21.11.2017 11.10.2018 Alexander Fircev

« Ktorá voda zamrzne rýchlejšie studená alebo horúca?“- skúste položiť otázku svojim priateľom, s najväčšou pravdepodobnosťou väčšina z nich odpovie, že studená voda zamrzne rýchlejšie - a urobte chybu.

V skutočnosti, ak súčasne vložíte do mrazničky dve nádoby rovnakého tvaru a objemu, z ktorých jedna bude obsahovať studenú vodu a druhá horúcu, horúca voda zamrzne rýchlejšie.

Takéto vyhlásenie sa môže zdať absurdné a nerozumné. Horúca voda musí logicky najskôr vychladnúť na studenú teplotu a studená by sa už v tomto čase mala zmeniť na ľad.

Prečo teda horúca voda predbehne studenú na ceste k zamrznutiu? Skúsme na to prísť.

História pozorovaní a výskumov

Ľudia tento paradoxný efekt pozorovali už v staroveku, no nikto mu neprikladal veľký význam. Takže nezrovnalosti v rýchlosti zmrazovania studenej a horúcej vody zaznamenali vo svojich poznámkach Arestotel, ako aj René Descartes a Francis Bacon. Nezvyčajný jav sa často prejavoval v každodennom živote.

Úkaz dlho nebol nijako skúmaný a medzi vedcami nevzbudil veľký záujem.

Štúdium nezvyčajného efektu sa začalo v roku 1963, keď si zvedavý študent z Tanzánie Erasto Mpemba všimol, že horúce mlieko na zmrzlinu zamrzne rýchlejšie ako studené. V nádeji, že dostane vysvetlenie dôvodov neobvyklého efektu, sa mladý muž opýtal svojho učiteľa fyziky v škole. Učiteľ sa mu však iba vysmial.

Neskôr Mpemba experiment zopakoval, no vo svojom experimente už nepoužíval mlieko, ale vodu a paradoxný efekt sa opäť zopakoval.

O šesť rokov neskôr, v roku 1969, položil Mpemba túto otázku profesorovi fyziky Dennisovi Osborneovi, ktorý prišiel do jeho školy. Profesor sa zaujímal o pozorovanie mladého muža, v dôsledku čoho sa uskutočnil experiment, ktorý potvrdil prítomnosť účinku, ale dôvody tohto javu neboli stanovené.

Odvtedy sa fenoménu hovorí Mpemba efekt.

Počas histórie vedeckých pozorovaní bolo predložených veľa hypotéz o príčinách tohto javu.

Takže v roku 2012 Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu vyhlásila súťaž hypotéz na vysvetlenie Mpemba efektu. Do súťaže sa zapojili vedci z celého sveta, celkovo bolo prihlásených 22 000 vedeckých prác. Napriek takémuto pôsobivému počtu článkov žiadny z nich neobjasnil Mpembov paradox.

Najbežnejšia verzia bola, podľa ktorej horúca voda zamŕza rýchlejšie, pretože sa jednoducho rýchlejšie vyparuje, jej objem sa zmenšuje a so zmenšujúcim sa objemom sa rýchlosť ochladzovania zvyšuje. Najbežnejšia verzia bola nakoniec vyvrátená, pretože sa uskutočnil experiment, v ktorom bolo vyparovanie vylúčené, ale účinok sa napriek tomu potvrdil.

Iní vedci sa domnievali, že dôvodom Mpemba efektu je odparovanie plynov rozpustených vo vode. Podľa ich názoru sa počas procesu ohrevu odparujú plyny rozpustené vo vode, vďaka čomu získava vyššiu hustotu ako studená voda. Ako je známe, zvýšenie hustoty vedie k zmene fyzikálnych vlastností vody (zvýšenie tepelnej vodivosti), a teda k zvýšeniu rýchlosti ochladzovania.

