Katera voda se hitreje strdi topla ali hladna. Zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna? Mpemba učinek
Mpemba učinek(Mpemba Paradox) je paradoks, ki pravi, da vroča voda pod določenimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora v procesu zamrzovanja preseči temperaturo hladne vode. Ta paradoks je eksperimentalno dejstvo, ki je v nasprotju z običajnimi predstavami, po katerih pod enakimi pogoji potrebuje bolj vroče telo več časa, da se ohladi na določeno temperaturo, kot hladnejše telo, da se ohladi na isto temperaturo.
Ta pojav so takrat opazili že Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes, šele leta 1963 pa je tanzanijski šolar Erasto Mpemba ugotovil, da vroča sladoledna zmes zamrzne hitreje kot hladna.
Kot učenec Magamba Srednja šola v Tanzaniji je to storil Erasto Mpemba praktično delo v kulinariki. Moral je narediti domači sladoled – zavrite mleko, raztopite sladkor, ohladite do sobna temperatura in nato postavite v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil posebej priden učenec in je s prvim delom naloge odlašal. V strahu, da ne bo prišel pravočasno do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zamrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po dani tehnologiji.
Po tem je Mpemba eksperimentiral ne le z mlekom, ampak tudi z navadna voda. Vsekakor je že kot dijak srednje šole Mkvava vprašal profesorja Dennisa Osborna z univerze v Dar es Salaamu (ki ga je direktor šole povabil, da bi dijakom predaval o fiziki) o vodi: »Če vzamete dve enaki posodi z enakimi količinami vode, tako da ima v eni voda temperaturo 35 ° C, v drugi pa 100 ° C, in ju postavite v zamrzovalnik, nato pa bo voda v drugi zamrznila hitreje Zakaj? Osborne se je začel zanimati za to vprašanje in kmalu leta 1969 sta skupaj z Mpembo objavila rezultate svojih poskusov v reviji "Physics Education". Od takrat se učinek, ki so ga odkrili, imenuje Mpemba učinek.
Do zdaj nihče ne ve natančno, kako razložiti ta nenavaden učinek. Znanstveniki nimajo ene same različice, čeprav jih je veliko. Gre za razliko v lastnostih tople in hladne vode, vendar še ni jasno, katere lastnosti igrajo vlogo v tem primeru: razlika v podhlajevanju, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali vplivu utekočinjenih plinov na vodo med različne temperature.
Paradoks efekta Mpemba je v tem, da mora biti čas, v katerem se telo ohladi na temperaturo okolja, sorazmeren temperaturni razliki med tem telesom in okoljem. Ta zakon je postavil Newton in je bil od takrat večkrat potrjen v praksi. Pri enakem učinku se voda pri 100 °C ohladi na 0 °C hitreje kot enaka količina vode pri 35 °C.
Vendar to še ne pomeni paradoksa, saj je učinek Mpemba mogoče razložiti tudi v okviru znane fizike. Tukaj je nekaj razlag za učinek Mpemba:
Izhlapevanje
Vroča voda hitreje izhlapi iz posode, s čimer se zmanjša njena prostornina, manjša količina vode z enako temperaturo pa hitreje zmrzne. Voda, segreta na 100 C, pri ohlajanju na 0 C izgubi 16 % svoje mase.
Učinek izhlapevanja je dvojni učinek. Prvič, zmanjša se masa vode, ki je potrebna za hlajenje. In drugič, temperatura se zmanjša zaradi dejstva, da se toplota izhlapevanja pri prehodu iz vodne faze v parno fazo zmanjša.
temperaturna razlika
Ker temperaturna razlika med topla voda in več hladnega zraka - zato je izmenjava toplote v tem primeru intenzivnejša in vroča voda se hitreje ohladi.
hipotermija
Ko se voda ohladi pod 0 C, ne zmrzne vedno. Pod določenimi pogoji se lahko podhladi, medtem ko ostane tekoč pri temperaturah pod lediščem. V nekaterih primerih lahko voda ostane tekoča tudi pri -20 C.
Razlog za ta učinek je, da so potrebni centri za nastajanje kristalov, da se začnejo oblikovati prvi ledeni kristali. Če niso v tekoči vodi, se bo podhlajevanje nadaljevalo, dokler temperatura ne pade dovolj, da se začnejo spontano tvoriti kristali. Ko se začnejo tvoriti v preohlajeni tekočini, bodo začele rasti hitreje in tvorile ledeno brozgo, ki bo zmrznila v led.
Vroča voda je najbolj dovzetna za hipotermijo, saj se pri segrevanju izločajo raztopljeni plini in mehurčki, ki lahko služijo kot središča za nastanek ledenih kristalov.
Zakaj podhladitev povzroči hitrejše zmrzovanje tople vode? V primeru hladna voda, ki ni prehlajen, se zgodi naslednje. V tem primeru bo na površini plovila nastala tanka plast ledu. Ta plast ledu bo delovala kot izolator med vodo in hladnim zrakom ter bo preprečila nadaljnje izhlapevanje. Hitrost nastajanja ledenih kristalov bo v tem primeru manjša. V primeru podhlajene vroče vode podhlajena voda nima zaščitne površinske plasti ledu. Zato veliko hitreje izgublja toploto skozi odprt vrh.
