได้ - การสร้างเอฟเฟกต์นี้โดยพื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลอง อย่างแม่นยำเพราะไม่ได้ทำซ้ำเสมอ

สูตรเก่าที่ดี H 2 O ดูเหมือนจะไม่มีความลับใด ๆ แต่อันที่จริง น้ำซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดชีวิตและของเหลวที่มีชื่อเสียงที่สุดในโลกนั้นเต็มไปด้วยความลึกลับมากมายที่บางครั้งแม้แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่สามารถแก้ได้

นี่คือข้อเท็จจริงที่น่าสนใจที่สุด 5 ประการเกี่ยวกับน้ำ:

1. น้ำร้อนแช่แข็งเร็วกว่าน้ำเย็น

นำภาชนะใส่น้ำสองภาชนะ: เทน้ำร้อนลงในภาชนะหนึ่งและน้ำเย็นอีกใบหนึ่งใส่ในช่องแช่แข็ง น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าตามหลักแล้ว น้ำเย็นควรเป็นคนแรกที่กลายเป็นน้ำแข็ง: ท้ายที่สุด น้ำร้อนจะต้องเย็นลงเป็นอุณหภูมิเย็นก่อน แล้วจึงเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่น้ำเย็นไม่จำเป็นต้อง เย็นลง. ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

ในปีพ.ศ. 2506 Erasto B. Mpemba นักเรียนมัธยมปลายในแทนซาเนีย ขณะแช่แข็งไอศกรีมที่เตรียมไว้ สังเกตว่าส่วนผสมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าในช่องแช่แข็งเร็วกว่าการผสมแบบเย็น เมื่อชายหนุ่มเล่าถึงการค้นพบของเขากับครูฟิสิกส์ เขาก็หัวเราะเยาะเขาเท่านั้น โชคดีที่นักเรียนยังคงยืนกรานและโน้มน้าวให้ครูทำการทดลอง ซึ่งยืนยันการค้นพบของเขา: ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นจริงๆ

ตอนนี้ปรากฏการณ์น้ำร้อนแช่แข็งเร็วกว่าน้ำเย็นเรียกว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" จริงอยู่ก่อนหน้าที่เขาจะสังเกตเห็นคุณสมบัติพิเศษของน้ำนี้โดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรเน่ เดส์การตส์

นักวิทยาศาสตร์ยังคงไม่เข้าใจธรรมชาติของปรากฏการณ์นี้อย่างถ่องแท้ โดยอธิบายได้จากความแตกต่างของอุณหภูมิ การระเหย การก่อตัวน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือโดยผลของก๊าซเหลวต่อน้ำร้อนและน้ำเย็น

หมายเหตุจาก Х.RU ถึงหัวข้อ "น้ำร้อนค้างเร็วกว่าน้ำเย็น"

เนื่องจากปัญหาการทำความเย็นอยู่ใกล้ตัวเรามากขึ้น ตู้เย็น เราจะยอมให้ตัวเองเจาะลึกถึงแก่นของปัญหานี้และให้ความเห็นสองข้อเกี่ยวกับธรรมชาติของปรากฏการณ์ลึกลับดังกล่าว

1. นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันได้เสนอคำอธิบายสำหรับปรากฏการณ์ลึกลับที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยอริสโตเติล: ทำไมน้ำร้อนถึงกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็น

ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ Mpemba นั้นใช้กันอย่างแพร่หลายในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น ผู้เชี่ยวชาญแนะนำให้ผู้ขับขี่เทน้ำเย็นไม่ร้อนลงในอ่างเก็บน้ำเครื่องซักผ้าในฤดูหนาว แต่สิ่งที่เป็นรากฐานของปรากฏการณ์นี้ยังไม่ทราบมาเป็นเวลานาน

Dr. Jonathan Katz แห่งมหาวิทยาลัย Washington ได้ตรวจสอบปรากฏการณ์นี้และสรุปว่าสารที่ละลายในน้ำซึ่งตกตะกอนเมื่อถูกความร้อน มีบทบาทสำคัญในนั้น ตามรายงานของ EurekAlert

