Care apă se întărește mai repede caldă sau rece. De ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece? Efectul Mpemba
În acest articol, vom vedea de ce apa fierbinteîngheață mai repede decât rece.
Apa încălzită îngheață mult mai repede decât apa rece! Acest proprietate uimitoare apa, explicația exactă pentru care oamenii de știință încă nu o pot găsi, este cunoscută din cele mai vechi timpuri. De exemplu, chiar și la Aristotel există o descriere pescuitul de iarnă: pescarii și-au introdus undițele în găurile din gheață și, ca să înghețe mai repede, au udat gheața apa calda. Numele acestui fenomen a fost numit după Erasto Mpemba în anii 60 ai secolului XX. Mnemba a observat efectul ciudat în timp ce făcea înghețată și a apelat la profesorul său de fizică, dr. Denis Osborn, pentru o explicație. Mpemba și Dr. Osborn au experimentat cu apă temperaturi diferiteși a concluzionat: apa aproape clocotită începe să înghețe mult mai repede decât apa temperatura camerei. Alți oameni de știință și-au efectuat propriile experimente și de fiecare dată au obținut rezultate similare.
Explicarea unui fenomen fizic
Nu există o explicație general acceptată cu privire la motivul pentru care se întâmplă acest lucru. Mulți cercetători sugerează că totul este despre suprarăcirea unui lichid, care are loc atunci când temperatura acestuia scade sub punctul de îngheț. Cu alte cuvinte, dacă apa îngheață la o temperatură sub 0°C, atunci apa suprarăcită poate avea o temperatură de, de exemplu, -2°C și rămâne lichidă fără a se transforma în gheață. Când încercăm să înghețăm apa rece, există șansa ca la început să devină suprarăcită și să se întărească abia după ceva timp. În apa încălzită au loc alte procese. Transformarea sa mai rapidă în gheață este asociată cu convecția.
Convecție- Acesta este un fenomen fizic în care straturile inferioare calde ale lichidului se ridică, iar cele superioare, răcite, cad.
Apă- o substanță destul de simplă din punct de vedere chimic, cu toate acestea, are o serie de proprietăți neobișnuite care nu încetează să uimească oamenii de știință. Mai jos sunt câteva fapte despre care puțini oameni le știu.
1. Care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte?
Luați două recipiente cu apă: turnați apă fierbinte într-unul și apă rece în celălalt și puneți-le în el Lada frigorifica. Apa fierbinte va îngheța mai repede decât apa rece, deși în mod logic, ar fi trebuit să se transforme mai întâi în gheață apă rece: la urma urmei, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la o temperatură rece și apoi să se transforme în gheață, în timp ce apa rece nu trebuie să se răcească. De ce se întâmplă asta?
În 1963, un student din Tanzania pe nume Erasto B. Mpemba, în timp ce congela un amestec de înghețată preparat, a observat că amestecul fierbinte se solidifica mai repede în congelator decât cel rece. Când tânărul și-a împărtășit descoperirea cu un profesor de fizică, a râs doar de el. Din fericire, elevul a fost persistent și l-a convins pe profesor să efectueze un experiment, care i-a confirmat descoperirea: în anumite condiții Apa caldă îngheață de fapt mai repede decât apa rece.
Acum, acest fenomen de înghețare a apei calde mai repede decât apa rece se numește „ Efectul Mpemba". Adevărat, cu mult înainte proprietate unică apa a fost remarcată de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes.
Oamenii de știință nu înțeleg pe deplin natura acestui fenomen, explicându-l fie prin diferența de hipotermie, evaporare, formare a gheții, convecție, fie prin efectul gazelor lichefiate asupra apei calde și reci.
2. Ea este capabilă să înghețe instantaneu
Toata lumea stie asta apă se transformă întotdeauna în gheață când este răcit la 0 °C ... cu excepția unor cazuri! Un astfel de caz, de exemplu, este suprarăcirea, care este o proprietate a foarte apă curată rămâne lichid chiar și atunci când este răcit sub punctul de îngheț. Acest fenomen este posibil prin faptul că mediu inconjurator nu contine centri sau nuclei de cristalizare, care ar putea provoca formarea de cristale de gheata. Și astfel apa rămâne în formă lichidă, chiar și atunci când este răcită la temperaturi sub zero grade Celsius.
procesul de cristalizare poate fi provocată, de exemplu, de bule de gaz, impurități (contaminanți), suprafață neuniformă containere. Fără ele, apa va rămâne înăuntru stare lichida. Când începe procesul de cristalizare, puteți urmări cum apa super-răcită se transformă instantaneu în gheață.
