ადუღებული წყალი უფრო სწრაფად იყინება. რატომ იყინება ცხელი წყალი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი?

21.11.2017 11.10.2018 ალექსანდრე ფირცევი

« რომელი წყალი იყინება უფრო სწრაფად ცივი თუ ცხელი?”- შეეცადეთ დაუსვათ შეკითხვა თქვენს მეგობრებს, დიდი ალბათობით, მათი უმეტესობა გიპასუხებთ, რომ ცივი წყალი უფრო სწრაფად იყინება - და შეცდება.

ფაქტობრივად, თუ საყინულეში ერთდროულად მოათავსებთ ერთნაირი ფორმისა და მოცულობის ორ ჭურჭელს, რომელთაგან ერთი შეიცავს ცივ წყალს, ხოლო მეორე ცხელს, მაშინ ცხელი წყალი უფრო სწრაფად გაიყინება.

ასეთი განცხადება შეიძლება აბსურდული და არაგონივრული ჩანდეს. ლოგიკურად, ცხელი წყალი ჯერ ცივ ტემპერატურამდე უნდა გაცივდეს, ცივი წყალი კი ამ დროს უკვე ყინულად უნდა იქცეს.

მაშ, რატომ უსწრებს ცხელი წყალი ცივ წყალს გაყინვისკენ მიმავალ გზაზე? შევეცადოთ გავერკვეთ.

დაკვირვებისა და კვლევის ისტორია

ხალხი უძველესი დროიდან აკვირდებოდა პარადოქსულ ეფექტს, მაგრამ დიდ მნიშვნელობას არავინ ანიჭებდა. ასე რომ, შეუსაბამობა ცივი და ცხელი წყლის გაყინვის სიჩქარეში აღინიშნა მათ შენიშვნებში Arestotel-ის, ისევე როგორც რენე დეკარტისა და ფრენსის ბეკონის მიერ. უჩვეულო ფენომენი ხშირად იჩენდა თავს ყოველდღიურ ცხოვრებაში.

დიდი ხნის განმავლობაში, ფენომენი არანაირად არ იყო შესწავლილი და მეცნიერთა დიდი ინტერესი არ გამოიწვია.

უჩვეულო ეფექტის შესწავლა 1963 წელს დაიწყო, როდესაც ცნობისმოყვარე სტუდენტმა ტანზანიიდან, ერასტო მპემბამ შენიშნა, რომ ნაყინისთვის ცხელი რძე უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი რძე. უჩვეულო ეფექტის მიზეზების ახსნა-განმარტების მიღების იმედით, ახალგაზრდამ სკოლაში ფიზიკის მასწავლებელს ჰკითხა. თუმცა მასწავლებელმა მას მხოლოდ იცინოდა.

მოგვიანებით მპემბამ ექსპერიმენტი გაიმეორა, მაგრამ თავის ექსპერიმენტში აღარ იყენებდა რძეს, არამედ წყალს და პარადოქსული ეფექტი ისევ განმეორდა.

ექვსი წლის შემდეგ, 1969 წელს, მპემბამ ეს კითხვა დაუსვა ფიზიკის პროფესორ დენის ოსბორნს, რომელიც მის სკოლაში მივიდა. პროფესორი დაინტერესდა ახალგაზრდა მამაკაცის დაკვირვებით, შედეგად, ჩატარდა ექსპერიმენტი, რომელმაც დაადასტურა ეფექტის არსებობა, მაგრამ ამ ფენომენის მიზეზები დადგენილი არ იყო.

მას შემდეგ ფენომენი ეწოდა მპემბას ეფექტი.

მეცნიერული დაკვირვებების ისტორიის მანძილზე მრავალი ჰიპოთეზა იყო წამოჭრილი ფენომენის გამომწვევი მიზეზების შესახებ.

ასე რომ, 2012 წელს, ბრიტანეთის სამეფო ქიმიის საზოგადოებამ გამოაცხადა ჰიპოთეზების კონკურსი Mpemba ეფექტის ასახსნელად. კონკურსში მონაწილეობდნენ მეცნიერები მთელი მსოფლიოდან, სულ დარეგისტრირდა 22000 სამეცნიერო ნაშრომი. სტატიების ასეთი შთამბეჭდავი რაოდენობის მიუხედავად, არცერთ მათგანს არ განუმარტავს მპემბას პარადოქსი.

ყველაზე გავრცელებული იყო ვერსია, რომლის მიხედვითაც, ცხელი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, რადგან ის უბრალოდ უფრო სწრაფად აორთქლდება, მისი მოცულობა მცირდება და მოცულობის კლებასთან ერთად იზრდება მისი გაგრილების სიჩქარე. ყველაზე გავრცელებული ვერსია საბოლოოდ უარყო, რადგან ჩატარდა ექსპერიმენტი, რომელშიც აორთქლება გამოირიცხა, მაგრამ ეფექტი მაინც დადასტურდა.

სხვა მეცნიერებს მიაჩნდათ, რომ მპემბას ეფექტის მიზეზი წყალში გახსნილი აირების აორთქლებაა. მათი აზრით, გაცხელების პროცესში წყალში გახსნილი აირები აორთქლდება, რის გამოც ის ცივ წყალზე მეტ სიმკვრივეს იძენს. როგორც ცნობილია, სიმკვრივის მატება იწვევს წყლის ფიზიკური თვისებების ცვლილებას (თბოგამტარობის მატებას) და, შესაბამისად, გაგრილების სიჩქარის ზრდას.

გარდა ამისა, წამოაყენეს რამდენიმე ჰიპოთეზა, რომლებიც აღწერს წყლის მიმოქცევის სიჩქარეს ტემპერატურის ფუნქციის მიხედვით. მრავალ კვლევაში გაკეთდა მცდელობა დადგინებულიყო კავშირი იმ კონტეინერების მასალას შორის, რომელშიც მდებარეობდა სითხე. ბევრი თეორია ძალიან დამაჯერებლად ჩანდა, მაგრამ მათი მეცნიერულად დადასტურება ვერ მოხერხდა საწყისი მონაცემების ნაკლებობის, სხვა ექსპერიმენტებში წინააღმდეგობების გამო, ან იმის გამო, რომ გამოვლენილი ფაქტორები უბრალოდ არ იყო შედარებული წყლის გაგრილების სიჩქარესთან. ზოგიერთი მეცნიერი თავის ნაშრომებში ეჭვქვეშ აყენებს ეფექტის არსებობას.

2013 წელს სინგაპურის ნანიანგის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტის მკვლევარებმა განაცხადეს, რომ ამოხსნეს მპემბას ეფექტის საიდუმლო. მათი კვლევის მიხედვით, ფენომენის მიზეზი მდგომარეობს იმაში, რომ წყალბადის ობლიგაციებში შენახული ენერგიის რაოდენობა ცივი და ცხელი წყლის მოლეკულებს შორის მნიშვნელოვნად განსხვავდება.

კომპიუტერულმა სიმულაციის მეთოდებმა აჩვენა შემდეგი შედეგები: რაც უფრო მაღალია წყლის ტემპერატურა, მით მეტია მანძილი მოლეკულებს შორის იმის გამო, რომ იზრდება საგრებელი ძალები. შესაბამისად, მოლეკულების წყალბადის ბმები იჭიმება, რაც მეტ ენერგიას ინახავს. როდესაც გაცივდება, მოლეკულები იწყებენ ერთმანეთთან მიახლოებას, ათავისუფლებენ ენერგიას წყალბადის ბმებიდან. ამ შემთხვევაში ენერგიის გამოყოფას თან ახლავს ტემპერატურის შემცირება.