Ko se proces podhlajevanja konča in voda zmrzne, se izgubi veliko več toplote in zato več ledu.
Številni raziskovalci tega učinka menijo, da je hipotermija glavni dejavnik v primeru učinka Mpemba.
Konvekcija
Hladna voda začne zmrzovati od zgoraj, s čimer se poslabšajo procesi toplotnega sevanja in konvekcije ter s tem izgube toplote, vroča voda pa začne zmrzovati od spodaj.
Ta učinek je razložen z anomalijo v gostoti vode. Voda ima največjo gostoto pri 4 C. Če vodo ohladite na 4 C in jo postavite na nižjo temperaturo, bo površinska plast vode hitreje zmrznila. Ker je ta voda manj gosta kot voda pri 4 °C, bo ostala na površini in tvorila tanko hladno plast. V teh pogojih se bo na površini vode za kratek čas oblikovala tanka plast ledu, vendar bo ta plast ledu služila kot izolator, ki ščiti spodnje plasti vode, ki bodo ostale pri temperaturi 4 C. Zato , bo nadaljnji proces ohlajanja počasnejši.
Pri topli vodi je situacija popolnoma drugačna. Površinski sloj vode se bo zaradi izhlapevanja in večje temperaturne razlike hitreje ohladil. Poleg tega so hladne plasti vode gostejše od plasti topla voda, tako da se bo plast mrzle vode pogreznila in dvignila plast topla voda na površje. To kroženje vode zagotavlja hiter padec temperature.
Toda zakaj ta proces ne doseže ravnotežne točke? Da bi razložili učinek Mpemba s tega vidika konvekcije, bi morali domnevati, da sta hladna in vroča plast vode ločeni in se sam proces konvekcije nadaljuje, ko povprečna temperatura vode pade pod 4 C.
Vendar pa ni nobenih eksperimentalnih dokazov, ki bi podpirali to hipotezo, da so hladne in vroče plasti vode ločene s konvekcijo.
plini, raztopljeni v vodi
Voda vedno vsebuje v njej raztopljene pline - kisik in ogljikov dioksid. Ti plini lahko znižajo zmrzišče vode. Pri segrevanju vode se ti plini sprostijo iz vode, ker je njihova topnost v vodi pri visoki temperaturi manjša. Zato je pri ohlajanju vroče vode v njej vedno manj raztopljenih plinov kot v neogrevani hladni vodi. Zato je zmrzišče segrete vode višje in hitreje zmrzne. Ta dejavnik se včasih obravnava kot glavni pri razlagi učinka Mpemba, čeprav ni nobenih eksperimentalnih podatkov, ki bi to dejstvo potrdili.
Toplotna prevodnost
Ta mehanizem ima lahko pomembno vlogo, ko vodo postavite v zamrzovalnik. hladilni prostor v majhnih posodah. Pod temi pogoji je bilo opaženo, da posoda z vročo vodo topi led v zamrzovalniku pod njim, s čimer se izboljša toplotni stik s steno zamrzovalnika in toplotna prevodnost. Posledično se toplota iz posode za toplo vodo odvaja hitreje kot iz hladne. Po drugi strani pa posoda s hladno vodo ne topi snega pod seboj.
Vsi ti (pa tudi drugi) pogoji so bili preučeni v številnih poskusih, vendar nedvoumen odgovor na vprašanje - kateri od njih zagotavljajo 100-odstotno reprodukcijo učinka Mpemba - ni bil pridobljen.
Tako je na primer leta 1995 nemški fizik David Auerbach proučeval vpliv podhlajanja vode na ta učinek. Odkril je, da vroča voda, ko doseže preohlajeno stanje, zamrzne pri višji temperaturi kot hladna voda in zato hitreje kot slednja. Toda hladna voda doseže prehlajeno stanje hitreje kot topla voda in s tem kompenzira prejšnji zaostanek.
Poleg tega so Auerbachovi rezultati v nasprotju s prejšnjimi podatki, da lahko vroča voda doseže večje podhlajevanje zaradi manj kristalizacijskih centrov. Pri segrevanju vode se iz nje odstranijo v njej raztopljeni plini, pri vrenju pa se oborijo nekatere v njej raztopljene soli.
Zaenkrat je mogoče trditi le eno - reprodukcija tega učinka je v bistvu odvisna od pogojev, pod katerimi se izvaja poskus. Ravno zato, ker ni vedno reproducirana.
Leta 1963 je šolar iz Tanzanije po imenu Erasto Mpemba svojemu učitelju postavil neumno vprašanje - zakaj je topel sladoled v njegovem zamrzovalniku zmrznil hitreje kot hladen?
