Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode? Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Zdravo dragi ljubavnici zanimljivosti. Danas ćemo razgovarati s vama o tome. Ali mislim da pitanje postavljeno u naslovu može izgledati jednostavno apsurdno - ali treba li uvijek potpuno vjerovati ozloglašenom “ zdrav razum“, umjesto strogo definiranog testnog eksperimenta. Hajde da pokušamo da shvatimo zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Istorijska referenca

Da u pitanju smrzavanja hladne i tople vode „nije sve čisto” pominju Aristotelova dela, zatim su slične beleške dali F. Bacon, R. Descartes i J. Black. IN moderna istorija Ovaj efekat je dobio naziv "Mpembin paradoks" - po tanganjičkom školarcu Erastu Mpembi, koji je isto pitanje postavio gostujućem profesoru fizike.

Dječakovo pitanje nije proizašlo iz prazan prostor, već iz čisto ličnih zapažanja procesa hlađenja sladolednih mješavina u kuhinji. Naravno, i drugovi iz razreda koji su bili prisutni, zajedno sa školski učitelj smijao se Mpembi - međutim, nakon eksperimentalnog testa lično profesora D. Osbornea, želja za ismijavanjem Erasta je "isparila". Štaviše, Mpemba je zajedno sa profesorom objavio u Fizičkom obrazovanju 1969 Detaljan opis ovaj efekat - i od tada je gore pomenuti naziv fiksiran u naučnoj literaturi.

Šta je suština fenomena?

Postavka eksperimenta je prilično jednostavna: pod svim ostalim jednakim uvjetima, testiraju se identične posude tankih stijenki, koje sadrže striktno jednake količine vode, koje se razlikuju samo po temperaturi. Posude se stavljaju u frižider, nakon čega se u svakoj od njih bilježi vrijeme do stvaranja leda. Paradoks je da se u posudi sa inicijalno toplijom tečnošću to dešava brže.

Kako savremena fizika ovo objašnjava?

Paradoks nema univerzalno objašnjenje, jer se nekoliko paralelnih procesa odvija zajedno, čiji doprinos može varirati u zavisnosti od specifičnih početnih uslova - ali sa ujednačenim rezultatom:

• sposobnost tečnosti da se prehlađenje - u početku hladna voda je sklonija prehlađenju, tj. ostaje tečno kada je njegova temperatura već ispod tačke smrzavanja
• ubrzano hlađenje - para iz tople vode pretvara se u mikrokristale leda, koji, kada se vraćaju, ubrzavaju proces, radeći kao dodatni „vanjski izmjenjivač topline“
• izolacijski učinak - za razliku od tople vode, hladna voda se smrzava odozgo, što dovodi do smanjenja prijenosa topline konvekcijom i zračenjem

Postoji niz drugih objašnjenja (posljednji put je Britansko kraljevsko hemijsko društvo nedavno, 2012. godine, održalo natjecanje za najbolju hipotezu) - ali još uvijek ne postoji jednoznačna teorija za sve slučajeve kombinacije ulaznih uslova...

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 ih 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 smjesa 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 je, na primjer, prehlađenje, što je svojstvo vrlo čista voda ostaju tečni čak i kada se ohlade ispod nule. Ovaj fenomen postaje moguć zbog činjenice da okruženje ne sadrži centre ili jezgra kristalizacije koja bi mogla izazvati stvaranje kristala leda. 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 kojoj nedostaje kristal struktura.

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 pri brzini 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 " pamćenje vode“, prema kojem voda na molekularnom nivou ima “pamćenje” supstance koja je u njoj nekada bila otopljena i zadržava svojstva otopine 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 zauvijek 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 tečnom 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.

„Već smo se susreli sa nekim interesantnim svojstvima vode koja nam omogućavaju da živimo posebno, ali i živim bićima uopšte.

Zanimljivo o vodi - efekat Mpemba: da li ste znali da na internetu postoje glasine da se topla voda smrzava brže od hladne vode? Možda ne znate, ali ove glasine kruže. I veoma uporan. Dakle, o čemu pričamo - eksperimentalnoj grešci ili nečem novom? zanimljiva nekretnina voda, koja još nije proučena?

