Коя вода се втвърдява по-бързо топла или студена. Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената? Мпемба ефект
В тази статия ще разгледаме защо топла водазамръзва по-бързо от студа.
Загрятата вода замръзва много по-бързо от студената вода! Това невероятно свойствовода, точното обяснение за което учените все още не могат да намерят, е известно от древността. Например дори при Аристотел има описание зимен риболов: рибарите вкараха въдиците си в дупки в леда и за да замръзнат по-бързо, напоиха леда топла вода. Името на това явление е кръстено на Ерасто Мпемба през 60-те години на ХХ век. Мнемба забеляза странния ефект, докато правеше сладолед и се обърна към учителя си по физика д-р Денис Осбърн за обяснение. Мпемба и д-р Осборн експериментирали с вода различни температурии заключи: почти врящата вода започва да замръзва много по-бързо от водата стайна температура. Други учени са провеждали свои собствени експерименти и всеки път са получавали подобни резултати.
Обяснение на физическо явление
Няма общоприето обяснение защо това се случва. Много изследователи предполагат, че всичко е свързано с преохлаждането на течността, което се случва, когато температурата й падне под нулата. С други думи, ако водата замръзне при температура под 0°C, тогава преохладената вода може да има температура от например -2°C и да остане течна, без да се превръща в лед. Когато се опитаме да замразим студена вода, има шанс тя да се преохлади в началото и да се втвърди едва след известно време. В нагрятата вода протичат други процеси. По-бързото му превръщане в лед е свързано с конвекцията.
Конвекция- Това е физическо явление, при което топлите долни слоеве на течността се издигат, а горните, охладени, падат.
вода- доста просто вещество от химическа гледна точка, но има редица необичайни свойства, които никога не престават да учудват учените. По-долу са някои факти, за които малко хора знаят.
1. Коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща?
Вземете два съда с вода: налейте гореща вода в единия и студена вода в другия и ги поставете вътре фризер. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената, въпреки че логично първо трябва да се е превърнала в лед студена вода: в крайна сметка горещата вода трябва първо да се охлади до студена температура и след това да се превърне в лед, докато студената вода не трябва да се охлажда. Защо се случва това?
През 1963 г. танзанийски студент на име Ерасто Б. Мпемба, докато замразява приготвена смес за сладолед, забелязва, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учител по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът беше упорит и убеди учителя да проведе експеримент, който потвърди откритието му: в определени условияТоплата вода всъщност замръзва по-бързо от студената вода.
Сега този феномен на гореща вода, която замръзва по-бързо от студена вода, се нарича " Мпемба ефект". Вярно, много преди това уникален имотводата е отбелязана от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт.
Учените не разбират напълно природата на това явление, обяснявайки го или с разликата в хипотермията, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху гореща и студена вода.
2. Тя е в състояние да замръзне моментално
Всеки знае това водавинаги се превръща в лед, когато се охлади до 0 °C ... освен в някои случаи! Такъв случай например е преохлаждането, което е свойство на много чиста водаостават течни дори когато са охладени под точката на замръзване. Това явление е възможно благодарение на факта, че заобикаляща средане съдържа центрове или ядра на кристализация, които биха могли да провокират образуването на ледени кристали. И така водата остава в течна форма, дори когато се охлади до температури под нула градуса по Целзий.
процес на кристализациямогат да бъдат провокирани, например, от газови мехурчета, примеси (замърсители), неравна повърхностконтейнери. Без тях водата ще остане вътре течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как суперохладената вода моментално се превръща в лед.
Имайте предвид, че "прегрятата" вода също остава течна, дори когато се нагрее над точката на кипене.
3. 19 състояния на водата
Без колебание назовете колко различни състоянияима ли водата? Ако сте отговорили на три: твърдо, течно, газообразно, тогава грешите. Учените разграничават най-малко 5 различни състояния на водата в течна форма и 14 състояния в замразена форма.
Помните ли разговора за супер охладената вода? Така че, каквото и да правите, при -38 ° C дори най-чистата супер охладена вода внезапно ще се превърне в лед. Какво се случва, когато температурата спадне допълнително? При -120°C нещо странно започва да се случва с водата: тя става свръхвискозна или вискозна, като меласата, а при температури под -135°C се превръща в „стъклена“ или „стъклена“ вода – твърдо вещество, което липсва кристална структура.
4. Водата изненадва физиците
На молекулярно ниво водата е още по-изненадваща. През 1995 г. експеримент за разсейване на неутрони, проведен от учени, даде неочакван резултат: физиците установиха, че неутроните, насочени към водните молекули, „виждат“ 25% по-малко водородни протони от очакваното.
