Koja voda se brže smrzava - topla ili hladna? Topla i hladna voda: tajne smrzavanja
Britansko kraljevsko hemijsko društvo nudi nagradu od 1.000 funti svakome ko može objasniti naučna tačka pogled, zašto u nekim slučajevima vruća voda smrzava se brže od hladnoće.
“Savremena nauka još uvijek ne može odgovoriti na ovo naizgled jednostavno pitanje. Proizvođači sladoleda i barmeni koriste ovaj efekat u svom svakodnevnom radu, ali niko zapravo ne zna zašto radi. Ovaj problem je poznat milenijumima, a filozofi kao što su Aristotel i Descartes razmišljaju o njemu”, rekao je profesor David Phillips, predsjednik Britanskog kraljevskog društva za hemiju, citirano u saopštenju Društva.
Kako je kuvar iz Afrike pobedio britanskog profesora fizike
Ovo nije prvoaprilska šala, već surova fizička realnost. Moderna nauka, koja lako operiše galaksijama i crnim rupama, i gradi gigantske akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako elementarna voda "funkcioniše". Školski udžbenik jasno kaže da je potrebno više vremena za hlađenje toplijeg tijela nego za hlađenje hladnog tijela. Ali za vodu, ovaj zakon se ne poštuje uvijek. Aristotel je skrenuo pažnju na ovaj paradoks u 4. veku pre nove ere. e. Evo šta je drevni Grk napisao u svojoj knjizi Meteorologica I: „Činjenica da je voda prethodno zagrejana uzrokuje njeno smrzavanje. Stoga, mnogi ljudi, kada žele brže da rashlade toplu vodu, prvo je stave na sunce...” U srednjem vijeku su Francis Bacon i Rene Descartes pokušali da objasne ovaj fenomen. U tome, nažalost, nisu uspjeli ni veliki filozofi ni brojni naučnici koji su razvili klasičnu termofiziku, pa je tako nezgodna činjenica dugo bila "zaboravljena".
I tek 1968. godine „sjetili su se“ zahvaljujući školarcu Erastu Mpembeu iz Tanzanije, daleko od svake nauke. Dok je studirao u školi kulinarstva 1963. godine, 13-godišnji Mpembe je dobio zadatak da napravi sladoled. Prema tehnologiji, bilo je potrebno prokuhati mlijeko, otopiti šećer u njemu, ohladiti do sobnoj temperaturi a zatim stavite u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio marljiv učenik i oklijevao je. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po svim pravilima.
Kada je Mpemba svoje otkriće podijelio sa svojim profesorom fizike, nasmijao mu se pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već student na univerzitetu u Dar es Salamu, prisustvovao je predavanju poznatog fizičara Denisa G. Osbornea. Nakon predavanja, postavio je naučniku pitanje: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode, jednu na 35 °C (95 °F) i drugu na 100 °C (212 °F), i postavite ih u zamrzivaču, tada će se voda u vrućoj posudi brže smrznuti. Zašto?" Možete zamisliti reakciju britanskog profesora na pitanje mladića iz Bogom zaboravljene Tanzanije. Ismijavao je studenta. Međutim, Mpemba je bio spreman na takav odgovor i izazvao je naučnika na opkladu. Njihov spor je završio eksperimentalnim testom koji je potvrdio da je Mpemba u pravu, a Osborne poražen. Tako je kuhar šegrt upisao svoje ime u istoriju nauke, a od sada se ovaj fenomen naziva „efekat Mpemba“. Nemoguće ga je odbaciti, proglasiti „nepostojećim“. Fenomen postoji i, kako je pesnik napisao, „ne boli“.
Jesu li za to krive čestice prašine i otopljene tvari?
Tokom godina, mnogi su pokušavali da razotkriju misteriju smrzavanja vode. Predloženo je čitav niz objašnjenja za ovaj fenomen: isparavanje, konvekcija, uticaj rastvorenih supstanci - ali nijedan od ovih faktora se ne može smatrati definitivnim. Brojni naučnici su cijeli svoj život posvetili Mpemba efektu. Radnik Odjeljenja za radijacionu sigurnost Državni univerzitet Stanovnik Njujorka Džejms Braunridž već deceniju u slobodno vreme proučava paradoks. Nakon sto je izvršio stotine eksperimenata, naučnik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da se na 0°C voda samo prehlađena i počinje smrzavati kada temperatura padne ispod. Tačka smrzavanja regulirana je nečistoćama u vodi - one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, kao što su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju karakterističnu temperaturu nukleacije kada se kristali leda formiraju oko centara kristalizacije. Kada je nekoliko elemenata istovremeno prisutno u vodi, tačka smrzavanja je određena onim koji ima najvišu temperaturu nukleacije.