Rețineți că apa „supraîncălzită” rămâne, de asemenea, lichidă chiar și atunci când este încălzită peste punctul său de fierbere.
3. 19 stări ale apei
Fără ezitare, spune câți diferite state apa are? Dacă ai răspuns la trei: solid, lichid, gazos, atunci te înșeli. Oamenii de știință disting cel puțin 5 stări diferite ale apei în formă lichidă și 14 stări în formă înghețată.
Îți amintești conversația despre apa super-răcită? Deci, indiferent ce faci, la -38°C, chiar și cea mai pură apă super-răcită se va transforma brusc în gheață. Ce se întâmplă când temperatura scade și mai mult? La -120°C, ceva ciudat începe să se întâmple cu apa: devine super-vâscoasă sau vâscoasă, precum melasa, iar la temperaturi sub -135°C, se transformă în apă „sticlă” sau „vitrooasă” – un solid căruia îi lipsește o structură cristalină.
4. Apa îi surprinde pe fizicieni
La nivel molecular, apa este și mai surprinzătoare. În 1995, un experiment de împrăștiere a neutronilor realizat de oamenii de știință a dat un rezultat neașteptat: fizicienii au descoperit că neutronii direcționați către moleculele de apă „văd” cu 25% mai puțini protoni de hidrogen decât se aștepta.
S-a dovedit că la viteza de o attosecundă (10 -18 secunde) are loc un efect cuantic neobișnuit și formula chimica apă în schimb H2O, devine H1.5O!
5. Memoria apei
Alternativă la medicina oficială homeopatie afirmă că o soluție diluată medicament poate oferi efect de vindecare asupra organismului, chiar dacă factorul de diluție este atât de mare încât nu mai rămâne nimic în soluție decât molecule de apă. Susținătorii homeopatiei explică acest paradox cu un concept numit „ memoria apei”, conform căreia apa la nivel molecular are o „memorie” a unei substanțe odată dizolvată în ea și păstrează proprietățile unei soluții de concentrație inițială după ce nu mai rămâne în ea nici o moleculă de ingredient.
O echipă internațională de oameni de știință condusă de profesorul Madeleine Ennis de la Universitatea Queen din Belfast, care a criticat principiile homeopatiei, a efectuat un experiment în 2002 pentru a infirma conceptul odată pentru totdeauna. Rezultatul a fost invers. După aceea, oamenii de știință au spus că au reușit să demonstreze realitatea efectului " memoria apei". Cu toate acestea, experimentele desfășurate sub supravegherea experților independenți nu au adus rezultate. Dispute despre existența fenomenului " memoria apei" continua.
Apa are multe alte proprietăți neobișnuite pe care nu le-am tratat în acest articol. De exemplu, densitatea apei variază în funcție de temperatură (densitatea gheții este mai mică decât cea a apei); apa are destul marime mare tensiune de suprafata; în stare lichidă, apa este o rețea complexă și în schimbare dinamică de clustere de apă, iar comportamentul clusterelor este cel care afectează structura apei etc.
Despre acestea și multe alte caracteristici neașteptate apă poate fi citit in articol Proprietăți anormale ale apei”, al cărui autor este Martin Chaplin, profesor la Universitatea din Londra.
Mulți cercetători au propus și propun propriile versiuni cu privire la motivul pentru care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. S-ar părea un paradox - la urma urmei, pentru a îngheța, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească. Cu toate acestea, realitatea rămâne, iar oamenii de știință îl explică în moduri diferite.
Versiuni majore
În acest moment, există mai multe versiuni care explică acest fapt:
- Deoarece evaporarea în apa fierbinte este mai rapidă, volumul acesteia scade. O cantitate mai mică de apă la aceeași temperatură îngheață mai repede.
- Compartimentul congelator al frigiderului are o căptușeală de zăpadă. Un recipient care conține apă fierbinte topește zăpada de dedesubt. Acest lucru îmbunătățește contactul termic cu congelatorul.
- Înghețarea apei reci, spre deosebire de cea caldă, începe de sus. În acest caz, convecția și radiația de căldură și, în consecință, pierderile de căldură se înrăutățesc.