Okrem toho bolo predložených niekoľko hypotéz, ktoré opisujú rýchlosť cirkulácie vody ako funkciu teploty. V mnohých štúdiách sa uskutočnil pokus zistiť vzťah medzi materiálom nádob, v ktorých sa nachádzala kvapalina. Mnohé teórie sa zdali veľmi pravdepodobné, ale nemohli byť vedecky potvrdené pre nedostatok počiatočných údajov, rozpory v iných experimentoch alebo pre skutočnosť, že identifikované faktory jednoducho neboli porovnateľné s rýchlosťou ochladzovania vody. Niektorí vedci vo svojich prácach existenciu účinku spochybňovali.

V roku 2013 vedci z Technologickej univerzity Nanyang v Singapure tvrdili, že vyriešili záhadu Mpemba efektu. Podľa ich štúdie dôvod javu spočíva v tom, že množstvo energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami studenej a horúcej vody sa výrazne líši.

Metódy počítačovej simulácie ukázali nasledujúce výsledky: čím vyššia je teplota vody, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami v dôsledku toho, že sa zvyšujú odpudivé sily. V dôsledku toho sa vodíkové väzby molekúl natiahnu a ukladajú viac energie. Po ochladení sa molekuly začnú k sebe približovať, čím sa uvoľní energia z vodíkových väzieb. V tomto prípade je uvoľňovanie energie sprevádzané poklesom teploty.

V októbri 2017 španielski fyzici v rámci inej štúdie zistili, že pri vytváraní efektu zohráva veľkú úlohu práve odstránenie hmoty z rovnováhy (silné zahrievanie pred silným ochladením). Stanovili podmienky, za ktorých je pravdepodobnosť účinku maximálna. Vedci zo Španielska navyše potvrdili existenciu reverzného Mpemba efektu. Zistili, že po zahriatí môže chladnejšia vzorka dosiahnuť vysokú teplotu rýchlejšie ako teplá.

Napriek vyčerpávajúcim informáciám a početným experimentom majú vedci v úmysle pokračovať v skúmaní účinku.

Mpemba efekt v reálnom živote

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo je v zime ľadová plocha naplnená horúcou vodou a nie studenou? Ako ste už pochopili, robia to preto, lebo klzisko naplnené horúcou vodou zamrzne rýchlejšie, ako keby bolo naplnené studenou vodou. Z rovnakého dôvodu sa šmykľavky v zimných ľadových mestách polievajú horúcou vodou.

Poznatky o existencii fenoménu tak ľuďom umožňujú ušetriť čas pri príprave lokalít pre zimné športy.

Okrem toho sa v priemysle niekedy využíva aj Mpemba efekt – na skrátenie doby tuhnutia produktov, látok a materiálov obsahujúcich vodu.

Mpemba efekt(Mpembov paradox) - paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si v tom čase všimli už Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, no až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.

Erasto Mpemba bol študentom strednej školy Magambin v Tanzánii, kde robil praktické kuchárske práce. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovný študent a s prvou časťou zadania otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent mkvavského gymnázia, sa opýtal profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar es Salaame (pozvaný riaditeľom školy, aby prednášal študentom o fyzike) o vode: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody tak, aby v jednej z nich mala voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda zamrzne rýchlejšie. Prečo? Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembou publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa ich objavený efekt nazýva tzv Mpemba efekt.

Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Je to všetko o rozdiele vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.

Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa telo ochladí na teplotu okolia, musí byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým spôsobom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.

To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť aj v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.

Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.

teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.

podchladenie

Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 C.

Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé ľadové kryštály, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad.

Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá tvorby ľadových kryštálikov.

Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, nastáva nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.

Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.

Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.

Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.

Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto , ďalšie chladenie bude pomalšie.

V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.

Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpembovho efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.

Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že vrstvy studenej a horúcej vody sú oddelené konvekciou.

plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokej teplote je nižšia. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladničke s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztápa ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou.

Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať.

Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.

Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.

Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu v podstate závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

O. V. Mosin

Literárnezdrojov:

"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; mája 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995

"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.