Оказа се, че със скорост от една атосекунда (10 -18 секунди) се получава необичаен квантов ефект, а химична формулавода вместо това H2O, става H1.5O!
5. Водна памет
Алтернатива на официалната медицина хомеопатиязаявява, че разреден разтвор лекарствен продуктможе да предостави лечебен ефектвърху организма, дори ако факторът на разреждане е толкова голям, че в разтвора не остава нищо друго освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепция, наречена " водна памет”, според който водата на молекулярно ниво има „памет” за веднъж разтворено в нея вещество и запазва свойствата на разтвор с първоначална концентрация, след като в него не остане нито една молекула съставка.
Международен екип от учени, ръководен от професор Маделин Енис от Кралския университет в Белфаст, който критикува принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае концепцията веднъж завинаги. Резултатът беше обратният. След това учените казаха, че са успели да докажат реалността на ефекта " водна памет". Експериментите, проведени под наблюдението на независими експерти, обаче не доведоха до резултати. Спорове за съществуването на феномена " водна памет" продължи.
Водата има много други необичайни свойства, които не сме разгледали в тази статия. Например, плътността на водата варира в зависимост от температурата (плътността на леда е по-малка от тази на водата); водата има доста голям размерповърхностно напрежение; в течно състояние водата е сложна и динамично променяща се мрежа от водни клъстери и поведението на клъстерите влияе върху структурата на водата и т.н.
За тези и много други неочаквани функции водаможе да се прочете в статията Аномални свойства на водата”, чийто автор е Мартин Чаплин, професор в Лондонския университет.
Много изследователи са излагали и излагат свои собствени версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Изглежда парадоксално - в крайна сметка, за да замръзне, горещата вода първо трябва да се охлади. Фактът обаче си остава факт и учените го обясняват по различни начини.
Основни версии
В момента има няколко версии, които обясняват този факт:
- Тъй като изпарението в гореща вода е по-бързо, нейният обем намалява. По-малко количество вода със същата температура замръзва по-бързо.
- Фризерната част на хладилника е със снежна подплата. Съд с гореща вода топи снега отдолу. Това подобрява термичния контакт с фризера.
- Замразяването на студена вода, за разлика от горещата, започва отгоре. В този случай конвекцията и топлинното излъчване и следователно загубата на топлина се влошават.
- В студената вода има центрове на кристализация - вещества, разтворени в нея. С ниското им съдържание във вода, заледяването е трудно, но в същото време е възможно нейното преохлаждане - когато, при температура под нулатаима течно състояние.
Въпреки че справедливо може да се каже, че този ефект не винаги се наблюдава. Студената вода често замръзва по-бързо от горещата вода.
При каква температура замръзва водата
Защо водата изобщо замръзва? Съдържа определено количество минерални или органични частици. Това например могат да бъдат много фини частици пясък, прах или глина. Когато температурата на въздуха спадне, тези частици се превръщат в центрове, около които се образуват ледени кристали.
Ролята на кристализационни ядра могат да изпълняват и въздушни мехурчета и пукнатини в контейнер, съдържащ вода. Скоростта на процеса на превръщане на водата в лед до голяма степен се влияе от броя на такива центрове - ако има много от тях, течността замръзва по-бързо. При нормални условия, при нормални атмосферно налягане, водата преминава в твърдо състояние от течност при температура 0 градуса.
Същността на ефекта Мпемба
Ефектът на Мпемба се разбира като парадокс, чиято същност е, че при определени обстоятелства горещата вода замръзва по-бързо от студената. Това явление е забелязано от Аристотел и Декарт. Въпреки това, едва през 1963 г. Ерасто Мпемба, ученик от Танзания, установи, че горещият сладолед замръзва за повече от кратко времеотколкото студено. Той направи такова заключение, докато изпълняваше задачата за готвене.
Той трябваше да разтвори захар в сварено мляко и след като го охлади, да го постави в хладилника да замръзне. Очевидно Мпемба не се отличаваше със специално усърдие и започна да изпълнява първата част от задачата късно. Затова той не изчака млякото да изстине, а го постави в хладилника горещо. Той беше много изненадан, когато замръзна дори по-бързо от това на съучениците му, които свършиха работата по зададената технология.
Този факт много заинтересува младежа и той започна експерименти с обикновена вода. През 1969 г. списанието Physics Education публикува резултатите от изследването на Mpemba и професор Dennis Osborn от университета в Дар ес Салаам. Ефектът, който описват, е наречен Mpemba. И до днес обаче няма ясно обяснение на феномена. Всички учени са съгласни, че основната роля за това играят разликите в свойствата на охладената и топлата вода, но какво точно е неизвестно.
