21.11.2017 11.10.2018 Aleksanteri Firtsev

« Kumpi vesi jäätyy nopeammin kylmänä vai kuumana?”- yritä kysyä ystäviltäsi kysymys, todennäköisesti useimmat vastaavat, että kylmä vesi jäätyy nopeammin - ja tekevät virheen.

Itse asiassa, jos laitat pakastimeen samanaikaisesti kaksi samanmuotoista ja tilavuudeltaan samanlaista astiaa, joista toinen sisältää kylmää vettä ja toinen kuumaa, kuuma vesi jäätyy nopeammin.

Tällainen lausunto voi tuntua absurdilta ja kohtuuttomalta. Loogisesti ajatellen kuuman veden tulee ensin jäähtyä kylmään lämpötilaan, ja kylmän veden pitäisi muuttua jo tässä vaiheessa jääksi.

Joten miksi kuuma vesi ohittaa kylmän veden matkalla jäätymään? Yritetään selvittää se.

Havaintojen ja tutkimuksen historia

Ihmiset ovat havainneet paradoksaalista vaikutusta muinaisista ajoista lähtien, mutta kukaan ei kiinnittänyt sille suurta merkitystä. Joten epäjohdonmukaisuudet kylmän ja kuuman veden jäätymisnopeudessa panivat muistiinpanoihinsa Arestotel, samoin kuin Rene Descartes ja Francis Bacon. Epätavallinen ilmiö ilmeni usein jokapäiväisessä elämässä.

Pitkään aikaan ilmiötä ei tutkittu millään tavalla, eikä se herättänyt suurta kiinnostusta tutkijoiden keskuudessa.

Epätavallisen vaikutuksen tutkiminen alkoi vuonna 1963, kun utelias tansanialainen opiskelija Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelömaito jäätyy nopeammin kuin kylmä maito. Toivoen saavansa selityksen epätavallisen vaikutuksen syistä nuori mies kysyi fysiikan opettajaltaan koulussa. Opettaja kuitenkin vain nauroi hänelle.

Mpemba toisti myöhemmin kokeen, mutta kokeessaan hän ei enää käyttänyt maitoa, vaan vettä, ja paradoksaalinen vaikutus toistettiin uudelleen.

Kuusi vuotta myöhemmin, vuonna 1969, Mpemba esitti tämän kysymyksen fysiikan professori Dennis Osbornelle, joka tuli hänen kouluunsa. Professori oli kiinnostunut nuoren miehen havainnosta, minkä seurauksena suoritettiin koe, joka vahvisti vaikutuksen olemassaolon, mutta tämän ilmiön syitä ei voitu vahvistaa.

Siitä lähtien ilmiötä on kutsuttu ns Mpemba vaikutus.

Tieteellisten havaintojen historian aikana ilmiön syistä on esitetty monia hypoteeseja.

Joten vuonna 2012 British Royal Society of Chemistry julistaisi hypoteesikilpailun Mpemba-ilmiön selittämiseksi. Kilpailuun osallistui tutkijoita kaikkialta maailmasta, yhteensä 22 000 tieteellistä artikkelia rekisteröitiin. Huolimatta niin vaikuttavasta määrästä artikkeleita, mikään niistä ei selventänyt Mpemba-paradoksia.

Yleisin oli versio, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy nopeammin, koska se yksinkertaisesti haihtuu nopeammin, sen tilavuus pienenee ja tilavuuden pienentyessä sen jäähdytysnopeus kasvaa. Yleisin versio lopulta kumottiin, koska tehtiin koe, jossa haihtuminen suljettiin pois, mutta vaikutus kuitenkin vahvistettiin.

Muut tutkijat uskoivat, että syynä Mpemba-ilmiöön on veteen liuenneiden kaasujen haihtuminen. Heidän mielestään lämmitysprosessin aikana veteen liuenneet kaasut haihtuvat, minkä vuoksi se saavuttaa suuremman tiheyden kuin kylmä vesi. Kuten tiedetään, tiheyden kasvu johtaa veden fysikaalisten ominaisuuksien muutokseen (lämmönjohtavuuden kasvuun) ja siten jäähdytysnopeuden kasvuun.

