Miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi?

Tere kallid armastajad huvitavaid fakte. Täna räägime sellest. Kuid ma arvan, et pealkirjas olev küsimus võib tunduda lihtsalt absurdne – aga kas kurikuulsat tuleb alati täielikult usaldada. terve mõistus”, mitte rangelt seatud kinnituskatse. Proovime välja mõelda, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi?

Ajaloo viide

Et külma ja kuuma vee jäätumise küsimuses mainiti Aristotelese teostes “kõik pole puhas”, siis tegid sarnaseid märkmeid F. Bacon, R. Descartes ja J. Black. AT lähiajalugu Sellele efektile anti nimi "Mpemba paradoks" – Tanganjika koolipoisi Erasto Mpemba nime järgi, kes esitas sama küsimuse külalisfüüsikaprofessorile.

Poisi küsimus tekkis mitte sisse tühi koht, vaid puhtalt isiklikest tähelepanekutest jäätisesegude jahutamise protsessist köögis. Muidugi ka klassikaaslased, kes seal kohal olid, koos kooli õpetaja Mpembat naeruvääristati – pärast professor D. Osborne’i isiklikult eksperimentaalset kontrollimist «haihtus» neist soov Erasto üle nalja heita. Pealegi avaldas Mpemba koos professoriga 1969. aastal ajakirjas Physics Education Täpsem kirjeldus see efekt - ja sellest ajast on ülaltoodud nimi teaduskirjandusse jäänud.

Mis on nähtuse olemus?

Katse ülesehitus on üsna lihtne: kui muud asjad on võrdsed, katsetatakse identseid õhukeseseinalisi anumaid, milles on rangelt võrdsed veekogused, mis erinevad ainult temperatuuri poolest. Anumad laaditakse külmkappi, mille järel registreeritakse aeg enne jää moodustumist igas neist. Paradoks on see, et algselt kuumema vedelikuga anumas toimub see kiiremini.

Kuidas kaasaegne füüsika seda seletab?

Paradoksil pole universaalset seletust, kuna koos kulgevad mitmed paralleelsed protsessid, mille panus võib erineda konkreetsetest algtingimustest – kuid ühesuguse tulemusega:

• vedeliku võime ülejahtuda – algselt külm vesi on altim alajahtumisele, s.t. jääb vedelaks, kui selle temperatuur on juba alla külmumispunkti
• kiirendatud jahutamine - kuumast veest saadav aur muundatakse jää mikrokristallideks, mis tagasi langedes kiirendavad protsessi, töötades täiendava "välise soojusvahetina"
• isolatsiooniefekt - erinevalt kuumast veest külm vesi külmub ülalt, mis viib soojusülekande vähenemiseni konvektsiooni ja kiirguse tõttu

Seletusi on mitmeid teisigi (viimati korraldas parima hüpoteesi konkursi Briti Kuninglik Keemia Selts hiljuti, 2012. aastal) – kuid endiselt pole üheselt mõistetavat teooriat kõigi sisendtingimuste kombinatsioonide puhul ...

Vesi- keemilisest seisukohast üsna lihtne aine, kuid sellel on mitmeid ebatavalisi omadusi, mis ei lakka teadlasi hämmastamast. Allpool on mõned faktid, millest vähesed teavad.

1. Milline vesi külmub kiiremini – külm või kuum?

Võtke kaks anumat vett: valage ühte kuum vesi ja teise külm vesi ning asetage need sügavkülma. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, kuigi loogiliselt võttes oleks külm vesi pidanud esmalt jääks muutuma: kuum vesi peab ju esmalt jahtuma külma temperatuurini ja seejärel muutuma jääks, külm vesi aga ei pea jahtuma. Miks see juhtub?