Erasto Mpemba je bil dijak srednje šole Magambin v Tanzaniji in je opravljal praktično kuharsko delo. Narediti je moral domač sladoled – zavreti mleko, v njem raztopiti sladkor, ohladiti na sobno temperaturo in nato dati v hladilnik zamrzniti. Očitno Mpemba ni bil posebej priden učenec in je s prvim delom naloge odlašal. V strahu, da ne bo prišel pravočasno do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zamrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po dani tehnologiji.
Za pojasnilo se je obrnil na učitelja fizike, ta pa se je učencu le nasmejal z besedami: "To ni svetovna fizika, ampak fizika Mpembe." Po tem je Mpemba eksperimentiral ne le z mlekom, ampak tudi z navadno vodo.
Vsekakor je že kot dijak srednje šole Mkvava vprašal profesorja Dennisa Osborna z University College v Dar es Salaamu (ki ga je direktor šole povabil, da bi študentom predaval o fiziki) o vodi: »Če vzamete dve enaki posodi z enakimi količinami vode, tako da ima v eni voda temperaturo 35 ° C, v drugi pa 100 ° C, in ju postavite v zamrzovalnik, nato pa bo voda v drugi zamrznila hitreje. zakaj?" Osborn se je začel zanimati za to vprašanje in kmalu leta 1969 sta skupaj z Mpembo objavila rezultate svojih poskusov v reviji Physics Education. Od takrat se učinek, ki so ga odkrili, imenuje Mpemba učinek.
Vas zanima, zakaj se to zgodi? Pred nekaj leti je znanstvenikom uspelo razložiti ta pojav ...
Učinek Mpemba (Mpemba Paradox) je paradoks, ki pravi, da vroča voda pod določenimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora v procesu zamrzovanja prestati temperaturo hladne vode. Ta paradoks je eksperimentalno dejstvo, ki je v nasprotju z običajnimi predstavami, po katerih pod enakimi pogoji potrebuje bolj vroče telo več časa, da se ohladi na določeno temperaturo, kot hladnejše telo, da se ohladi na isto temperaturo.
Ta pojav so takrat opazili že Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes. Do zdaj nihče ne ve natančno, kako razložiti ta nenavaden učinek. Znanstveniki nimajo ene same različice, čeprav jih je veliko. Gre za razlike v lastnostih tople in hladne vode, vendar še ni jasno, katere lastnosti igrajo vlogo v tem primeru: razlika v podhlajevanju, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali vplivu utekočinjenih plinov na vodo pri različne temperature. Paradoks efekta Mpemba je v tem, da mora biti čas, v katerem se telo ohladi na temperaturo okolja, sorazmeren temperaturni razliki med tem telesom in okoljem. Ta zakon je postavil Newton in je bil od takrat večkrat potrjen v praksi. Pri enakem učinku se voda pri 100 °C ohladi na 0 °C hitreje kot enaka količina vode pri 35 °C.
Od takrat se pojavljajo različne različice, ena od njih je bila naslednja: del tople vode najprej preprosto izhlapi, nato pa, ko ostane manjša količina, se voda hitreje strdi. Ta različica je zaradi svoje preprostosti postala najbolj priljubljena, vendar znanstveniki niso bili povsem zadovoljni.
Zdaj skupina raziskovalcev s tehnološke univerze Nanyang v Singapurju, ki jo vodi kemik Xi Zhang, pravi, da je razrešila starodavno skrivnost, zakaj topla voda zmrzne hitreje kot hladna. Kot so ugotovili kitajski strokovnjaki, je skrivnost v količini energije, shranjene v vodikovih vezeh med molekulami vode.
Kot veste, so molekule vode sestavljene iz enega atoma kisika in dveh atomov vodika, ki jih držijo skupaj kovalentne vezi, kar na ravni delcev izgleda kot izmenjava elektronov. Še ena znano dejstvo je, da atome vodika privlačijo atomi kisika iz sosednjih molekul – v tem primeru se tvorijo vodikove vezi.
Hkrati se molekule vode kot celota odbijajo. Znanstveniki iz Singapurja so opazili, da toplejša kot je voda, večja je razdalja med molekulami tekočine zaradi povečanja odbojnih sil. Posledično se vodikove vezi raztegnejo in zato shranijo več energije. Ta energija se sprosti, ko se voda ohladi – molekule se približajo druga drugi. In vračanje energije, kot veste, pomeni hlajenje.