Lisäksi on esitetty useita hypoteeseja, jotka kuvaavat veden kiertonopeutta lämpötilan funktiona. Monissa tutkimuksissa yritettiin selvittää niiden säiliöiden materiaalien välistä suhdetta, joissa neste oli. Monet teoriat vaikuttivat erittäin uskottavilta, mutta niitä ei voitu vahvistaa tieteellisesti, koska lähtötietojen puute, ristiriidat muissa kokeissa tai johtuen siitä, että tunnistetut tekijät eivät yksinkertaisesti olleet verrattavissa veden jäähtymisnopeuteen. Jotkut tutkijat töissään kyseenalaistivat vaikutuksen olemassaolon.

Vuonna 2013 Singaporen Nanyangin teknillisen yliopiston tutkijat väittivät ratkaisseensa Mpemba-ilmiön mysteerin. Heidän tutkimuksensa mukaan ilmiön syynä on se, että kylmän ja kuuman veden molekyylien välisiin vetysidoksiin varastoidun energian määrä vaihtelee merkittävästi.

Tietokonesimulaatiomenetelmät ovat osoittaneet seuraavat tulokset: mitä korkeampi veden lämpötila on, sitä suurempi on molekyylien välinen etäisyys johtuen siitä, että hylkivät voimat kasvavat. Tämän seurauksena molekyylien vetysidokset venyvät ja varastoivat enemmän energiaa. Jäähtyessään molekyylit alkavat lähestyä toisiaan vapauttaen energiaa vetysidoksista. Tässä tapauksessa energian vapautumiseen liittyy lämpötilan lasku.

Lokakuussa 2017 espanjalaiset fyysikot saivat toisen tutkimuksen aikana selville, että vaikutuksen muodostumisessa on suuri rooli aineen poistamisella tasapainosta (voimakas kuumennus ennen voimakasta jäähdytystä). He määrittelivät olosuhteet, joissa vaikutuksen todennäköisyys on suurin. Lisäksi espanjalaiset tutkijat ovat vahvistaneet käänteisen Mpemba-ilmiön olemassaolon. He havaitsivat, että kuumennettaessa kylmempi näyte voi saavuttaa korkean lämpötilan nopeammin kuin lämmin.

Kattavasta tiedosta ja lukuisista kokeista huolimatta tutkijat aikovat jatkaa vaikutuksen tutkimista.

Mpemba vaikutus tosielämässä

Oletko koskaan miettinyt, miksi talvella luistinrata on täynnä kuumaa vettä eikä kylmää? Kuten jo ymmärsit, he tekevät tämän, koska kuumalla vedellä täytetty luistinrata jäätyy nopeammin kuin jos se olisi täytetty kylmällä vedellä. Samasta syystä talvien jääkaupunkien liukumäet kaadetaan kuumalla vedellä.

Näin ollen tieto ilmiön olemassaolosta säästää aikaa valmistellessaan paikkoja talviurheiluun.

Lisäksi Mpemba-ilmiötä käytetään joskus teollisuudessa - vettä sisältävien tuotteiden, aineiden ja materiaalien jäätymisajan lyhentämiseen.

Mpemba vaikutus(Mpemba paradoksi) - paradoksi, joka sanoo, että kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyäkseen tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan.

Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.

Erasto Mpemba opiskeli Magambin High Schoolissa Tansaniassa tekemässä käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen täytyi tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereiden maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.

Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä. Joka tapauksessa, ollessaan jo Mkwawan lukion opiskelija, hän kysyi professori Dennis Osbornen Dar es Salaamin yliopistokorkeakoulusta (koulun johtaja kutsui hänet pitämään luennon fysiikasta opiskelijoille) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä, niin että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laita ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi? Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutus on ns Mpemba vaikutus.

Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja.

Mpemba-ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen tämän kehon ja ympäristön väliseen lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa.

Tämä ei kuitenkaan vielä tarkoita paradoksia, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää myös tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:

Haihtuminen

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan ​​0 C:een jäähdytettynä.

Haihdutusvaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa pienennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.

lämpötilaero

Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - joten lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

hypotermia

Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:ssa.

Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä.

Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.

Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Kun kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tällöin aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.

Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän.

Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.

Konvektio

Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.

Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden enimmäistiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jäähtyminen on hitaampaa.

Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä veden kierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.

Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta olisi välttämätöntä olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerros eroavat toisistaan ​​ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila laskee alle 4 C.

Kuitenkaan ei ole olemassa kokeellista näyttöä tämän hypoteesin tueksi siitä, että kylmän ja kuuman veden kerrokset erotetaan toisistaan ​​konvektiolla.

veteen liuenneet kaasut

Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeassa lämpötilassa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappipakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumavesisäiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla.

Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100% Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu.

Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähdytetyn tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä.

Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan enemmän alijäähdytystä, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.

Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.

O. V. Mosin

Kirjallisuudenlähteet:

"Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Miksi se tekee niin?", Jearl Walker julkaisussa The Amateur Scientist, Scientific American, Voi. 237, nro 3, s. 246-257; syyskuuta, 1977.

"Kuuman ja kylmän veden jäätyminen", G.S. Kell julkaisussa American Journal of Physics, Voi. 37, nro. 5, s. 564-565; toukokuuta 1969.

"Supercooling and the Mpemba Effect", David Auerbach, American Journal of Physics, Voi. 63, nro. 10, s. 882-885; lokakuu, 1995.

"The Mpemba-ilmiö: kuuman ja kylmän veden jäätymisajat", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Voi. 64, nro. 5, s. 524; toukokuu, 1996.

Ilmiö, jossa kuuma vesi jähmettyy nopeammin kuin kylmä vesi, tunnetaan tieteessä nimellä Mpemba-ilmiö. Sellaiset suuret ihmiset kuin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes pohtivat tätä paradoksaalista ilmiötä, mutta vuosituhansien ajan kukaan ei ole vielä kyennyt tarjoamaan järkevää selitystä tälle ilmiölle.

Vasta vuonna 1963 Tanganyikan tasavallan koulupoika Erasto Mpemba huomasi tämän vaikutuksen jäätelön esimerkissä, mutta kukaan aikuisista ei antanut hänelle selitystä. Siitä huolimatta fyysikot ja kemistit ajattelivat vakavasti niin yksinkertaista, mutta niin käsittämätöntä ilmiötä.

Siitä lähtien on esitetty erilaisia ​​versioita, joista yksi oli seuraava: osa kuumasta vedestä yksinkertaisesti haihtuu ensin, ja sitten, kun pienempi määrä jää jäljelle, vesi jähmettyy nopeammin. Tästä versiosta tuli yksinkertaisuuden vuoksi suosituin, mutta tutkijat eivät olleet täysin tyytyväisiä.

Nyt Singaporen Nanyangin teknologisen yliopiston tutkijaryhmä, jota johtaa kemisti Xi Zhang, sanoo ratkaisseensa ikivanhan mysteerin, miksi lämmin vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Kuten kiinalaiset asiantuntijat selvittivät, salaisuus piilee vesimolekyylien välisissä vetysidoksissa varastoidun energian määrässä.

Kuten tiedät, vesimolekyylit koostuvat yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset, mikä hiukkastasolla näyttää elektronien vaihdolta. Toinen hyvin tunnettu tosiasia on, että vetyatomit houkuttelevat naapurimolekyylien happiatomeja - tämä muodostaa vetysidoksia.

Samaan aikaan vesimolekyylit kokonaisuutena hylkivät toisiaan. Singaporelaiset tutkijat huomasivat, että mitä lämpimämpää vesi on, sitä suurempi on nesteen molekyylien välinen etäisyys hylkimisvoimien lisääntymisen vuoksi. Tämän seurauksena vetysidokset venyvät ja varastoivat siten enemmän energiaa. Tämä energia vapautuu, kun vesi jäähtyy - molekyylit lähestyvät toisiaan. Ja energian paluu, kuten tiedät, tarkoittaa jäähdytystä.

Kuten kemistit kirjoittavat artikkelissaan, joka löytyy arXiv.org preprint -sivustolta, vetysidokset venyvät voimakkaammin kuumassa vedessä kuin kylmässä vedessä. Siten käy ilmi, että kuuman veden vetysidoksiin varastoituu enemmän energiaa, mikä tarkoittaa, että sitä vapautuu enemmän, kun se jäähtyy pakkaselle. Tästä syystä jäätyminen on nopeampaa.