2017 წლის ოქტომბერში ესპანელმა ფიზიკოსებმა კიდევ ერთი კვლევის დროს დაადგინეს, რომ ეფექტის ფორმირებაში დიდ როლს თამაშობს მატერიის წონასწორობიდან მოცილება (ძლიერი გათბობა ძლიერ გაგრილებამდე). მათ განსაზღვრეს პირობები, რომლებშიც ეფექტის ალბათობა მაქსიმალურია. გარდა ამისა, ესპანელმა მეცნიერებმა დაადასტურეს საპირისპირო მპემბას ეფექტის არსებობა. მათ დაადგინეს, რომ გაცხელებისას ცივი ნიმუში უფრო სწრაფად აღწევს მაღალ ტემპერატურას, ვიდრე თბილი.

მიუხედავად ამომწურავი ინფორმაციისა და მრავალი ექსპერიმენტისა, მეცნიერები აპირებენ გააგრძელონ ეფექტის შესწავლა.

Mpemba ეფექტი რეალურ ცხოვრებაში

ოდესმე დაფიქრებულხართ, რატომ ივსება ყინულის მოედანი ზამთარში ცხელი წყლით და არა ცივი? როგორც უკვე მიხვდით, ისინი ამას იმიტომ აკეთებენ, რომ ცხელი წყლით სავსე სასრიალო მოედანი უფრო სწრაფად გაიყინება, ვიდრე ცივი წყლით სავსე. ამავე მიზეზით, ზამთრის ყინულის ქალაქებში სლაიდები ცხელ წყალს ასხამენ.

ამრიგად, ფენომენის არსებობის შესახებ ცოდნა საშუალებას აძლევს ადამიანებს დაზოგონ დრო ზამთრის სპორტისთვის ადგილების მომზადებისას.

გარდა ამისა, მპემბას ეფექტი ზოგჯერ გამოიყენება ინდუსტრიაში - წყლის შემცველი პროდუქტების, ნივთიერებებისა და მასალების გაყინვის დროის შესამცირებლად.

მპემბას ეფექტი(Mpemba paradox) - პარადოქსი, რომელიც აცხადებს, რომ ცხელი წყალი გარკვეულ პირობებში უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი, თუმცა გაყინვის პროცესში მან უნდა გაიაროს ცივი წყლის ტემპერატურა. ეს პარადოქსი არის ექსპერიმენტული ფაქტი, რომელიც ეწინააღმდეგება ჩვეულ იდეებს, რომლის მიხედვითაც, ერთსა და იმავე პირობებში, უფრო ცხელ სხეულს უფრო მეტი დრო სჭირდება გარკვეულ ტემპერატურამდე გასაცივებლად, ვიდრე გრილ სხეულს იმავე ტემპერატურამდე გასაცივებლად.

ეს ფენომენი იმ დროს შენიშნეს არისტოტელემ, ფრენსის ბეკონმა და რენე დეკარტმა, მაგრამ მხოლოდ 1963 წელს ტანზანიელმა სკოლის მოსწავლემ ერასტო მპემბამ აღმოაჩინა, რომ ცხელი ნაყინის ნარევი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი.

ერასტო მპემბა იყო ტანზანიის მაგამბინის საშუალო სკოლის სტუდენტი, რომელიც პრაქტიკულ კულინარიულ სამუშაოს აკეთებდა. მას უნდა გაეკეთებინა ხელნაკეთი ნაყინი - მოხარშეთ რძე, გახსენით შაქარი, გააგრილეთ ოთახის ტემპერატურამდე და შედგით მაცივარში გასაყინად. როგორც ჩანს, მპემბა არ იყო განსაკუთრებით მონდომებული სტუდენტი და აჭიანურებდა დავალების პირველ ნაწილს. იმის შიშით, რომ გაკვეთილის ბოლოს დროზე არ მისულიყო, ჯერ კიდევ ცხელი რძე შედგა მაცივარში. მისდა გასაკვირად, ის კიდევ უფრო ადრე გაიყინა, ვიდრე მისი ამხანაგების რძე, მოცემული ტექნოლოგიით მომზადებული.

ამის შემდეგ მპემბამ ექსპერიმენტები ჩაატარა არა მხოლოდ რძეზე, არამედ უბრალო წყალზეც. ყოველ შემთხვევაში, უკვე მკვავას საშუალო სკოლის სტუდენტი, მან სთხოვა პროფესორ დენის ოსბორნს დარ-ეს-სალამის საუნივერსიტეტო კოლეჯიდან (სკოლის დირექტორის მიერ მოწვეული ფიზიკის შესახებ ლექციის წასაკითხად სტუდენტებისთვის) წყლის შესახებ: „თუ თქვენ მიიღებთ ორი იდენტური კონტეინერი წყლის თანაბარი მოცულობით ისე, რომ ერთ მათგანში წყალს ჰქონდეს ტემპერატურა 35 ° C, ხოლო მეორეში - 100 ° C და ჩადეთ საყინულეში, შემდეგ მეორეში წყალი უფრო სწრაფად გაიყინება. რატომ? ოსბორნი ამ საკითხით დაინტერესდა და მალე 1969 წელს მპემბასთან ერთად გამოაქვეყნეს თავიანთი ექსპერიმენტების შედეგები ჟურნალში „ფიზიკური განათლება“. მას შემდეგ მათ მიერ აღმოჩენილ ეფექტს ე.წ მპემბას ეფექტი.

აქამდე არავინ იცის ზუსტად როგორ ახსნას ეს უცნაური ეფექტი. მეცნიერებს არ აქვთ ერთი ვერსია, თუმცა ბევრია. ეს ყველაფერი ეხება ცხელი და ცივი წყლის თვისებებს შორის განსხვავებას, მაგრამ ჯერ არ არის ნათელი, რომელი თვისებები თამაშობს როლს ამ შემთხვევაში: განსხვავება სუპერგაცივებაში, აორთქლებაში, ყინულის წარმოქმნაში, კონვექციაში ან თხევადი აირების ზემოქმედება წყალზე. სხვადასხვა ტემპერატურა.

მპემბას ეფექტის პარადოქსი არის ის, რომ დრო, რომლის დროსაც სხეული გაცივდება გარემოს ტემპერატურამდე, უნდა იყოს პროპორციული ტემპერატურის სხვაობისა ამ სხეულსა და გარემოს შორის. ეს კანონი ნიუტონმა დაადგინა და მას შემდეგ პრაქტიკაში არაერთხელ დადასტურდა. იმავე ეფექტით, 100°C-ზე წყალი 0°C-მდე უფრო სწრაფად გაცივდება, ვიდრე იგივე რაოდენობის წყალი 35°C-ზე.

თუმცა, ეს ჯერ კიდევ არ გულისხმობს პარადოქსს, რადგან მპემბას ეფექტი ასევე შეიძლება აიხსნას ცნობილ ფიზიკაში. აქ მოცემულია რამდენიმე ახსნა Mpemba ეფექტისთვის:

აორთქლება

ცხელი წყალი უფრო სწრაფად აორთქლდება კონტეინერიდან, რითაც მცირდება მისი მოცულობა და იგივე ტემპერატურის მქონე წყლის უფრო მცირე მოცულობა უფრო სწრაფად იყინება. 100C-მდე გაცხელებული წყალი 0C-მდე გაცივებისას კარგავს მასის 16%-ს.