Сингапурска версия
Физиците от един от сингапурските университети също се интересуваха от въпроса коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена? Екип от изследователи, ръководен от Си Джан, обясни този парадокс именно със свойствата на водата. Всички все още знаят състава на водата от училище - един атом кислород и два атома водород. Кислородът до известна степен извлича електрони от водорода, така че молекулата е определен вид "магнит".
В резултат на това някои молекули във водата са леко привлечени една към друга и са обединени от водородна връзка. Силата му е в пъти по-ниска от ковалентната връзка. Сингапурски изследователи смятат, че обяснението на парадокса Мпемба се крие именно във водородните връзки. Ако водните молекули са поставени много близо една до друга, тогава такова силно взаимодействие между молекулите може да деформира ковалентната връзка в средата на самата молекула.
Но когато водата се нагрява, свързаните молекули се отдалечават леко една от друга. В резултат на това в средата на молекулите се получава релаксация на ковалентните връзки с откат допълнителна енергияи понижаване енергийно ниво. Това води до факта, че горещата вода започва да се охлажда бързо. Поне това показват теоретичните изчисления, направени от сингапурски учени.
Незабавно замразяване на водата - 5 невероятни трика: Видео
Здравейте скъпи влюбени интересни факти. Днес ще говорим за. Но мисля, че въпросът, поставен в заглавието, може да изглежда просто абсурден - но винаги ли е необходимо напълно да се доверяваме на прословутия "здрав разум", а не на строго зададен опит за тестване. Нека се опитаме да разберем защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?
Историческа справка
Че по въпроса за замразяването на студена и гореща вода „не всичко е чисто“ се споменава в трудовете на Аристотел, след това подобни бележки са направени от Ф. Бейкън, Р. Декарт и Дж. Блек. IN скорошна историяТози ефект е наречен "парадокс на Мпемба" - на името на ученик от Танганайка, Ерасто Мпемба, който задава същия въпрос на гостуващ професор по физика.
Въпросът на момчето възникна не от нулата, а от чисто лични наблюдения върху процеса на охлаждане на сладоледените смеси в кухнята. Разбира се, съучениците, които присъстваха там, заедно с учител в училищеМпемба беше осмиван - но след експериментална проверка лично от професор Д. Осборн, желанието да се подиграват с Ерасто се "изпари" от тях. Освен това Мпемба, заедно с професора, публикува подробно описание на този ефект през 1969 г. във Physics Education - и оттогава горното име е фиксирано в научната литература.
Каква е същността на явлението?
Постановката на експеримента е доста проста: при равни други условия се изпитват еднакви тънкостенни съдове, в които има строго еднакви количества вода, различаващи се само по температура. Съдовете се зареждат в хладилника, след което се записва времето преди образуването на лед във всеки от тях. Парадоксът е, че в съд с първоначално по-гореща течност това става по-бързо.
Как съвременната физика обяснява това?
Парадоксът няма универсално обяснение, тъй като протичат няколко паралелни процеса, чийто принос може да се различава от конкретните. начални условия- но със същия резултат:
- способността на течността да се преохлажда - първоначално студената вода е по-податлива на хипотермия, т.е. остава течен, когато температурата му вече е под точката на замръзване
- ускорено охлаждане - парата от гореща вода се трансформира в ледени микрокристали, които при обратно падане ускоряват процеса, работейки като допълнителен "външен топлообменник"
- изолационен ефект - за разлика от горещата вода, студената вода замръзва отгоре, което води до намаляване на топлопредаването чрез конвекция и излъчване
Има редица други обяснения (последният път, когато състезанието за най-добра хипотеза беше проведено от Британското кралско дружество по химия наскоро, през 2012 г.) - но все още няма недвусмислена теория за всички случаи на комбинации от входни условия ...
21.11.2017 11.10.2018 Александър Фърцев
« Коя вода замръзва по-бързо студена или гореща?”- опитайте да зададете въпрос на приятелите си, най-вероятно повечето от тях ще отговорят, че студената вода замръзва по-бързо - и ще направят грешка.
Всъщност, ако едновременно поставите два съда с еднаква форма и обем във фризера, единият от които ще съдържа студена вода, а другият гореща, тогава горещата вода ще замръзне по-бързо.
Подобно твърдение може да изглежда абсурдно и неразумно. Логично горещата вода трябва първо да се охлади до студена температура, а студената вода вече трябва да се превърне в лед по това време.
Така че защо горещата вода изпреварва студената по пътя си към замръзване? Нека се опитаме да го разберем.