Tähän mennessä tiedemiehet ovat ratkaisseet tämän arvoituksen vain teoreettisesti. Kun he esittävät vakuuttavia todisteita versiostaan, kysymystä siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, voidaan pitää suljettuna.

Vanhassa hyvässä kaavassa H 2 O näyttää siltä, ​​​​että salaisuuksia ei ole. Mutta itse asiassa vesi - elämän lähde ja tunnetuin neste maailmassa - on täynnä monia mysteereitä, joita joskus jopa tiedemiehet eivät pysty ratkaisemaan.

Tässä on 5 mielenkiintoisinta faktaa vedestä:

1. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi

Ota kaksi vesisäiliötä: kaada kuumaa vettä toiseen ja kylmää vettä toiseen ja laita ne pakastimeen. Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka loogisesti ajatellen kylmän veden olisi pitänyt muuttua ensin jääksi: kuuman veden pitää ensin jäähtyä kylmään ja sitten muuttua jääksi, kun taas kylmän veden ei tarvitse jäähtyä. Miksi tämä tapahtuu?

Vuonna 1963 Erasto B. Mpemba, ylioppilas Tansaniassa pakastaessaan valmistettua jäätelöseosta, huomasi, että kuuma seos kiinteytyi pakastimessa nopeammin kuin kylmä. Kun nuori mies jakoi löytönsä fysiikan opettajalle, hän vain nauroi hänelle. Onneksi opiskelija oli sinnikäs ja vakuutti opettajan suorittamaan kokeen, joka vahvisti hänen löytönsä: tietyissä olosuhteissa kuuma vesi todella jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Nyt tätä ilmiötä, jossa kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, kutsutaan Mpemba-ilmiöksi. Totta, kauan ennen häntä tämän ainutlaatuisen veden ominaisuuden panivat merkille Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Tutkijat eivät täysin ymmärrä tämän ilmiön luonnetta, vaan selittävät sen joko erolla hypotermiassa, haihtumisen, jään muodostumisen, konvektion tai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta kuumaan ja kylmään veteen.

Х.RU:n huomautus aiheeseen "Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi".

Koska jäähdytysongelmat ovat meitä, jäähdytysasiantuntijoita, lähempänä, syvennytään hieman tämän ongelman olemukseen ja annetaan kaksi mielipidettä tällaisen mystisen ilmiön luonteesta.

1. Washingtonin yliopiston tiedemies on tarjonnut selityksen Aristoteleen ajoilta tunnetulle mystiselle ilmiölle: miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.

Ilmiö, jota kutsutaan Mpemba-ilmiöksi, on laajalti käytössä käytännössä. Esimerkiksi asiantuntijat neuvovat autoilijoita kaatamaan kylmää vettä mieluummin kuin kuumaa vettä pesukoneen säiliöön talvella. Mutta mikä tämän ilmiön taustalla on, jäi tuntemattomaksi pitkään.

Tohtori Jonathan Katz Washingtonin yliopistosta tutki tätä ilmiötä ja totesi, että veteen liuenneilla aineilla on siinä tärkeä rooli, jotka saostuvat kuumennettaessa, raportoi EurekAlert.

Liuenneilla aineilla Dr. Katz tarkoittaa kovasta vedestä löytyviä kalsium- ja magnesiumbikarbonaatteja. Kun vettä kuumennetaan, nämä aineet saostuvat ja muodostavat kalkkia vedenkeittimen seinille. Vesi, jota ei ole koskaan lämmitetty, sisältää näitä epäpuhtauksia. Kun se jäätyy ja jääkiteitä muodostuu, epäpuhtauksien pitoisuus vedessä kasvaa 50-kertaiseksi. Tämä alentaa veden jäätymispistettä. "Ja nyt veden täytyy jäähtyä jäätyäkseen", selittää tohtori Katz.

On toinen syy, joka estää lämmittämättömän veden jäätymisen. Veden jäätymispisteen alentaminen pienentää kiinteän ja nestefaasin välistä lämpötilaeroa. "Koska nopeus, jolla vesi menettää lämpöä, riippuu tästä lämpötilaerosta, vesi, jota ei ole lämmitetty, jäähtyy vähemmän todennäköisesti", sanoo tohtori Katz.

Tiedemiehen mukaan hänen teoriaansa voidaan testata kokeellisesti, koska. Mpemba-ilmiö tulee voimakkaammaksi kovemmalla vedellä.

