21.11.2017 11.10.2018 एलेक्ज़ेंडर फ़िरत्सेव
« कौन सा पानी तेजी से ठंडा या गर्म जमता है?”- अपने दोस्तों से एक सवाल पूछने की कोशिश करें, सबसे अधिक संभावना है कि उनमें से अधिकांश इसका जवाब देंगे कि ठंडा पानी तेजी से जमता है - और गलती करें।
वास्तव में, यदि आप एक ही आकार और आयतन के दो बर्तन एक साथ फ्रीजर में रखते हैं, जिनमें से एक में ठंडा पानी होगा और दूसरे में गर्म, तो गर्म पानी तेजी से जम जाएगा।
ऐसा बयान बेतुका और अनुचित लग सकता है। तार्किक रूप से, गर्म पानी को पहले ठंडे तापमान पर ठंडा करना चाहिए, और इस समय ठंडा पानी पहले से ही बर्फ में बदल जाना चाहिए।
तो जमने के रास्ते में गर्म पानी ठंडे पानी से आगे क्यों निकल जाता है? आइए इसे जानने की कोशिश करते हैं।
अवलोकन और अनुसंधान का इतिहास
लोगों ने प्राचीन काल से विरोधाभासी प्रभाव देखा है, लेकिन किसी ने भी इसे ज्यादा महत्व नहीं दिया। इसलिए ठंडे और गर्म पानी के जमने की दर में विसंगतियों को उनके नोट्स में एरेस्टोटेल, साथ ही रेने डेसकार्टेस और फ्रांसिस बेकन द्वारा नोट किया गया था। एक असामान्य घटना अक्सर रोजमर्रा की जिंदगी में ही प्रकट होती है।
लंबे समय तक, इस घटना का किसी भी तरह से अध्ययन नहीं किया गया था और वैज्ञानिकों के बीच ज्यादा दिलचस्पी पैदा नहीं हुई थी।
असामान्य प्रभाव का अध्ययन 1963 में शुरू हुआ, जब तंजानिया के एक जिज्ञासु छात्र, एरास्टो मपेम्बा ने देखा कि आइसक्रीम के लिए गर्म दूध ठंडे दूध की तुलना में तेजी से जमता है। असामान्य प्रभाव के कारणों की व्याख्या पाने की आशा में, युवक ने स्कूल में अपने भौतिकी शिक्षक से पूछा। हालाँकि, शिक्षक केवल उस पर हँसे।
बाद में, Mpemba ने प्रयोग दोहराया, लेकिन अपने प्रयोग में उन्होंने अब दूध नहीं, बल्कि पानी का उपयोग किया, और विरोधाभासी प्रभाव फिर से दोहराया गया।
छह साल बाद, 1969 में, Mpemba ने यह सवाल भौतिकी के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न से पूछा, जो उनके स्कूल में आए थे। प्रोफेसर युवक के अवलोकन में रुचि रखते थे, परिणामस्वरूप, एक प्रयोग किया गया था जिसने प्रभाव की उपस्थिति की पुष्टि की, लेकिन इस घटना के कारणों को स्थापित नहीं किया गया था।
तब से, इस घटना को कहा जाता है Mpemba प्रभाव.
वैज्ञानिक टिप्पणियों के पूरे इतिहास में, घटना के कारणों के बारे में कई परिकल्पनाओं को सामने रखा गया है।
इसलिए 2012 में, ब्रिटिश रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री ने Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने के लिए परिकल्पनाओं की एक प्रतियोगिता की घोषणा की। प्रतियोगिता में दुनिया भर के वैज्ञानिकों ने भाग लिया, कुल 22,000 वैज्ञानिक पत्र पंजीकृत किए गए। इतनी प्रभावशाली संख्या में लेखों के बावजूद, उनमें से किसी ने भी Mpemba विरोधाभास को स्पष्ट नहीं किया।
सबसे आम संस्करण था जिसके अनुसार, गर्म पानी तेजी से जम जाता है, क्योंकि यह बस तेजी से वाष्पित हो जाता है, इसकी मात्रा कम हो जाती है, और जैसे-जैसे मात्रा घटती जाती है, इसकी शीतलन दर बढ़ती जाती है। सबसे आम संस्करण का अंततः खंडन किया गया था, क्योंकि एक प्रयोग किया गया था जिसमें वाष्पीकरण को बाहर रखा गया था, लेकिन फिर भी प्रभाव की पुष्टि की गई थी।
अन्य वैज्ञानिकों का मानना था कि Mpemba प्रभाव का कारण पानी में घुली गैसों का वाष्पीकरण है। उनकी राय में, हीटिंग प्रक्रिया के दौरान, पानी में घुलने वाली गैसें वाष्पित हो जाती हैं, जिसके कारण यह ठंडे पानी की तुलना में अधिक घनत्व प्राप्त कर लेता है। जैसा कि ज्ञात है, घनत्व में वृद्धि से पानी के भौतिक गुणों (तापीय चालकता में वृद्धि) में परिवर्तन होता है, और इसलिए शीतलन दर में वृद्धि होती है।
इसके अलावा, कई परिकल्पनाओं को सामने रखा गया है जो तापमान के एक कार्य के रूप में पानी के संचलन की दर का वर्णन करती हैं। कई अध्ययनों में, कंटेनरों की सामग्री के बीच संबंध स्थापित करने का प्रयास किया गया था जिसमें तरल स्थित था। कई सिद्धांत बहुत प्रशंसनीय लग रहे थे, लेकिन प्रारंभिक डेटा की कमी, अन्य प्रयोगों में विरोधाभासों या इस तथ्य के कारण वैज्ञानिक रूप से पुष्टि नहीं की जा सकी कि पहचाने गए कारक पानी के ठंडा होने की दर के साथ तुलनीय नहीं थे। कुछ वैज्ञानिकों ने अपने कार्यों में प्रभाव के अस्तित्व पर सवाल उठाया।
2013 में, सिंगापुर में नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने दावा किया कि उन्होंने Mpemba प्रभाव के रहस्य को सुलझा लिया है। उनके अध्ययन के अनुसार, घटना का कारण यह है कि ठंडे और गर्म पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा में काफी अंतर होता है।
कंप्यूटर सिमुलेशन विधियों ने निम्नलिखित परिणाम दिखाए हैं: पानी का तापमान जितना अधिक होता है, अणुओं के बीच की दूरी उतनी ही अधिक होती है क्योंकि प्रतिकारक बल बढ़ते हैं। नतीजतन, अणुओं के हाइड्रोजन बांड खिंच जाते हैं, अधिक ऊर्जा का भंडारण करते हैं। ठंडा होने पर, अणु एक दूसरे के पास जाने लगते हैं, हाइड्रोजन बांड से ऊर्जा छोड़ते हैं। इस मामले में, ऊर्जा की रिहाई तापमान में कमी के साथ होती है।
अक्टूबर 2017 में, स्पेनिश भौतिकविदों ने एक अन्य अध्ययन के दौरान पाया कि यह संतुलन से पदार्थ को हटाने (मजबूत शीतलन से पहले मजबूत हीटिंग) है जो प्रभाव के गठन में एक बड़ी भूमिका निभाता है। उन्होंने उन स्थितियों को निर्धारित किया जिनके तहत प्रभाव की संभावना अधिकतम है। इसके अलावा, स्पेन के वैज्ञानिकों ने रिवर्स Mpemba प्रभाव के अस्तित्व की पुष्टि की है। उन्होंने पाया कि गर्म होने पर, ठंडा नमूना गर्म तापमान की तुलना में उच्च तापमान तक तेजी से पहुंच सकता है।
संपूर्ण जानकारी और कई प्रयोगों के बावजूद, वैज्ञानिक प्रभाव का अध्ययन जारी रखने का इरादा रखते हैं।
वास्तविक जीवन में Mpemba प्रभाव