- În apa rece există centre de cristalizare - substanțe dizolvate în ea. Cu conținutul scăzut în apă, glazura este dificilă, deși, în același timp, hipotermia ei este posibilă - atunci când, la temperatura sub zero are stare lichidă.
Deși în mod corect se poate spune că acest efect nu este întotdeauna observat. Apa rece îngheață adesea mai repede decât apa fierbinte.
La ce temperatură îngheață apa
De ce îngheață apa? Conține o anumită cantitate de particule minerale sau organice. Acestea, de exemplu, pot fi particule foarte fine de nisip, praf sau argilă. Pe măsură ce temperatura aerului scade, aceste particule devin centre în jurul cărora se formează cristale de gheață.
Rolul nucleelor de cristalizare poate fi îndeplinit și de bule de aer și fisuri într-un recipient care conține apă. Viteza procesului de transformare a apei în gheață este în mare măsură influențată de numărul de astfel de centre - dacă există multe dintre ele, lichidul îngheață mai repede. În condiții normale, cu normal presiune atmosferică, apa se transformă în stare solidă dintr-un lichid la o temperatură de 0 grade.
Esența efectului Mpemba
Efectul Mpemba este înțeles ca un paradox, a cărui esență este că, în anumite circumstanțe, apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Acest fenomen a fost observat de Aristotel și Descartes. Cu toate acestea, abia în 1963 Erasto Mpemba, un școlar din Tanzania, a stabilit că înghețata fierbinte îngheață în mai mult de un timp scurt decât frigul. A făcut o astfel de concluzie în timp ce îndeplinea sarcina de a găti.
A trebuit să dizolve zahărul în laptele fiert și, după ce s-a răcit, să-l pună la frigider să se înghețe. Aparent, Mpemba nu s-a diferențiat prin diligență specială și a început să îndeplinească cu întârziere prima parte a sarcinii. Prin urmare, nu a așteptat să se răcească laptele și l-a pus în frigider fierbinte. A fost foarte surprins când a înghețat și mai repede decât cel al colegilor săi, care au făcut munca în conformitate cu tehnologia dată.
Acest fapt l-a interesat foarte mult pe tânăr și a început experimentele cu apă plată. În 1969, revista Physics Education a publicat rezultatele cercetărilor lui Mpemba și a profesorului Dennis Osborn de la Universitatea din Dar es Salaam. Efectul descris de ei a primit numele de Mpemba. Cu toate acestea, nici astăzi nu există o explicație clară pentru fenomen. Toți oamenii de știință sunt de acord că rolul principal în acest lucru aparține diferențelor dintre proprietățile apei răcite și ale apei calde, dar ce anume este necunoscut.
Versiunea Singapore
Fizicienii de la una dintre universitățile din Singapore au fost și ei interesați de întrebarea, care apă îngheață mai repede - caldă sau rece? O echipă de cercetători condusă de Xi Zhang a explicat acest paradox tocmai prin proprietățile apei. Toată lumea știe încă de la școală compoziția apei - un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Oxigenul într-o oarecare măsură atrage electroni din hidrogen, deci molecula este un anumit tip de „magnet”.
Ca urmare, anumite molecule din apă sunt ușor atrase unele de altele și sunt unite printr-o legătură de hidrogen. Forța sa este de multe ori mai mică decât legătura covalentă. Cercetătorii din Singapore cred că explicația paradoxului Mpemba constă tocmai în legăturile de hidrogen. Dacă moleculele de apă sunt plasate foarte strâns, atunci o interacțiune atât de puternică între molecule poate deforma legătura covalentă din mijlocul moleculei în sine.
Dar când apa este încălzită, moleculele legate se îndepărtează ușor unele de altele. Ca urmare, relaxarea legăturilor covalente cu recul are loc în mijlocul moleculelor energie suplimentarăși downgrade nivel de energie. Acest lucru duce la faptul că apa fierbinte începe să se răcească rapid. Cel puțin, așa arată calculele teoretice efectuate de oamenii de știință din Singapore.
Înghețare instantanee a apei - 5 trucuri incredibile: video
Salutare dragi indragostiti fapte interesante. Astăzi vom vorbi despre. Dar cred că întrebarea pusă în titlu poate părea pur și simplu absurdă - dar este întotdeauna necesar să avem încredere completă în notoriul „bun simț”, și nu experiența de testare strict stabilită. Să încercăm să ne dăm seama de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece?