2. Happi plus vety ja kylmä muodostavat jäätä. Ensi silmäyksellä tämä läpinäkyvä aine näyttää hyvin yksinkertaiselta. Itse asiassa jää on täynnä monia mysteereitä. Afrikkalaisen Erasto Mpemban luoma jää ei ajatellut kunniaa. Päivät olivat kuumia. Hän halusi mehujää. Hän otti mehulaatikon ja laittoi sen pakastimeen. Hän teki tämän useammin kuin kerran ja huomasi siksi, että mehu jäätyy erityisen nopeasti, jos pidät sitä auringossa ennen sitä - lämmitä vain! Tämä on outoa, ajatteli tansanialainen koulupoika, joka toimi maallisen viisauden vastaisesti. Onko mahdollista, että jotta neste muuttuisi jääksi nopeammin, se on ensin ... lämmitettävä? Nuori mies oli niin yllättynyt, että hän kertoi arvauksensa opettajalle. Hän kertoi tästä uteliaisuudesta lehdistössä.

Tämä tarina tapahtui jo 1960-luvulla. Nyt "Mpemba-ilmiö" on tiedemiesten hyvin tiedossa. Mutta pitkään tämä näennäisesti yksinkertainen ilmiö pysyi mysteerinä. Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?

Vasta vuonna 1996 fyysikko David Auerbach löysi ratkaisun. Vastatakseen tähän kysymykseen hän suoritti koko vuoden kokeen: lämmitti vettä lasissa ja jäähdytti sen uudelleen. Mitä hän sitten sai selville? Kuumennettaessa veteen liuenneet ilmakuplat haihtuvat. Vesi, jossa ei ole kaasuja, jäätyy helpommin astian seinille. "Tietenkin vesi, jossa on paljon ilmaa, jäätyy myös", Auerbach sanoo, "mutta ei nollassa celsiusasteessa, vaan vain miinus neljästä kuuteen asteeseen." Tietysti joutuu odottamaan pidempään. Joten kuuma vesi jäätyy ennen kylmää vettä, tämä on tieteellinen tosiasia.

Tuskin on ainetta, joka ilmestyisi silmiemme eteen yhtä helposti kuin jää. Se koostuu vain vesimolekyyleistä - eli alkuainemolekyyleistä, jotka sisältävät kaksi vetyatomia ja yhden hapen. Jää on kuitenkin ehkä maailmankaikkeuden salaperäisin aine. Tiedemiehet eivät ole toistaiseksi pystyneet selittämään joitakin sen ominaisuuksia.

2. Superjäähdytys ja "flash" jäädytys

Kaikki tietävät, että vesi jäähtyy aina jäähtyessään 0 °C:seen... paitsi joissain tapauksissa! Tällainen tapaus on esimerkiksi "supercooling", joka on erittäin puhtaan veden ominaisuus pysyä nestemäisenä myös jäähtyneenä. Tämä ilmiö tulee mahdolliseksi, koska ympäristössä ei ole kiteytyskeskuksia tai ytimiä, jotka voisivat aiheuttaa jääkiteiden muodostumista. Ja niin vesi pysyy nestemäisessä muodossa, vaikka se jäähtyy alle nollan celsiusasteen lämpötiloihin. Kiteytysprosessin voivat laukaista esimerkiksi kaasukuplat, epäpuhtaudet (saasteet), säiliön epätasainen pinta. Ilman niitä vesi pysyy nestemäisessä tilassa. Kun kiteytysprosessi alkaa, voit seurata kuinka superjäähdytetty vesi muuttuu hetkessä jääksi.

Katso Phil Medinan (www.mrsciguy.com) video (2 901 Kb, 60 c) ja katso itse >>

Kommentti. Tulistettu vesi pysyy myös nestemäisenä, vaikka se kuumennetaan kiehumispisteensä yläpuolelle.

3. "Lasi" vesi

Nimeä nopeasti ja epäröimättä, kuinka monta eri tilaa vedellä on?

Jos vastasit kolmeen (kiinteä, nestemäinen, kaasu), olet väärässä. Tutkijat erottavat vähintään 5 erilaista nestemäistä vettä ja 14 jään tilaa.