โดยตัวละลาย Dr. Katz หมายถึงแคลเซียมและแมกนีเซียมไบคาร์บอเนตที่พบในน้ำกระด้าง เมื่อน้ำร้อนขึ้น สารเหล่านี้จะสะสมเป็นเกล็ดบนผนังกาต้มน้ำ น้ำที่ไม่เคยได้รับความร้อนมีสิ่งสกปรกเหล่านี้ เมื่อมันแข็งตัวและเกิดผลึกน้ำแข็ง ความเข้มข้นของสิ่งสกปรกในน้ำจะเพิ่มขึ้น 50 เท่า ทำให้จุดเยือกแข็งของน้ำลดลง "และตอนนี้น้ำยังคงต้องเย็นลงเพื่อให้กลายเป็นน้ำแข็ง" ดร. แคทซ์อธิบาย

มีเหตุผลประการที่สองที่ป้องกันไม่ให้น้ำที่ไม่ผ่านความร้อนจากการแช่แข็ง การลดจุดเยือกแข็งของน้ำจะลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเฟสของแข็งและของเหลว "เนื่องจากอัตราการสูญเสียความร้อนของน้ำขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมินี้ น้ำที่ไม่ได้รับความร้อนจะเย็นลงยิ่งกว่า" ดร. แคทซ์กล่าว

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ ทฤษฎีของเขาสามารถทดลองได้เพราะ เอฟเฟกต์ Mpemba จะเด่นชัดยิ่งขึ้นสำหรับน้ำที่แข็งกว่า

2. ออกซิเจนบวกไฮโดรเจนบวกความเย็นทำให้น้ำแข็ง เมื่อมองแวบแรก สารโปร่งใสนี้ดูเรียบง่ายมาก ในความเป็นจริง น้ำแข็งเต็มไปด้วยความลึกลับมากมาย น้ำแข็งที่สร้างขึ้นโดย African Erasto Mpemba ไม่ได้ฝันถึงชื่อเสียง มันเป็นวันที่อากาศร้อน เขาต้องการไอซ์ป๊อป เขาหยิบน้ำผลไม้หนึ่งห่อแล้วใส่ลงในช่องแช่แข็ง เขาทำสิ่งนี้มากกว่าหนึ่งครั้งและสังเกตเห็นว่าน้ำผลไม้จะแข็งตัวเร็วเป็นพิเศษ หากคุณนำไปตากแดดล่วงหน้า - มันร้อนมาก! นี่เป็นเรื่องแปลกที่เด็กนักเรียนแทนซาเนียคิดตรงกันข้ามกับปัญญาทางโลก จริงๆแล้วเพื่อให้ของเหลวกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้นต้อง ... อุ่นก่อน? ชายหนุ่มรู้สึกประหลาดใจมากที่ได้แบ่งปันการคาดเดาของเขากับครู เขารายงานความอยากรู้นี้ในสื่อ

เรื่องนี้เกิดขึ้นเมื่ออายุหกสิบเศษของศตวรรษที่ผ่านมา ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์รู้จัก "เอฟเฟกต์ Mpemba" แต่ปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนง่ายนี้ยังคงเป็นปริศนามาเป็นเวลานาน ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

จนกระทั่งในปี 1996 David Auerbach นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหา เพื่อตอบคำถามนี้ เขาทำการทดลองตลอดทั้งปี: เขาอุ่นน้ำในแก้วและทำให้เย็นลงอีกครั้ง แล้วเขาไปรู้อะไรมา? เมื่อถูกความร้อน ฟองอากาศที่ละลายในน้ำจะระเหยไป น้ำที่ปราศจากก๊าซจะแข็งตัวได้ง่ายขึ้นบนผนังของภาชนะ "แน่นอนว่าน้ำที่มีปริมาณอากาศสูงก็จะแข็งตัวเช่นกัน" Auerbach กล่าว "แต่ไม่ใช่ที่อุณหภูมิศูนย์องศาเซลเซียส แต่จะอยู่ที่ลบสี่หรือหกองศาเท่านั้น" เห็นได้ชัดว่าการรอจะใช้เวลานานขึ้น ดังนั้น น้ำร้อนจะแข็งตัวก่อนน้ำเย็น นี่เป็นข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์