Referință istorică
Că în problema înghețarii apei reci și calde „nu totul este pur” a fost menționat în lucrările lui Aristotel, apoi notări similare au fost făcute de F. Bacon, R. Descartes și J. Black. ÎN Istoria recentă Acest efect a primit numele de „paradoxul Mpemba” – după numele unui școlar din Tanganyika, Erasto Mpemba, care i-a adresat aceeași întrebare unui profesor invitat de fizică.
Întrebarea băiatului a apărut nu de la zero, ci din observațiile pur personale ale procesului de răcire a amestecurilor de înghețată în bucătărie. Desigur, colegii care au fost prezenți acolo, alături de profesor de școală Mpemba a fost ridiculizat – însă, după o verificare experimentală personală a profesorului D. Osborne, dorința de a-l face pe Erasto „s-a evaporat” din ei. Mai mult, Mpemba, împreună cu profesorul, a publicat o descriere detaliată a acestui efect în 1969 în Educația fizică – iar de atunci denumirea de mai sus a fost fixată în literatura științifică.
Care este esența fenomenului?
Configurarea experimentului este destul de simplă: alte lucruri fiind egale, sunt testate vase identice cu pereți subțiri, în care există cantități strict egale de apă, care diferă doar prin temperatură. Vasele sunt încărcate în frigider, după care se înregistrează timpul înainte de formarea gheții în fiecare dintre ele. Paradoxul este că într-un vas cu un lichid inițial mai fierbinte, acest lucru se întâmplă mai repede.
Cum explică fizica modernă acest lucru?
Paradoxul nu are o explicație universală, deoarece mai multe procese paralele decurg împreună, a căror contribuție poate diferi de unele specifice. condiții inițiale- dar cu același rezultat:
- capacitatea unui lichid de a suprarăci - inițial apa rece este mai predispusă la hipotermie, adică rămâne lichid atunci când temperatura sa este deja sub punctul de îngheț
- răcire accelerată - aburul din apa fierbinte este transformat în microcristale de gheață, care, la cădere înapoi, accelerează procesul, funcționând ca un „schimbător de căldură extern” suplimentar.
- efect de izolare - spre deosebire de apa caldă, apa rece îngheață de sus, ceea ce duce la scăderea transferului de căldură prin convecție și radiație
Există o serie de alte explicații (ultima dată când competiția pentru cea mai bună ipoteză a fost organizată recent de British Royal Society of Chemistry, în 2012) - dar încă nu există o teorie clară pentru toate cazurile de combinații de condiții de intrare ...
21.11.2017 11.10.2018 Alexandru Firtsev
« Care apă îngheață mai repede rece sau fierbinte?”- încearcă să pui o întrebare prietenilor tăi, cel mai probabil majoritatea dintre ei vor răspunde că apa rece îngheață mai repede - și vor face o greșeală.
De fapt, dacă puneți simultan două vase de aceeași formă și volum în congelator, dintre care unul va conține apă rece și celălalt fierbinte, atunci apa fierbinte va îngheța mai repede.
O astfel de afirmație poate părea absurdă și nerezonabilă. În mod logic, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la temperatura rece, iar apa rece ar trebui să se transforme deja în gheață în acest moment.
Deci, de ce apa fierbinte depășește apa rece în drum spre îngheț? Să încercăm să ne dăm seama.
Istoria observațiilor și cercetărilor
Oamenii au observat efectul paradoxal din cele mai vechi timpuri, dar nimeni nu i-a acordat prea multă importanță. Așadar, neconcordanțe în rata de înghețare a apei reci și calde au fost remarcate în notele lor de către Arestotel, precum și de Rene Descartes și Francis Bacon. Un fenomen neobișnuit s-a manifestat adesea în viața de zi cu zi.
Multă vreme, fenomenul nu a fost studiat în niciun fel și nu a trezit prea mult interes în rândul oamenilor de știință.
Studiul efectului neobișnuit a început în 1963, când un student curios din Tanzania, Erasto Mpemba, a observat că laptele fierbinte pentru înghețată îngheață mai repede decât laptele rece. În speranța de a obține o explicație a motivelor efectului neobișnuit, tânărul și-a întrebat profesorul de fizică de la școală. Totuși, profesorul a râs doar de el.
Mai târziu, Mpemba a repetat experimentul, dar în experimentul său nu a mai folosit lapte, ci apă, iar efectul paradoxal s-a repetat din nou.