Muistatko keskustelun superjäähdytteestä vedestä? Joten riippumatta siitä, mitä teet, -38 °C:ssa jopa puhtain superjäähdytetty vesi muuttuu yhtäkkiä jääksi. Mitä tapahtuu lisävähennyksen kanssa

lämpötila? -120 °C:ssa vedelle alkaa tapahtua jotain outoa: se muuttuu superviskoosiksi tai viskoosiksi, kuten melassi, ja alle -135 °C:n lämpötiloissa se muuttuu "lasimaiseksi" tai "lasimaiseksi" vedeksi - kiinteäksi aineeksi, jossa ei ole kiderakennetta.

4. Veden kvanttiominaisuudet

Molekyylitasolla vesi on vielä hämmästyttävämpää. Vuonna 1995 tutkijat suorittivat neutronien sironnan kokeen, joka antoi odottamattoman tuloksen: fyysikot havaitsivat, että vesimolekyyleihin suunnatut neutronit "näkevät" 25 % odotettua vähemmän vetyprotoneja.

Kävi ilmi, että yhden attosekunnin nopeudella (10 -18 sekuntia) tapahtuu epätavallinen kvanttivaikutus, ja veden kemiallisesta kaavasta tavallisen kaavan - H 2 O sijasta tulee H 1,5 O!

5. Onko vedellä muistia?

Vaihtoehtona perinteiselle lääketieteelle homeopatia väittää, että lääkevalmisteen laimealla liuoksella voi olla elimistöä parantava vaikutus, vaikka laimennuskerroin on niin suuri, ettei liuokseen jää muuta kuin vesimolekyylejä. Homeopatian kannattajat selittävät tämän paradoksin käsitteellä, jota kutsutaan "veden muistiksi", jonka mukaan vedellä molekyylitasolla on "muisti" aineesta, kun se on liuennut siihen ja säilyttää alkuperäisen pitoisuuden liuoksen ominaisuudet sen jälkeen, kun se on liuennut. ainesosan yksi molekyyli jää siihen.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johti professori Madeleine Ennis Belfastin Queen's Universitystä ja kritisoi homeopatian periaatteita, teki vuonna 2002 kokeen kumotakseen tämän käsityksen lopullisesti. Tulos oli päinvastainen. Sen jälkeen tutkijat sanoivat, että He pystyivät todistamaan "veden muistin" vaikutuksen todellisuuden. Riippumattomien asiantuntijoiden valvonnassa tehdyt kokeet eivät kuitenkaan tuottaneet tuloksia. Kiistat "veden muistin" ilmiön olemassaolosta jatkuvat.

Vedellä on monia muita epätavallisia ominaisuuksia, joita emme ole käsitelleet tässä artikkelissa.

Kirjallisuus.

1. 5 todella outoa asiaa vedestä / http://www.neatorama.com.
2. Veden mysteeri: Aristoteles-Mpemba-ilmiön teoria luotiin / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Elottoman luonnon salaisuudet. Maailmankaikkeuden salaperäisin aine / http://www.bibliotekar.ru.

Vuonna 1963 tansanialainen koulupoika nimeltä Erasto Mpemba esitti opettajalleen tyhmän kysymyksen - miksi lämmin jäätelö jäätyy nopeammin kuin kylmä jäätelö hänen pakastimessaan?

Erasto Mpemba opiskeli Magambin High Schoolissa Tansaniassa tekemässä käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen täytyi tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuumaa maitoa jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereiden maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.

Hän kääntyi fysiikan opettajan puoleen saadakseen selvennyksen, mutta hän vain nauroi opiskelijalle sanoen seuraavaa: "Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan Mpemban fysiikkaa." Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä.

Joka tapauksessa, ollessaan jo Mkwawa High Schoolin opiskelija, hän kysyi professori Dennis Osbornen Dar es Salaamin yliopistokorkeakoulusta (koulun johtaja kutsui luennoimaan opiskelijoille fysiikkaa) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä niin, että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laitat ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi?" Osborn kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeiden tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutusta kutsutaan Mpemba-ilmiöksi.

Oletko utelias tietämään, miksi näin tapahtuu? Vain muutama vuosi sitten tutkijat onnistuivat selittämään tämän ilmiön ...