क्या आपने कभी सोचा है कि सर्दियों में बर्फ की रिंक गर्म पानी से भरी क्यों होती है, ठंडी क्यों नहीं? जैसा कि आप पहले ही समझ चुके हैं, वे ऐसा इसलिए करते हैं क्योंकि गर्म पानी से भरा स्केटिंग रिंक ठंडे पानी से भरे होने की तुलना में तेजी से जम जाएगा। इसी कारण से, सर्दियों के बर्फीले शहरों में गर्म पानी के साथ स्लाइड डाली जाती है।
इस प्रकार, घटना के अस्तित्व के बारे में ज्ञान लोगों को शीतकालीन खेलों के लिए साइट तैयार करते समय समय बचाने की अनुमति देता है।
इसके अलावा, कभी-कभी उद्योग में Mpemba प्रभाव का उपयोग किया जाता है - उत्पादों, पदार्थों और पानी युक्त सामग्री के ठंड के समय को कम करने के लिए।
Mpemba प्रभाव(एमपेम्बा विरोधाभास) - एक विरोधाभास जो बताता है कि कुछ शर्तों के तहत गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है, हालांकि इसे ठंड की प्रक्रिया में ठंडे पानी के तापमान को पार करना होगा। यह विरोधाभास एक प्रायोगिक तथ्य है जो सामान्य विचारों का खंडन करता है, जिसके अनुसार, समान परिस्थितियों में, एक गर्म शरीर को एक निश्चित तापमान तक ठंडा होने के लिए एक ठंडे शरीर की तुलना में एक ही तापमान पर ठंडा होने के लिए अधिक समय की आवश्यकता होती है।
इस घटना को उस समय अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस द्वारा देखा गया था, लेकिन केवल 1963 में, तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा ने पाया कि एक गर्म आइसक्रीम का मिश्रण ठंडे की तुलना में तेजी से जमता है।
एरास्टो मपेम्बा तंजानिया के मैगम्बिन हाई स्कूल में खाना पकाने का व्यावहारिक काम करने वाला छात्र था। उसे घर की बनी आइसक्रीम बनानी थी - दूध उबालें, उसमें चीनी घोलें, उसे कमरे के तापमान पर ठंडा करें और फिर उसे जमने के लिए फ्रिज में रख दें। जाहिरा तौर पर, Mpemba एक विशेष रूप से मेहनती छात्र नहीं था और असाइनमेंट के पहले भाग में विलंबित था। इस डर से कि पाठ के अंत तक वह समय पर नहीं पहुंचेगा, उसने अभी भी गर्म दूध को फ्रिज में रख दिया। उनके आश्चर्य के लिए, यह उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया, जो एक दी गई तकनीक के अनुसार तैयार किया गया था।
उसके बाद, Mpemba ने न केवल दूध के साथ, बल्कि साधारण पानी के साथ भी प्रयोग किया। किसी भी मामले में, पहले से ही मकवावा हाई स्कूल में एक छात्र होने के नाते, उन्होंने दार एस सलाम (स्कूल के निदेशक द्वारा छात्रों को भौतिकी पर व्याख्यान देने के लिए आमंत्रित) में यूनिवर्सिटी कॉलेज के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न से पानी के बारे में पूछा: "अगर आप दो समान कंटेनरों को समान मात्रा में पानी के साथ लेते हैं ताकि उनमें से एक में पानी का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस हो, और दूसरे में - 100 डिग्री सेल्सियस, और उन्हें फ्रीजर में रख दें, फिर दूसरे में पानी जम जाएगा तेज। क्यों? ओसबोर्न को इस मुद्दे में दिलचस्पी हो गई और जल्द ही 1969 में, Mpemba के साथ, उन्होंने "भौतिकी शिक्षा" पत्रिका में अपने प्रयोगों के परिणाम प्रकाशित किए। तब से, उन्होंने जो प्रभाव खोजा उसे कहा जाता है Mpemba प्रभाव.
अब तक, कोई नहीं जानता कि इस अजीब प्रभाव को कैसे समझाया जाए। वैज्ञानिकों के पास एक भी संस्करण नहीं है, हालांकि कई हैं। यह सब गर्म और ठंडे पानी के गुणों में अंतर के बारे में है, लेकिन यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि इस मामले में कौन से गुण भूमिका निभाते हैं: सुपरकूलिंग, वाष्पीकरण, बर्फ गठन, संवहन, या पानी पर तरलीकृत गैसों के प्रभाव में अंतर विभिन्न तापमान।
Mpemba प्रभाव का विरोधाभास यह है कि जिस समय के दौरान शरीर परिवेश के तापमान तक ठंडा हो जाता है, वह इस शरीर और पर्यावरण के बीच तापमान अंतर के समानुपाती होना चाहिए। यह नियम न्यूटन द्वारा स्थापित किया गया था और तब से व्यवहार में कई बार इसकी पुष्टि की गई है। उसी प्रभाव में, 100°C पर पानी 35°C पर समान मात्रा में पानी की तुलना में 0°C तक तेजी से ठंडा होता है।
हालाँकि, यह अभी तक एक विरोधाभास नहीं दर्शाता है, क्योंकि Mpemba प्रभाव को ज्ञात भौतिकी के भीतर भी समझाया जा सकता है। यहाँ Mpemba प्रभाव के लिए कुछ स्पष्टीकरण दिए गए हैं:
वाष्पीकरण
गर्म पानी कंटेनर से तेजी से वाष्पित हो जाता है, जिससे इसकी मात्रा कम हो जाती है, और समान तापमान वाले पानी की थोड़ी मात्रा तेजी से जम जाती है। 100 C तक गर्म किया गया पानी 0 C तक ठंडा होने पर अपने द्रव्यमान का 16% खो देता है।
वाष्पीकरण प्रभाव दोहरा प्रभाव है। सबसे पहले, ठंडा करने के लिए आवश्यक पानी का द्रव्यमान कम किया जाता है। और दूसरी बात, तापमान कम हो जाता है क्योंकि पानी के चरण से वाष्प चरण में संक्रमण के वाष्पीकरण की गर्मी कम हो जाती है।
तापमान अंतराल
इस तथ्य के कारण कि गर्म पानी और ठंडी हवा के बीच तापमान का अंतर अधिक होता है - इसलिए इस मामले में गर्मी का आदान-प्रदान अधिक तीव्र होता है और गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है।
अल्प तपावस्था
जब पानी को 0C से नीचे ठंडा किया जाता है, तो यह हमेशा जमता नहीं है। कुछ शर्तों के तहत, यह हिमांक बिंदु से नीचे के तापमान पर तरल बने रहने के दौरान सुपरकूलिंग से गुजर सकता है। कुछ मामलों में, पानी -20 डिग्री सेल्सियस पर भी तरल रह सकता है।
इस प्रभाव का कारण यह है कि पहले बर्फ के क्रिस्टल बनने के लिए क्रिस्टल बनने के केंद्रों की आवश्यकता होती है। यदि वे तरल पानी में नहीं हैं, तो सुपरकूलिंग तब तक जारी रहेगी जब तक कि तापमान इतना कम न हो जाए कि क्रिस्टल अनायास बनने लगें। जब वे सुपरकूल्ड तरल में बनना शुरू करते हैं, तो वे तेजी से बढ़ना शुरू कर देंगे, जिससे एक बर्फ का टुकड़ा बन जाएगा जो बर्फ बनाने के लिए जम जाएगा।