Tu so hipoteze, ki so jih postavili znanstveniki:
Izhlapevanje
Vroča voda hitreje izhlapi iz posode, s čimer se zmanjša njena prostornina, manjša količina vode z enako temperaturo pa hitreje zmrzne. Voda, segreta na 100 °C, izgubi 16 % svoje mase, ko se ohladi na 0 °C. Učinek izhlapevanja je dvojni učinek. Prvič, zmanjša se masa vode, ki je potrebna za hlajenje. In drugič, zaradi izhlapevanja se njegova temperatura zniža.
temperaturna razlika
Zaradi dejstva, da je temperaturna razlika med toplo vodo in hladnim zrakom večja - zato je prenos toplote v tem primeru intenzivnejši in topla voda se hitreje ohladi.
hipotermija
Ko se voda ohladi pod 0°C, ne zmrzne vedno. Pod določenimi pogoji se lahko podhladi, medtem ko ostane tekoč pri temperaturah pod lediščem. V nekaterih primerih lahko voda ostane tekoča tudi pri -20°C. Razlog za ta učinek je, da so potrebni centri za nastajanje kristalov, da se začnejo oblikovati prvi ledeni kristali. Če niso v tekoči vodi, se bo podhlajevanje nadaljevalo, dokler temperatura ne pade dovolj, da se začnejo spontano tvoriti kristali. Ko se začnejo tvoriti v preohlajeni tekočini, bodo začele rasti hitreje in tvorile ledeno brozgo, ki bo zmrznila v led. Vroča voda je najbolj dovzetna za hipotermijo, saj se pri segrevanju izločajo raztopljeni plini in mehurčki, ki lahko služijo kot središča za nastanek ledenih kristalov. Zakaj podhladitev povzroči hitrejše zmrzovanje tople vode? Pri hladni vodi, ki ni prehlajena, pa se na njeni površini oblikuje tanka plast ledu, ki deluje kot izolator med vodo in hladnim zrakom ter tako preprečuje nadaljnje izhlapevanje. Hitrost nastajanja ledenih kristalov bo v tem primeru manjša. V primeru podhlajene vroče vode podhlajena voda nima zaščitne površinske plasti ledu. Zato veliko hitreje izgublja toploto skozi odprt vrh. Ko se proces podhlajevanja konča in voda zmrzne, se izgubi veliko več toplote in zato nastane več ledu. Številni raziskovalci tega učinka menijo, da je hipotermija glavni dejavnik v primeru učinka Mpemba.
Konvekcija
Hladna voda začne zmrzovati od zgoraj, s čimer se poslabšajo procesi toplotnega sevanja in konvekcije ter s tem izgube toplote, vroča voda pa začne zmrzovati od spodaj. Ta učinek je razložen z anomalijo v gostoti vode. Voda ima največjo gostoto pri 4°C. Če vodo ohladite na 4°C in jo postavite v okolje z nižjo temperaturo, bo površinska plast vode hitreje zmrznila. Ker je ta voda manj gosta kot voda pri 4 °C, bo ostala na površini in tvorila tanko hladno plast. V teh pogojih se bo na površini vode za kratek čas oblikovala tanka plast ledu, vendar bo ta plast ledu služila kot izolator, ki ščiti spodnje plasti vode, ki bodo ostale pri 4°C. Zato bo nadaljnji proces ohlajanja počasnejši. Pri topli vodi je situacija popolnoma drugačna. Površinski sloj vode se bo zaradi izhlapevanja in večjih temperaturnih razlik hitreje ohlajal. Poleg tega so plasti hladne vode gostejše od plasti vroče vode, zato se bo plast hladne vode pogreznila in dvignila plast tople vode na površje. To kroženje vode zagotavlja hiter padec temperature. Toda zakaj ta proces ne doseže ravnotežne točke? Da bi razložili učinek Mpemba z vidika konvekcije, bi predpostavili, da sta hladna in vroča plast vode ločeni in se sam proces konvekcije nadaljuje, ko povprečna temperatura vode pade pod 4 °C. Vendar pa ni nobenih eksperimentalnih dokazov, ki bi podpirali to hipotezo, da so plasti hladne in tople vode ločene s konvekcijo.
plini, raztopljeni v vodi
Voda vedno vsebuje v njej raztopljene pline - kisik in ogljikov dioksid. Ti plini lahko znižajo zmrzišče vode. Pri segrevanju vode se ti plini sprostijo iz vode, ker je njihova topnost v vodi pri visoki temperaturi manjša. Zato je pri ohlajanju vroče vode v njej vedno manj raztopljenih plinov kot v neogrevani hladni vodi. Zato je zmrzišče segrete vode višje in hitreje zmrzne. Ta dejavnik se včasih obravnava kot glavni pri razlagi učinka Mpemba, čeprav ni nobenih eksperimentalnih podatkov, ki bi to dejstvo potrdili.