История на наблюденията и изследванията
Хората са наблюдавали парадоксалния ефект от древни времена, но никой не му е придавал особено значение. Така че несъответствията в скоростта на замръзване на студена и гореща вода са отбелязани в техните бележки от Арестотел, както и от Рене Декарт и Франсис Бейкън. Необичайно явление често се проявява в ежедневието.
Дълго време феноменът не беше изследван по никакъв начин и не предизвика особен интерес сред учените.
Изследването на необичайния ефект започва през 1963 г., когато любознателен студент от Танзания Ерасто Мпемба забелязва, че горещото мляко за сладолед замръзва по-бързо от студеното. Надявайки се да получи обяснение за причините за необичайния ефект, младежът попитал учителя си по физика в училище. Учителят обаче само му се изсмял.
По-късно Мпемба повторил експеримента, но в опита си вече не използвал мляко, а вода и парадоксалният ефект се повторил отново.
Шест години по-късно, през 1969 г., Мпемба задава този въпрос на професора по физика Денис Осборн, който идва в неговото училище. Професорът се интересуваше от наблюдението на младия мъж, в резултат на което беше проведен експеримент, който потвърди наличието на ефекта, но причините за това явление не бяха установени.
Оттогава явлението се нарича Мпемба ефект.
През цялата история на научните наблюдения са изказани много хипотези за причините за това явление.
Така че през 2012 г. Британското кралско дружество по химия ще обяви конкурс на хипотези за обяснение на ефекта Мпемба. В състезанието участваха учени от цял свят, регистрираните бяха общо 22 000 научни трудове. Въпреки толкова внушителния брой статии, нито една от тях не изясни парадокса на Мпемба.
Най-често срещаната беше версията, според която горещата вода замръзва по-бързо, тъй като просто се изпарява по-бързо, обемът й става по-малък и с намаляване на обема скоростта на охлаждане се увеличава. Най-често срещаната версия в крайна сметка беше опровергана, тъй като беше проведен експеримент, при който изпарението беше изключено, но въпреки това ефектът беше потвърден.
Други учени смятат, че причината за ефекта Мпемба е изпарението на газове, разтворени във вода. Според тях по време на процеса на нагряване газовете, разтворени във водата, се изпаряват, поради което тя придобива по-висока плътност от студената вода. Както е известно, увеличаването на плътността води до промяна физични свойствавода (увеличаване на топлопроводимостта), а оттам и увеличаване на скоростта на охлаждане.
Освен това са представени редица хипотези, които описват скоростта на циркулация на водата като функция на температурата. В много изследвания е направен опит да се установи връзката между материала на контейнерите, в които се намира течността. Много теории изглеждаха много правдоподобни, но не можаха да бъдат научно потвърдени поради липса на първоначални данни, противоречия в други експерименти или поради факта, че идентифицираните фактори просто не бяха сравними със скоростта на охлаждане на водата. Някои учени в своите трудове поставиха под въпрос съществуването на ефекта.
През 2013 г. изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур твърдят, че са разрешили мистерията на ефекта Мпемба. Според тяхното изследване причината за феномена се крие във факта, че количеството енергия, съхранявана във водородни връзки между молекулите на студената и горещата вода, се различава значително.
Методите за компютърна симулация показват следните резултати: колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите поради факта, че силите на отблъскване се увеличават. И следователно водородните връзки на молекулите се разтягат, съхранявайки голямо количествоенергия. Когато се охладят, молекулите започват да се приближават една към друга, освобождавайки енергия от водородните връзки. В този случай освобождаването на енергия е придружено от намаляване на температурата.
През октомври 2017 г. испански физици в хода на друго проучване установиха това голяма роляпри формирането на ефекта играе роля именно отстраняването на веществото от равновесие (силно нагряване преди силно охлаждане). Те определиха условията, при които вероятността за ефекта е максимална. Освен това учени от Испания потвърдиха съществуването на обратния ефект на Мпемба. Те откриха, че при нагряване може да достигне по-студена проба висока температурапо-бързо от топло.
Въпреки изчерпателната информация и множеството експерименти, учените възнамеряват да продължат да изучават ефекта.
Mpemba ефект в реалния живот
Чудили ли сте се защо зимно времепързалката е наводнена топла водаи не е студено? Както вече разбрахте, те правят това, защото пързалка, пълна с гореща вода, ще замръзне по-бързо, отколкото ако е пълна със студена вода. По същата причина пързалките в зимните ледени градове се обливат с гореща вода.
По този начин знанието за съществуването на феномена позволява на хората да спестят време при подготовката на сайтове за зимни гледкиспорт.
В допълнение, ефектът Mpemba понякога се използва в индустрията - за намаляване на времето за замразяване на продукти, вещества и материали, съдържащи вода.