1963. aastal märkas Tansaania üliõpilane Erasto B. Mpemba valmistatud jäätisesegu külmutades, et kuum segu tahkub sügavkülmas kiiremini kui külm. Kui noormees oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle vaid. Õnneks oli õpilane visa ja veenis õpetajat katset tegema, mis kinnitas tema avastust: teatud tingimustel külmub kuum vesi tõesti kiiremini kui külm vesi.

Nüüd nimetatakse seda nähtust, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi " Mpemba efekt". Tõsi, ammu enne seda ainulaadne vara vett märkisid Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Teadlased ei mõista selle nähtuse olemust täielikult, selgitades seda kas hüpotermia, aurustumise, jää moodustumise, konvektsiooni või veeldatud gaaside mõjuga kuumale ja külmale veele.

2. Ta suudab koheselt külmuda

Kõik teavad seda vesi muutub temperatuurini 0 °C jahutamisel alati jääks ... välja arvatud mõnel juhul! Selline juhtum on näiteks ülejahutus, mis on omadus väga puhas vesi jääma vedelaks ka siis, kui jahutatakse alla külmumistemperatuuri. See nähtus on võimalik tänu sellele, keskkond ei sisalda kristallisatsioonitsentreid ega tuumasid, mis võivad provotseerida jääkristallide moodustumist. Ja nii jääb vesi vedelaks isegi siis, kui see jahutatakse temperatuurini alla null kraadi Celsiuse järgi.

kristallisatsiooniprotsess võivad esile kutsuda näiteks gaasimullid, lisandid (reostus), anuma ebaühtlane pind. Ilma nendeta jääb vesi sisse vedel olek. Kui kristalliseerumisprotsess algab, saate jälgida, kuidas ülijahtunud vesi muutub hetkega jääks.

Pange tähele, et "ülekuumutatud" vesi jääb vedelaks ka siis, kui seda kuumutatakse üle keemistemperatuuri.

3. 19 vee olekut

Nimetage kõhklemata, mitu erinevat olekut veel on? Kui vastasite kolm: tahke, vedel, gaasiline, siis eksite. Teadlased eristavad vees vähemalt 5 erinevat olekut vedelal kujul ja 14 olekut külmutatud kujul.

Kas mäletate vestlust ülijahutatud veest? Nii et hoolimata sellest, mida teete, muutub -38 ° C juures isegi puhtaim ülijahutatud vesi ootamatult jääks. Mis juhtub, kui temperatuur veelgi langeb? -120°C juures hakkab veega juhtuma midagi kummalist: see muutub üliviskoosseks või viskoosseks, nagu melass, ja temperatuuril alla -135°C muutub see "klaasjaks" või "klaasjaks" veeks – tahkeks aineks, millest puudub. kristalne struktuur.

4. Vesi üllatab füüsikuid

Molekulaarsel tasandil on vesi veelgi üllatavam. 1995. aastal andis teadlaste läbiviidud neutronite hajumise katse ootamatu tulemuse: füüsikud leidsid, et veemolekulidele suunatud neutronid “näevad” oodatust 25% vähem vesiniku prootoneid.

Selgus, et ühe attosekundi (10 -18 sekundi) kiirusel toimub ebatavaline kvantefekt ja keemiline valem hoopis vett H2O, muutub H1,5O!

5. Veemälu

Alternatiivne ametlik meditsiin homöopaatia märgib, et lahjendatud lahus ravimtoode saab pakkuda tervendav toime organismile, isegi kui lahjendustegur on nii suur, et lahusesse ei jää midagi peale veemolekulide. Homöopaatia pooldajad selgitavad seda paradoksi mõistega " veemälu”, mille kohaselt on vees molekulaarsel tasemel "mälu" selles lahustunud aine kohta ja see säilitab esialgse kontsentratsiooniga lahuse omadused pärast seda, kui sellesse pole jäänud ainsatki koostisosa molekuli.