Mpemba-ilmiö (Mpemba Paradox) on paradoksi, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyäkseen tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan.

Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes. Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja. Mpemba-ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen tämän kehon ja ympäristön väliseen lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa.

Siitä lähtien on esitetty erilaisia ​​versioita, joista yksi oli seuraava: osa kuumasta vedestä yksinkertaisesti haihtuu ensin, ja sitten, kun pienempi määrä jää jäljelle, vesi jähmettyy nopeammin. Tästä versiosta tuli yksinkertaisuuden vuoksi suosituin, mutta tutkijat eivät olleet täysin tyytyväisiä.

Nyt Singaporen Nanyangin teknologisen yliopiston tutkijaryhmä, jota johtaa kemisti Xi Zhang, sanoo ratkaisseensa ikivanhan mysteerin, miksi lämmin vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Kuten kiinalaiset asiantuntijat selvittivät, salaisuus piilee vesimolekyylien välisissä vetysidoksissa varastoidun energian määrässä.

Kuten tiedät, vesimolekyylit koostuvat yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset, mikä hiukkastasolla näyttää elektronien vaihdolta. Toinen hyvin tunnettu tosiasia on, että vetyatomit houkuttelevat happiatomeja viereisistä molekyyleistä - tässä tapauksessa muodostuu vetysidoksia.

Samaan aikaan vesimolekyylit kokonaisuutena hylkivät toisiaan. Singaporelaiset tutkijat huomasivat, että mitä lämpimämpää vesi on, sitä suurempi on nesteen molekyylien välinen etäisyys hylkimisvoimien lisääntymisen vuoksi. Tämän seurauksena vetysidokset venyvät ja varastoivat siten enemmän energiaa. Tämä energia vapautuu, kun vesi jäähtyy - molekyylit lähestyvät toisiaan. Ja energian paluu, kuten tiedät, tarkoittaa jäähdytystä.

Tässä ovat tutkijoiden esittämät hypoteesit:

Haihtuminen

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100°C:een kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan, kun se jäähdytetään 0°C:seen. Haihdutusvaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa pienennetään. Ja toiseksi, haihtumisen vuoksi sen lämpötila laskee.

lämpötilaero

Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - siksi lämmönsiirto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

hypotermia
Kun vesi jäähdytetään alle 0°C, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20°C:ssa. Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä. Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina. Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Jos kylmää vettä ei ole alijäähdytetty, sen pinnalle muodostuu ohut jääkerros, joka toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää siten haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi. Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän. Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.
Konvektio

Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta. Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden suurin tiheys on 4°C. Jos jäähdytät veden 4 °C:seen ja asetat sen ympäristöön, jossa lämpötila on alhaisempi, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu hetkeksi ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, joiden lämpötila pysyy 4°C:ssa. Siksi jatkojäähdytysprosessi on hitaampi. Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suurempien lämpötilaerojen vuoksi. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä veden kierto varmistaa nopean lämpötilan laskun. Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi konvektion näkökulmasta pitäisi olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerros eroavat toisistaan ​​ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila on laskenut alle 4°C. Kuitenkaan ei ole olemassa kokeellista näyttöä tämän hypoteesin tueksi siitä, että kylmän ja kuuman veden kerrokset erotetaan toisistaan ​​konvektiolla.

veteen liuenneet kaasut

Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeassa lämpötilassa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappipakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumavesisäiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla. Kaikkia näitä (samoin kuin muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100 % Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu. Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähtyneen tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä. Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan enemmän alijäähdytystä, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu. Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu merkittävästi olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.

Ja tässä todennäköisin syy.

Kuten kemistit kirjoittavat artikkelissaan, joka löytyy arXiv.org preprint -sivustolta, vetysidokset venyvät voimakkaammin kuumassa vedessä kuin kylmässä vedessä. Siten käy ilmi, että kuuman veden vetysidoksiin varastoituu enemmän energiaa, mikä tarkoittaa, että sitä vapautuu enemmän, kun se jäähtyy pakkaselle. Tästä syystä jäätyminen on nopeampaa.

Tähän mennessä tiedemiehet ovat ratkaisseet tämän arvoituksen vain teoreettisesti. Kun he esittävät vakuuttavia todisteita versiostaan, kysymystä siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, voidaan pitää suljettuna.