აორთქლების ეფექტი ორმაგი ეფექტია. პირველ რიგში, მცირდება გაგრილებისთვის საჭირო წყლის მასა. და მეორეც, ტემპერატურა იკლებს იმის გამო, რომ წყლის ფაზიდან ორთქლის ფაზაში გადასვლის აორთქლების სითბო მცირდება.

ტემპერატურის სხვაობა

იმის გამო, რომ ცხელ წყალსა და ცივ ჰაერს შორის ტემპერატურული სხვაობა უფრო დიდია - ამიტომ სითბოს გაცვლა ამ შემთხვევაში უფრო ინტენსიურია და ცხელი წყალი უფრო სწრაფად კლებულობს.

ჰიპოთერმია

როდესაც წყალი გაცივდება 0 C-ზე დაბალ ტემპერატურაზე, ის ყოველთვის არ იყინება. გარკვეულ პირობებში, მას შეუძლია გაიაროს სუპერგაგრილება, ხოლო გაყინვის წერტილზე დაბალ ტემპერატურაზე აგრძელებს სითხის შენარჩუნებას. ზოგიერთ შემთხვევაში წყალი შეიძლება თხევადი დარჩეს -20 C ტემპერატურაზეც კი.

ამ ეფექტის მიზეზი ის არის, რომ იმისათვის, რომ ყინულის პირველი კრისტალები წარმოიქმნას, საჭიროა კრისტალების წარმოქმნის ცენტრები. თუ ისინი არ არიან თხევად წყალში, მაშინ სუპერგაგრილება გაგრძელდება მანამ, სანამ ტემპერატურა საკმარისად დაეცემა, რომ კრისტალები სპონტანურად წარმოქმნას დაიწყებენ. როდესაც ისინი იწყებენ ფორმირებას სუპერგაცივებულ სითხეში, ისინი დაიწყებენ უფრო სწრაფად ზრდას, წარმოქმნიან ყინულის ნამსხვრევს, რომელიც გაიყინება და წარმოქმნის ყინულს.

ცხელი წყალი ყველაზე მგრძნობიარეა ჰიპოთერმიის მიმართ, რადგან მისი გაცხელება გამორიცხავს გახსნილ გაზებს და ბუშტებს, რაც თავის მხრივ შეიძლება გახდეს ყინულის კრისტალების ფორმირების ცენტრები.

რატომ იწვევს ჰიპოთერმია ცხელი წყლის უფრო სწრაფად გაყინვას? ცივი წყლის შემთხვევაში, რომელიც არ არის ზედმეტად გაციებული, ხდება შემდეგი. ამ შემთხვევაში ჭურჭლის ზედაპირზე ყინულის თხელი ფენა წარმოიქმნება. ყინულის ეს ფენა იმოქმედებს როგორც იზოლატორი წყალსა და ცივ ჰაერს შორის და ხელს შეუშლის შემდგომ აორთქლებას. ყინულის კრისტალების წარმოქმნის სიჩქარე ამ შემთხვევაში ნაკლები იქნება. იმ შემთხვევაში, როდესაც ცხელი წყალი გადის ქვეგაგრილებას, ქვეგაციებულ წყალს არ აქვს ყინულის დამცავი ზედაპირული ფენა. ამიტომ, ის გაცილებით სწრაფად კარგავს სითბოს ღია ზემოდან.

როდესაც სუპერგაგრილების პროცესი მთავრდება და წყალი იყინება, გაცილებით მეტი სითბო იკარგება და, შესაბამისად, მეტი ყინული წარმოიქმნება.

ამ ეფექტის მრავალი მკვლევარი თვლის ჰიპოთერმიას მთავარ ფაქტორად Mpemba ეფექტის შემთხვევაში.

კონვექცია

ეს ეფექტი აიხსნება წყლის სიმკვრივის ანომალიით. წყალს მაქსიმალური სიმკვრივე აქვს 4C. თუ წყალს 4C-მდე გაგრილებთ და დაბალ ტემპერატურაზე დადებთ, წყლის ზედაპირული ფენა უფრო სწრაფად გაიყინება. იმის გამო, რომ ეს წყალი 4°C ტემპერატურაზე ნაკლები სიმკვრივისაა, ვიდრე წყალი, ის დარჩება ზედაპირზე და წარმოქმნის თხელ ცივ ფენას. ამ პირობებში წყლის ზედაპირზე მცირე ხნით ყინულის თხელი ფენა წარმოიქმნება, მაგრამ ყინულის ეს ფენა წყლის ქვედა ფენების დამცავი იზოლატორის ფუნქციას ასრულებს, რომელიც დარჩება 4 C ტემპერატურაზე. ამიტომ. შემდგომი გაგრილება უფრო ნელი იქნება.

ცხელი წყლის შემთხვევაში კი სულ სხვა სიტუაციაა. წყლის ზედაპირული ფენა უფრო სწრაფად გაცივდება აორთქლების და ტემპერატურის დიდი სხვაობის გამო. ასევე, ცივი წყლის ფენები უფრო მკვრივია, ვიდრე ცხელი წყლის ფენები, ამიტომ ცივი წყლის ფენა ჩაიძირება და აწევს თბილი წყლის ფენას ზედაპირზე. წყლის ეს ცირკულაცია უზრუნველყოფს ტემპერატურის სწრაფ ვარდნას.

მაგრამ რატომ არ აღწევს ეს პროცესი წონასწორობის წერტილს? მპემბას ეფექტის ასახსნელად კონვექციის ამ თვალსაზრისით, საჭირო იქნება ვივარაუდოთ, რომ წყლის ცივი და ცხელი ფენები გამოყოფილია და თავად კონვექციის პროცესი გრძელდება მას შემდეგ, რაც წყლის საშუალო ტემპერატურა დაეცემა 4 C-ზე დაბლა.

თუმცა, არ არსებობს ექსპერიმენტული მტკიცებულება ამ ჰიპოთეზის გასამყარებლად, რომ წყლის ცივი და ცხელი ფენები გამოყოფილია კონვექციით.

წყალში გახსნილი აირები

წყალი ყოველთვის შეიცავს მასში გახსნილ გაზებს - ჟანგბადს და ნახშირორჟანგს. ამ გაზებს აქვთ წყლის გაყინვის წერტილის დაწევის უნარი. როდესაც წყალი თბება, ეს აირები გამოიყოფა წყლიდან, რადგან მაღალი ტემპერატურის წყალში მათი ხსნადობა დაბალია. ამიტომ, როდესაც ცხელი წყალი გაგრილდება, მასში ყოველთვის ნაკლებია გახსნილი აირები, ვიდრე გაუხურებელ ცივ წყალში. ამიტომ გახურებული წყლის გაყინვის წერტილი უფრო მაღალია და ის უფრო სწრაფად იყინება. ეს ფაქტორი ზოგჯერ განიხილება, როგორც მთავარი მპემბას ეფექტის ასახსნელად, თუმცა ამ ფაქტის დამადასტურებელი ექსპერიმენტული მონაცემები არ არსებობს.

თბოგამტარობა

ყველა ეს (ისევე როგორც სხვა) პირობა შესწავლილია მრავალ ექსპერიმენტში, მაგრამ ცალსახა პასუხი კითხვაზე - რომელი მათგანი უზრუნველყოფს მპემბას ეფექტის 100%-იან რეპროდუქციას - არ იქნა მიღებული.