Șase ani mai târziu, în 1969, Mpemba i-a adresat această întrebare profesorului de fizică Dennis Osborne, care a venit la școala sa. Profesorul a fost interesat de observarea tânărului, drept urmare, a fost efectuat un experiment care a confirmat prezența efectului, dar motivele acestui fenomen nu au fost stabilite.
De atunci, fenomenul a fost numit Efectul Mpemba.
De-a lungul istoriei observațiilor științifice au fost înaintate numeroase ipoteze cu privire la cauzele fenomenului.
Așa că în 2012, Societatea Regală Britanică de Chimie avea să anunțe un concurs de ipoteze pentru a explica efectul Mpemba. La competiție au participat oameni de știință din întreaga lume, în total s-au înscris 22.000 lucrări științifice. În ciuda unui număr atât de impresionant de articole, niciunul dintre ele nu a clarificat paradoxul Mpemba.
Cea mai comună versiune a fost conform căreia, apa fierbinte îngheață mai repede, deoarece pur și simplu se evaporă mai repede, volumul său devine mai mic și, pe măsură ce volumul scade, viteza de răcire crește. Cea mai comună versiune a fost în cele din urmă respinsă, deoarece a fost efectuat un experiment în care evaporarea a fost exclusă, dar efectul a fost totuși confirmat.
Alți oameni de știință credeau că motivul efectului Mpemba este evaporarea gazelor dizolvate în apă. În opinia lor, în timpul procesului de încălzire, gazele dizolvate în apă se evaporă, datorită cărora capătă o densitate mai mare decât apa rece. După cum se știe, o creștere a densității duce la o schimbare proprietăți fizice apă (creșterea conductibilității termice) și, prin urmare, crește viteza de răcire.
În plus, au fost înaintate o serie de ipoteze care descriu viteza de circulație a apei în funcție de temperatură. În multe studii, s-a încercat să se stabilească relația dintre materialul recipientelor în care se afla lichidul. O mulțime de teorii păreau foarte plauzibile, dar nu au putut fi confirmate științific din cauza lipsei datelor inițiale, a contradicțiilor din alte experimente sau datorită faptului că factorii identificați pur și simplu nu erau comparabili cu viteza de răcire a apei. Unii oameni de știință în lucrările lor au pus sub semnul întrebării existența efectului.
În 2013, cercetătorii de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore au susținut că au rezolvat misterul efectului Mpemba. Potrivit studiului lor, motivul fenomenului constă în faptul că cantitatea de energie stocată în legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă rece și cea caldă diferă semnificativ.
Metodele de simulare pe calculator au arătat următoarele rezultate: cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât distanța dintre molecule este mai mare datorită faptului că forțele de respingere cresc. Și, în consecință, legăturile de hidrogen ale moleculelor sunt întinse, depozitând cantitate mare energie. Când sunt răcite, moleculele încep să se apropie unele de altele, eliberând energie din legăturile de hidrogen. În acest caz, eliberarea de energie este însoțită de o scădere a temperaturii.
În octombrie 2017, fizicienii spanioli în cursul unui alt studiu au descoperit că mare rolîn formarea efectului, tocmai scoaterea substanței din echilibru (încălzire puternică înainte de răcire puternică) joacă. Ei au determinat condițiile în care probabilitatea efectului este maximă. În plus, oamenii de știință din Spania au confirmat existența efectului invers Mpemba. Ei au descoperit că atunci când sunt încălzite, o probă mai rece poate ajunge temperatura ridicata mai repede decât cald.
În ciuda informațiilor exhaustive și a numeroaselor experimente, oamenii de știință intenționează să continue să studieze efectul.
Efectul Mpemba în viața reală
Te-ai întrebat vreodată de ce timp de iarna patinoarul este inundat apa fierbinte si nu frig? După cum ați înțeles deja, ei fac acest lucru deoarece un patinoar umplut cu apă fierbinte va îngheța mai repede decât dacă ar fi umplut cu apă rece. Din același motiv, toboganele din orașele de gheață de iarnă sunt turnate cu apă fierbinte.
Astfel, cunoașterea existenței fenomenului permite oamenilor să economisească timp în pregătirea site-urilor pentru vederi de iarnă sport.
În plus, efectul Mpemba este uneori folosit în industrie - pentru a reduce timpul de înghețare a produselor, substanțelor și materialelor care conțin apă.