Za eksperiment, Brownridge je uzeo dva uzorka vode iste temperature i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek smrzava prije drugog, vjerovatno zbog različite kombinacije nečistoća.
Brownridge tvrdi da se topla voda brže hladi jer postoji veća razlika između temperatura vode i zamrzivača - to joj pomaže da dostigne svoju tačku smrzavanja prije nego hladna voda dostigne svoju prirodnu tačku smrzavanja, koja je niža. najmanje, na 5°C.
Međutim, Brownridgeovo rezonovanje otvara mnoga pitanja. Stoga oni koji na svoj način mogu objasniti efekat Mpemba imaju priliku da se takmiče za hiljadu funti sterlinga od Britanskog kraljevskog hemijskog društva.
Efekat Mpemba ili zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode? Efekat Mpemba (Mpemba Paradox) je paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode tokom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu. Ovu pojavu su svojevremeno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne. Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba je to učinio praktičan rad u kuvanju. Trebao je napraviti domaći sladoled - prokuvati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a zatim staviti u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji. Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada, efekat koji su otkrili naziva se Mpemba efekat. Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je to vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okruženje, mora biti proporcionalan temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C. Međutim, to još ne znači paradoks, jer se Mpemba efekat može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba: isparavanje Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C. Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare. Temperaturna razlika Zbog činjenice da je temperaturna razlika između vruća voda i više je hladnog vazduha - stoga je razmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi. Hipotermija Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od -20 C. Razlog za ovaj efekat je taj što su za stvaranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led. Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju da hladnom vodom, koji nije prehlađen, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh. Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda. Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta. Konvekcija Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplotnog zračenja i konvekcije, a samim tim i gubitak toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo. Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na temperaturi od 4 C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U ovim uslovima na površini vode će se za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji. U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Osim toga, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj toplu vodu na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosečna temperatura vode padne ispod 4 C. Međutim, nema eksperimentalni podaci koji bi potvrdili ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije. Gasovi rastvoreni u vodi Voda uvek sadrži gasove rastvorene u vodi - kiseonik i ugljen-dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova rastvorljivost u vodi veća visoke temperature ispod. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu. Toplotna provodljivost Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod. Svi ovi (kao i drugi) uslovi proučavani su u mnogim eksperimentima, ali jasan odgovor na pitanje - koji od njih obezbeđuju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobijen. Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje. Osim toga, Auerbachovi rezultati bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće prehlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj. Za sada se može konstatovati samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek. O. V. Mosin
Voda- prilično jednostavna supstanca s hemijske tačke gledišta, međutim, ima niz neobičnih svojstava koja ne prestaju oduševljavati naučnike. Ispod je nekoliko činjenica za koje malo ljudi zna.
1. Koja voda se brže smrzava - hladna ili topla?
Uzmimo dvije posude s vodom: u jednu sipajte toplu vodu, a u drugu hladnu i stavite u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne, iako je logično da je hladna voda prvo trebala da se pretvori u led: na kraju krajeva, topla voda mora prvo da se ohladi na nisku temperaturu, a zatim da se pretvori u led, dok hladna voda ne mora da se hladi. Zašto se ovo dešava?
Godine 1963., tanzanijski student po imenu Erasto B. Mpemba, dok je zamrzavao mješavinu sladoleda, primijetio je da se vruća mješavina brže stvrdnula u zamrzivaču od hladne. Kada je mladić podijelio svoje otkriće sa svojim profesorom fizike, samo mu se nasmijao. Na sreću, učenik je bio uporan i uvjerio učitelja da sprovede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima, topla voda se zapravo smrzava brže od hladne vode.
Sada se ovaj fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne zove “ Mpemba efekat" Istina, mnogo prije toga jedinstvena nekretnina vodu su zabilježili Aristotel, Francis Bacon i René Descartes.
Naučnici još uvijek ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji, ili djelovanjem ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.