ასე, მაგალითად, 1995 წელს გერმანელმა ფიზიკოსმა დევიდ აუერბახმა შეისწავლა წყლის სუპერგაგრილების გავლენა ამ ეფექტზე. მან აღმოაჩინა, რომ ცხელი წყალი, რომელიც აღწევს სუპერგრილ მდგომარეობას, იყინება უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე ცივი წყალი და, შესაბამისად, უფრო სწრაფად, ვიდრე ეს უკანასკნელი. მაგრამ ცივი წყალი ზეგაციებულ მდგომარეობას უფრო სწრაფად აღწევს, ვიდრე ცხელი წყალი, რითაც ანაზღაურებს წინა ჩამორჩენას.

გარდა ამისა, Auerbach-ის შედეგები ეწინააღმდეგებოდა ადრინდელ მონაცემებს, რომ ცხელ წყალს შეუძლია მიაღწიოს მეტ სუპერგაგრილებას ნაკლები კრისტალიზაციის ცენტრების გამო. წყლის გაცხელებისას მასში გახსნილ გაზებს აშორებენ, ადუღებისას კი მასში გახსნილი მარილების ნალექი ჩნდება.

ჯერჯერობით მხოლოდ ერთი რამის მტკიცება შეიძლება - ამ ეფექტის გამრავლება არსებითად დამოკიდებულია იმ პირობებზე, რომლებშიც ტარდება ექსპერიმენტი. ზუსტად იმიტომ, რომ ის ყოველთვის არ არის რეპროდუცირებული.

ო.ვ.მოსინი

ლიტერატურულიწყაროები:

"ცხელი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი. რატომ აკეთებს ასე?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, ტ. 237, No. 3, გვ 246-257; 1977 წლის სექტემბერი.

„ცხელი და ცივი წყლის გაყინვა“, გ.ს. კელი ფიზიკის ამერიკულ ჟურნალში, ტ. 37, არა. 5, გვ.564-565; 1969 წლის მაისი.

"Supercooling and the Mpemba effect", დევიდ ოუერბახი, American Journal of Physics, ტ. 63, არა. 10, გვ.882-885; 1995 წლის ოქტომბერი.

"მპემბას ეფექტი: ცხელი და ცივი წყლის გაყინვის დრო", ჩარლზ ა. ნაიტი, American Journal of Physics, ტ. 64, No. 5, გვ 524; 1996 წლის მაისი.

ცხელი წყლის გამაგრების ფენომენი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი, მეცნიერებაში ცნობილია როგორც Mpemba ეფექტი. ისეთი დიდი გონება, როგორიცაა არისტოტელე, ფრენსის ბეკონი და რენე დეკარტი, ფიქრობდნენ ამ პარადოქსულ ფენომენზე, მაგრამ ათასწლეულების მანძილზე ჯერ ვერავინ შეძლო ამ ფენომენის გონივრული ახსნა.

მხოლოდ 1963 წელს, სკოლის მოსწავლემ ტანგანიკას რესპუბლიკიდან, ერასტო მპემბამ, შეამჩნია ეს ეფექტი ნაყინის მაგალითზე, მაგრამ არც ერთმა ზრდასრულმა არ მისცა მას ახსნა. მიუხედავად ამისა, ფიზიკოსები და ქიმიკოსები სერიოზულად ფიქრობდნენ ასეთ მარტივ, მაგრამ ასე გაუგებარ ფენომენზე.

მას შემდეგ გამოითქვა სხვადასხვა ვერსია, რომელთაგან ერთ-ერთი ასეთი იყო: ცხელი წყლის ნაწილი თავიდან უბრალოდ ორთქლდება, შემდეგ კი, როცა უფრო მცირე რაოდენობა რჩება, წყალი უფრო სწრაფად მყარდება. ეს ვერსია, თავისი სიმარტივის გამო, გახდა ყველაზე პოპულარული, მაგრამ მეცნიერები ბოლომდე არ იყვნენ კმაყოფილი.

ახლა სინგაპურის ნანიანგის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტის მკვლევართა ჯგუფი, ქიმიკოსი სი ჟანგის ხელმძღვანელობით, ამბობს, რომ მათ ამოხსნეს უძველესი საიდუმლო, თუ რატომ იყინება თბილი წყალი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი. როგორც ჩინელმა ექსპერტებმა გაარკვიეს, საიდუმლო მდგომარეობს წყლის მოლეკულებს შორის წყალბადის ობლიგაციებში შენახული ენერგიის რაოდენობაში.

მოგეხსენებათ, წყლის მოლეკულები შედგება ერთი ჟანგბადის ატომისა და წყალბადის ორი ატომისგან, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული კოვალენტური ბმებით, რაც ნაწილაკების დონეზე ელექტრონების გაცვლას ჰგავს. კიდევ ერთი ცნობილი ფაქტია ის, რომ წყალბადის ატომები მეზობელი მოლეკულებიდან ჟანგბადის ატომებს იზიდავს - ეს ქმნის წყალბადის ბმებს.

ამავდროულად, წყლის მოლეკულები მთლიანად მოგერიებენ ერთმანეთს. სინგაპურის მეცნიერებმა შენიშნეს, რომ რაც უფრო თბილია წყალი, მით უფრო დიდია მანძილი სითხის მოლეკულებს შორის საგრებელი ძალების გაზრდის გამო. შედეგად, წყალბადის ბმები იჭიმება და შესაბამისად ინახავს მეტ ენერგიას. ეს ენერგია გამოიყოფა წყლის გაციებისას – მოლეკულები უახლოვდებიან ერთმანეთს. ენერგიის დაბრუნება კი, მოგეხსენებათ, გაგრილებას ნიშნავს.

როგორც ქიმიკოსები წერენ თავიანთ სტატიაში, რომელიც შეგიძლიათ იხილოთ arXiv.org preprint საიტზე, წყალბადის ბმები ცხელ წყალში უფრო ძლიერად იჭიმება, ვიდრე ცივ წყალში. ამრიგად, გამოდის, რომ მეტი ენერგია ინახება ცხელი წყლის წყალბადურ ობლიგაციებში, რაც ნიშნავს, რომ მისი მეტი რაოდენობა გამოიყოფა ნულამდე ტემპერატურამდე გაციებისას. ამ მიზეზით, გაყინვა უფრო სწრაფია.

დღემდე მეცნიერებმა ეს გამოცანა მხოლოდ თეორიულად ამოხსნეს. როდესაც ისინი წარმოადგენენ თავიანთი ვერსიის დამაჯერებელ მტკიცებულებებს, მაშინ კითხვა, თუ რატომ იყინება ცხელი წყალი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი, შეიძლება ჩაითვალოს დახურულად.

ძველ კარგ ფორმულაში H 2 O, როგორც ჩანს, საიდუმლოებები არ არსებობს. მაგრამ სინამდვილეში წყალი - სიცოცხლის წყარო და მსოფლიოში ყველაზე ცნობილი სითხე - სავსეა მრავალი საიდუმლოებით, რომლებსაც ზოგჯერ მეცნიერებიც კი ვერ ხსნიან.