แทบไม่มีสสารใดปรากฏให้เห็นต่อหน้าต่อตาเราอย่างง่ายดายเหมือนกับน้ำแข็ง ประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำเท่านั้น - นั่นคือโมเลกุลพื้นฐานที่มีอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งตัว อย่างไรก็ตาม น้ำแข็งอาจเป็นสารที่ลึกลับที่สุดในจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติบางอย่างได้

2. Supercooling และการแช่แข็ง "ทันที"

ทุกคนรู้ดีว่าน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเสมอเมื่อเย็นลงถึง 0 ° C ... ยกเว้นในบางกรณี! ตัวอย่างเช่น กรณีดังกล่าวคือ "การทำให้เย็นเกินไป" ซึ่งเป็นคุณสมบัติของน้ำบริสุทธิ์มากที่จะยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าจะเย็นตัวลงจนต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากสภาพแวดล้อมไม่มีศูนย์กลางหรือนิวเคลียสของการตกผลึกซึ่งสามารถกระตุ้นการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง ดังนั้น น้ำจึงยังคงอยู่ในรูปของเหลว แม้ว่าจะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียส กระบวนการตกผลึกสามารถกระตุ้นได้ ตัวอย่างเช่น โดยฟองแก๊ส สิ่งเจือปน (สิ่งเจือปน) หรือพื้นผิวภาชนะที่ไม่สม่ำเสมอ หากไม่มีพวกมัน น้ำจะยังคงเป็นของเหลว เมื่อกระบวนการตกผลึกเริ่มต้นขึ้น คุณสามารถสังเกตได้ว่าน้ำที่เย็นจัดจะกลายเป็นน้ำแข็งในทันทีได้อย่างไร

ดูวิดีโอ (2 901 KB, 60 วินาที) จาก Phil Medina (www.mrsciguy.com) และดูด้วยตัวคุณเอง >>

ความคิดเห็นน้ำร้อนยวดยิ่งยังคงเป็นของเหลวแม้ในขณะที่ให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าจุดเดือด

3. น้ำ "แก้ว"

อย่างรวดเร็วและโดยไม่ลังเล ให้ทายว่าน้ำมีสถานะต่างกันกี่สถานะ?

หากคุณตอบสามข้อ (ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ) แสดงว่าคุณคิดผิด นักวิทยาศาสตร์แยกแยะความแตกต่างของน้ำของเหลวอย่างน้อย 5 สถานะและน้ำแข็ง 14 สถานะ

จำการสนทนาเกี่ยวกับน้ำ supercooled? ดังนั้น ไม่ว่าคุณจะทำอะไร ที่อุณหภูมิ -38 ° C แม้แต่น้ำที่เย็นยิ่งยวดที่บริสุทธิ์ที่สุดก็กลายเป็นน้ำแข็งในทันใด จะเกิดอะไรขึ้นกับการลดลงอีก

อุณหภูมิ? ที่อุณหภูมิ -120 ° C มีสิ่งแปลกปลอมเกิดขึ้นกับน้ำ: กลายเป็นน้ำที่มีความหนืดสูงหรือหนืดมาก เช่น กากน้ำตาล และที่อุณหภูมิต่ำกว่า -135 ° C จะกลายเป็นน้ำ "แก้ว" หรือ "แก้ว" ซึ่งเป็นของแข็งที่ขาด โครงสร้างผลึก

4. คุณสมบัติควอนตัมของน้ำ

ในระดับโมเลกุล น้ำยิ่งน่าประหลาดใจมากขึ้นไปอีก ในปี 1995 การทดลองกระเจิงนิวตรอนที่ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ให้ผลลัพธ์ที่คาดไม่ถึง นักฟิสิกส์พบว่านิวตรอนมุ่งเป้าไปที่โมเลกุลของน้ำ "เห็น" โปรตอนไฮโดรเจนน้อยกว่าที่คาดไว้ 25%

ปรากฎว่าที่ความเร็วหนึ่งแอตโทวินาที (10 -18 วินาที) เกิดเอฟเฟกต์ควอนตัมที่ผิดปกติและสูตรทางเคมีของน้ำแทนที่จะเป็นสูตรปกติ - H 2 O กลายเป็น H 1.5 O!