Rahvusvaheline teadlaste meeskond eesotsas Belfasti Queeni ülikooli professori Madeleine Ennisega, kes kritiseeris homöopaatia põhimõtteid, viis 2002. aastal läbi eksperimendi, et see kontseptsioon lõplikult ümber lükata. Tulemus oli vastupidine. Pärast seda ütlesid teadlased, et neil õnnestus tõestada mõju tegelikkust " veemälu". Sõltumatute ekspertide järelevalve all tehtud katsed aga tulemusi ei andnud. Vaidlused nähtuse olemasolu üle " veemälu» jätka.

Veel on palju muid ebatavalisi omadusi, mida me selles artiklis ei käsitlenud. Näiteks vee tihedus muutub sõltuvalt temperatuurist (jää tihedus on väiksem kui vee tihedus); vesi on üsna suure pindpinevusega; vedelas olekus on vesi kompleksne ja dünaamiliselt muutuv veekogumike võrgustik ning just klastrite käitumine mõjutab vee struktuuri jne.

Nende ja paljude teiste ootamatute funktsioonide kohta vesi saab lugeda artiklist Vee anomaalsed omadused”, mille autor on Londoni ülikooli professor Martin Chaplin.

"Oleme juba kohanud vee huvitavaid omadusi, mis võimaldavad elada eelkõige meil ja elusolenditel üldiselt. Jätkame teemat ja juhime teie tähelepanu veel ühele huvitavale omadusele (kuigi pole selge, kas see on tõsi või väljamõeldud).

Huvitav vee kohta - Mpemba efekt: kas teadsite, et Internetis levivad kuulujutud, et kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Sa ei pruugi teada, aga need kuulujutud liiguvad. Ja väga visa. Millest me siis räägime - eksperimendi veast või uuest, huvitav vara vesi, mida pole veel uuritud?

Selgitame välja. Kohati korduv legend on järgmine: võtame kaks anumat vett: ühte valage kuum vesi ja teise külm vesi ning asetage need sügavkülma. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see juhtub?

1963. aastal märkas Tansaania üliõpilane Erasto B. Mpemba valmistatud jäätisesegu külmutades, et kuum segu tahkub sügavkülmas kiiremini kui külm. Kui noormees oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle vaid. Õnneks oli õpilane visa ja veenis õpetajat katset tegema, mis kinnitas tema avastust: teatud tingimustel külmub kuum vesi tõesti kiiremini kui külm vesi.

Legendi teine ​​versioon - Mpemba pöördus suure teadlase poole, kes õnneks asus Aafrika Mpemba kooli lähedal. Ja teadlane uskus poissi ja kontrollis veel kord, mis on mis. Noh, lähme... Nüüd nimetatakse seda nähtust, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, "Mpemba efektiks". Tõsi, ammu enne teda märkisid seda vee ainulaadset omadust Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Teadlased ei mõista selle nähtuse olemust täielikult, selgitades seda kas hüpotermia, aurustumise, jää moodustumise, konvektsiooni või veeldatud gaaside mõjuga kuumale ja külmale veele.

Niisiis, meil on Mpemba efekt (Mpemba Paradox) – paradoks, mis ütleb, et kuum vesi (teatud tingimustel) võib külmuda kiiremini kui külm vesi. Kuigi samal ajal peab see külmumisprotsessis läbima külma vee temperatuuri.

Seega on paradoksiga toimetulemiseks kaks võimalust. Esimene on hakata seda nähtust selgitama, pakkuma välja teooriaid ja rõõmustades, et vesi on salapärane vedelik. Või võite minna muul viisil - viige see katse iseseisvalt läbi. Ja tehke vastavad järeldused.

Pöördugem inimeste poole, kellel on see kogemus Mpemba efekti kordamisel tegelikult olnud. Ja samal ajal vaatame väikest uuringut, mis määrab "kust jalad kasvavad".