Hajde da to shvatimo. Legenda, koja se ponavlja od lokacije do lokacije, glasi: uzmite dvije posude vode: u jednu sipajte toplu vodu, a u drugu hladnu i stavite ih u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne vode. Zašto se ovo dešava?

Godine 1963., tanzanijski student po imenu Erasto B. Mpemba, dok je zamrzavao mješavinu sladoleda, primijetio je da se vruća smjesa 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.

Druga verzija legende - Mpemba se okrenuo velikom naučniku, koji se, na sreću, nalazio pored Mpembine afričke škole. I naučnik je povjerovao dječaku i još jednom provjerio šta se dešava. Pa, idemo... Sada se ovaj fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne zove “Mpemba efekat”. Istina, mnogo prije njega ovo jedinstveno svojstvo vode zabilježili su Aristotel, Francis Bacon i Rene 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.

Dakle, imamo Mpemba efekat (Mpemba Paradox) - paradoks koji kaže da topla voda (pod određenim uslovima) može da se smrzne brže od hladne vode. Iako u isto vrijeme mora proći temperaturu hladne vode tokom procesa zamrzavanja.

Shodno tome, da bismo se izborili sa paradoksom, postoje dva načina. Prvi je da počnemo objašnjavati ovaj fenomen, smisliti teorije i radovati se što je voda misteriozna tečnost. Ili možete krenuti drugim putem - sami provedite ovaj eksperiment. I izvući odgovarajuće zaključke.

Okrenimo se ljudima koji su zapravo izveli ovaj eksperiment, pokušavajući da reprodukuju efekat Mpemba. A u isto vrijeme, pogledajmo malu studiju koja određuje “odakle rastu noge”.

Na ruskom jeziku, poruka o Mpemba efektu prvi put se pojavila prije 42 godine, kako je objavljeno u časopisu “Chemistry and Life” (1970, br. 1, str. 89). Pošto su bili savjesni, zaposlenici "Hemije i života" odlučili su sami da sprovedu eksperimente i bili su uvjereni: "vruće mlijeko je tvrdoglavo odbijalo da se prvo zamrzne". Za ovaj rezultat dato je prirodno objašnjenje: „Vruća tečnost ne bi trebalo da se prvo smrzne. Na kraju krajeva, njegova temperatura prvo mora biti jednaka temperaturi hladne tečnosti."

Jedan od čitalaca “Hemije i života” izvijestio je sljedeće o svojim eksperimentima (1970, br. 9, str. 81). Doveo je mlijeko do ključanja, ohladio ga dok sobnoj temperaturi i stavite u frižider u isto vreme kada i neukuhano mleko, koje je takođe bilo sobne temperature. Prokuvano mleko brže se smrzavalo. Isti efekat, ali slabiji, postignut je kada se mleko zagreva na 60°C, a ne do ključanja. Kuvanje bi moglo biti od fundamentalnog značaja: ovo će ispariti dio vode i ispariti lakši dio masti. Kao rezultat toga, tačka smrzavanja se može promijeniti. Osim toga, kada se zagrije, a posebno kada se prokuha, moguće su neke hemijske transformacije organskog dijela mlijeka.

Ali „oštećeni telefon“ je već počeo da radi, a više od 25 godina kasnije ova priča je opisana na sledeći način: „Porcija sladoleda se brže hladi ako ga stavite u frižider, nakon što ga dobro zagrejete, nego ako prvo ostavite u frižideru.” hladna temperatura“(“Znanje je moć”, 1997, br. 10, str. 100). Postepeno su počeli da zaboravljaju na mleko, a razgovor se uglavnom okrenuo vodi.