5. น้ำมีความทรงจำหรือไม่?

โฮมีโอพาธี ซึ่งเป็นทางเลือกแทนการแพทย์ทางการ อ้างว่าสารละลายเจือจางของยาสามารถมีผลการรักษาต่อร่างกาย แม้ว่าปัจจัยการเจือจางจะดีมากจนไม่มีอะไรเหลือนอกจากโมเลกุลของน้ำในสารละลาย ผู้เสนอโฮมีโอพาธีย์อธิบายความขัดแย้งนี้ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า "ความจำของน้ำ" ซึ่งน้ำในระดับโมเลกุลมี "ความทรงจำ" ของสารที่ครั้งหนึ่งเคยละลายในนั้นและคงคุณสมบัติของสารละลายที่มีความเข้มข้นเดิมไว้ ไม่มีโมเลกุลของส่วนผสมเหลืออยู่ในนั้น

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยศาสตราจารย์ Madeleine Ennis จากมหาวิทยาลัย Queen's University of Belfast ผู้วิพากษ์วิจารณ์หลักการของ homeopathy ได้ทำการทดลองในปี 2545 เพื่อหักล้างแนวคิดนี้ทันทีและสำหรับทั้งหมด ซึ่งนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าพวกเขาสามารถพิสูจน์ความเป็นจริงได้ ของผลกระทบของ "หน่วยความจำของน้ำ" อย่างไรก็ตาม การทดลองที่ดำเนินการภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญอิสระไม่ได้ผลลัพธ์ ข้อพิพาทเกี่ยวกับการมีอยู่ของปรากฏการณ์ของ "หน่วยความจำของน้ำ" ยังคงดำเนินต่อไป

น้ำมีคุณสมบัติผิดปกติอื่น ๆ อีกมากมายที่เรายังไม่ได้กล่าวถึงในบทความนี้

วรรณกรรม.

1.5 สิ่งแปลกประหลาดเกี่ยวกับน้ำ / http://www.neatorama.com.
2. ความลึกลับของน้ำ: สร้างทฤษฎีของเอฟเฟกต์ Aristotle-Mpemba แล้ว / http://www.o8ode.ru
3. Nepomniachtchi N.N. ความลับของธรรมชาติที่ไม่มีชีวิต สารลึกลับที่สุดในจักรวาล / http://www.bibliotekar.ru

ดูเหมือนว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำร้อน เนื่องจากภายใต้สภาวะที่เท่ากัน น้ำร้อนจะใช้เวลานานกว่าในการทำให้เย็นลงและกลายเป็นน้ำแข็งในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตาม การสังเกตการณ์นับพันปี เช่นเดียวกับการทดลองสมัยใหม่ได้แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น ช่องวิทยาศาสตร์ Sciecium อธิบายปรากฏการณ์นี้:

ดังที่อธิบายไว้ในวิดีโอด้านบน ปรากฏการณ์ของการแข็งตัวของน้ำร้อนเร็วกว่าน้ำเย็นเรียกว่าเอฟเฟกต์ Mpemba ซึ่งตั้งชื่อตาม Erasto Mpemba นักเรียนชาวแทนซาเนียที่ทำไอศกรีมในปี 1963 โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการของโรงเรียน นักเรียนต้องนำส่วนผสมของครีมและน้ำตาลไปต้ม ปล่อยให้เย็นแล้วนำไปแช่ช่องฟรีซ

