Vienas iš mano mėgstamiausių dalykų mokykloje buvo chemija. Kartą chemijos mokytojas davė mums labai keistą ir sunkią užduotį. Jis mums pateikė sąrašą klausimų, į kuriuos turėjome atsakyti chemijos klausimais. Šiai užduočiai atlikti buvo skirtos kelios dienos ir leista naudotis bibliotekomis ir kitais turimais informacijos šaltiniais. Vienas iš šių klausimų buvo susijęs su vandens užšalimo temperatūra. Neatsimenu, kaip tiksliai skambėjo klausimas, bet tai buvo apie tai, kad jei paimsite du vienodo dydžio medinius kibirus, vieną su karštu vandeniu, kitą su šaltu (su tiksliai nurodyta temperatūra) ir įdėsite į aplinka su tam tikra temperatūra, kuri iš jų bus Ar jie užšals greičiau? Žinoma, atsakymas iškart pasiūlė save – kibirą šalto vandens, bet manėme, kad tai per paprasta. Tačiau to nepakako, kad galėtume pateikti išsamų atsakymą, mums reikėjo tai įrodyti cheminiu požiūriu. Nepaisant visų savo mąstymo ir tyrimų, negalėjau padaryti logiškos išvados. Tą dieną net nusprendžiau praleisti šią pamoką, todėl taip ir nesužinojau, kaip išspręsti šią mįslę.
Praėjo metai, ir aš sužinojau daugybę kasdienių mitų apie vandens virimo ir užšalimo temperatūrą, o vienas mitas sako: „karštas vanduo užšąla greičiau“. Peržiūrėjau daugybę svetainių, bet informacija buvo per daug prieštaringa. Ir tai buvo tik nuomonės, nepagrįstos moksliniu požiūriu. Ir aš nusprendžiau atlikti savo eksperimentą. Kadangi neradau medinių kibirų, panaudojau šaldiklį, viryklę, šiek tiek vandens ir skaitmeninį termometrą. Apie savo patirties rezultatus papasakosiu šiek tiek vėliau. Pirmiausia pasidalinsiu su jumis keliais įdomiais argumentais apie vandenį:
Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Dauguma ekspertų teigia, kad šaltas vanduo užšals greičiau nei karštas. Tačiau vienas juokingas reiškinys (vadinamasis Membos efektas) dėl nežinomų priežasčių įrodo priešingai: karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Vienas iš kelių paaiškinimų yra garavimo procesas: jei labai karštas vanduo patalpinamas į šaltą aplinką, vanduo pradės garuoti (likęs vandens kiekis greičiau užšals). O pagal chemijos dėsnius tai visai ne mitas, ir greičiausiai tai mokytojas norėjo iš mūsų išgirsti.
Virintas vanduo užšąla greičiau nei vanduo iš čiaupo. Nepaisant ankstesnio paaiškinimo, kai kurie ekspertai teigia, kad virintas vanduo, atvėsęs iki kambario temperatūros, turėtų greičiau užšalti, nes verdant sumažėja deguonies kiekis.
Šaltas vanduo užverda greičiau nei karštas. Jei karštas vanduo užšąla greičiau, tai gal ir šaltas vanduo greičiau užverda! Tai prieštarauja sveikam protui ir mokslininkai teigia, kad taip tiesiog negali būti. Karštas vanduo iš čiaupo iš tikrųjų turėtų užvirti greičiau nei šaltas vanduo. Tačiau naudojant karštą vandenį virti, energijos netaupysime. Galite naudoti mažiau dujų ar šviesos, tačiau vandens šildytuvas sunaudos tiek pat energijos, kiek reikia šaltam vandeniui pašildyti. (Su saulės energija situacija yra šiek tiek kitokia). Vandens šildytuvu kaitinant vandenį gali atsirasti nuosėdų, todėl vanduo užtruks ilgiau.