2. Može se odmah smrznuti
Svi to znaju vode uvijek se pretvara u led kada se ohladi na 0°C... sa nekim izuzecima! Takav slučaj, na primjer, je prehlađenje, što je svojstvo vrlo čista voda ostaju tečni čak i kada se ohlade ispod nule. Ovaj fenomen je omogućen zbog činjenice da okolina ne sadrži centre ili jezgra kristalizacije koja bi mogla pokrenuti stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tečnom obliku čak i kada se ohladi na ispod nula stepeni Celzijusa.
Proces kristalizacije može biti uzrokovano, na primjer, mjehurićima plina, nečistoćama (zagađivačima) ili neravnom površinom posude. Bez njih, voda će ostati unutra tečno stanje. Kada proces kristalizacije započne, možete gledati kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.
Imajte na umu da "pregrijana" voda također ostaje tečna čak i kada se zagrije iznad tačke ključanja.
3. 19 stanja vode
Bez oklijevanja, navedite koliko različitih stanja ima voda? Ako ste odgovorili tri: čvrsta, tečna, gasovita, onda ste pogrešili. Naučnici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tečnom obliku i 14 stanja u zamrznutom obliku.
Sjećate se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, bez obzira šta radite, na -38 °C čak i najčistija super ohlađena voda će se iznenada pretvoriti u led. Šta će se dogoditi ako temperatura bude dalje padala? Na -120 °C vodi se nešto čudno događa: postaje super viskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama ispod -135 °C pretvara se u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrstu supstancu koja nema kristalnu strukturu. .
4. Voda iznenađuje fizičare
Na molekularnom nivou, voda je još više iznenađujuća. 1995. godine, eksperiment raspršivanja neutrona koji su sproveli naučnici dao je neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje vodonikovih protona nego što se očekivalo.
Pokazalo se da se brzinom od jedne atosekunde (10-18 sekundi) dešava neobičan kvantni efekat, a hemijska formula umjesto toga vodu H2O, postaje H1.5O!
5. Memorija vode
Alternativa službene medicine homeopatija navodi da je razrijeđena otopina medicinski proizvod može pružiti lekovito dejstvo na tijelu, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko visok da u otopini ne ostaje ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom koji se zove " memorija vode“, prema kojem voda na molekularnom nivou ima “pamćenje” supstance koja je nekada bila otopljena u njoj i zadržava svojstva rastvora prvobitne koncentracije nakon što u njoj ne ostane niti jedan molekul sastojka.
Međunarodni tim naučnika na čelu sa profesoricom Madeleine Ennis sa Queen's univerziteta u Belfastu, koja je kritikovala principe homeopatije, izveo je eksperiment 2002. godine kako bi jednom za svagda opovrgao koncept. Rezultat je bio suprotan. Nakon čega su naučnici izjavili da su uspjeli dokazati realnost efekta “ memorija vode" Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom nezavisnih stručnjaka nisu dali rezultate. Sporovi o postojanju fenomena" memorija vode"nastavlja se.
Voda ima mnoga druga neobična svojstva o kojima nismo govorili u ovom članku. Na primjer, gustina vode se mijenja u zavisnosti od temperature (gustina leda je manja od gustine vode); voda ima prilično visoku površinsku napetost; u tekućem stanju voda je složena i dinamički promenljiva mreža vodenih klastera, a ponašanje klastera utiče na strukturu vode itd.
O ovim i mnogim drugim neočekivanim karakteristikama vode možete pročitati u članku “ Anomalna svojstva vode“, autora Martina Chaplina, profesora na Univerzitetu u Londonu.
21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev
« Koja voda se brže smrzava, hladna ili topla?“- pokušajte da postavite pitanje prijateljima, najvjerovatnije će većina njih odgovoriti da se hladna voda brže smrzava – i pogriješit će.
Zapravo, ako u zamrzivač istovremeno stavite dvije posude istog oblika i zapremine, od kojih jedna sadrži hladnu vodu, a druga vruća, tada će se topla voda brže smrzavati.
Takva izjava može izgledati apsurdna i nerazumna. Ako slijedite logiku, onda se topla voda prvo mora ohladiti na temperaturu hladne vode, a hladna bi se već u tom trenutku trebala pretvoriti u led.
Pa zašto topla voda pobjeđuje hladnu na svom putu do smrzavanja? Pokušajmo to shvatiti.
Istorija posmatranja i istraživanja
Ljudi su od davnina posmatrali ovaj paradoksalan efekat, ali mu niko nije pridavao veliki značaj. Tako su Arestotel, kao i Rene Descartes i Francis Bacon, u svojim bilješkama uočili nedosljednosti u brzini smrzavanja hladne i tople vode. U svakodnevnom životu često se javljao neobičan fenomen.