Fenomén tuhnutia horúcej vody rýchlejšie ako studená voda je vo vede známy ako Mpemba efekt. Nad týmto paradoxným javom uvažovali také veľké mysle ako Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes, no po tisícročia ešte nikto nedokázal ponúknuť rozumné vysvetlenie tohto javu.

Až v roku 1963 si tento efekt na príklade zmrzliny všimol školák z Republiky Tanganika Erasto Mpemba, no nikto z dospelých mu nedal vysvetlenie. Napriek tomu fyzici a chemici vážne premýšľali o takom jednoduchom, ale tak nepochopiteľnom jave.

Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna bola nasledovná: časť horúcej vody sa najprv jednoducho odparí a potom, keď zostane menšie množstvo, voda rýchlejšie stuhne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najpopulárnejšou, no vedci neboli úplne spokojní.

Tím výskumníkov z Technologickej univerzity Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga teraz tvrdí, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda zamŕza rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski experti, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.

Ako viete, molekuly vody sa skladajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka držaných pohromade kovalentnými väzbami, čo na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalším známym faktom je, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl – to vytvára vodíkové väzby.

Zároveň sa molekuly vody ako celok navzájom odpudzujú. Vedci zo Singapuru si všimli, že čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku nárastu odpudivých síl. V dôsledku toho sa vodíkové väzby naťahujú, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľní, keď sa voda ochladí – molekuly sa k sebe priblížia. A návrat energie, ako viete, znamená ochladenie.

Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý možno nájsť na predtlačovej stránke arXiv.org, vodíkové väzby sú v horúcej vode natiahnuté silnejšie ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že vo vodíkových väzbách horúcej vody sa ukladá viac energie, čo znamená, že pri ochladzovaní na mínusové teploty sa jej uvoľňuje viac. Z tohto dôvodu je zmrazenie rýchlejšie.

Vedci dodnes túto hádanku vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, potom otázku, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, možno považovať za uzavretú.

V starom dobrom vzorci H 2 O by sa zdalo, že neexistujú žiadne tajomstvá. Ale v skutočnosti je voda – zdroj života a najznámejšia kvapalina na svete – opradená mnohými záhadami, ktoré niekedy nedokážu vyriešiť ani vedci.

Tu je 5 najzaujímavejších faktov o vode:

1. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená

Vezmite dve nádoby s vodou: do jednej nalejte horúcu vodu a do druhej studenú a vložte ich do mrazničky. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, aj keď logicky, studená sa mala najskôr zmeniť na ľad: veď horúca voda musí najprv vychladnúť na studenú teplotu a potom sa premení na ľad, zatiaľ čo studená voda vychladnúť nemusí. Prečo sa to deje?

V roku 1963 si Erasto B. Mpemba, stredoškolák v Tanzánii, pri zmrazovaní pripravenej zmrzlinovej zmesi všimol, že horúca zmes tuhne v mrazničke rýchlejšie ako studená. Keď sa mladík o svoj objav podelil s učiteľom fyziky, len sa mu vysmial. Našťastie bol študent vytrvalý a presvedčil učiteľa, aby urobil experiment, ktorý potvrdil jeho objav: za určitých podmienok horúca voda naozaj zamrzne rýchlejšie ako studená.

Teraz sa tento jav zmrazovania horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody nazýva Mpemba efekt. Pravda, dávno pred ním túto jedinečnú vlastnosť vody zaznamenali Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes.

Vedci úplne nerozumejú podstate tohto javu, vysvetľujú ho buď rozdielom v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo účinkom skvapalnených plynov na teplú a studenú vodu.

Poznámka od Х.RU k téme "Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená".

Keďže problematika chladenia je nám, odborníkom na chladenie, bližšia, ponorme sa trochu hlbšie do podstaty tohto problému a uveďme dva názory na podstatu takéhoto záhadného javu.

1. Vedec z Washingtonskej univerzity ponúkol vysvetlenie záhadného javu známeho už od čias Aristotela: prečo horúca voda zamŕza rýchlejšie ako studená.