Toplotna prevodnost
Ta mehanizem ima lahko pomembno vlogo, ko je voda v majhnih posodah v zamrzovalniku hladilnika. Pod temi pogoji je bilo opaženo, da posoda z vročo vodo topi led v zamrzovalniku pod njim, s čimer se izboljša toplotni stik s steno zamrzovalnika in toplotna prevodnost. Posledično se toplota iz posode za toplo vodo odvaja hitreje kot iz hladne. Po drugi strani pa posoda s hladno vodo ne topi snega pod seboj. Vsi ti (pa tudi drugi) pogoji so bili preučeni v številnih poskusih, vendar nedvoumen odgovor na vprašanje - kateri od njih zagotavljajo 100-odstotno reprodukcijo učinka Mpemba - ni bil pridobljen. Tako je na primer leta 1995 nemški fizik David Auerbach proučeval vpliv podhlajanja vode na ta učinek. Odkril je, da vroča voda, ko doseže preohlajeno stanje, zamrzne pri višji temperaturi kot hladna voda in zato hitreje kot slednja. Toda hladna voda doseže prehlajeno stanje hitreje kot vroča voda in s tem kompenzira prejšnji zaostanek. Poleg tega so Auerbachovi rezultati v nasprotju s prejšnjimi podatki, da lahko vroča voda doseže večje podhlajevanje zaradi manj kristalizacijskih centrov. Pri segrevanju vode se iz nje odstranijo v njej raztopljeni plini, pri vrenju pa se oborijo nekatere v njej raztopljene soli. Zaenkrat je mogoče trditi le eno - reprodukcija tega učinka je bistveno odvisna od pogojev, pod katerimi se izvaja poskus. Ravno zato, ker ni vedno reproducirana.
In tukaj je najverjetnejši razlog.
Kot pišejo kemiki v svojem članku, ki ga je mogoče najti na spletnem mestu za prednatis arXiv.org, so vodikove vezi močneje raztegnjene v vroči vodi kot v hladni vodi. Tako se izkaže, da je več energije shranjene v vodikovih vezeh vroče vode, kar pomeni, da se je več sprosti, ko se ohladi na temperature pod ničlo. Zaradi tega je zamrzovanje hitrejše.
Do danes so znanstveniki to uganko rešili le teoretično. Ko predstavijo prepričljive dokaze o svoji različici, se lahko vprašanje, zakaj vroča voda zamrzne hitreje kot hladna voda, šteje za zaprto.
voda- s kemijskega vidika dokaj preprosta snov, vendar ima številne nenavadne lastnosti, ki nikoli ne prenehajo presenečati znanstvenikov. Spodaj je nekaj dejstev, ki jih le malo ljudi pozna.
1. Katera voda hitreje zmrzne – hladna ali vroča?
Vzemite dve posodi z vodo: v eno nalijte vročo vodo, v drugo pa hladno in ju postavite v zamrzovalnik. Topla voda bo zmrznila hitreje kot hladna voda, čeprav bi se morala hladna voda po logiki najprej spremeniti v led: navsezadnje se mora topla voda najprej ohladiti na hladno temperaturo, nato pa se spremeni v led, hladni vodi pa se ni treba ohladiti. Zakaj se to dogaja?
Leta 1963 je tanzanijski študent Erasto B. Mpemba med zamrzovanjem pripravljene mešanice sladoleda opazil, da se vroča mešanica v zamrzovalniku strdi hitreje kot hladna. Ko je mladenič svoje odkritje delil z učiteljem fizike, se mu je le smejal. Na srečo je bil učenec vztrajen in je učitelja prepričal, da je izvedel poskus, ki je potrdil njegovo odkritje: določene pogoje Vroča voda dejansko zmrzne hitreje kot hladna voda.
Zdaj se ta pojav, ko vroča voda zamrzne hitreje kot hladna voda, imenuje " Mpemba učinek". Res je, veliko pred tem edinstvena lastnina vodo so opazili Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes.
Znanstveniki ne razumejo popolnoma narave tega pojava in ga razlagajo bodisi z razliko v hipotermiji, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali vplivu utekočinjenih plinov na vročo in hladno vodo.
2. Sposobna je takoj zmrzniti
Vsi to vedo vodo vedno postane led, ko se ohladi na 0 °C ... razen v nekaterih primerih! Tak primer je na primer prehladitev, ki je lastnost zelo čisto vodo ostanejo tekoče, tudi če so ohlajene pod lediščem. Ta pojav omogoča dejstvo, da okolju ne vsebuje centrov ali kristalizacijskih jeder, ki bi lahko izzvali nastanek ledenih kristalov. In tako voda ostane v tekoči obliki, tudi ko se ohladi na temperature pod nič stopinj Celzija.
proces kristalizacije lahko povzročijo na primer plinski mehurčki, nečistoče (kontaminanti), neravna površina zabojniki. Brez njih bo voda ostala noter tekoče stanje. Ko se začne proces kristalizacije, lahko opazujete, kako se preohlajena voda takoj spremeni v led.
Upoštevajte, da "pregreta" voda prav tako ostane tekoča, tudi če se segreje nad vrelišče.
3. 19 stanj vode
Brez oklevanja navedite, koliko različna stanja ima voda? Če ste odgovorili tri: trdno, tekoče, plinasto, potem se motite. Znanstveniki razlikujejo vsaj 5 različnih stanj vode v tekoči obliki in 14 različnih stanj v zamrznjeni obliki.
Se spomnite pogovora o zelo ohlajeni vodi? Torej, ne glede na to, kaj počnete, se bo pri -38 ° C tudi najčistejša super ohlajena voda nenadoma spremenila v led. Kaj se zgodi, ko temperatura še pade? Pri -120 °C se začne z vodo dogajati nekaj nenavadnega: postane superviskozna ali viskozna, kot je melasa, pri temperaturah pod -135 °C pa se spremeni v "steklasto" ali "steklasto" vodo - trdno snov, ki nima kristalna struktura.