აქ არის 5 ყველაზე საინტერესო ფაქტი წყლის შესახებ:

1. ცხელი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი

აიღეთ ორი კონტეინერი წყალი: ერთში დაასხით ცხელი წყალი, მეორეში ცივი წყალი და შედგით საყინულეში. ცხელი წყალი უფრო სწრაფად გაიყინება, ვიდრე ცივი წყალი, თუმცა ლოგიკურად, ცივი წყალი ჯერ ყინულად უნდა გადაქცეულიყო: ცხელი წყალი ხომ ჯერ ცივ ტემპერატურამდე უნდა გაცივდეს, შემდეგ კი ყინულში გადაიზარდოს, ხოლო ცივ წყალს გაციება არ სჭირდება. Რატომ ხდება ეს?

1963 წელს ერასტო ბ. მპემბამ, ტანზანიის უფროსი სკოლის მოსწავლემ, ნაყინის მომზადებული ნარევის გაყინვისას შენიშნა, რომ ცხელი ნარევი საყინულეში უფრო სწრაფად მყარდება, ვიდრე ცივში. როდესაც ახალგაზრდამ თავისი აღმოჩენა ფიზიკის მასწავლებელს გაუზიარა, მას მხოლოდ გაეცინა. საბედნიეროდ, მოსწავლე იყო დაჟინებული და დაარწმუნა მასწავლებელი ჩაეტარებინა ექსპერიმენტი, რამაც დაადასტურა მისი აღმოჩენა: გარკვეულ პირობებში, ცხელი წყალი მართლაც უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი.

ახლა ამ ფენომენს ცხელი წყლის გაყინვის უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი ეწოდება Mpemba ეფექტი. მართალია, მასზე დიდი ხნით ადრე წყლის ეს უნიკალური თვისება აღნიშნეს არისტოტელემ, ფრენსის ბეკონმა და რენე დეკარტმა.

მეცნიერებს ბოლომდე არ ესმით ამ ფენომენის ბუნება და ხსნიან მას ჰიპოთერმიის, აორთქლების, ყინულის წარმოქმნის, კონვექციის ან თხევადი აირების ზემოქმედებით ცხელ და ცივ წყალზე.

შენიშვნა Х.RU-დან თემაზე "ცხელი წყალი უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი".

ვინაიდან გაგრილების საკითხები ჩვენთან, მაცივრის სპეციალისტებთან, უფრო ახლოსაა, მოდით, ცოტა ღრმად ჩავუღრმავდეთ ამ პრობლემის არსს და ორი აზრი გამოვთქვათ ასეთი იდუმალი ფენომენის ბუნების შესახებ.

1. ვაშინგტონის უნივერსიტეტის მეცნიერმა შესთავაზა არისტოტელეს დროიდან ცნობილი იდუმალი ფენომენი: რატომ იყინება ცხელი წყალი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი.

ფენომენი, რომელსაც ეწოდება Mpemba ეფექტი, ფართოდ გამოიყენება პრაქტიკაში. მაგალითად, ექსპერტები მემანქანეებს ურჩევენ ზამთარში სარეცხის რეზერვუარში ცივი და არა ცხელი წყალი დაასხონ. მაგრამ რა უდევს საფუძვლად ამ ფენომენს დიდი ხნის განმავლობაში უცნობი რჩებოდა.

ვაშინგტონის უნივერსიტეტის დოქტორმა ჯონათან კაცმა გამოიკვლია ეს ფენომენი და დაასკვნა, რომ წყალში გახსნილი ნივთიერებები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ მასში, რომლებიც გაცხელებისას ნალექი ჩნდება, იუწყება EurekAlert.

ხსნარებში დოქტორი კაცი გულისხმობს კალციუმის და მაგნიუმის ბიკარბონატებს, რომლებიც გვხვდება მყარ წყალში. როდესაც წყალი თბება, ეს ნივთიერებები ნალექს იღებს, აყალიბებს ქერცლს ქვაბის კედლებზე. წყალი, რომელიც არასოდეს გაცხელებულა, შეიცავს ამ მინარევებს. როდესაც ის იყინება და ყინულის კრისტალები წარმოიქმნება, წყალში მინარევების კონცენტრაცია 50-ჯერ იზრდება. ეს ამცირებს წყლის გაყინვის წერტილს. „ახლა კი წყალი უნდა გაცივდეს, რომ გაიყინოს“, განმარტავს დოქტორი კაცი.

არის მეორე მიზეზი, რომელიც ხელს უშლის გაუხურებელი წყლის გაყინვას. წყლის გაყინვის წერტილის დაწევა ამცირებს ტემპერატურის სხვაობას მყარ და თხევად ფაზებს შორის. „რადგან წყლის დაკარგვის სიჩქარე დამოკიდებულია ამ ტემპერატურის სხვაობაზე, წყალი, რომელიც არ გაცხელებულა, უარესად კლებულობს“, - ამბობს დოქტორი კაცი.

მეცნიერის თქმით, მისი თეორია ექსპერიმენტულად შეიძლება შემოწმდეს, რადგან. მპემბას ეფექტი უფრო გამოხატული ხდება მყარი წყლისთვის.

2. ჟანგბადი პლუს წყალბადი პლუს ცივი ქმნის ყინულს. ერთი შეხედვით, ეს გამჭვირვალე ნივთიერება ძალიან მარტივი ჩანს. სინამდვილეში, ყინული სავსეა მრავალი საიდუმლოებით. აფრიკელი ერასტო მპემბას მიერ შექმნილი ყინული დიდებაზე არ ფიქრობდა. დღეები ცხელი იყო. მას სურდა პოპსიკები. აიღო ერთი მუყაო წვენი და შედგა საყინულეში. მან ეს არაერთხელ გააკეთა და ამიტომ შენიშნა, რომ წვენი განსაკუთრებით სწრაფად იყინება, თუ მანამდე მზეზე დაიჭერთ - უბრალოდ გაათბეთ! ეს უცნაურია, ფიქრობდა ტანზანიელი სკოლის მოსწავლე, რომელიც ამქვეყნიური სიბრძნის საწინააღმდეგოდ იქცეოდა. შესაძლებელია თუ არა, რომ სითხე უფრო სწრაფად გადაიქცეს ყინულად, ჯერ უნდა ... გაცხელდეს? ახალგაზრდას ისე გაუკვირდა, რომ თავისი გამოცნობა მასწავლებელს გაუზიარა. მან ეს ცნობისმოყვარეობა პრესაში გაავრცელა.

ეს ამბავი ჯერ კიდევ 1960-იან წლებში მოხდა. ახლა "მპემბას ეფექტი" კარგად არის ცნობილი მეცნიერებისთვის. მაგრამ დიდი ხნის განმავლობაში ეს ერთი შეხედვით მარტივი ფენომენი საიდუმლოდ დარჩა. რატომ იყინება ცხელი წყალი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი წყალი?

მხოლოდ 1996 წელს იპოვა გამოსავალი ფიზიკოსმა დევიდ აუერბახმა. ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად მან მთელი წლის განმავლობაში ჩაატარა ექსპერიმენტი: ჭიქაში წყალი გაახურა და ისევ გააგრილა. მერე რა გაარკვია? გაცხელებისას წყალში გახსნილი ჰაერის ბუშტები აორთქლდება. გაზების გარეშე წყალი უფრო ადვილად იყინება ჭურჭლის კედლებზე. „რა თქმა უნდა, ჰაერის მაღალი შემცველობის წყალიც გაიყინება“, - ამბობს აუერბახი, - მაგრამ არა ნულ ცელსიუსზე, არამედ მხოლოდ მინუს ოთხიდან ექვს გრადუსზე. რა თქმა უნდა, კიდევ მოგიწევთ ლოდინი. ასე რომ, ცხელი წყალი ცივ წყალამდე იყინება, ეს მეცნიერული ფაქტია.