Dugo vremena ovaj fenomen nije ni na koji način proučavan i nije izazivao veliko interesovanje naučnika.
Proučavanje ovog neobičnog efekta počelo je 1963. godine, kada je radoznali školarac iz Tanzanije, Erasto Mpemba, primijetio da se vruće mlijeko za sladoled smrzava brže od hladnog mlijeka. U nadi da će dobiti objašnjenje za razloge neobičnog efekta, mladić je pitao svog profesora fizike u školi. Međutim, učiteljica mu se samo nasmijala.
Kasnije je Mpemba ponovio eksperiment, ali u svom eksperimentu više nije koristio mlijeko, već vodu, a paradoksalan efekat se ponovo ponovio.
6 godina kasnije, 1969. godine, Mpemba je ovo pitanje postavio profesoru fizike Dennisu Osbornu, koji je došao u njegovu školu. Profesor je bio zainteresovan za mladićevo zapažanje, pa je kao rezultat sproveden eksperiment koji je potvrdio prisustvo efekta, ali razlozi za ovaj fenomen nisu utvrđeni.
Od tada se taj fenomen naziva Mpemba efekat.
Kroz istoriju naučnih posmatranja, postavljane su mnoge hipoteze o uzrocima ovog fenomena.
Tako bi 2012. godine Britansko kraljevsko hemijsko društvo objavilo takmičenje hipoteza koje objašnjavaju efekat Mpemba. Na konkursu su učestvovali naučnici iz cijelog svijeta, ukupno je prijavljeno 22.000 naučnih radova. Uprkos tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio paradoks Mpemba.
Najčešća verzija bila je prema kojoj se topla voda brže smrzava, jer jednostavno brže isparava, njen volumen postaje manji, a kako se volumen smanjuje, brzina hlađenja se povećava. Najčešća verzija je na kraju opovrgnuta jer je proveden eksperiment u kojem je isključeno isparavanje, ali je učinak ipak potvrđen.
Drugi naučnici su vjerovali da je uzrok Mpemba efekta isparavanje plinova otopljenih u vodi. Po njihovom mišljenju, tokom procesa zagrevanja gasovi rastvoreni u vodi isparavaju, zbog čega ona dobija veću gustinu od hladne vode. Kao što je poznato, povećanje gustine dovodi do promjene fizička svojstva vode (povećana toplotna provodljivost), a samim tim i povećanje brzine hlađenja.
Osim toga, postavljeno je nekoliko hipoteza koje opisuju brzinu cirkulacije vode ovisno o temperaturi. Mnoge studije su pokušale da utvrde odnos između materijala posuda u kojima se nalazila tečnost. Mnoge teorije izgledale su vrlo uvjerljivo, ali nisu mogle biti naučno potvrđene zbog nedostatka početnih podataka, kontradikcija u drugim eksperimentima ili zato što identificirani faktori jednostavno nisu bili uporedivi sa brzinom hlađenja vode. Neki naučnici su u svojim radovima doveli u pitanje postojanje efekta.
2013. istraživači sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru tvrdili su da su riješili misteriju Mpemba efekta. Prema njihovom istraživanju, razlog za ovaj fenomen leži u činjenici da se količina energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula hladne i tople vode značajno razlikuje.
Metode kompjuterskog modeliranja su pokazale sledeći rezultati: Što je temperatura vode viša, to je veća udaljenost između molekula zbog činjenice da se sile odbijanja povećavaju. Posljedično, vodonične veze molekula se rastežu, pohranjujući više energije. Kada se ohlade, molekuli se počinju približavati jedni drugima, oslobađajući energiju iz vodikovih veza. U ovom slučaju, oslobađanje energije je praćeno smanjenjem temperature.
U oktobru 2017. španski fizičari su, u toku jedne druge studije, otkrili da veliku ulogu u formiranju efekta igra uklanjanje supstance iz ravnoteže (snažno zagrijavanje prije jakog hlađenja). Odredili su uslove pod kojima je verovatnoća da će se efekat pojaviti maksimalna. Osim toga, naučnici iz Španije potvrdili su postojanje obrnutog Mpemba efekta. Otkrili su da kada se zagreje, hladniji uzorak može dostići visoku temperaturu brže od toplijeg.