गर्म पानी हाइपोथर्मिया के लिए अतिसंवेदनशील होता है क्योंकि इसे गर्म करने से घुली हुई गैसें और बुलबुले समाप्त हो जाते हैं, जो बदले में बर्फ के क्रिस्टल के निर्माण के लिए केंद्र के रूप में काम कर सकते हैं।
हाइपोथर्मिया गर्म पानी को तेजी से जमने का कारण क्यों बनता है? ठंडे पानी के मामले में, जो सुपरकूल्ड नहीं है, निम्नलिखित होता है। ऐसे में बर्तन की सतह पर बर्फ की एक पतली परत बन जाएगी। बर्फ की यह परत पानी और ठंडी हवा के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करेगी और आगे वाष्पीकरण को रोकेगी। इस स्थिति में बर्फ के क्रिस्टल बनने की दर कम होगी। गर्म पानी के उप-शीतलन के मामले में, उप-ठंडा पानी में बर्फ की सुरक्षात्मक सतह परत नहीं होती है। इसलिए, खुले शीर्ष के माध्यम से यह बहुत तेजी से गर्मी खो देता है।
जब सुपरकूलिंग प्रक्रिया समाप्त हो जाती है और पानी जम जाता है, तो बहुत अधिक गर्मी खो जाती है और इसलिए अधिक बर्फ बनती है।
इस आशय के कई शोधकर्ता हाइपोथर्मिया को Mpemba प्रभाव के मामले में मुख्य कारक मानते हैं।
कंवेक्शन
ठंडा पानी ऊपर से जमने लगता है, जिससे गर्मी विकिरण और संवहन की प्रक्रिया बिगड़ जाती है, और इसलिए गर्मी का नुकसान होता है, जबकि गर्म पानी नीचे से जमने लगता है।
इस प्रभाव को पानी के घनत्व में एक विसंगति द्वारा समझाया गया है। पानी का अधिकतम घनत्व 4 C होता है। यदि आप पानी को 4 C तक ठंडा करते हैं और इसे कम तापमान पर रखते हैं, तो पानी की सतह की परत तेजी से जम जाएगी। चूँकि यह पानी 4°C पर पानी की तुलना में कम घना होता है, यह सतह पर रहेगा, जिससे एक पतली ठंडी परत बन जाएगी। इन परिस्थितियों में पानी की सतह पर थोड़े समय के लिए बर्फ की एक पतली परत बनेगी, लेकिन बर्फ की यह परत पानी की निचली परतों की रक्षा करने वाले एक इन्सुलेटर के रूप में काम करेगी, जो 4 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर रहेगी। इसलिए , आगे शीतलन धीमा होगा।
गर्म पानी के मामले में, स्थिति बिल्कुल अलग है। वाष्पीकरण और अधिक तापमान अंतर के कारण पानी की सतह की परत अधिक तेज़ी से ठंडी होगी। इसके अलावा, ठंडे पानी की परतें गर्म पानी की परतों की तुलना में घनी होती हैं, इसलिए ठंडे पानी की परत नीचे गिर जाएगी, जिससे गर्म पानी की परत सतह पर आ जाएगी। पानी का यह संचलन तापमान में तेजी से गिरावट सुनिश्चित करता है।
लेकिन यह प्रक्रिया संतुलन बिंदु तक क्यों नहीं पहुंच पाती है? संवहन के इस दृष्टिकोण से Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने के लिए, यह मान लेना आवश्यक होगा कि पानी की ठंडी और गर्म परतें अलग हो जाती हैं और औसत पानी का तापमान 4 C से नीचे जाने के बाद भी संवहन प्रक्रिया जारी रहती है।
हालांकि, इस परिकल्पना का समर्थन करने के लिए कोई प्रयोगात्मक सबूत नहीं है कि ठंडे और गर्म पानी की परतें संवहन द्वारा अलग हो जाती हैं।
पानी में घुली गैसें
पानी में हमेशा घुली हुई गैसें होती हैं - ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड। इन गैसों में पानी के हिमांक को कम करने की क्षमता होती है। जब पानी को गर्म किया जाता है, तो ये गैसें पानी से निकल जाती हैं क्योंकि उच्च तापमान पर पानी में इनकी घुलनशीलता कम होती है। इसलिए, जब गर्म पानी को ठंडा किया जाता है, तो उसमें हमेशा बिना गर्म किए ठंडे पानी की तुलना में कम घुलने वाली गैसें होती हैं। इसलिए, गर्म पानी का हिमांक अधिक होता है और यह तेजी से जम जाता है। इस कारक को कभी-कभी Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने में मुख्य माना जाता है, हालांकि इस तथ्य की पुष्टि करने वाले कोई प्रयोगात्मक डेटा नहीं हैं।
ऊष्मीय चालकता
जब पानी छोटे कंटेनरों में रेफ्रिजरेटर फ्रीजर में रखा जाता है तो यह तंत्र महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। इन परिस्थितियों में, यह देखा गया है कि गर्म पानी वाला कंटेनर फ्रीजर की बर्फ को अपने नीचे पिघला देता है, जिससे फ्रीजर की दीवार और तापीय चालकता के साथ थर्मल संपर्क में सुधार होता है। नतीजतन, ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी के कंटेनर से गर्मी तेजी से निकल जाती है। बदले में, ठंडे पानी वाला कंटेनर इसके नीचे बर्फ नहीं पिघलाता है।
इन सभी (साथ ही अन्य) स्थितियों का कई प्रयोगों में अध्ययन किया गया है, लेकिन इस सवाल का स्पष्ट जवाब नहीं मिला है - इनमें से कौन Mpemba प्रभाव का 100% पुनरुत्पादन प्रदान करता है - प्राप्त नहीं हुआ है।
इसलिए, उदाहरण के लिए, 1995 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी डेविड ऑरबैक ने इस प्रभाव पर पानी के सुपरकूलिंग के प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि गर्म पानी, सुपरकूल्ड अवस्था में पहुँचकर, ठंडे पानी की तुलना में अधिक तापमान पर जम जाता है, और इसलिए बाद वाले की तुलना में तेज़ होता है। लेकिन ठंडा पानी गर्म पानी की तुलना में सुपरकूल्ड अवस्था में तेजी से पहुंचता है, जिससे पिछले अंतराल की भरपाई हो जाती है।
इसके अलावा, Auerbach के परिणामों ने पहले के आंकड़ों का खंडन किया कि गर्म पानी कम क्रिस्टलीकरण केंद्रों के कारण अधिक सुपरकूलिंग प्राप्त करने में सक्षम है। जब पानी को गर्म किया जाता है तो उसमें घुली गैसें उसमें से निकल जाती हैं और जब इसे उबाला जाता है तो इसमें घुले कुछ लवण अवक्षेपित हो जाते हैं।
अब तक, केवल एक ही बात पर जोर दिया जा सकता है - इस प्रभाव का पुनरुत्पादन अनिवार्य रूप से उन परिस्थितियों पर निर्भर करता है जिनके तहत प्रयोग किया जाता है। ठीक है क्योंकि यह हमेशा पुन: उत्पन्न नहीं होता है।
ओ वी मोसिन
साहित्यिकसूत्रों का कहना है:
"ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी तेजी से जमता है। ऐसा क्यों करता है?", द एमेच्योर साइंटिस्ट, साइंटिफिक अमेरिकन, वॉल्यूम में जेरल वॉकर। 237, नहीं। 3, पीपी. 246-257; सितंबर, 1977.