Vene keeles ilmus teade Mpemba efekti kohta esmakordselt 42 aastat tagasi, nagu teatas ajakiri "Chemistry and Life" (1970, nr 1, lk 89). Kohusetundlikuna otsustasid "Keemia ja elu" töötajad ise katseid teha ja veendusid: "kuum piim ei tahtnud kangekaelselt enne ära külmuda." See tulemus sai loomuliku seletuse: “Kuum vedelik ei tohiks varem külmuda. Lõppude lõpuks peab selle temperatuur kõigepealt võrduma külma vedeliku temperatuuriga.

Üks "Keemia ja elu" lugejatest teatas oma katsete kohta järgmist (1970, nr 9, lk 81). Ta pani piima keema, jahutas selle toatemperatuuril ja panin samal ajal külmkappi keetmata piimaga, mis oli samuti toasoe. Keedetud piim külmus kiiremini. Sama efekt, kuid nõrgem, saavutati piima kuumutamisel 60 °C-ni, mitte keetmisel. Keetmine võib olla põhimõttelise tähtsusega: see aurustab osa veest ja kergema osa rasvast. Selle tulemusena võib külmumispunkt muutuda. Lisaks on kuumutamisel ja veelgi enam keetes võimalikud piima orgaanilise osa keemilised muutused.

“Katkine telefon” aga töötas juba ja pärast 25 aastat kirjeldati seda lugu järgmiselt: “Jäätiseportsjon külmub kiiremini, kui paned selle pärast korralikku soojendamist külmkappi, kui siis, kui esmalt lahkud. see juures külm temperatuur” („Teadmised on jõud”, 1997, nr 10, lk 100). Piima hakkasid nad järk-järgult unustama ja see puudutas peamiselt vett.

13 aasta pärast ilmus samas "Keemia ja elus" järgmine dialoog: "Kui võtate kaks tassi külma - külmaga ja koos kuum vesi, — kumb vesi siis kiiremini külmub?.. Oota talveni ja kontrolli: soe vesi külmub kiiremini” (1993, nr 9, lk 79). Aasta hiljem järgnes kiri ühelt kohusetundlikult lugejalt, kes talvel usinalt külma ja kuuma vee tasse külma kätte võttis ja veendus, et külm vesi külmub kiiremini (1994, nr 11, lk 62).

Sarnane katse viidi läbi külmikuga, kus sügavkülm on kaetud paksu härmatisekihiga. Kui panen sellele sügavkülmikule kuumad ja külmad tassid külm vesi, siis kuumaveetopside all pakane sulas, need langesid ja vesi külmus neis kiiremini. Kui ma pakasele prille panin, siis efekti ei täheldatud, kuna pakane klaaside all ei sulanud. Mõju ei täheldatud ka siis, kui pärast külmiku sulatamist tassid külmumisvabasse sügavkülma panin. See tõestab, et mõju põhjuseks on pakase sulamine kuuma veetopside all (Keemia ja elu, 2000, nr 2, lk 55).

Tansaania poisi märgatud paradoksi jutuga kaasnes korduvalt märkimisväärne märkus - nende sõnul ei tohiks tähelepanuta jätta ühtegi, isegi väga kummalist teavet. Soov on hea, aga teostamatu. Kui me ebausaldusväärset teavet eelnevalt ei sõelu, siis upume sellesse. Ja vale teave on sageli vale. Lisaks juhtub sageli (nagu Mpemba efekti puhul), et ebatõenäosus on edastusprotsessis toimuva teabe moonutamise tagajärg.

Seega on vesi üldiselt huvitav ja eriti Mpemba efekt ei vasta alati tõele 🙂

Lisateavet - lehel http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

21.11.2017 11.10.2018 Aleksander Firtsev

« Milline vesi külmub kiiremini külm või kuum?”- proovige esitada oma sõpradele küsimus, tõenäoliselt vastab enamik neist, et külm vesi külmub kiiremini - ja teeb vea.

Tegelikult, kui panna sügavkülma korraga kaks ühesuguse kuju ja mahuga anumat, millest üks sisaldab külma ja teine ​​kuuma vett, külmub kuum vesi kiiremini.