Trinaest godina kasnije, u istoj "Hemiji i životu" pojavio se sljedeći dijalog: "Ako iznesete dvije šolje na hladno - jednu sa hladnom, a drugu sa vruća voda, „koja će se onda voda brže smrzavati?.. Sačekajte zimu i provjerite: topla voda će se brže smrzavati“ (1993, br. 9, str. 79). Godinu dana kasnije, bilo je pismo jednog savesnog čitaoca, koji je zimi marljivo iznosio šolje hladne i tople vode na hladno i uverio se da se hladna voda brže smrzava (1994, br. 11, str. 62).

Sličan eksperiment izveden je pomoću frižidera u kojem je zamrzivač bio prekriven debelim slojem mraza. Kad stavim tople i hladne šoljice na ovaj zamrzivač hladnom vodom, onda se mraz pod čašama tople vode otopio, potonule i voda u njima se brže smrzla. Kada sam stavio čaše na mraz, efekat nije primećen, jer se mraz ispod čaša nije otopio. Nije bilo efekta kada sam, nakon odmrzavanja frižidera, čaše stavila u zamrzivač koji nije bio prekriven mrazom. Ovo dokazuje da je uzrok efekta odmrzavanje mraza pod šoljama tople vode ("Hemija i život" 2000, br. 2, str. 55).

Priču o paradoksu koji je uočio tanzanijski dječak u više navrata pratila je suvisla napomena - kažu da se nijedna informacija, čak i vrlo čudna, ne smije zanemariti. Želja je dobra, ali neostvariva. Ako prvo ne filtriramo nepouzdane informacije, utopit ćemo se u njima. A nevjerojatne informacije su najčešće netačne. Osim toga, često se dešava (kao u slučaju Mpemba efekta) da je nevjerovatnost posljedica izobličenja informacija u procesu prijenosa.

Dakle, zanimljivo je o vodi općenito, a posebno o Mpemba efektu - nije uvijek tačno :)

Više detalja na stranici http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

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 zabilježili 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, i paradoksalan efekat se ponovo ponovio.

6 godina kasnije, 1969., 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 su se činile vrlo uvjerljivim, 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 Nanyang tehnološkog univerziteta u Singapuru su tvrdili 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 zagrije, hladniji uzorak može doprijeti visoke temperature brže od toplog.

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.

U ovom članku ćemo pogledati pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Zagrijana voda smrzava se mnogo brže od hladne vode! Ovo neverovatna nekretnina voda, tačno objašnjenje za koje naučnici još uvek ne mogu da pronađu, poznata je od davnina. Na primjer, čak i kod Aristotela postoji opis zimskog ribolova: ribari su u rupe u ledu ubacivali štapove za pecanje, a da bi se brže smrznuli, zalijevali su led. toplu vodu. Ovaj fenomen je 60-ih godina 20. vijeka dobio ime po Erastu Mpembi. Mnemba je primijetio čudan efekat dok je pravio sladoled i obratio se svom nastavniku fizike, dr. Denisu Osborneu, za objašnjenje. Mpemba i dr. Osborne eksperimentirali su s vodom na različitim temperaturama i zaključili da gotovo kipuća voda počinje da se smrzava mnogo brže od vode na sobnoj temperaturi. Drugi naučnici su provodili sopstvene eksperimente i svaki put dobijali slične rezultate.

Objašnjenje fizičkog fenomena

Ne postoji opšteprihvaćeno objašnjenje zašto se to dešava. Mnogi istraživači sugeriraju da je cijela poenta u prehlađenju tečnosti, koje se dešava kada njena temperatura padne ispod tačke smrzavanja. Drugim riječima, ako se voda smrzne na temperaturi ispod 0°C, tada prehlađena voda može imati temperaturu od, na primjer, -2°C i dalje ostati tečna bez pretvaranja u led. Kada pokušamo da zamrznemo hladnu vodu, postoji šansa da će se ona prvo prehlađena i tek nakon nekog vremena stvrdnuti. Drugi procesi se odvijaju u zagrijanoj vodi. Njegova brža transformacija u led povezana je s konvekcijom.

Konvekcija- ovo je fizički fenomen u kojem se topli donji slojevi tekućine dižu, a gornji, ohlađeni, spuštaju.