"द फ्रीजिंग ऑफ हॉट एंड कोल्ड वाटर", G।एस। अमेरिकन जर्नल ऑफ फिजिक्स, वॉल्यूम में केल। 37, नहीं। 5, पीपी. 564-565; मई 1969.
"सुपरकूलिंग एंड द मपेम्बा इफेक्ट", डेविड ऑरबैक, अमेरिकन जर्नल ऑफ फिजिक्स, वॉल्यूम में। 63, नहीं। 10, पीपी. 882-885; अक्टूबर, 1995.
"द मेम्पेबा इफेक्ट: द फ्रीजिंग टाइम्स ऑफ हॉट एंड कोल्ड वॉटर", चार्ल्स ए नाइट, अमेरिकन जर्नल ऑफ फिजिक्स, वॉल्यूम में। 64, नहीं। 5, पृष्ठ 524; मई, 1996.
ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी के तेजी से जमने की घटना को विज्ञान में Mpemba प्रभाव के रूप में जाना जाता है। अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस जैसे महान दिमागों ने इस विरोधाभासी घटना पर विचार किया, लेकिन सदियों से कोई भी इस घटना के लिए उचित स्पष्टीकरण देने में सक्षम नहीं है।
केवल 1963 में, तांगानिका गणराज्य के एक स्कूली छात्र, एरास्टो मपेम्बा ने आइसक्रीम के उदाहरण पर इस प्रभाव को देखा, लेकिन किसी भी वयस्क ने उसे स्पष्टीकरण नहीं दिया। फिर भी, भौतिकविदों और रसायनज्ञों ने इस तरह की एक सरल, लेकिन इतनी समझ से बाहर होने वाली घटना के बारे में गंभीरता से सोचा।
तब से, अलग-अलग संस्करण व्यक्त किए गए हैं, जिनमें से एक इस प्रकार था: गर्म पानी का हिस्सा बस पहले वाष्पित हो जाता है, और फिर, जब थोड़ी मात्रा में रहता है, तो पानी तेजी से जम जाता है। यह संस्करण, इसकी सादगी के कारण, सबसे लोकप्रिय हो गया, लेकिन वैज्ञानिक पूरी तरह से संतुष्ट नहीं थे।
अब रसायनज्ञ शी झांग के नेतृत्व में सिंगापुर में नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम का कहना है कि उन्होंने सदियों पुराने रहस्य को सुलझा लिया है कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है। जैसा कि चीनी विशेषज्ञों ने पाया, रहस्य पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा में निहित है।
जैसा कि आप जानते हैं, पानी के अणु एक ऑक्सीजन परमाणु और दो हाइड्रोजन परमाणुओं से बने होते हैं, जो सहसंयोजक बंधों से जुड़े होते हैं, जो कण स्तर पर इलेक्ट्रॉनों के आदान-प्रदान की तरह दिखते हैं। एक अन्य सर्वविदित तथ्य यह है कि हाइड्रोजन परमाणु पड़ोसी अणुओं से ऑक्सीजन परमाणुओं की ओर आकर्षित होते हैं - इससे हाइड्रोजन बंध बनते हैं।
इसी समय, पानी के अणु समग्र रूप से एक दूसरे को पीछे हटाते हैं। सिंगापुर के वैज्ञानिकों ने देखा कि पानी जितना गर्म होता है, प्रतिकारक बलों में वृद्धि के कारण तरल के अणुओं के बीच की दूरी उतनी ही अधिक होती है। नतीजतन, हाइड्रोजन बांड खिंच जाते हैं, और इसलिए अधिक ऊर्जा जमा करते हैं। यह ऊर्जा तब निकलती है जब पानी ठंडा हो जाता है - अणु एक दूसरे के पास पहुंचते हैं। और ऊर्जा की वापसी, जैसा कि आप जानते हैं, का अर्थ है शीतलन।
जैसा कि केमिस्ट अपने लेख में लिखते हैं, जो arXiv.org प्रीप्रिंट साइट पर पाया जा सकता है, हाइड्रोजन बांड ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी में अधिक मजबूती से फैले होते हैं। इस प्रकार, यह पता चला है कि गर्म पानी के हाइड्रोजन बांड में अधिक ऊर्जा जमा होती है, जिसका अर्थ है कि उप-शून्य तापमान तक ठंडा होने पर इसका अधिक भाग निकलता है। इस वजह से ठंड ज्यादा तेज होती है।
आज तक, वैज्ञानिकों ने इस पहेली को केवल सैद्धांतिक रूप से हल किया है। जब वे अपने संस्करण के पुख्ता सबूत पेश करते हैं, तो इस सवाल को बंद माना जा सकता है कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है।
अच्छे पुराने फॉर्मूला एच 2 ओ में ऐसा लगता है कि कोई रहस्य नहीं है। लेकिन वास्तव में, पानी - जीवन का स्रोत और दुनिया में सबसे प्रसिद्ध तरल - कई रहस्यों से भरा है जिसे कभी-कभी वैज्ञानिक भी नहीं सुलझा पाते हैं।
यहाँ पानी के बारे में 5 सबसे दिलचस्प तथ्य हैं:
1. गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है
पानी के दो कंटेनर लें: एक में गर्म पानी और दूसरे में ठंडा पानी डालें और उन्हें फ्रीजर में रख दें। गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जम जाएगा, हालांकि तार्किक रूप से, ठंडे पानी को पहले बर्फ में बदलना चाहिए था: आखिरकार, गर्म पानी को पहले ठंडे तापमान पर ठंडा करना चाहिए, और फिर बर्फ में बदलना चाहिए, जबकि ठंडे पानी को ठंडा करने की आवश्यकता नहीं है। ऐसा क्यों हो रहा है?