Selline väide võib tunduda absurdne ja ebamõistlik. Loogiliselt võttes peab kuum vesi esmalt jahtuma külma temperatuurini ja külm vesi peaks sel ajal juba jääks muutuma.

Miks ületab kuum vesi külmumise teel külma vee? Proovime selle välja mõelda.

Vaatluste ja uurimistöö ajalugu

Inimesed on paradoksaalset mõju täheldanud iidsetest aegadest peale, kuid keegi ei omistanud sellele erilist tähtsust. Nii märkisid Arestotel, aga ka Rene Descartes ja Francis Bacon oma märkmetes ebakõlasid külma ja kuuma vee külmumise kiiruses. Ebatavaline nähtus avaldus sageli igapäevaelus.

Pikka aega ei uuritud nähtust kuidagi ja see ei tekitanud teadlastes erilist huvi.

Ebatavalise efekti uurimine algas 1963. aastal, kui Tansaaniast pärit uudishimulik tudeng Erasto Mpemba märkas, et jäätise jaoks mõeldud kuum piim külmub kiiremini kui külm piim. Lootes saada selgitust ebatavalise efekti põhjuste kohta, küsis noormees koolis oma füüsikaõpetajalt. Õpetaja aga ainult naeris tema üle.

Hiljem kordas Mpemba katset, kuid oma katses ei kasutanud ta enam piima, vaid vett ning paradoksaalne efekt kordus uuesti.

Kuus aastat hiljem, 1969. aastal, esitas Mpemba selle küsimuse füüsikaprofessor Dennis Osborne’ile, kes tuli tema kooli. Professor tundis huvi noormehe vaatluse vastu, selle tulemusena viidi läbi eksperiment, mis kinnitas efekti olemasolu, kuid selle nähtuse põhjuseid ei tuvastatud.

Sellest ajast alates on nähtust nn Mpemba efekt.

Kogu teaduslike vaatluste ajaloo jooksul on nähtuse põhjuste kohta püstitatud palju hüpoteese.

Nii kuulutab Briti Kuninglik Keemia Selts 2012. aastal välja hüpoteeside konkursi Mpemba efekti selgitamiseks. Konkursil osalesid teadlased üle maailma, kokku registreeriti 22 000 teadustööd. Vaatamata muljetavaldavale artiklite arvule ei selgitanud ükski neist Mpemba paradoksi.

Levinum versioon oli, mille kohaselt kuum vesi külmub kiiremini, kuna see lihtsalt aurustub kiiremini, väheneb selle maht ja mahu vähenedes suureneb jahutuskiirus. Kõige levinum versioon lükati lõpuks ümber, kuna viidi läbi katse, milles aurustumine oli välistatud, kuid mõju leidis siiski kinnitust.

Teised teadlased arvasid, et Mpemba efekti põhjuseks on vees lahustunud gaaside aurustumine. Nende arvates aurustuvad kütteprotsessi käigus vees lahustunud gaasid, mille tõttu see omandab suurema tiheduse kui külm vesi. Nagu teada, toob tiheduse suurenemine kaasa muutuse füüsikalised omadused vesi (soojusjuhtivuse suurenemine) ja seega jahutuskiiruse suurendamine.

Lisaks on püstitatud mitmeid hüpoteese, mis kirjeldavad vee ringluse kiirust temperatuuri funktsioonina. Paljudes uuringutes on püütud tuvastada seost nende anumate materjali vahel, milles vedelik asus. Paljud teooriad tundusid vägagi usutavad, kuid neid ei saanud teaduslikult kinnitada esialgsete andmete puudumise, teiste katsete vastuolude tõttu või seetõttu, et tuvastatud tegurid ei olnud lihtsalt võrreldavad vesijahtumise kiirusega. Mõned teadlased seadsid oma töödes kahtluse alla efekti olemasolu.

