Katera voda se hitreje strdi topla ali hladna. Zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna? Mpemba učinek
V tem članku bomo pogledali, zakaj topla voda zmrzne hitreje kot mraz.
Ogrevana voda zmrzne veliko hitreje kot hladna voda! to neverjetna lastnina voda, natančne razlage za katero znanstveniki še vedno ne najdejo, je znana že v pradavnini. Na primer, tudi pri Aristotelu obstaja opis zimski ribolov: ribiči so ribiške palice vtikali v luknje v ledu in led zalivali, da bi hitreje zmrznile. topla voda. Ime tega pojava je bilo poimenovano po Erastu Mpembi v 60. letih 20. stoletja. Mnemba je med pripravo sladoleda opazil nenavaden učinek in se za razlago obrnil na svojega učitelja fizike, dr. Denisa Osborna. Mpemba in dr. Osborn sta eksperimentirala z vodo različne temperature in zaključil: skoraj vrela voda začne zmrzovati veliko hitreje kot voda sobna temperatura. Drugi znanstveniki so izvedli lastne poskuse in vsakič so dobili podobne rezultate.
Razlaga fizikalnega pojava
Splošno sprejete razlage, zakaj se to dogaja, ni. Številni raziskovalci menijo, da gre za podhlajevanje tekočine, do katerega pride, ko njena temperatura pade pod ledišče. Z drugimi besedami, če voda zmrzne pri temperaturi pod 0 °C, ima lahko preohlajena voda temperaturo na primer -2 °C in še vedno ostane tekoča, ne da bi se spremenila v led. Ko poskušamo zamrzniti mrzlo vodo, obstaja možnost, da se bo sprva prehladila in šele čez nekaj časa se bo strdila. V segreti vodi potekajo drugi procesi. Njegovo hitrejše preoblikovanje v led je povezano s konvekcijo.
Konvekcija- To je fizikalni pojav, pri katerem se tople spodnje plasti tekočine dvigajo, zgornje, ohlajene pa padajo.
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 zamrzovalnik. Vroča voda bo zmrznila hitreje kot hladna voda, čeprav bi se po logiki morala najprej spremeniti v led hladna voda: navsezadnje se mora vroča voda najprej ohladiti na hladno temperaturo in se nato spremeniti v led, medtem ko se hladni vodi 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 čista voda 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 super 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.
Mnogi raziskovalci so predlagali in postavljajo svoje različice, zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna. Zdi se paradoks - navsezadnje se mora vroča voda najprej ohladiti, da bi zmrznila. Vendar dejstvo ostaja in znanstveniki to razlagajo na različne načine.
Glavne različice
Trenutno obstaja več različic, ki pojasnjujejo to dejstvo:
- Ker je izhlapevanje v vroči vodi hitrejše, se njena prostornina zmanjša. Manjša količina vode enake temperature zmrzne hitreje.
- Zamrzovalni del hladilnika ima snežno oblogo. Posoda z vročo vodo topi sneg pod seboj. To izboljša toplotni stik z zamrzovalnikom.
- Zamrzovanje hladne vode se za razliko od vroče začne od zgoraj. V tem primeru se poslabšata konvekcija in toplotno sevanje ter posledično toplotne izgube.
- V hladni vodi so središča kristalizacije - v njej raztopljene snovi. Z njihovo nizko vsebnostjo v vodi je zaledenitev težka, čeprav je hkrati možna hipotermija - ko pri temperatura pod ničlo ima tekoče stanje.
Čeprav je pošteno mogoče reči, da tega učinka ni vedno opaziti. Hladna voda pogosto zmrzne hitreje kot topla voda.
Pri kateri temperaturi voda zmrzne
Zakaj voda sploh zmrzne? Vsebuje določeno količino mineralnih ali organskih delcev. To so lahko na primer zelo drobni delci peska, prahu ali gline. Ko temperatura zraka pade, ti delci postanejo središča, okoli katerih nastanejo ledeni kristali.
Vlogo kristalizacijskih jeder lahko opravljajo tudi zračni mehurčki in razpoke v posodi z vodo. Na hitrost procesa spreminjanja vode v led v veliki meri vpliva število takšnih centrov – če jih je veliko, tekočina hitreje zamrzne. V normalnih pogojih, z normalnimi zračni tlak, voda preide v trdno stanje iz tekočine pri temperaturi 0 stopinj.