1963 में, तंजानिया में हाई स्कूल के एक वरिष्ठ छात्र, एरास्टो बी। मपेम्बा ने तैयार आइसक्रीम मिश्रण को फ्रीज करते हुए देखा कि गर्म मिश्रण ठंडे की तुलना में फ्रीजर में तेजी से जमता है। जब युवक ने अपनी खोज एक भौतिकी शिक्षक के साथ साझा की, तो वह केवल उस पर हंसा। सौभाग्य से, छात्र लगातार था और शिक्षक को एक प्रयोग करने के लिए मना लिया, जिसने उसकी खोज की पुष्टि की: कुछ शर्तों के तहत, गर्म पानी वास्तव में ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जम जाता है।
अब गर्म पानी के ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमने की इस घटना को Mpemba effect कहा जाता है। सच है, उससे बहुत पहले, पानी की इस अनूठी संपत्ति को अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने नोट किया था।
वैज्ञानिक इस घटना की प्रकृति को पूरी तरह से समझ नहीं पाते हैं, इसे या तो हाइपोथर्मिया, वाष्पीकरण, बर्फ गठन, संवहन, या गर्म और ठंडे पानी पर तरलीकृत गैसों के प्रभाव में अंतर से समझाते हैं।
.RU से "ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी तेजी से जमता है" विषय पर ध्यान दें।
चूंकि शीतलन के मुद्दे हमारे करीब हैं, प्रशीतन विशेषज्ञ, आइए हम इस समस्या के सार में थोड़ा गहराई से उतरें और इस तरह की रहस्यमय घटना की प्रकृति के बारे में दो राय दें।
1. वाशिंगटन विश्वविद्यालय के एक वैज्ञानिक ने अरस्तू के समय से ज्ञात एक रहस्यमयी घटना के लिए स्पष्टीकरण की पेशकश की है: क्यों गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है।
Mpemba प्रभाव नामक घटना, व्यवहार में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। उदाहरण के लिए, विशेषज्ञ मोटर चालकों को सर्दियों में वॉशर जलाशय में गर्म पानी के बजाय ठंडा डालने की सलाह देते हैं। लेकिन इस घटना का आधार क्या है, यह लंबे समय तक अज्ञात रहा।
वाशिंगटन विश्वविद्यालय के डॉ. जोनाथन काट्ज़ ने इस घटना की जांच की और निष्कर्ष निकाला कि पानी में घुलने वाले पदार्थ इसमें एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जो गर्म होने पर अवक्षेपित हो जाते हैं, यूरेक अलर्ट की रिपोर्ट।
विलेय से, डॉ. काट्ज़ का अर्थ है कठोर जल में पाए जाने वाले कैल्शियम और मैग्नीशियम बाइकार्बोनेट। जब पानी को गर्म किया जाता है, तो ये पदार्थ केतली की दीवारों पर स्केल बनाते हुए अवक्षेपित हो जाते हैं। जिस पानी को कभी गर्म नहीं किया गया है उसमें ये अशुद्धियाँ होती हैं। जैसे-जैसे यह जमता है और बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं, पानी में अशुद्धियों की सांद्रता 50 गुना बढ़ जाती है। इससे पानी का हिमांक कम हो जाता है। "और अब पानी को जमने के लिए ठंडा करना पड़ता है," डॉ. काट्ज़ बताते हैं।
एक दूसरा कारण है जो बिना गर्म किए पानी को जमने से रोकता है। पानी के हिमांक को कम करने से ठोस और तरल चरणों के बीच तापमान का अंतर कम हो जाता है। "चूंकि जिस दर पर पानी गर्मी खो देता है वह इस तापमान अंतर पर निर्भर करता है, जो पानी गर्म नहीं किया गया है वह खराब हो जाता है," डॉ। काट्ज़ टिप्पणी करते हैं।
वैज्ञानिक के अनुसार, उनके सिद्धांत को प्रयोगात्मक रूप से परखा जा सकता है, क्योंकि। कठोर जल के लिए Mpemba प्रभाव अधिक स्पष्ट हो जाता है।
2. ऑक्सीजन प्लस हाइड्रोजन प्लस कोल्ड बर्फ बनाता है। पहली नज़र में, यह पारदर्शी पदार्थ बहुत सरल लगता है। दरअसल, बर्फ कई रहस्यों से भरी हुई है। अफ्रीकी एरास्टो मपेम्बा द्वारा बनाई गई बर्फ ने महिमा के बारे में नहीं सोचा था। दिन गर्म थे। वह पॉप्सिकल्स चाहता था। उसने जूस का एक कार्टन लिया और फ्रीजर में रख दिया। उन्होंने इसे एक से अधिक बार किया और इसलिए देखा कि रस विशेष रूप से जल्दी जम जाता है, यदि आप इसे इससे पहले धूप में रखते हैं - बस इसे गर्म करें! यह अजीब है, तंजानिया के स्कूली छात्र ने सोचा, जिसने सांसारिक ज्ञान के विपरीत काम किया। क्या यह संभव है कि तरल को तेजी से बर्फ में बदलने के लिए, इसे पहले गर्म किया जाना चाहिए? युवक इतना हैरान हुआ कि उसने शिक्षक के साथ अपना अनुमान साझा किया। उन्होंने प्रेस में इस जिज्ञासा की सूचना दी।
यह कहानी 1960 के दशक की है। अब "मपेम्बा प्रभाव" वैज्ञानिकों को अच्छी तरह से ज्ञात है। लेकिन लंबे समय तक यह साधारण सी लगने वाली घटना एक रहस्य बनी रही। गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है?
यह 1996 तक नहीं था जब भौतिक विज्ञानी डेविड ऑरबैक ने इसका समाधान खोजा था। इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, उन्होंने पूरे एक वर्ष तक एक प्रयोग किया: उन्होंने एक गिलास में पानी गर्म किया और उसे फिर से ठंडा किया। तो उसे क्या पता चला? गर्म होने पर पानी में घुले हवा के बुलबुले वाष्पित हो जाते हैं। गैस रहित जल पात्र की दीवारों पर अधिक आसानी से जम जाता है। "बेशक, उच्च वायु सामग्री वाला पानी भी जम जाएगा," ऑरबैक कहते हैं, "लेकिन शून्य डिग्री सेल्सियस पर नहीं, बल्कि केवल शून्य से चार से छह डिग्री पर।" बेशक, आपको और इंतजार करना होगा। तो, गर्म पानी ठंडे पानी से पहले जम जाता है, यह एक वैज्ञानिक तथ्य है।
शायद ही कोई पदार्थ हो जो बर्फ के समान सहजता से हमारी आंखों के सामने प्रकट हो। इसमें केवल पानी के अणु होते हैं - यानी प्राथमिक अणु जिसमें दो हाइड्रोजन परमाणु और एक ऑक्सीजन होता है। हालाँकि, बर्फ शायद ब्रह्मांड का सबसे रहस्यमय पदार्थ है। वैज्ञानिक अभी तक इसके कुछ गुणों की व्याख्या नहीं कर पाए हैं।
2. सुपरकूलिंग और "फ्लैश" फ्रीजिंग
हर कोई जानता है कि 0 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा होने पर पानी हमेशा बर्फ में बदल जाता है... कुछ मामलों को छोड़कर! ऐसा मामला है, उदाहरण के लिए, "सुपरकूलिंग", जो बहुत शुद्ध पानी की संपत्ति है जो ठंड से नीचे ठंडा होने पर भी तरल रहता है। यह घटना इस तथ्य के कारण संभव हो जाती है कि पर्यावरण में क्रिस्टलीकरण केंद्र या नाभिक नहीं होते हैं जो बर्फ के क्रिस्टल के गठन को भड़का सकते हैं। और इसलिए पानी शून्य डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर ठंडा होने पर भी तरल रूप में रहता है। क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया को ट्रिगर किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, गैस बुलबुले, अशुद्धियों (प्रदूषण), कंटेनर की असमान सतह द्वारा। इनके बिना जल द्रव अवस्था में रहेगा। जब क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया शुरू होती है, तो आप देख सकते हैं कि कैसे सुपर-कूल्ड पानी तुरंत बर्फ में बदल जाता है।
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टिप्पणी।अत्यधिक गरम पानी भी अपने क्वथनांक से ऊपर गर्म करने पर भी तरल रहता है।
3. "ग्लास" पानी
जल्दी और बिना झिझक के नाम बताएं कि पानी के कितने अलग-अलग राज्य हैं?