2013. aastal väitsid Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadlased, et on lahendanud Mpemba efekti mõistatuse. Nende uurimuse järgi peitub nähtuse põhjus selles, et külma ja kuuma vee molekulide vahelistesse vesiniksidemetesse salvestatud energia hulk erineb oluliselt.

Arvutisimulatsiooni meetodid on näidanud järgmised tulemused: mida kõrgem on vee temperatuur, seda suurem on molekulide vaheline kaugus, kuna tõukejõud suurenevad. Järelikult venivad molekulide vesiniksidemed, salvestades rohkem energiat. Jahtumisel hakkavad molekulid üksteisele lähenema, vabastades vesiniksidemetest energiat. Sel juhul kaasneb energia vabanemisega temperatuuri langus.

2017. aasta oktoobris leidsid Hispaania füüsikud ühe teise uuringu käigus, et efekti tekkimisel mängib suurt rolli just aine eemaldamine tasakaalust (tugev kuumutamine enne tugevat jahutamist). Nad määrasid kindlaks tingimused, mille korral on efekti tõenäosus maksimaalne. Lisaks on Hispaania teadlased kinnitanud vastupidise Mpemba efekti olemasolu. Nad leidsid, et kuumutamisel võib ulatuda külmem proov kõrge temperatuur kiiremini kui soojas.

Vaatamata ammendavale teabele ja arvukatele katsetele kavatsevad teadlased selle mõju uurimist jätkata.

Mpemba efekt päriselus

Kas olete kunagi mõelnud, miks talvel täitub uisuväljak kuuma veega, mitte külmaga? Nagu te juba aru saite, teevad nad seda seetõttu, et kuuma veega täidetud liuväli külmub kiiremini kui siis, kui see oleks täidetud külma veega. Samal põhjusel valatakse talviste jäälinnakute liumäed kuuma veega.

Seega võimaldab teadmine nähtuse olemasolust inimestel säästa aega alade ettevalmistamisel talvised vaated sport.

Lisaks kasutatakse Mpemba efekti mõnikord ka tööstuses – vett sisaldavate toodete, ainete ja materjalide külmumisaja vähendamiseks.

Selles artiklis vaatleme, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi.

Kuumutatud vesi külmub palju kiiremini kui külm vesi! seda hämmastav vara vesi, mille täpset seletust teadlased siiani ei leia, on teada juba iidsetest aegadest. Näiteks isegi Aristoteleses on talvise kalapüügi kirjeldus: kalurid pistsid õnge jää aukudesse ja et need kiiremini külmuks, kastsid jääd. soe vesi. Selle nähtuse nimi sai nime Erasto Mpemba järgi XX sajandi 60ndatel. Mnemba märkas jäätise valmistamisel kummalist efekti ja pöördus selgituse saamiseks oma füüsikaõpetaja dr Denis Osborne'i poole. Mpemba ja dr Osborne katsetasid erinevatel temperatuuridel vett ja jõudsid järeldusele, et peaaegu keev vesi hakkab külmuma palju kiiremini kui vesi toatemperatuuril. Teised teadlased on teinud oma katseid ja iga kord on nad saanud sarnaseid tulemusi.

Füüsikalise nähtuse seletus

Puudub üldtunnustatud seletus, miks see juhtub. Paljud teadlased väidavad, et kõik on seotud vedeliku ülejahutusega, mis tekib siis, kui selle temperatuur langeb alla külmumispunkti. Ehk kui vesi külmub temperatuuril alla 0°C, siis ülejahutatud vee temperatuur võib olla näiteks -2°C ja jääda siiski vedelaks, ilma jääks muutumata. Kui proovime külma vett külmutada, on tõenäoline, et see jahtub alguses üle ja kõveneb alles mõne aja pärast. Kuumutatud vees toimuvad muud protsessid. Selle kiirem jääks muutumine on seotud konvektsiooniga.

Konvektsioon- See on füüsiline nähtus, mille korral vedeliku soojad alumised kihid tõusevad ja ülemised, jahutatud, langevad.