Bistvo efekta Mpemba
Učinek Mpemba razumemo kot paradoks, katerega bistvo je, da v določenih okoliščinah vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda. Ta pojav sta opazila že Aristotel in Descartes. Vendar pa je šele leta 1963 Erasto Mpemba, šolar iz Tanzanije, ugotovil, da vroč sladoled zamrzne v več kot kratek čas kot hladno. Tak sklep je naredil med opravljanjem kuharske naloge.
V kuhanem mleku je moral raztopiti sladkor in ga ohladiti postaviti v hladilnik, da zamrzne. Očitno se Mpemba ni razlikoval po posebni marljivosti in je prvi del naloge začel izvajati pozno. Zato ni čakal, da se mleko ohladi, ampak ga je vroče postavil v hladilnik. Bil je zelo presenečen, ko je zmrznila še hitreje kot pri sošolcih, ki so delo opravljali v skladu z dano tehnologijo.
To dejstvo je mladeniča zelo zanimalo in začel je eksperimentirati z navadno vodo. Leta 1969 je revija Physics Education objavila rezultate raziskav Mpembe in profesorja Dennisa Osborna z Univerze v Dar es Salaamu. Učinek, ki so ga opisali, je dobil ime Mpemba. Vendar še danes ni jasne razlage za pojav. Vsi znanstveniki se strinjajo, da glavno vlogo pri tem igrajo razlike v lastnostih ohlajene in tople vode, kaj natančno pa ni znano.
Singapurska različica
Fizike z ene od singapurskih univerz je zanimalo tudi vprašanje, katera voda hitreje zmrzne – topla ali hladna? Skupina raziskovalcev pod vodstvom Xija Zhanga je ta paradoks pojasnila prav z lastnostmi vode. Še iz šole vsi poznajo sestavo vode – atom kisika in dva atoma vodika. Kisik do neke mere črpa elektrone iz vodika, zato je molekula neke vrste "magnet".
Zaradi tega se določene molekule v vodi rahlo privlačijo med seboj in so združene z vodikovo vezjo. Njegova moč je mnogokrat manjša od kovalentne vezi. Singapurski raziskovalci verjamejo, da se razlaga paradoksa Mpemba skriva prav v vodikovih vezeh. Če so molekule vode postavljene zelo tesno skupaj, potem lahko tako močna interakcija med molekulami deformira kovalentno vez v sredini same molekule.
Toda ko se voda segreje, se vezane molekule nekoliko odmaknejo druga od druge. Posledično pride do sprostitve kovalentnih vezi z odbojem v sredini molekul dodatna energija in znižati raven energije. To vodi do dejstva, da se vroča voda začne hitro ohlajati. Vsaj tako kažejo teoretični izračuni singapurskih znanstvenikov.
Takojšnja zamrznitev vode - 5 neverjetnih trikov: Video
Pozdravljeni dragi ljubitelji zanimiva dejstva. Danes bomo govorili o. Mislim pa, da se vprašanje, zastavljeno v naslovu, morda zdi preprosto absurdno - ali je vedno treba popolnoma zaupati razvpiti "zdravi pameti" in ne strogo določenim izkušnjam testiranja. Poskusimo ugotoviti, zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda?
Zgodovinska referenca
Da pri zamrzovanju mrzle in tople vode »ni vse čisto« je bilo omenjeno v delih Aristotela, nato so podobne opombe zapisali F. Bacon, R. Descartes in J. Black. IN nedavna zgodovina Ta učinek je dobil ime "Mpemba paradoks" - po imenu šolarja iz Tanganjike Erasta Mpemba, ki je isto vprašanje zastavil gostujočemu profesorju fizike.