यदि आपने तीन (ठोस, द्रव, गैस) का उत्तर दिया है, तो आप गलत हैं। वैज्ञानिक पानी की कम से कम 5 अलग-अलग अवस्थाओं को तरल रूप में और बर्फ की 14 अवस्थाओं में अंतर करते हैं।
सुपर-ठंडा पानी के बारे में बातचीत याद है? तो, आप जो भी करते हैं, -38 डिग्री सेल्सियस पर, यहां तक कि सबसे शुद्ध सुपर-कूल्ड पानी भी अचानक बर्फ में बदल जाता है। और कमी के साथ क्या होता है
तापमान? -120 डिग्री सेल्सियस पर, पानी के साथ कुछ अजीब होने लगता है: यह गुड़ की तरह सुपर-चिपचिपा या चिपचिपा हो जाता है, और -135 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर यह "ग्लासी" या "ग्लासी" पानी में बदल जाता है - एक ठोस पदार्थ जिसमें कोई क्रिस्टलीय संरचना नहीं है।
4. पानी के क्वांटम गुण
आणविक स्तर पर, पानी और भी अद्भुत है। 1995 में, वैज्ञानिकों ने न्यूट्रॉन बिखरने पर एक प्रयोग किया, जिसने एक अप्रत्याशित परिणाम दिया: भौतिकविदों ने पाया कि पानी के अणुओं के उद्देश्य से न्यूट्रॉन अपेक्षा से 25% कम हाइड्रोजन प्रोटॉन "देखते हैं"।
यह पता चला कि एक एटोसेकंड (10 -18 सेकंड) की गति से एक असामान्य क्वांटम प्रभाव होता है, और सामान्य एक के बजाय पानी का रासायनिक सूत्र - एच 2 ओ, एच 1.5 ओ बन जाता है!
5. क्या पानी में मेमोरी होती है?
पारंपरिक चिकित्सा के विकल्प होम्योपैथी का दावा है कि किसी औषधीय उत्पाद का पतला घोल शरीर पर उपचारात्मक प्रभाव डाल सकता है, भले ही तनुकरण कारक इतना अधिक हो कि घोल में पानी के अणुओं के अलावा कुछ भी न बचा हो। होम्योपैथी के समर्थक इस विरोधाभास को "पानी की स्मृति" नामक एक अवधारणा द्वारा समझाते हैं, जिसके अनुसार आणविक स्तर पर पानी में पदार्थ की एक "स्मृति" होती है जो एक बार इसमें घुल जाती है और मूल एकाग्रता के समाधान के गुणों को बरकरार रखती है। इसमें संघटक का एक अणु रहता है।
होम्योपैथी के सिद्धांतों की आलोचना करने वाले क्वीन्स यूनिवर्सिटी ऑफ बेलफास्ट के प्रोफेसर मेडेलीन एनिस के नेतृत्व में वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने 2002 में इस अवधारणा का हमेशा के लिए खंडन करने के लिए एक प्रयोग किया। परिणाम विपरीत था। आखिर वैज्ञानिकों ने कहा कि वे "पानी की स्मृति" के प्रभाव की वास्तविकता को साबित करने में सक्षम थे। हालांकि, स्वतंत्र विशेषज्ञों की देखरेख में किए गए प्रयोग, परिणाम नहीं लाए। "पानी की स्मृति" की घटना के अस्तित्व के बारे में विवाद जारी है।
पानी में कई अन्य असामान्य गुण हैं जिन्हें हमने इस लेख में शामिल नहीं किया है।
साहित्य।
1. 5 वास्तव में पानी के बारे में अजीब बातें / http://www.neatorama.com।
2. पानी का रहस्य: अरस्तू-मपेम्बा प्रभाव का सिद्धांत बनाया गया था / http://www.o8ode.ru।
3. नेपोम्नियाचची एन.एन. निर्जीव प्रकृति का रहस्य। ब्रह्मांड में सबसे रहस्यमय पदार्थ / http://www.bibliotekar.ru।
1963 में, तंजानिया के एरास्टो मपेम्बा नाम के एक स्कूली छात्र ने अपने शिक्षक से एक बेवकूफी भरा सवाल पूछा - गर्म आइसक्रीम उसके फ्रीजर में ठंडी आइसक्रीम की तुलना में तेजी से क्यों जमती है?
एरास्टो मपेम्बा तंजानिया के मैगम्बिन हाई स्कूल में खाना पकाने का व्यावहारिक काम करने वाला छात्र था। उसे घर की बनी आइसक्रीम बनानी थी - दूध उबालें, उसमें चीनी घोलें, उसे कमरे के तापमान पर ठंडा करें और फिर उसे जमने के लिए फ्रिज में रख दें। जाहिरा तौर पर, Mpemba एक विशेष रूप से मेहनती छात्र नहीं था और असाइनमेंट के पहले भाग में विलंबित था। इस डर से कि पाठ के अंत तक वह समय पर नहीं पहुंचेगा, उसने ठंडा दूध फ्रिज में रख दिया। उनके आश्चर्य के लिए, यह उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया, जो एक दी गई तकनीक के अनुसार तैयार किया गया था।
उन्होंने स्पष्टीकरण के लिए भौतिकी के शिक्षक की ओर रुख किया, लेकिन उन्होंने केवल निम्नलिखित कहते हुए छात्र पर हँसे: "यह विश्व भौतिकी नहीं है, बल्कि Mpemba की भौतिकी है।" उसके बाद, Mpemba ने न केवल दूध के साथ, बल्कि साधारण पानी के साथ भी प्रयोग किया।
किसी भी मामले में, पहले से ही मकवावा हाई स्कूल में एक छात्र होने के नाते, उन्होंने दार एस सलाम (स्कूल के निदेशक द्वारा छात्रों को भौतिकी पर व्याख्यान देने के लिए आमंत्रित) में यूनिवर्सिटी कॉलेज के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न से पानी के बारे में पूछा: "अगर आप दो समान कंटेनरों को समान मात्रा में पानी के साथ लेते हैं ताकि उनमें से एक में पानी का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस हो, और दूसरे में - 100 डिग्री सेल्सियस, और उन्हें फ्रीजर में रख दें, फिर दूसरे में पानी जम जाएगा और तेज। क्यों?" ओसबोर्न को इस मुद्दे में दिलचस्पी हो गई और जल्द ही 1969 में, Mpemba के साथ, उन्होंने अपने प्रयोगों के परिणामों को जर्नल फिजिक्स एजुकेशन में प्रकाशित किया। तब से, उन्होंने जो प्रभाव खोजा, उसे Mpemba प्रभाव कहा जाता है।
क्या आप यह जानने के लिए उत्सुक हैं कि ऐसा क्यों होता है? कुछ साल पहले, वैज्ञानिक इस घटना की व्याख्या करने में कामयाब रहे ...