แต่ Erasto ใส่ส่วนผสมของเขาทันทีโดยร้อนโดยไม่ต้องรอให้เย็น เป็นผลให้หลังจาก 1.5 ชั่วโมงส่วนผสมของเขาถูกแช่แข็งแล้ว แต่ส่วนผสมของนักเรียนคนอื่นไม่ได้ ด้วยความสนใจในปรากฏการณ์นี้ Mpemba เริ่มศึกษาเรื่องนี้กับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Denis Osborne และในปี 1969 พวกเขาได้ตีพิมพ์บทความที่ระบุว่าน้ำอุ่นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น นี่เป็นการศึกษาครั้งแรกที่มีการตรวจสอบโดยเพื่อน แต่ปรากฏการณ์นี้ถูกกล่าวถึงในเอกสารของอริสโตเติลย้อนหลังไปถึงศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช NS. ฟรานซิส เบคอนและเดส์การตส์ยังตั้งข้อสังเกตถึงปรากฏการณ์นี้ในการศึกษาของพวกเขาด้วย

วิดีโอแสดงรายการตัวเลือกต่างๆ สำหรับการอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น:

1. ฟรอสต์เป็นไดอิเล็กทริก ดังนั้นน้ำเย็นจัดจึงเก็บความร้อนได้ดีกว่าแก้วอุ่นซึ่งละลายน้ำแข็งเมื่อสัมผัสกับมัน
2. มีก๊าซที่ละลายในน้ำเย็นมากกว่าน้ำอุ่น และนักวิจัยคาดการณ์ว่าอาจมีผลต่ออัตราการเย็นตัว แม้ว่าจะยังไม่ชัดเจนว่าเป็นอย่างไร
3. น้ำร้อนสูญเสียโมเลกุลของน้ำมากขึ้นเนื่องจากการระเหย จึงเหลือให้แช่แข็งน้อยลง
4. น้ำอุ่นสามารถทำให้เย็นเร็วขึ้นโดยการเพิ่มกระแสหมุนเวียน กระแสน้ำเหล่านี้เกิดขึ้นเพราะอย่างแรกเลย น้ำในแก้วจะเย็นลงบนพื้นผิวและด้านข้าง บังคับให้น้ำเย็นจมลง และน้ำที่ร้อนขึ้น ในแก้วอุ่น กระแสหมุนเวียนจะทำงานมากกว่า ซึ่งอาจส่งผลต่ออัตราการทำความเย็น

อย่างไรก็ตาม การศึกษาที่มีการควบคุมอย่างรอบคอบได้ดำเนินการในปี 2559 ซึ่งแสดงให้เห็นในทางตรงกันข้าม น้ำร้อนแช่แข็งช้ากว่าน้ำเย็นมาก ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นว่าการเปลี่ยนตำแหน่งของเทอร์โมคัปเปิล ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่กำหนดอุณหภูมิที่ลดลง เพียงแค่เซนติเมตรเท่านั้นที่นำไปสู่ลักษณะที่ปรากฏของเอฟเฟกต์ Mpemba การศึกษางานอื่นที่คล้ายคลึงกันแสดงให้เห็นว่าในทุกกรณีเมื่อสังเกตผลกระทบนี้ มีการเคลื่อนตัวของเทอร์โมคัปเปิลภายในหนึ่งเซนติเมตร

น้ำเป็นของเหลวที่น่าทึ่งที่สุดในโลกชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติไม่ธรรมดา ตัวอย่างเช่น น้ำแข็งเป็นสถานะของแข็งของของเหลว มีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่าตัวน้ำ ซึ่งทำให้การเกิดขึ้นและการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตบนโลกเป็นไปได้หลายวิธี นอกจากนี้ ในโลกวิทยาศาสตร์หลอกๆ หรือแม้แต่โลกวิทยาศาสตร์ มีการพูดคุยกันว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น ใครก็ตามที่พิสูจน์การแช่แข็งของเหลวร้อนได้เร็วขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการและมีเหตุผลในการตัดสินใจทางวิทยาศาสตร์ จะได้รับรางวัล 1,000 ปอนด์จาก British Royal Society of Chemists