4. Voda preseneča fizike
Na molekularni ravni je voda še bolj presenetljiva. Leta 1995 je poskus sipanja nevtronov, ki so ga izvedli znanstveniki, dal nepričakovan rezultat: fiziki so ugotovili, da nevtroni, usmerjeni na molekule vode, "vidijo" 25 % manj vodikovih protonov, kot je bilo pričakovano.
Izkazalo se je, da se s hitrostjo ene atosekunde (10 -18 sekund) zgodi nenavaden kvantni učinek in kemijska formula namesto vode H2O, postane H1.5O!
5. Vodni spomin
Alternativa uradni medicini homeopatija navaja, da je razredčena raztopina zdravilni izdelek lahko zagotovi zdravilni učinek na organizem, tudi če je faktor redčenja tako velik, da v raztopini ne ostane nič drugega kot molekule vode. Zagovorniki homeopatije pojasnjujejo ta paradoks s konceptom, imenovanim " vodni spomin«, po katerem ima voda na molekularni ravni »spomin« na snov, ki je bila enkrat v njej raztopljena, in ohrani lastnosti raztopine začetne koncentracije, potem ko v njej ne ostane niti ena molekula sestavine.
Mednarodna skupina znanstvenikov pod vodstvom profesorice Madeleine Ennis s Queen's University v Belfastu, ki je kritizirala načela homeopatije, je leta 2002 izvedla poskus, da bi koncept enkrat za vselej ovrgla. Rezultat je bil nasproten. Po tem so znanstveniki rekli, da jim je uspelo dokazati resničnost učinka " vodni spomin". Vendar poskusi, izvedeni pod nadzorom neodvisnih strokovnjakov, niso prinesli rezultatov. Spori o obstoju pojava " vodni spomin» nadaljuj.
Voda ima številne druge nenavadne lastnosti, ki jih v tem članku nismo obravnavali. Na primer, gostota vode se spreminja s temperaturo (gostota ledu je manjša od gostote vode); voda ima precej velika številka površinska napetost; v tekočem stanju je voda kompleksna in dinamično spreminjajoča se mreža vodnih skupkov, obnašanje grozdov pa vpliva na strukturo vode itd.
O teh in številnih drugih nepričakovanih lastnostih vodo lahko preberete v članku Nenavadne lastnosti vode”, katere avtor je Martin Chaplin, profesor na Univerzi v Londonu.
Britansko kraljevo združenje za kemijo ponuja 1000 funtov nagrade vsakomur, ki zna znanstveno razložiti, zakaj v nekaterih primerih vroča voda zmrzne hitreje kot hladna.
»Sodobna znanost še vedno ne more odgovoriti na to na videz preprosto vprašanje. Izdelovalci sladoleda in barmani uporabljajo ta učinek pri vsakdanjem delu, vendar nihče ne ve, zakaj deluje. Ta problem je znan že tisočletja in filozofi, kot sta Aristotel in Descartes, so razmišljali o tem,« je dejal profesor David Philips, predsednik Britanskega kraljevega kemijskega društva, citiran v sporočilu za javnost društva.
Kako je afriški kuhar premagal britanskega profesorja fizike
To ni prvoaprilska šala, ampak surova fizična resničnost. Današnja znanost, ki zlahka operira z galaksijami in črnimi luknjami ter gradi velikanske pospeševalnike za iskanje kvarkov in bozonov, ne zna razložiti, kako "deluje" elementarna voda. Šolski učbenik nedvoumno pravi, da je za ohlajanje vročega telesa potrebnih več časa kot za ohlajanje hladnega telesa. Toda za vodo se ta zakon ne upošteva vedno. Na ta paradoks je opozoril Aristotel v 4. stoletju pr. e. Takole je zapisal stari Grk v knjigi "Meteorologica I": "Dejstvo, da je voda predgreta, prispeva k njenemu zmrzovanju. Zato mnogi ljudje, ko želijo na hitro ohladiti toplo vodo, jo najprej postavijo na sonce ...« V srednjem veku sta ta pojav poskušala razložiti Francis Bacon in Rene Descartes. Žal, niti velikim filozofom niti številnim znanstvenikom, ki so razvijali klasično toplotno fiziko, to ni uspelo, zato je bilo tako neprijetno dejstvo dolgo "pozabljeno".
In šele leta 1968 so se "spomnili" po zaslugi šolarja Erasta Mpembe iz Tanzanije, daleč od kakršne koli znanosti. Med šolanjem na kuharski šoli je leta 1963 13-letni Mpembe dobil nalogo narediti sladoled. Po tehnologiji je bilo treba mleko zavreti, v njem raztopiti sladkor, ohladiti na sobno temperaturo in nato dati v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil priden učenec in je okleval. V strahu, da ne bo prišel pravočasno do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zmrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po vseh pravilih.