ძნელად არსებობს ისეთი ნივთიერება, რომელიც ჩვენს თვალწინ გამოჩნდეს ისეთივე მარტივად, როგორც ყინული. იგი შედგება მხოლოდ წყლის მოლეკულებისგან - ეს არის ელემენტარული მოლეკულები, რომლებიც შეიცავს წყალბადის ორ ატომს და ერთ ჟანგბადს. თუმცა, ყინული ალბათ ყველაზე იდუმალი ნივთიერებაა სამყაროში. მეცნიერებმა ჯერ ვერ შეძლეს მისი ზოგიერთი თვისების ახსნა.

2. Supercooling და "Flash" გაყინვა

ყველამ იცის, რომ წყალი ყოველთვის ყინულად იქცევა, როცა 0 °C-მდე გაცივდება... ზოგიერთი შემთხვევის გარდა! ასეთი შემთხვევაა, მაგალითად, „სუპერგაციება“, რომელიც არის ძალიან სუფთა წყლის თვისება, რომ დარჩეს თხევად ყინვამდე გაცივებისას. ეს ფენომენი შესაძლებელი ხდება იმის გამო, რომ გარემო არ შეიცავს კრისტალიზაციის ცენტრებს ან ბირთვებს, რომლებსაც შეუძლიათ ყინულის კრისტალების წარმოქმნის პროვოცირება. ასე რომ, წყალი რჩება თხევად ფორმაში, მაშინაც კი, როდესაც გაცივდება ცელსიუს გრადუსამდე ტემპერატურამდე. კრისტალიზაციის პროცესი შეიძლება გამოიწვიოს, მაგალითად, გაზის ბუშტებით, მინარევებით (დაბინძურებით), კონტეინერის არათანაბარი ზედაპირით. მათ გარეშე წყალი თხევად მდგომარეობაში დარჩება. როდესაც კრისტალიზაციის პროცესი დაიწყება, შეგიძლიათ უყუროთ, როგორ გადაიქცევა სუპერ-გაციებული წყალი მყისიერად ყინულად.

უყურეთ ვიდეოს (2 901 Kb, 60 c) Phil Medina-ს (www.mrsciguy.com) და თავად დარწმუნდებით >>

კომენტარი.ზედმეტად გაცხელებული წყალი ასევე რჩება თხევადი მაშინაც კი, როდესაც თბება დუღილის წერტილზე მაღლა.

3. „მინის“ წყალი

სწრაფად და უყოყმანოდ დაასახელეთ რამდენი განსხვავებული მდგომარეობა აქვს წყალს?

თუ თქვენ უპასუხეთ სამს (მყარი, თხევადი, აირი), მაშინ ცდებით. მეცნიერები განასხვავებენ წყლის მინიმუმ 5 სხვადასხვა მდგომარეობას თხევადი სახით და 14 ყინულის მდგომარეობას.

გახსოვთ საუბარი სუპერ გაცივებულ წყალზე? ასე რომ, რაც არ უნდა გააკეთოთ, -38 ° C-ზე, ყველაზე სუფთა სუპერ-გაციებული წყალიც კი მოულოდნელად იქცევა ყინულად. რა ხდება შემდგომი შემცირებით

ტემპერატურა? -120 °C-ზე რაღაც უცნაური ხდება წყალთან: ის ხდება ზებლანტი ან ბლანტი, როგორც მელასა, ხოლო -135 °C-ზე დაბალ ტემპერატურაზე გადაიქცევა „მინის“ ან „მინის“ წყალში - მყარ ნივთიერებად, რომელშიც. არ არის კრისტალური სტრუქტურა.

4. წყლის კვანტური თვისებები

მოლეკულურ დონეზე წყალი კიდევ უფრო გასაკვირია. 1995 წელს მეცნიერებმა ჩაატარეს ექსპერიმენტი ნეიტრონების გაფანტვაზე, მისცა მოულოდნელი შედეგი: ფიზიკოსებმა აღმოაჩინეს, რომ წყლის მოლეკულებისკენ მიმართული ნეიტრონები „ხედავენ“ 25%-ით ნაკლებ წყალბადის პროტონებს, ვიდრე მოსალოდნელი იყო.

აღმოჩნდა, რომ ერთი ატოწამის სიჩქარით (10 -18 წამი) ხდება უჩვეულო კვანტური ეფექტი და წყლის ქიმიური ფორმულა ჩვეულებრივის ნაცვლად - H 2 O, ხდება H 1.5 O!

5. აქვს თუ არა წყალს მეხსიერება?

ჰომეოპათია, ჩვეულებრივი მედიცინის ალტერნატივა, ამტკიცებს, რომ სამკურნალო პროდუქტის განზავებულ ხსნარს შეუძლია სხეულზე სამკურნალო ეფექტი მოახდინოს, მაშინაც კი, თუ განზავების ფაქტორი იმდენად დიდია, რომ ხსნარში წყლის მოლეკულების გარდა არაფერი რჩება. ჰომეოპათიის მომხრეები ამ პარადოქსს ხსნიან კონცეფციით, სახელწოდებით „წყლის მეხსიერება“, რომლის თანახმად, წყალს მოლეკულურ დონეზე აქვს მასში გახსნილი ნივთიერების „მეხსიერება“ და ინარჩუნებს თავდაპირველი კონცენტრაციის ხსნარის თვისებებს მას შემდეგ, რაც მასში რჩება ინგრედიენტის ერთი მოლეკულა.

მეცნიერთა საერთაშორისო ჯგუფმა, ბელფასტის დედოფლის უნივერსიტეტის პროფესორ მადლენ ენისის ხელმძღვანელობით, რომელიც აკრიტიკებდა ჰომეოპათიის პრინციპებს, ჩაატარა ექსპერიმენტი 2002 წელს ამ კონცეფციის ერთხელ და სამუდამოდ უარსაყოფად. შედეგი საპირისპირო იყო. ამის შემდეგ მეცნიერებმა განაცხადეს, რომ მათ შეძლეს დაემტკიცებინათ "წყლის მეხსიერების" ეფექტის რეალობა. თუმცა დამოუკიდებელი ექსპერტების მეთვალყურეობის ქვეშ ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა შედეგი არ გამოიღო. კამათი "წყლის მეხსიერების" ფენომენის არსებობაზე გრძელდება.

წყალს ბევრი სხვა უჩვეულო თვისება აქვს, რომლებიც ამ სტატიაში არ განვიხილეთ.

ლიტერატურა.

1. 5 მართლაც უცნაური რამ წყლის შესახებ / http://www.neatorama.com.
2. წყლის საიდუმლო: შეიქმნა არისტოტელე-მპემბას ეფექტის თეორია / http://www.o8ode.ru.
3. ნეპომნიახჩი ნ.ნ. უსულო ბუნების საიდუმლოებები. ყველაზე იდუმალი ნივთიერება სამყაროში / http://www.bibliotekar.ru.

1963 წელს ტანზანიელმა მოსწავლემ, სახელად ერასტო მპემბამ მასწავლებელს დაუსვა სულელური შეკითხვა - რატომ იყინება თბილი ნაყინი უფრო სწრაფად, ვიდრე ცივი ნაყინი მის საყინულეში?