Mpemba effect (Mpemba Paradox) एक विरोधाभास है जिसमें कहा गया है कि कुछ शर्तों के तहत गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है, हालांकि इसे ठंड की प्रक्रिया में ठंडे पानी के तापमान को पार करना होगा। यह विरोधाभास एक प्रायोगिक तथ्य है जो सामान्य विचारों का खंडन करता है, जिसके अनुसार, समान परिस्थितियों में, एक गर्म शरीर को एक निश्चित तापमान तक ठंडा होने के लिए एक ठंडे शरीर की तुलना में एक ही तापमान पर ठंडा होने के लिए अधिक समय की आवश्यकता होती है।
इस घटना को उस समय अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने देखा था। अब तक, कोई नहीं जानता कि इस अजीब प्रभाव को कैसे समझाया जाए। वैज्ञानिकों के पास एक भी संस्करण नहीं है, हालांकि कई हैं। यह सब गर्म और ठंडे पानी के गुणों में अंतर के बारे में है, लेकिन यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि इस मामले में कौन से गुण भूमिका निभाते हैं: सुपरकूलिंग, वाष्पीकरण, बर्फ गठन, संवहन, या पानी पर तरलीकृत गैसों के प्रभाव में अंतर विभिन्न तापमान। Mpemba प्रभाव का विरोधाभास यह है कि जिस समय के दौरान शरीर परिवेश के तापमान तक ठंडा हो जाता है, वह इस शरीर और पर्यावरण के बीच तापमान अंतर के समानुपाती होना चाहिए। यह नियम न्यूटन द्वारा स्थापित किया गया था और तब से व्यवहार में कई बार इसकी पुष्टि की गई है। उसी प्रभाव में, 100°C पर पानी 35°C पर समान मात्रा में पानी की तुलना में 0°C तक तेजी से ठंडा होता है।
तब से, अलग-अलग संस्करण व्यक्त किए गए हैं, जिनमें से एक इस प्रकार था: गर्म पानी का हिस्सा बस पहले वाष्पित हो जाता है, और फिर, जब थोड़ी मात्रा में रहता है, तो पानी तेजी से जम जाता है। यह संस्करण, इसकी सादगी के कारण, सबसे लोकप्रिय हो गया, लेकिन वैज्ञानिक पूरी तरह से संतुष्ट नहीं थे।
अब रसायनज्ञ शी झांग के नेतृत्व में सिंगापुर में नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम का कहना है कि उन्होंने सदियों पुराने रहस्य को सुलझा लिया है कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है। जैसा कि चीनी विशेषज्ञों ने पाया, रहस्य पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा में निहित है।
जैसा कि आप जानते हैं, पानी के अणुओं में एक ऑक्सीजन परमाणु और दो हाइड्रोजन परमाणु होते हैं, जो सहसंयोजक बंधों द्वारा एक साथ होते हैं, जो कण स्तर पर इलेक्ट्रॉनों के आदान-प्रदान की तरह दिखता है। एक अन्य सर्वविदित तथ्य यह है कि हाइड्रोजन परमाणु पड़ोसी अणुओं से ऑक्सीजन परमाणुओं की ओर आकर्षित होते हैं - इस मामले में, हाइड्रोजन बांड बनते हैं।
इसी समय, पानी के अणु समग्र रूप से एक दूसरे को पीछे हटाते हैं। सिंगापुर के वैज्ञानिकों ने देखा कि पानी जितना गर्म होता है, प्रतिकारक बलों में वृद्धि के कारण तरल के अणुओं के बीच की दूरी उतनी ही अधिक होती है। नतीजतन, हाइड्रोजन बांड खिंच जाते हैं, और इसलिए अधिक ऊर्जा जमा करते हैं। यह ऊर्जा तब निकलती है जब पानी ठंडा हो जाता है - अणु एक दूसरे के पास पहुंचते हैं। और ऊर्जा की वापसी, जैसा कि आप जानते हैं, का अर्थ है शीतलन।
यहाँ वैज्ञानिकों द्वारा सामने रखी गई परिकल्पनाएँ हैं:
वाष्पीकरण
गर्म पानी कंटेनर से तेजी से वाष्पित हो जाता है, जिससे इसकी मात्रा कम हो जाती है, और समान तापमान वाले पानी की थोड़ी मात्रा तेजी से जम जाती है। 100°C तक गर्म किया गया पानी 0°C तक ठंडा करने पर अपने द्रव्यमान का 16% खो देता है। वाष्पीकरण प्रभाव दोहरा प्रभाव है। सबसे पहले, ठंडा करने के लिए आवश्यक पानी का द्रव्यमान कम किया जाता है। और दूसरी बात, वाष्पीकरण के कारण इसका तापमान कम हो जाता है।
तापमान अंतराल
इस तथ्य के कारण कि गर्म पानी और ठंडी हवा के बीच तापमान का अंतर अधिक होता है - इसलिए, इस मामले में गर्मी हस्तांतरण अधिक तीव्र होता है और गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है।
अल्प तपावस्था
जब पानी को 0°C से नीचे ठंडा किया जाता है, तो यह हमेशा जमता नहीं है। कुछ शर्तों के तहत, यह हिमांक बिंदु से नीचे के तापमान पर तरल बने रहने के दौरान सुपरकूलिंग से गुजर सकता है। कुछ मामलों में, पानी -20 डिग्री सेल्सियस पर भी तरल रह सकता है। इस प्रभाव का कारण यह है कि पहले बर्फ के क्रिस्टल बनने के लिए क्रिस्टल बनने के केंद्रों की आवश्यकता होती है। यदि वे तरल पानी में नहीं हैं, तो सुपरकूलिंग तब तक जारी रहेगी जब तक कि तापमान इतना कम न हो जाए कि क्रिस्टल अनायास बनने लगें। जब वे सुपरकूल्ड तरल में बनना शुरू करते हैं, तो वे तेजी से बढ़ना शुरू कर देंगे, जिससे एक बर्फ का टुकड़ा बन जाएगा जो बर्फ बनाने के लिए जम जाएगा। गर्म पानी हाइपोथर्मिया के लिए अतिसंवेदनशील होता है क्योंकि इसे गर्म करने से घुली हुई गैसें और बुलबुले समाप्त हो जाते हैं, जो बदले में बर्फ के क्रिस्टल के निर्माण के लिए केंद्र के रूप में काम कर सकते हैं। हाइपोथर्मिया गर्म पानी को तेजी से जमने का कारण क्यों बनता है? ठंडे पानी के मामले में जो सुपरकूल्ड नहीं है, क्या होता है कि इसकी सतह पर बर्फ की एक पतली परत बन जाती है, जो पानी और ठंडी हवा के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करती है, और इस प्रकार आगे वाष्पीकरण को रोकती है। इस स्थिति में बर्फ के क्रिस्टल बनने की दर कम होगी। गर्म पानी के उप-शीतलन के मामले में, उप-ठंडा पानी में बर्फ की सुरक्षात्मक सतह परत नहीं होती है। इसलिए, खुले शीर्ष के माध्यम से यह बहुत तेजी से गर्मी खो देता है। जब सुपरकूलिंग प्रक्रिया समाप्त हो जाती है और पानी जम जाता है, तो बहुत अधिक गर्मी खो जाती है और इसलिए अधिक बर्फ बनती है। इस आशय के कई शोधकर्ता हाइपोथर्मिया को Mpemba प्रभाव के मामले में मुख्य कारक मानते हैं।