Fantovo vprašanje ni nastalo iz nič, ampak iz čisto osebnega opazovanja procesa hlajenja sladolednih mešanic v kuhinji. Seveda tudi sošolci, ki so bili tam prisotni, poleg šolski učitelj Mpemba je bil zasmehovan - vendar je po eksperimentalnem preverjanju, ki ga je osebno izvedel profesor D. Osborne, želja po norčevanju iz Erasta "izhlapela" iz njih. Poleg tega je Mpemba skupaj s profesorjem leta 1969 objavil podroben opis tega učinka v Physics Education - in od takrat je bilo zgornje ime določeno v znanstveni literaturi.
Kaj je bistvo pojava?
Postavitev poskusa je precej preprosta: ob drugih enakih pogojih se preskušajo enake posode s tankimi stenami, v katerih je strogo enaka količina vode, ki se razlikuje le po temperaturi. Posode se naložijo v hladilnik, nato pa se zabeleži čas pred nastankom ledu v vsaki od njih. Paradoks je, da se v posodi s sprva bolj vročo tekočino to zgodi hitreje.
Kako to razlaga sodobna fizika?
Paradoks nima univerzalne razlage, saj poteka več vzporednih procesov, katerih prispevek se lahko razlikuje od posameznih. začetni pogoji- vendar z enakim rezultatom:
- sposobnost tekočine za prehladitev - sprva hladna voda je bolj nagnjena k hipotermiji, tj. ostane tekoč, ko je njegova temperatura že pod lediščem
- pospešeno hlajenje - para iz vroče vode se pretvori v ledene mikrokristale, ki ob povratku pospešijo proces in delujejo kot dodatni "zunanji toplotni izmenjevalec"
- izolacijski učinek - za razliko od tople vode hladna voda zamrzne od zgoraj, kar vodi do zmanjšanja prenosa toplote s konvekcijo in sevanjem
Obstaja še vrsta drugih razlag (nazadnje je tekmovanje za najboljšo hipotezo britansko Kraljevsko kemijsko združenje razpisalo pred kratkim, leta 2012) – vendar še vedno ni nedvoumne teorije za vse primere kombinacij vhodnih pogojev ...
21.11.2017 11.10.2018 Aleksander Fircev
« Katera voda hitreje zamrzne hladna ali vroča?”- poskusite prijateljem postaviti vprašanje, najverjetneje bo večina odgovorila, da hladna voda hitreje zmrzne - in se zmotili.
Pravzaprav, če v zamrzovalnik hkrati postavite dve posodi enake oblike in prostornine, od katerih bo ena mrzla voda, druga pa topla, bo vroča voda hitreje zmrznila.
Takšna izjava se morda zdi absurdna in nerazumna. Logično je, da se mora vroča voda najprej ohladiti na hladno temperaturo, hladna voda pa naj bi se že v tem času spremenila v led.
Zakaj torej vroča voda prehiti hladno vodo na poti do zmrzovanja? Poskusimo ugotoviti.
Zgodovina opazovanj in raziskav
Ljudje so paradoksalen učinek opazovali že od antičnih časov, vendar mu nihče ni pripisoval velikega pomena. Tako so Arestotel, pa tudi Rene Descartes in Francis Bacon v svojih zapiskih opazili nedoslednosti v hitrosti zmrzovanja hladne in tople vode. Nenavaden pojav se je pogosto kazal v vsakdanjem življenju.
Dolgo časa pojav ni bil raziskan na noben način in med znanstveniki ni vzbudil velikega zanimanja.
Preučevanje nenavadnega učinka se je začelo leta 1963, ko je vedoželjni študent iz Tanzanije Erasto Mpemba opazil, da vroče mleko za sladoled zamrzne hitreje kot hladno. V upanju, da bo dobil pojasnilo o razlogih za nenavaden učinek, je mladenič vprašal svojega učitelja fizike v šoli. Vendar se mu je učitelj le smejal.
Kasneje je Mpemba poskus ponovil, vendar v svojem poskusu ni več uporabil mleka, temveč vodo in paradoksalni učinek se je znova ponovil.
Šest let pozneje, leta 1969, je Mpemba to vprašanje postavil profesorju fizike Dennisu Osbornu, ki je prišel na njegovo šolo. Profesorja je zanimalo opazovanje mladeniča, zato je bil izveden poskus, ki je potrdil prisotnost učinka, vendar razlogi za ta pojav niso bili ugotovljeni.
Od takrat se pojav imenuje Mpemba učinek.