Ko je Mpemba svoje odkritje delil z učiteljem fizike, se je ta norčeval iz njega pred celim razredom. Mpemba se je spomnil žalitve. Pet let pozneje, že kot študent na Univerzi v Dar es Salaamu, je bil na predavanju slovitega fizika Denisa G. Osborna. Po predavanju je znanstveniku zastavil vprašanje: »Če vzamete dve enaki posodi z enako količino vode, eno pri 35 °C (95 °F) in drugo pri 100 °C (212 °F), in postavite jih v zamrzovalniku, potem bo voda v vroči posodi hitreje zmrznila. zakaj?" Si lahko predstavljate reakcijo britanskega profesorja na vprašanje mladega pozabljen od Boga Tanzanija. Norčeval se je iz študenta. Toda Mpemba je bil pripravljen na tak odgovor in je znanstvenika izzval na stavo. Njihov argument je dosegel vrhunec v eksperimentalnem preizkusu, ki je dokazal, da ima Mpemba prav, Osborne pa poražen. Tako se je študent kuhar zapisal v zgodovino znanosti in odslej se ta pojav imenuje "Mpemba učinek". Zavreči ga, razglasiti za "neobstoječega" ne deluje. Fenomen obstaja in, kot je zapisal pesnik, "ne v zob z nogo."
So za to krivi prašni delci in raztopljene snovi?
Skozi leta so mnogi poskušali razvozlati skrivnost zmrzovanja vode. Predlaganih je bilo cel kup razlag za ta pojav: izhlapevanje, konvekcija, vpliv topljencev – vendar nobenega od teh dejavnikov ni mogoče šteti za dokončnega. Številni znanstveniki so vse svoje življenje posvetili učinku Mpemba. Delavec Oddelka za sevalno varnost Državna univerza New York - James Brownridge - v prosti čas preučuje paradoks že več kot desetletje. Po izvedbi na stotine poskusov znanstvenik trdi, da ima dokaze o "krivdi" hipotermije. Brownridge pojasnjuje, da se pri 0 °C voda le super ohladi in začne zmrzovati, ko temperatura pade pod. Zmrzišče uravnavajo nečistoče v vodi – spreminjajo hitrost nastajanja ledenih kristalov. Nečistoče, to so prašni delci, bakterije in raztopljene soli, imajo svojo značilno nukleacijsko temperaturo, ko se okrog kristalizacijskih centrov oblikujejo ledeni kristali. Kadar je v vodi več elementov hkrati, določi zmrzišče tisti, ki ga ima največ visoka temperatura nukleacija.
Za poskus je Brownridge vzel dva vzorca vode pri enaki temperaturi in ju postavil v zamrzovalnik. Ugotovil je, da eden od primerkov vedno zmrzne pred drugim – menda zaradi drugačna kombinacija nečistoče.
Brownridge trdi, da se vroča voda hitreje ohladi zaradi večje temperaturne razlike med vodo in zamrzovalnikom – to ji pomaga doseči zmrzišče, preden hladna voda doseže naravno zmrzišče, ki je vsaj 5°C nižje.
Vendar Brownridgeova utemeljitev odpira številna vprašanja. Zato se lahko tisti, ki znajo na svoj način razložiti učinek Mpemba, potegujejo za tisoč funtov britanskega kraljevega kemijskega združenja.
Kemija je bila eden mojih najljubših predmetov v šoli. Nekoč nam je učiteljica kemije dala zelo čudno in težko nalogo. Dal nam je seznam vprašanj, na katera smo morali odgovoriti pri kemiji. Za to nalogo smo imeli več dni časa in smeli smo uporabljati knjižnice in druge razpoložljive vire informacij. Eno od teh vprašanj se je nanašalo na zmrzišče vode. Ne spomnim se točno, kako je zvenelo vprašanje, ampak šlo je za to, da če vzameš dve leseni vedri enake velikosti, eno z vročo vodo, drugo z mrzlo vodo (točno določene temperature), in ju postaviš. v okolju z določeno temperaturo, kateri bodo hitreje zmrznili? Seveda se je takoj nakazal odgovor - vedro mrzle vode, a se nama je zdel preveč preprost. Toda to ni bilo dovolj za popoln odgovor, morali smo ga dokazati s kemijskega vidika. Kljub vsemu razmišljanju in raziskovanju nisem mogel potegniti logičnega zaključka. Na ta dan sem se celo odločil, da to lekcijo preskočim, tako da nisem nikoli našel rešitve te uganke.