Uprkos sveobuhvatnim informacijama i brojnim eksperimentima, naučnici nameravaju da nastave sa proučavanjem efekta.
Mpemba efekat u stvarnom životu
Da li ste se ikada zapitali zašto je zimi klizalište napunjeno toplom, a ne hladnom vodom? Kao što ste već shvatili, to rade jer će se klizalište napunjeno toplom vodom smrznuti brže nego da je napunjeno hladnom vodom. Iz istog razloga topla voda se sipa u tobogane u zimskim ledenim gradovima.
Dakle, saznanje o postojanju fenomena omogućava ljudima da uštede vrijeme prilikom pripreme lokacija za zimske vrste sport.
Osim toga, Mpemba efekat se ponekad koristi u industriji za smanjenje vremena smrzavanja proizvoda, tvari i materijala koji sadrže vodu.
Godine 1963. tanzanijski školarac po imenu Erasto Mpemba postavio je svom učitelju glupo pitanje - zašto se topli sladoled u njegovom zamrzivaču smrzavao brže od hladnog?
Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba je radio kao kuhar. Trebao je napraviti domaći sladoled - prokuvati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a zatim staviti u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Okrenuo se nastavniku fizike za pojašnjenje, ali se učeniku samo nasmijao, rekavši sljedeće: „Ovo nije univerzalna fizika, već Mpemba fizika.” Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom.
U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto?" Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada, efekat koji su otkrili naziva se Mpemba efekat.
Da li vas zanima zašto se to dešava? Pre samo nekoliko godina naučnici su uspeli da objasne ovaj fenomen...
Efekat Mpemba (Mpemba Paradox) je paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode tokom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su u svoje vrijeme uočili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes. Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline treba biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C.
Od tada su se oglasili različite verzije, od kojih je jedan zvučao ovako: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada je ostane manje, voda se brže smrzava. Ova verzija je, zbog svoje jednostavnosti, postala najpopularnija, ali nije u potpunosti zadovoljila naučnike.
Sada tim istraživača sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru, predvođen hemičarem Xi Zhangom, kaže da je riješio vjekovnu misteriju zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Kako su kineski stručnjaci otkrili, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.
Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koji se drže zajedno kovalentnim vezama, što na nivou čestica izgleda kao razmjena elektrona. Još jedna dobro poznata činjenica je da se atomi vodika privlače atomima kisika iz susjednih molekula – formiraju se vodikove veze.
U isto vrijeme, molekuli vode se općenito odbijaju. Naučnici iz Singapura su primijetili: što je voda toplija, to je veća udaljenost između molekula tekućine zbog povećanja odbojnih sila. Kao rezultat toga, vodikove veze se rastežu i stoga skladište više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda ohladi – molekuli se približavaju jedan drugom. A oslobađanje energije, kao što je poznato, znači hlađenje.
Evo pretpostavki koje su iznijeli naučnici:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100°C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0°C. Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, zbog isparavanja, njegova temperatura se smanjuje.
Temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća, stoga je razmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
Hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0°C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od -20°C. Razlog za ovaj efekat je taj što su za formiranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led. Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? Kod hladne vode koja nije prehlađena dešava se sledeće: na njenoj površini se formira tanak sloj leda koji deluje kao izolator između vode i hladnog vazduha i na taj način sprečava dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh. Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda. Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplotnog zračenja i konvekcije, a samim tim i gubitak toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo. Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima najveću gustinu na 4°C. Ako vodu ohladite na 4°C i stavite je u okruženje s nižom temperaturom, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U ovim uslovima na površini vode će se za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda delovati kao izolator, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4°C. . Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji. U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti dole, dovodeći sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa stanovišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4°C. Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.
Gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi niža na visokim temperaturama. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.
Toplotna provodljivost
Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobiven. Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje. Osim toga, Auerbachovi rezultati bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće prehlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj. Za sada se može konstatovati samo jedno: reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
Ali kako kažu, najvjerovatniji razlog.
Kako kemičari pišu u svom članku, koji se može naći na web stranici preprinta arXiv.org, vodonične veze su jače u vrućoj nego u hladnoj vodi. Tako se ispostavlja da je više energije pohranjeno u vodoničnim vezama tople vode, što znači da se više energije oslobađa kada se ohladi na temperaturu ispod nule. Iz tog razloga, stvrdnjavanje se događa brže.
Do danas, naučnici su ovu misteriju riješili samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze za svoju verziju, pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može se smatrati zatvorenim.