ერასტო მპემბა იყო ტანზანიის მაგამბინის საშუალო სკოლის სტუდენტი, რომელიც პრაქტიკულ კულინარიულ სამუშაოს აკეთებდა. მას უნდა გაეკეთებინა ხელნაკეთი ნაყინი - მოხარშეთ რძე, გახსენით შაქარი, გააგრილეთ ოთახის ტემპერატურამდე და შედგით მაცივარში გასაყინად. როგორც ჩანს, მპემბა არ იყო განსაკუთრებით მონდომებული სტუდენტი და აჭიანურებდა დავალების პირველ ნაწილს. იმის შიშით, რომ გაკვეთილის ბოლოს დროულად არ მივიდოდა, ჯერ კიდევ ცხელი რძე შედგა მაცივარში. მისდა გასაკვირად, ის კიდევ უფრო ადრე გაიყინა, ვიდრე მისი ამხანაგების რძე, მოცემული ტექნოლოგიით მომზადებული.

მან მიმართა ფიზიკის მასწავლებელს დაზუსტებისთვის, მაგრამ მან მხოლოდ გაეცინა სტუდენტს და უთხრა შემდეგი: "ეს არ არის მსოფლიო ფიზიკა, არამედ მპემბას ფიზიკა". ამის შემდეგ მპემბამ ექსპერიმენტები ჩაატარა არა მხოლოდ რძეზე, არამედ უბრალო წყალზეც.

ყოველ შემთხვევაში, უკვე მკვავას უმაღლესი სკოლის სტუდენტი, მან სთხოვა პროფესორ დენის ოსბორნს დარ-ეს-სალამის საუნივერსიტეტო კოლეჯიდან (სკოლის დირექტორის მიერ მოწვეული ფიზიკის შესახებ ლექციის წასაკითხად სტუდენტებისთვის) წყლის შესახებ: „თუ იღებთ ორ იდენტურ კონტეინერს წყლის თანაბარი მოცულობით ისე, რომ ერთში წყლის ტემპერატურა იყოს 35 ° C, ხოლო მეორეში - 100 ° C და შედგით საყინულეში, შემდეგ მეორეში წყალი გაიყინოს. უფრო სწრაფად. რატომ?" ოსბორნი დაინტერესდა ამ საკითხით და მალე 1969 წელს მპემბასთან ერთად გამოაქვეყნეს თავიანთი ექსპერიმენტების შედეგები ჟურნალში Physics Education. მას შემდეგ მათ მიერ აღმოჩენილ ეფექტს მპემბას ეფექტი ეწოდება.

გაინტერესებთ, რატომ ხდება ეს? სულ რამდენიმე წლის წინ მეცნიერებმა მოახერხეს ამ ფენომენის ახსნა ...

Mpemba ეფექტი (Mpemba Paradox) არის პარადოქსი, რომელიც აცხადებს, რომ ცხელი წყალი გარკვეულ პირობებში უფრო სწრაფად იყინება, ვიდრე ცივი წყალი, თუმცა გაყინვის პროცესში მან უნდა გაიაროს ცივი წყლის ტემპერატურა. ეს პარადოქსი არის ექსპერიმენტული ფაქტი, რომელიც ეწინააღმდეგება ჩვეულ იდეებს, რომლის მიხედვითაც, ერთსა და იმავე პირობებში, უფრო ცხელ სხეულს უფრო მეტი დრო სჭირდება გარკვეულ ტემპერატურამდე გასაცივებლად, ვიდრე გრილ სხეულს იმავე ტემპერატურამდე გასაცივებლად.

ეს ფენომენი იმ დროს შენიშნეს არისტოტელემ, ფრენსის ბეკონმა და რენე დეკარტმა. აქამდე არავინ იცის ზუსტად როგორ ახსნას ეს უცნაური ეფექტი. მეცნიერებს არ აქვთ ერთი ვერსია, თუმცა ბევრია. ეს ყველაფერი ეხება ცხელი და ცივი წყლის თვისებებს შორის განსხვავებას, მაგრამ ჯერ არ არის ნათელი, რომელი თვისებები თამაშობს როლს ამ შემთხვევაში: განსხვავება სუპერგაცივებაში, აორთქლებაში, ყინულის წარმოქმნაში, კონვექციაში ან თხევადი აირების ზემოქმედება წყალზე. სხვადასხვა ტემპერატურა. მპემბას ეფექტის პარადოქსი არის ის, რომ დრო, რომლის დროსაც სხეული გაცივდება გარემოს ტემპერატურამდე, უნდა იყოს პროპორციული ტემპერატურის სხვაობისა ამ სხეულსა და გარემოს შორის. ეს კანონი ნიუტონმა დაადგინა და მას შემდეგ პრაქტიკაში არაერთხელ დადასტურდა. იმავე ეფექტით, 100°C-ზე წყალი 0°C-მდე უფრო სწრაფად გაცივდება, ვიდრე იგივე რაოდენობის წყალი 35°C-ზე.

მოგეხსენებათ, წყლის მოლეკულები შედგება ერთი ჟანგბადის ატომისა და ორი წყალბადის ატომისგან, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული კოვალენტური ბმებით, რაც ნაწილაკების დონეზე ელექტრონების გაცვლას ჰგავს. კიდევ ერთი ცნობილი ფაქტია, რომ წყალბადის ატომები მეზობელი მოლეკულებიდან ჟანგბადის ატომებს იზიდავს - წარმოიქმნება წყალბადის ბმები.

აქ მოცემულია მეცნიერების მიერ წამოყენებული ჰიპოთეზები:

აორთქლება

ცხელი წყალი უფრო სწრაფად აორთქლდება კონტეინერიდან, რითაც მცირდება მისი მოცულობა და იგივე ტემპერატურის მქონე წყლის უფრო მცირე მოცულობა უფრო სწრაფად იყინება. 100°C-მდე გაცხელებული წყალი 0°C-მდე გაცივებისას კარგავს მასის 16%-ს. აორთქლების ეფექტი ორმაგი ეფექტია. პირველ რიგში, მცირდება გაგრილებისთვის საჭირო წყლის მასა. და მეორეც, აორთქლების გამო, მისი ტემპერატურა იკლებს.

ტემპერატურის სხვაობა

იმის გამო, რომ ცხელ წყალსა და ცივ ჰაერს შორის ტემპერატურული სხვაობა უფრო დიდია - შესაბამისად, სითბოს გადაცემა ამ შემთხვევაში უფრო ინტენსიურია და ცხელი წყალი უფრო სწრაფად კლებულობს.