कंवेक्शन
ठंडा पानी ऊपर से जमने लगता है, जिससे गर्मी विकिरण और संवहन की प्रक्रिया बिगड़ जाती है, और इसलिए गर्मी का नुकसान होता है, जबकि गर्म पानी नीचे से जमने लगता है। इस प्रभाव को पानी के घनत्व में एक विसंगति द्वारा समझाया गया है। पानी का अधिकतम घनत्व 4°C होता है। यदि आप पानी को 4 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करते हैं और इसे कम तापमान वाले वातावरण में रखते हैं, तो पानी की सतह की परत तेजी से जम जाएगी। चूँकि यह पानी 4°C पर पानी की तुलना में कम घना होता है, यह सतह पर रहेगा, जिससे एक पतली ठंडी परत बन जाएगी। इन परिस्थितियों में, पानी की सतह पर थोड़े समय के लिए बर्फ की एक पतली परत बनेगी, लेकिन बर्फ की यह परत पानी की निचली परतों की रक्षा करने वाले एक इन्सुलेटर के रूप में काम करेगी, जो 4 डिग्री सेल्सियस पर रहेगी। इसलिए, आगे की शीतलन प्रक्रिया धीमी होगी। गर्म पानी के मामले में, स्थिति बिल्कुल अलग है। वाष्पीकरण और अधिक तापमान अंतर के कारण पानी की सतह की परत अधिक तेजी से ठंडी होगी। इसके अलावा, ठंडे पानी की परतें गर्म पानी की परतों की तुलना में घनी होती हैं, इसलिए ठंडे पानी की परत नीचे गिर जाएगी, जिससे गर्म पानी की परत सतह पर आ जाएगी। पानी का यह संचलन तापमान में तेजी से गिरावट सुनिश्चित करता है। लेकिन यह प्रक्रिया संतुलन बिंदु तक क्यों नहीं पहुंच पाती है? संवहन के दृष्टिकोण से Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने के लिए, किसी को यह मान लेना चाहिए कि पानी की ठंडी और गर्म परतें अलग हो जाती हैं और औसत पानी का तापमान 4 ° C से नीचे जाने के बाद संवहन प्रक्रिया स्वयं जारी रहती है। हालांकि, इस परिकल्पना का समर्थन करने के लिए कोई प्रयोगात्मक सबूत नहीं है कि ठंडे और गर्म पानी की परतें संवहन द्वारा अलग हो जाती हैं।
पानी में घुली गैसें
पानी में हमेशा घुली हुई गैसें होती हैं - ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड। इन गैसों में पानी के हिमांक को कम करने की क्षमता होती है। जब पानी को गर्म किया जाता है, तो ये गैसें पानी से निकल जाती हैं क्योंकि उच्च तापमान पर पानी में इनकी घुलनशीलता कम होती है। इसलिए, जब गर्म पानी को ठंडा किया जाता है, तो उसमें हमेशा बिना गर्म किए ठंडे पानी की तुलना में कम घुलने वाली गैसें होती हैं। इसलिए, गर्म पानी का हिमांक अधिक होता है और यह तेजी से जम जाता है। इस कारक को कभी-कभी Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने में मुख्य माना जाता है, हालांकि इस तथ्य की पुष्टि करने वाले कोई प्रयोगात्मक डेटा नहीं हैं।
ऊष्मीय चालकता
जब पानी छोटे कंटेनरों में रेफ्रिजरेटर फ्रीजर में रखा जाता है तो यह तंत्र महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। इन परिस्थितियों में, यह देखा गया है कि गर्म पानी वाला कंटेनर फ्रीजर की बर्फ को अपने नीचे पिघला देता है, जिससे फ्रीजर की दीवार और तापीय चालकता के साथ थर्मल संपर्क में सुधार होता है। नतीजतन, ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी के कंटेनर से गर्मी तेजी से निकल जाती है। बदले में, ठंडे पानी वाला कंटेनर इसके नीचे बर्फ नहीं पिघलाता है। इन सभी (साथ ही अन्य) स्थितियों का कई प्रयोगों में अध्ययन किया गया है, लेकिन इस सवाल का स्पष्ट जवाब नहीं मिला है - इनमें से कौन Mpemba प्रभाव का 100% पुनरुत्पादन प्रदान करता है - प्राप्त नहीं हुआ है। इसलिए, उदाहरण के लिए, 1995 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी डेविड ऑरबैक ने इस प्रभाव पर पानी के सुपरकूलिंग के प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि गर्म पानी, सुपरकूल्ड अवस्था में पहुँचकर, ठंडे पानी की तुलना में अधिक तापमान पर जम जाता है, और इसलिए बाद वाले की तुलना में तेज़ होता है। लेकिन ठंडा पानी गर्म पानी की तुलना में तेजी से सुपरकूल्ड अवस्था में पहुंच जाता है, जिससे पिछले अंतराल की भरपाई हो जाती है। इसके अलावा, Auerbach के परिणामों ने पहले के आंकड़ों का खंडन किया कि गर्म पानी कम क्रिस्टलीकरण केंद्रों के कारण अधिक सुपरकूलिंग प्राप्त करने में सक्षम है। जब पानी को गर्म किया जाता है तो उसमें घुली गैसें उसमें से निकल जाती हैं और जब इसे उबाला जाता है तो इसमें घुले कुछ लवण अवक्षेपित हो जाते हैं। अब तक, केवल एक ही बात पर जोर दिया जा सकता है - इस प्रभाव का पुनरुत्पादन महत्वपूर्ण रूप से उन परिस्थितियों पर निर्भर करता है जिनके तहत प्रयोग किया जाता है। ठीक है क्योंकि यह हमेशा पुन: उत्पन्न नहीं होता है।
और यहाँ सबसे संभावित कारण है।
जैसा कि केमिस्ट अपने लेख में लिखते हैं, जो arXiv.org प्रीप्रिंट साइट पर पाया जा सकता है, हाइड्रोजन बांड ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी में अधिक मजबूती से फैले होते हैं। इस प्रकार, यह पता चला है कि गर्म पानी के हाइड्रोजन बांड में अधिक ऊर्जा जमा होती है, जिसका अर्थ है कि उप-शून्य तापमान तक ठंडा होने पर इसका अधिक भाग निकलता है। इस वजह से ठंड ज्यादा तेज होती है।
आज तक, वैज्ञानिकों ने इस पहेली को केवल सैद्धांतिक रूप से हल किया है। जब वे अपने संस्करण के पुख्ता सबूत पेश करते हैं, तो इस सवाल को बंद माना जा सकता है कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है।