Fenomén nazývaný Mpemba efekt je v praxi široko používaný. Odborníci napríklad motoristom radia, aby do nádržky ostrekovačov v zime nalievali radšej studenú ako horúcu vodu. Čo je však základom tohto javu, zostávalo dlho neznáme.

Doktor Jonathan Katz z Washingtonskej univerzity tento jav skúmal a dospel k záveru, že dôležitú úlohu v ňom zohrávajú látky rozpustené vo vode, ktoré sa pri zahrievaní vyzrážajú, uvádza EurekAlert.

Pod pojmom rozpustené látky Dr. Katz označuje hydrogénuhličitany vápnika a horčíka, ktoré sa nachádzajú v tvrdej vode. Pri ohrievaní vody sa tieto látky vyzrážajú a tvoria vodný kameň na stenách kanvice. Voda, ktorá nebola nikdy ohrievaná, obsahuje tieto nečistoty. Keď mrzne a tvoria sa ľadové kryštály, koncentrácia nečistôt vo vode sa zvyšuje 50-krát. Tým sa zníži bod tuhnutia vody. "A teraz musí voda vychladnúť, aby zamrzla," vysvetľuje doktor Katz.

Existuje druhý dôvod, ktorý zabraňuje zamrznutiu neohriatej vody. Zníženie bodu tuhnutia vody znižuje teplotný rozdiel medzi tuhou a kvapalnou fázou. "Pretože rýchlosť, ktorou voda stráca teplo, závisí od tohto teplotného rozdielu, je menej pravdepodobné, že voda, ktorá nebola zohriata, vychladne," hovorí Dr. Katz.

Podľa vedca sa jeho teória dá experimentálne testovať, pretože. Mpemba efekt sa stáva výraznejším pri tvrdšej vode.

2. Kyslík plus vodík plus chlad vytvára ľad. Na prvý pohľad pôsobí táto priehľadná hmota veľmi jednoducho. V skutočnosti je ľad plný mnohých záhad. Ľad, ktorý vytvoril Afričan Erasto Mpemba, nepomýšľal na slávu. Dni boli horúce. Chcel nanuky. Vzal kartón džúsu a dal ho do mrazničky. Urobil to viac ako raz, a preto si všimol, že šťava zamrzne obzvlášť rýchlo, ak ju predtým podržíte na slnku - stačí ju zohriať! To je zvláštne, pomyslel si tanzánsky školák, ktorý konal v rozpore so svetskou múdrosťou. Je možné, že aby sa kvapalina rýchlejšie zmenila na ľad, musí sa najprv ... zahriať? Mladík bol taký prekvapený, že sa o svoj odhad podelil s učiteľkou. O tejto kuriozite informoval v tlači.

Tento príbeh sa stal v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Teraz je "Mpemba efekt" vedcom dobre známy. Tento zdanlivo jednoduchý jav však zostal dlho záhadou. Prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená?

Až v roku 1996 našiel fyzik David Auerbach riešenie. Aby odpovedal na túto otázku, robil celý rok experiment: ohrieval vodu v pohári a znova ju ochladzoval. Čo teda zistil? Pri zahrievaní sa vzduchové bubliny rozpustené vo vode odparujú. Voda zbavená plynov ľahšie zamrzne na stenách nádoby. "Samozrejme, že zamrzne aj voda s vysokým obsahom vzduchu," hovorí Auerbach, "ale nie pri nule stupňov Celzia, ale len pri mínus štyroch až šiestich stupňoch." Samozrejme, budete musieť počkať dlhšie. Takže horúca voda zamrzne skôr ako studená, to je vedecký fakt.

Sotva existuje látka, ktorá by sa nám objavila pred očami s takou ľahkosťou ako ľad. Skladá sa len z molekúl vody – teda elementárnych molekúl obsahujúcich dva atómy vodíka a jeden kyslík. Ľad je však azda najzáhadnejšou látkou vo vesmíre. Niektoré jeho vlastnosti sa vedcom doteraz nepodarilo vysvetliť.