Leta so minevala in spoznal sem veliko vsakdanjih mitov o vrelišču in ledišču vode, en mit pa pravi: "vroča voda hitreje zmrzne." Ogledal sem si veliko spletnih strani, vendar so bile informacije preveč nasprotujoče si. In to so bila le mnenja, neutemeljena z vidika znanosti. In sem se odločil vzeti lastne izkušnje. Ker nisem našel lesenih veder, sem uporabil zamrzovalnik, kuhalno ploščo, nekaj vode in digitalni termometer. O rezultatih svojih izkušenj bom govoril malo kasneje. Najprej bom z vami delil nekaj zanimivih argumentov o vodi:
Vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda. Večina strokovnjakov pravi, da bo hladna voda zmrznila hitreje kot topla voda. Toda en smešen pojav (tako imenovani učinek Memba) iz neznanih razlogov dokazuje nasprotno: vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda. Ena od več razlag je proces izhlapevanja: če zelo vročo vodo postavimo v hladno okolje, bo voda začela izhlapevati (preostala količina vode bo hitreje zmrznila). In po zakonih kemije to sploh ni mit in najverjetneje je to želel učitelj slišati od nas.
Kuhana voda hitreje zamrzne voda iz pipe. Kljub prejšnji razlagi pa nekateri strokovnjaki trdijo, da bi morala prekuhana voda, ohlajena na sobno temperaturo, hitreje zmrzniti, ker se zaradi vrenja zmanjša količina kisika.
Hladna voda zavre hitreje kot topla voda. Če vroča voda hitreje zamrzne, lahko hladna voda hitreje zavre! To je v nasprotju z zdravo pametjo in znanstveniki trdijo, da to preprosto ne more biti. Vroča voda iz pipe bi dejansko morala vreti hitreje kot hladna voda. Toda če za kuhanje uporabljate vročo vodo, ne prihranite energije. Morda boste porabili manj plina ali elektrike, vendar bo grelnik vode porabil enako količino energije, kot je potrebna za ogrevanje hladne vode. (Z sončna energija stvari so nekoliko drugačne). Zaradi segrevanja vode z bojlerjem lahko nastane usedlina, zato se voda segreva dlje.
Če vodo solimo, bo hitreje zavrela. Sol zviša vrelišče (in s tem zniža zmrzišče – zato nekatere gospodinje dodajo sladoledu malo kamene soli). Ampak mi noter ta primer zanimivo je še eno vprašanje: kako dolgo bo voda vrela in ali se lahko vrelišče v tem primeru dvigne nad 100 ° C). Kljub temu, kar pravijo kuharske knjige, znanstveniki pravijo, da količina soli, ki jo dodamo vreli vodi, ni dovolj, da bi vplivala na čas ali temperaturo kuhanja.
Ampak tukaj sem dobil:
Hladna voda: Uporabil sem tri 100 ml steklene čaše prečiščene vode: eno sobne temperature (72 °F/22 °C), eno vročo vodo (115 °F/46 °C) in eno prekuhano (212 °F/100 °C). C). Vse tri kozarce sem postavila v zamrzovalnik na -18°C. In ker sem vedel, da se voda ne bo takoj spremenila v led, sem stopnjo zmrzovanja določil z »lesenim plovcem«. Ko se paličica, postavljena v sredino kozarca, ni več dotikala podlage, sem mislil, da je voda zmrznila. Vsakih pet minut sem preverjal očala. In kakšni so moji rezultati? Voda v prvem kozarcu je po 50 minutah zmrznila. Vroča voda je zmrznila po 80 minutah. Kuhano - po 95 minutah. Moje ugotovitve: glede na pogoje v zamrzovalniku in vodo, ki sem jo uporabil, nisem mogel reproducirati učinka Memba.
Tudi jaz sem poskušal opraviti takšno izkušnjo s prej kuhana voda ohladimo na sobno temperaturo. Zamrznilo je v 60 minutah - še vedno je trajalo dlje kot zamrznitev hladne vode.
Kuhana voda: Vzel sem liter vode pri sobni temperaturi in jo dal na ogenj. Zavrela je v 6 minutah. Nato sem jo spet ohladila na sobno temperaturo in dodala še vročemu. Pri istem ognju je vroča voda zavrela v 4 urah in 30 minutah. Zaključek: pričakovano vroča voda zavre veliko hitreje.
Prekuhana voda (s soljo): Na 1 liter vode sem dodala 2 veliki žlici kuhinjske soli. Zavrelo je v 6 minutah 33 sekundah in kot je kazal termometer je doseglo temperaturo 102°C. Nedvomno sol vpliva na vrelišče, vendar ne veliko. Zaključek: sol v vodi ne vpliva veliko na temperaturo in čas vrenja. Iskreno priznam, da je mojo kuhinjo težko imenovati laboratorij in morda so moji zaključki v nasprotju z resničnostjo. moj zamrzovalnik lahko neenakomerno zamrzne živila. Moja steklena očala bi lahko bila nepravilne oblike itd. Toda kar koli se zgodi v laboratoriju, kdaj pogovarjamo se o zamrzovanju ali vrenju vode v kuhinji je najpomembnejša zdrava pamet.
povezava od zanimiva dejstva o vodi vse o vodi
kot je predlagano na forumu forum.ixbt.com, se ta učinek (učinek zamrznitve tople vode hitreje kot hladne vode) imenuje "učinek Aristotel-Mpemba"
Tisti. kuhana voda (ohlajena) zmrzne hitreje kot "surova"