ჰიპოთერმია
როდესაც წყალი გაგრილდება 0°C-ზე დაბალ ტემპერატურაზე, ის ყოველთვის არ იყინება. გარკვეულ პირობებში, მას შეუძლია გაიაროს სუპერგაგრილება, ხოლო გაყინვის წერტილზე დაბალ ტემპერატურაზე აგრძელებს სითხის შენარჩუნებას. ზოგიერთ შემთხვევაში წყალი შეიძლება თხევადი დარჩეს -20°C-ზეც კი. ამ ეფექტის მიზეზი ის არის, რომ იმისათვის, რომ ყინულის პირველი კრისტალები წარმოიქმნას, საჭიროა კრისტალების წარმოქმნის ცენტრები. თუ ისინი არ არიან თხევად წყალში, მაშინ სუპერგაგრილება გაგრძელდება მანამ, სანამ ტემპერატურა საკმარისად დაეცემა, რომ კრისტალები სპონტანურად წარმოქმნას დაიწყებენ. როდესაც ისინი იწყებენ ფორმირებას სუპერგაცივებულ სითხეში, ისინი დაიწყებენ უფრო სწრაფად ზრდას, წარმოქმნიან ყინულის ნამსხვრევს, რომელიც გაიყინება და წარმოქმნის ყინულს. ცხელი წყალი ყველაზე მგრძნობიარეა ჰიპოთერმიის მიმართ, რადგან მისი გაცხელება გამორიცხავს გახსნილ გაზებს და ბუშტებს, რაც თავის მხრივ შეიძლება გახდეს ყინულის კრისტალების ფორმირების ცენტრები. რატომ იწვევს ჰიპოთერმია ცხელი წყლის უფრო სწრაფად გაყინვას? ცივი წყლის შემთხვევაში, რომელიც არ არის ზედმეტად გაცივებული, ხდება ის, რომ მის ზედაპირზე წარმოიქმნება ყინულის თხელი ფენა, რომელიც მოქმედებს როგორც იზოლატორი წყალსა და ცივ ჰაერს შორის და ამით ხელს უშლის შემდგომ აორთქლებას. ყინულის კრისტალების წარმოქმნის სიჩქარე ამ შემთხვევაში ნაკლები იქნება. იმ შემთხვევაში, როდესაც ცხელი წყალი გადის ქვეგაგრილებას, ქვეგაციებულ წყალს არ აქვს ყინულის დამცავი ზედაპირული ფენა. ამიტომ, ის გაცილებით სწრაფად კარგავს სითბოს ღია ზემოდან. როდესაც სუპერგაგრილების პროცესი მთავრდება და წყალი იყინება, გაცილებით მეტი სითბო იკარგება და, შესაბამისად, მეტი ყინული წარმოიქმნება. ამ ეფექტის მრავალი მკვლევარი თვლის ჰიპოთერმიას მთავარ ფაქტორად Mpemba ეფექტის შემთხვევაში.
კონვექცია

ცივი წყალი იწყებს გაყინვას ზემოდან, რითაც აუარესებს სითბოს გამოსხივების და კონვექციის პროცესებს და, შესაბამისად, სითბოს დაკარგვას, ხოლო ცხელი წყალი იწყებს გაყინვას ქვემოდან. ეს ეფექტი აიხსნება წყლის სიმკვრივის ანომალიით. წყალს აქვს მაქსიმალური სიმკვრივე 4°C-ზე. თუ წყალს 4°C-მდე გაგრილებთ და დაბალ ტემპერატურაზე მოათავსებთ, წყლის ზედაპირული ფენა უფრო სწრაფად გაიყინება. იმის გამო, რომ ეს წყალი 4°C ტემპერატურაზე ნაკლები სიმკვრივისაა, ვიდრე წყალი, ის დარჩება ზედაპირზე და წარმოქმნის თხელ ცივ ფენას. ამ პირობებში წყლის ზედაპირზე მცირე ხნით ყინულის თხელი ფენა წარმოიქმნება, მაგრამ ყინულის ეს ფენა წყლის ქვედა ფენების იზოლატორის ფუნქციას ასრულებს, რომელიც დარჩება 4°C-ზე. ამიტომ, შემდგომი გაგრილების პროცესი უფრო ნელი იქნება. ცხელი წყლის შემთხვევაში კი სულ სხვა სიტუაციაა. წყლის ზედაპირული ფენა უფრო სწრაფად გაცივდება აორთქლებისა და უფრო დიდი ტემპერატურის განსხვავების გამო. ასევე, ცივი წყლის ფენები უფრო მკვრივია, ვიდრე ცხელი წყლის ფენები, ამიტომ ცივი წყლის ფენა ჩაიძირება და აწევს თბილი წყლის ფენას ზედაპირზე. წყლის ეს ცირკულაცია უზრუნველყოფს ტემპერატურის სწრაფ ვარდნას. მაგრამ რატომ არ აღწევს ეს პროცესი წონასწორობის წერტილს? Mpemba ეფექტის კონვექციის თვალსაზრისით ასახსნელად, უნდა ვივარაუდოთ, რომ წყლის ცივი და ცხელი ფენები გამოყოფილია და თავად კონვექციის პროცესი გრძელდება მას შემდეგ, რაც წყლის საშუალო ტემპერატურა დაეცემა 4°C-ზე დაბლა. თუმცა, არ არსებობს ექსპერიმენტული მტკიცებულება ამ ჰიპოთეზის გასამყარებლად, რომ ცივი და ცხელი წყლის ფენები გამოყოფილია კონვექციით.

წყალში გახსნილი აირები

თბოგამტარობა

ამ მექანიზმს შეუძლია მნიშვნელოვანი როლი შეასრულოს, როდესაც წყალი მოთავსებულია მაცივარ საყინულეში პატარა კონტეინერებში. ამ პირობებში, დაფიქსირდა, რომ კონტეინერი ცხელი წყლით დნება საყინულე ყინულის ქვეშ, რითაც აუმჯობესებს თერმულ კონტაქტს საყინულის კედელთან და თბოგამტარობა. შედეგად, ცხელი წყლის კონტეინერიდან სითბო უფრო სწრაფად იხსნება, ვიდრე ცივიდან. თავის მხრივ, კონტეინერი ცივი წყლით არ დნება თოვლს მის ქვეშ. ყველა ეს (ისევე როგორც სხვა) პირობა შესწავლილია მრავალ ექსპერიმენტში, მაგრამ ცალსახა პასუხი კითხვაზე - რომელი მათგანი უზრუნველყოფს მპემბას ეფექტის 100%-იან რეპროდუქციას - არ იქნა მიღებული. ასე, მაგალითად, 1995 წელს გერმანელმა ფიზიკოსმა დევიდ აუერბახმა შეისწავლა წყლის სუპერგაგრილების გავლენა ამ ეფექტზე. მან აღმოაჩინა, რომ ცხელი წყალი, რომელიც აღწევს სუპერგრილ მდგომარეობას, იყინება უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე ცივი წყალი და, შესაბამისად, უფრო სწრაფად, ვიდრე ეს უკანასკნელი. მაგრამ ცივი წყალი ზეგაციებულ მდგომარეობას უფრო სწრაფად აღწევს, ვიდრე ცხელი წყალი, რითაც ანაზღაურებს წინა ჩამორჩენას. გარდა ამისა, Auerbach-ის შედეგები ეწინააღმდეგებოდა ადრინდელ მონაცემებს, რომ ცხელ წყალს შეუძლია მიაღწიოს მეტ სუპერგაგრილებას ნაკლები კრისტალიზაციის ცენტრების გამო. წყლის გაცხელებისას მასში გახსნილ გაზებს აშორებენ, ადუღებისას კი მასში გახსნილი მარილების ნალექი ჩნდება. ჯერჯერობით მხოლოდ ერთი რამის მტკიცება შეიძლება - ამ ეფექტის რეპროდუქცია მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული იმ პირობებზე, რომლებშიც ექსპერიმენტი ტარდება. ზუსტად იმიტომ, რომ ის ყოველთვის არ არის რეპროდუცირებული.

და აქ არის ყველაზე სავარაუდო მიზეზი.

პორტალი სტუდენტისთვის. თვითმმართველობის ტრენინგი

დაკვირვებისა და კვლევის ისტორია

Mpemba ეფექტი რეალურ ცხოვრებაში

ᲓᲐᲙᲐᲕᲨᲘᲠᲔᲑᲣᲚᲘ ᲡᲢᲐᲢᲘᲔᲑᲘ