2. Podchladenie a „bleskové“ zmrazenie

Každý vie, že voda sa vždy po ochladení na 0 °C zmení na ľad... okrem niektorých prípadov! Takýmto prípadom je napríklad „prechladenie“, čo je vlastnosť veľmi čistej vody zostať tekutá aj pri ochladení pod bod mrazu. Tento jav je možný vďaka tomu, že prostredie neobsahuje kryštalizačné centrá alebo jadrá, ktoré by mohli vyvolať tvorbu ľadových kryštálikov. A tak voda zostáva v tekutej forme, aj keď sa ochladí na teploty pod nulou stupňov Celzia. Proces kryštalizácie môžu spustiť napríklad bublinky plynu, nečistoty (znečistenie), nerovný povrch nádoby. Bez nich zostane voda v tekutom stave. Keď sa spustí proces kryštalizácie, môžete sledovať, ako sa podchladená voda okamžite zmení na ľad.

Pozrite si video (2 901 Kb, 60 c) od Phila Medinu (www.mrsciguy.com) a presvedčte sa sami >>

Komentujte. Prehriata voda zostáva tekutá aj pri zahriatí nad jej bod varu.

3. "Sklená" voda

Rýchlo a bez váhania vymenujte, koľko rôznych stavov má voda?

Ak ste odpovedali tri (tuhá látka, kvapalina, plyn), tak sa mýlite. Vedci rozlišujú najmenej 5 rôznych stavov vody v tekutej forme a 14 stavov ľadu.

Pamätáte si na rozhovor o super vychladenej vode? Takže nech robíte čokoľvek, pri -38 °C sa aj tá najčistejšia superchladená voda zrazu zmení na ľad. Čo sa stane s ďalším poklesom

teplota? Pri teplote -120 °C sa s vodou začne diať niečo zvláštne: stane sa superviskózna alebo viskózna ako melasa a pri teplotách pod -135 °C sa zmení na „sklovitú“ alebo „sklenitú“ vodu – pevnú látku, v ktorej nemá kryštalickú štruktúru.

4. Kvantové vlastnosti vody

Na molekulárnej úrovni je voda ešte úžasnejšia. V roku 1995 vedci uskutočnili experiment s rozptylom neutrónov, ktorý priniesol neočakávaný výsledok: fyzici zistili, že neutróny zamerané na molekuly vody „vidia“ o 25 % menej vodíkových protónov, ako sa očakávalo.

Ukázalo sa, že rýchlosťou jednej attosekundy (10 -18 sekúnd) dochádza k nezvyčajnému kvantovému efektu a chemický vzorec vody namiesto obvyklého - H 2 O, sa stáva H 1,5 O!

5. Má voda pamäť?

Homeopatia, alternatíva klasickej medicíny, tvrdí, že zriedený roztok liečivého prípravku môže pôsobiť na organizmus ozdravne, aj keď je faktor zriedenia taký veľký, že v roztoku nezostane nič iné ako molekuly vody. Zástancovia homeopatie vysvetľujú tento paradox konceptom nazývaným „pamäť vody“, podľa ktorého má voda na molekulárnej úrovni „pamäť“ látky, ktorá je v nej rozpustená a zachováva si vlastnosti roztoku s pôvodnou koncentráciou po tom, čo zostáva v ňom jedna molekula zložky.

Medzinárodný tím vedcov pod vedením profesorky Madeleine Ennis z Queen's University of Belfast, ktorý kritizoval princípy homeopatie, uskutočnil v roku 2002 experiment, aby tento koncept raz a navždy vyvrátil. Výsledok bol opačný. Vedci potom povedali, že sa im podarilo dokázať reálnosť účinku "pamäť vody. Pokusy uskutočnené pod dohľadom nezávislých odborníkov však nepriniesli výsledky. Spory o existencii fenoménu "pamäť vody" pokračujú.

Voda má mnoho ďalších nezvyčajných vlastností, ktorým sme sa v tomto článku nevenovali.