ประวัติของปัญหา

ความจริงที่ว่าเมื่อปฏิบัติตามเงื่อนไขหลายประการน้ำร้อนจะเร็วกว่าน้ำเย็นในแง่ของอัตราการแช่แข็งถูกสังเกตในยุคกลาง ฟรานซิส เบคอนและเรเน่ เดส์การตส์พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้อย่างเต็มที่ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของวิศวกรรมการทำความร้อนแบบคลาสสิก ความขัดแย้งนี้ไม่สามารถอธิบายได้ และพวกเขาพยายามที่จะปิดปากเกี่ยวกับเรื่องนี้อย่างเขินอาย แรงผลักดันให้เกิดความขัดแย้งต่อไปเป็นเรื่องราวที่ค่อนข้างแปลกซึ่งเกิดขึ้นกับ Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียในปี 2506 ครั้งหนึ่ง ระหว่างเรียนทำขนมที่โรงเรียนสอนทำอาหาร เด็กชายซึ่งฟุ้งซ่านจากเรื่องภายนอก ไม่มีเวลาทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงทันเวลาและใส่น้ำตาลร้อนในนมลงในช่องแช่แข็ง ด้วยความประหลาดใจของเขา ผลิตภัณฑ์เย็นตัวเร็วกว่าเพื่อนฝึกหัดเล็กน้อย โดยสังเกตจากอุณหภูมิในการทำไอศกรีม

ด้วยความพยายามที่จะเข้าใจแก่นแท้ของปรากฏการณ์ เด็กชายจึงหันไปหาครูสอนฟิสิกส์ของเขา ผู้ซึ่งเย้ยหยันการทดลองทำอาหารของเขาโดยไม่ลงรายละเอียด อย่างไรก็ตาม Erasto โดดเด่นด้วยความเพียรที่น่าอิจฉาและยังคงทำการทดลองต่อไปโดยไม่ใช้นมอีกต่อไป แต่ด้วยน้ำ เขาเชื่อว่าในบางกรณีน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

หลังจากเข้าสู่มหาวิทยาลัยดาร์เอสซาลามแล้ว Erasto Mpembe ได้เข้าร่วมการบรรยายโดยศาสตราจารย์เดนนิส จี. ออสบอร์น หลังจากสำเร็จการศึกษา นักเรียนทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยกับปัญหาอัตราการแช่แข็งของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน ดีจี ออสบอร์นเย้ยหยันคำถามนั้นเอง โดยระบุด้วยความมั่นใจในตนเองว่านักเรียนที่ยากจนทุกคนรู้ว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ความดื้อรั้นตามธรรมชาติของชายหนุ่มทำให้รู้สึกได้ เขาพนันกับศาสตราจารย์ซึ่งแนะนำที่นี่ในห้องปฏิบัติการเพื่อทำการทดสอบทดลอง Erasto วางภาชนะบรรจุน้ำสองตู้ในช่องแช่แข็ง อันหนึ่งที่อุณหภูมิ 95 ° F (35 ° C) และอีก 212 ° F (100 ° C) ลองนึกภาพความประหลาดใจของศาสตราจารย์และ "แฟน" โดยรอบเมื่อน้ำในภาชนะที่สองแข็งตัวเร็วขึ้น ตั้งแต่นั้นมา ปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า "Mpemba Paradox"

อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีสมมติฐานทางทฤษฎีที่สอดคล้องกันที่อธิบาย "Mpemba Paradox" ยังไม่ชัดเจนว่าปัจจัยภายนอก องค์ประกอบทางเคมีของน้ำ การปรากฏตัวของก๊าซและแร่ธาตุที่ละลายในน้ำนั้น ส่งผลต่ออัตราการเยือกแข็งของของเหลวที่อุณหภูมิต่างกันอย่างไร ความขัดแย้งของ "เอฟเฟกต์ Mpemba" คือมันขัดแย้งกับกฎข้อใดข้อหนึ่งที่ I. Newton ค้นพบ ซึ่งระบุว่าเวลาในการหล่อเย็นของน้ำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อม และหากของเหลวอื่น ๆ ทั้งหมดปฏิบัติตามกฎหมายนี้อย่างสมบูรณ์ ในบางกรณีน้ำก็เป็นข้อยกเว้น

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วขึ้นNS

มีหลายรุ่นที่ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น คนหลักคือ:

• น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นในขณะที่ปริมาตรลดลงและของเหลวที่มีปริมาตรน้อยกว่าจะเย็นลงเร็วขึ้น - เมื่อน้ำเย็นจาก +100 ° C ถึง 0 ° C การสูญเสียปริมาตรที่ความดันบรรยากาศถึง 15%
• ความเข้มของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวและสิ่งแวดล้อมยิ่งสูง ความแตกต่างของอุณหภูมิยิ่งมากขึ้น ดังนั้น การสูญเสียความร้อนของน้ำเดือดจะผ่านไปเร็วขึ้น
• เมื่อน้ำร้อนเย็นตัวลง เปลือกน้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว ป้องกันไม่ให้ของเหลวแข็งตัวและระเหยจนหมด
• ที่อุณหภูมิสูงจะเกิดการพาความร้อนซึ่งจะช่วยลดเวลาในการแช่แข็ง
• ก๊าซที่ละลายในน้ำจะลดจุดเยือกแข็ง นำพลังงานออกไปสำหรับการตกผลึก - ไม่มีก๊าซที่ละลายในน้ำร้อน

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการทดสอบซ้ำแล้วซ้ำเล่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน David Auerbach ค้นพบว่าอุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนนั้นสูงกว่าอุณหภูมิของน้ำเย็นเล็กน้อย ซึ่งทำให้อุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนเร็วขึ้นเล็กน้อย อย่างไรก็ตามภายหลังการทดลองของเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์และนักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" ที่น้ำแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็นสามารถทำซ้ำได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้นการค้นหาและข้อกำหนดซึ่งจนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครมีส่วนร่วม

ในบทความนี้เราจะมาดูคำถามที่ว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นมาก! คุณสมบัติอันน่าทึ่งของน้ำ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถหาคำอธิบายที่แน่นอนได้ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วตั้งแต่สมัยโบราณ ตัวอย่างเช่น แม้แต่ในอริสโตเติลก็มีคำอธิบายเกี่ยวกับการตกปลาในฤดูหนาว: ชาวประมงสอดคันเบ็ดเข้าไปในรูในน้ำแข็ง และเพื่อให้พวกมันถูกแช่แข็ง พวกเขาจึงเทน้ำอุ่นลงบนน้ำแข็ง ชื่อของปรากฏการณ์นี้ได้รับจากชื่อ Erasto Mpemba ในยุค 60 ของศตวรรษที่ XX Mnemba สังเกตเห็นเอฟเฟกต์แปลก ๆ เมื่อเขาเตรียมไอศกรีม และหันไปหาอาจารย์ฟิสิกส์ ดร. เดนิส ออสบอร์น เพื่อขอคำอธิบาย Mpemba และ Dr. Osborne ทดลองกับน้ำที่มีอุณหภูมิต่างกัน และสรุปได้ว่าน้ำที่เดือดเกือบเริ่มแข็งตัวเร็วกว่าน้ำที่อุณหภูมิห้องมาก นักวิทยาศาสตร์คนอื่นทำการทดลองของตัวเองและได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันในแต่ละครั้ง

คำอธิบายของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

ไม่มีคำอธิบายที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้น นักวิจัยหลายคนแนะนำว่ามันเป็นเรื่องของอุณหภูมิของของเหลว ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 ° C น้ำที่ระบายความร้อนด้วยยิ่งยวดสามารถมีอุณหภูมิได้ เช่น -2 ° C และในขณะเดียวกันก็ยังคงเป็นของเหลวโดยไม่เปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง เมื่อเราพยายามทำให้น้ำเย็นเป็นน้ำแข็ง มีความเป็นไปได้ว่าน้ำจะเย็นมากก่อน และจะแข็งตัวเพียงชั่วครู่เท่านั้น กระบวนการอื่นๆ เกิดขึ้นในน้ำร้อน การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของมันเป็นน้ำแข็งเกี่ยวข้องกับการพาความร้อน

การพาความร้อน- นี่เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ชั้นล่างที่อบอุ่นของของเหลวเพิ่มขึ้นและชั้นบนที่เย็นลง