Skozi zgodovino znanstvenih opazovanj so bile postavljene številne hipoteze o vzrokih pojava.
Leta 2012 je Britansko kraljevo kemijsko društvo objavilo natečaj hipotez za razlago učinka Mpemba. Na tekmovanju so sodelovali znanstveniki z vsega sveta, skupaj jih je bilo prijavljenih 22.000 znanstvena dela. Kljub tako impresivnemu številu člankov nobeden od njih ni razjasnil paradoksa Mpemba.
Najpogostejša različica je bila, da vroča voda hitreje zmrzne, saj preprosto hitreje izhlapi, njena prostornina se zmanjša, z zmanjševanjem prostornine pa se poveča hitrost njenega ohlajanja. Najpogostejša različica je bila sčasoma ovržena, saj je bil izveden poskus, v katerem je bilo izhlapevanje izključeno, vendar je bil učinek kljub temu potrjen.
Drugi znanstveniki so verjeli, da je razlog za učinek Mpemba izhlapevanje plinov, raztopljenih v vodi. Po njihovem mnenju med segrevanjem v vodi raztopljeni plini izhlapevajo, zaradi česar ta pridobi večjo gostoto kot hladna voda. Kot je znano, povečanje gostote vodi do spremembe fizične lastnosti vode (povečanje toplotne prevodnosti) in s tem povečanje hitrosti hlajenja.
Poleg tega so bile postavljene številne hipoteze, ki opisujejo hitrost kroženja vode kot funkcijo temperature. V številnih študijah so poskušali ugotoviti razmerje med materialom posod, v katerih se nahaja tekočina. Številne teorije so se zdele zelo verjetne, vendar jih ni bilo mogoče znanstveno potrditi zaradi pomanjkanja začetnih podatkov, protislovij v drugih poskusih ali zaradi dejstva, da ugotovljeni dejavniki preprosto niso bili primerljivi s hitrostjo ohlajanja vode. Nekateri znanstveniki so v svojih delih dvomili o obstoju učinka.
Leta 2013 so raziskovalci s tehnološke univerze Nanyang v Singapurju trdili, da so rešili skrivnost učinka Mpemba. Po njihovi študiji je razlog za pojav v tem, da se količina energije, shranjene v vodikovih vezeh med molekulami hladne in tople vode, bistveno razlikuje.
Metode računalniške simulacije so pokazale naslednje rezultate: višja kot je temperatura vode, večja je razdalja med molekulami zaradi dejstva, da se povečujejo odbojne sile. In posledično se vodikove vezi molekul raztegnejo, shranjujejo velika količina energija. Ko se ohladijo, se molekule začnejo približevati druga drugi, pri čemer se sprošča energija iz vodikovih vezi. V tem primeru sproščanje energije spremlja znižanje temperature.
Oktobra 2017 so španski fiziki med drugo študijo ugotovili, da velika vloga pri nastanku učinka igra ravno odstranitev snovi iz ravnovesja (močno segrevanje pred močnim ohlajanjem). Določili so pogoje, pri katerih je verjetnost učinka največja. Poleg tega so znanstveniki iz Španije potrdili obstoj obratnega učinka Mpemba. Ugotovili so, da lahko pri segrevanju hladnejši vzorec doseže visoka temperatura hitreje kot toplo.
Kljub izčrpnim informacijam in številnim poskusom nameravajo znanstveniki učinek preučevati še naprej.
Mpemba učinek v resničnem življenju
Ste se kdaj vprašali zakaj zimski čas drsališče je poplavljeno topla voda in ni mrzlo? Kot ste že razumeli, to počnejo zato, ker bo drsališče, napolnjeno z vročo vodo, hitreje zmrznilo, kot če bi bilo napolnjeno s hladno vodo. Iz istega razloga se tobogani v zimskih ledenih mestih polivajo z vročo vodo.
Tako poznavanje obstoja pojava omogoča ljudem, da prihranijo čas pri pripravi mest za zimski razgledišport.
Poleg tega se učinek Mpemba včasih uporablja v industriji - za skrajšanje časa zamrzovanja izdelkov, snovi in materialov, ki vsebujejo vodo.