Literatúra.

1. 5 naozaj divných vecí o vode / http://www.neatorama.com.
2. Záhada vody: vznikla teória Aristotelovho-Mpembovho efektu / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Tajomstvá neživej prírody. Najzáhadnejšia látka vo vesmíre / http://www.bibliotekar.ru.

V roku 1963 položil školák z Tanzánie menom Erasto Mpemba svojmu učiteľovi hlúpu otázku – prečo teplá zmrzlina zmrzne rýchlejšie ako studená v jeho mrazničke?

Erasto Mpemba bol študentom strednej školy Magambin v Tanzánii, kde robil praktické kuchárske práce. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovný študent a s prvou časťou zadania otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Obrátil sa na učiteľa fyziky so žiadosťou o vysvetlenie, ale ten sa študentovi iba vysmial a povedal: „Toto nie je svetová fyzika, ale fyzika Mpemba.“ Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou.

V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwawa, požiadal profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) o vode: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody tak, aby v jednej z nich mala voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda zamrzne rýchlejšie. Prečo?" Osborn sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembom publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt.

Zaujíma vás, prečo sa to deje? Len pred niekoľkými rokmi sa vedcom podarilo vysvetliť tento jav ...

Mpembov efekt (Mpemba Paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si v tom čase všimli Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes. Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Je to všetko o rozdiele vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty. Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa telo ochladí na teplotu okolia, musí byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým spôsobom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.

Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna bola nasledovná: časť horúcej vody sa najprv jednoducho odparí a potom, keď zostane menšie množstvo, voda rýchlejšie stuhne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najpopulárnejšou, no vedci neboli úplne spokojní.

Tím výskumníkov z Technologickej univerzity Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga teraz tvrdí, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda zamŕza rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski experti, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.

Ako viete, molekuly vody pozostávajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka držaných pohromade kovalentnými väzbami, čo na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalším známym faktom je, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl – v tomto prípade vznikajú vodíkové väzby.

Zároveň sa molekuly vody ako celok navzájom odpudzujú. Vedci zo Singapuru si všimli, že čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku nárastu odpudivých síl. V dôsledku toho sa vodíkové väzby naťahujú, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľní, keď sa voda ochladí – molekuly sa k sebe priblížia. A návrat energie, ako viete, znamená ochladenie.

Tu sú hypotézy predložené vedcami:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 °C stratí pri ochladení na 0 °C 16 % svojej hmoty. Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, v dôsledku vyparovania sa jeho teplota znižuje.

teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že rozdiel teplôt medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - preto je prenos tepla v tomto prípade intenzívnejší a horúca voda rýchlejšie chladne.

podchladenie
Keď sa voda ochladí pod 0 °C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 °C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé ľadové kryštály, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá tvorby ľadových kryštálikov. Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, dochádza k tomu, že sa na jej povrchu vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá funguje ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a bráni tak ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu. Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.
Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4°C. Ak vodu schladíte na 4°C a umiestnite ju do prostredia s nižšou teplotou, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú na 4°C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčších teplotných rozdielov. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie Mpemba efektu z pohľadu konvekcie treba predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje aj po poklese priemernej teploty vody pod 4°C. Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že vrstvy studenej a horúcej vody sú oddelené konvekciou.

plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokej teplote je nižšia. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, aj keď neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladničke s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztápa ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou. Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, ale jednoznačná odpoveď na otázku - ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpembovho efektu - nebola získaná. Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej. Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

A tu je najpravdepodobnejší dôvod.

Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý možno nájsť na predtlačovej stránke arXiv.org, vodíkové väzby sú v horúcej vode natiahnuté silnejšie ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že vo vodíkových väzbách horúcej vody sa ukladá viac energie, čo znamená, že pri ochladzovaní na mínusové teploty sa jej uvoľňuje viac. Z tohto dôvodu je zmrazenie rýchlejšie.

Vedci dodnes túto hádanku vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, potom otázku, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, možno považovať za uzavretú.