Jei į vandenį įbersite druskos, jis greičiau užvirs. Druska padidina virimo temperatūrą (ir atitinkamai sumažina užšalimo temperatūrą – todėl kai kurios šeimininkės į ledus įdeda šiek tiek akmens druskos). Bet šiuo atveju mus domina kitas klausimas: kiek ilgai virs vanduo ir ar virimo temperatūra šiuo atveju gali pakilti virš 100°C). Nepaisant to, kas rašoma kulinarinėse knygose, mokslininkai teigia, kad į verdantį vandenį įberiame druskos kiekio nepakanka, kad paveiktų virimo laiką ar temperatūrą.
Bet štai ką aš gavau:
Šaltas vanduo: sunaudojau tris 100 ml stiklines išvalyto vandens: vieną stiklinę kambario temperatūros (72 °F/22 °C), vieną su karštu vandeniu (115 °F/46 °C) ir vieną su virintu vandeniu (212 °C). °F/100 °C). Visas tris stiklines padėjau į šaldiklį -18°C. Ir kadangi žinojau, kad vanduo iš karto nepavirs ledu, užšalimo laipsnį nustatiau naudodamas „medinę plūdę“. Kai stiklinės centre įdėtas pagaliukas nebeliečia pagrindo, laikiau, kad vanduo užšalęs. Akinius tikrinau kas penkias minutes. Ir kokie mano rezultatai? Pirmoje stiklinėje vanduo užšalo po 50 minučių. Karštas vanduo užšalo po 80 minučių. Virinama – po 95 min. Mano išvados: Atsižvelgiant į sąlygas šaldiklyje ir naudojamą vandenį, aš negalėjau atkurti Memba efekto.
Šį eksperimentą išbandžiau ir su anksčiau virintu vandeniu, atvėsusiu iki kambario temperatūros. Jis sustingo per 60 minučių – užšalimas vis tiek užtruko ilgiau nei šaltas vanduo.
Virintas vanduo: paėmiau litrą kambario temperatūros vandens ir padėjau ant ugnies. Išvirė per 6 minutes. Tada atvėsinau iki kambario temperatūros ir įdėjau, kol buvo karšta. Su ta pačia ugnimi karštas vanduo užvirė per 4 valandas ir 30 minučių. Išvada: Kaip ir tikėtasi, karštas vanduo užverda daug greičiau.
Virintas vanduo (su druska): 1 litrui vandens įdėjau 2 didelius valgomuosius šaukštus valgomosios druskos. Jis užvirė per 6 minutes 33 sekundes ir, kaip rodė termometras, pasiekė 102°C temperatūrą. Neabejotinai druska turi įtakos virimo temperatūrai, bet ne daug. Išvada: druska vandenyje neturi didelės įtakos temperatūrai ir virimo laikui.
Nuoširdžiai prisipažįstu, kad mano virtuvę vargu ar galima pavadinti laboratorija, o galbūt mano išvados prieštarauja tikrovei. Mano šaldiklis gali neužšalti maisto tolygiai. Mano stikliniai akiniai galėjo būti netaisyklingos formos ir pan. Tačiau kad ir kas atsitiktų laboratorijoje, kalbant apie vandens šaldymą ar virimą virtuvėje, svarbiausia – sveikas protas.
nuoroda su įdomiais faktais apie vandenį ir apie vandenį
kaip siūloma forum.ixbt.com, šis efektas (kai karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas) vadinamas „Aristotelio-Mpembos efektu“.
Tie. Virintas vanduo (atšaldytas) užšąla greičiau nei žalias
Daugelis tyrinėtojų pateikė ir pateikia savo versijas, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Atrodytų kaip paradoksas – juk norint sušalti, karštas vanduo pirmiausia turi atvėsti. Tačiau faktas lieka faktu, ir mokslininkai tai aiškina įvairiai.
Pagrindinės versijos
- Šiuo metu yra keletas versijų, paaiškinančių šį faktą:
- Kadangi karštas vanduo greičiau išgaruoja, jo tūris mažėja. O mažesnio kiekio vandens užšalimas toje pačioje temperatūroje vyksta greičiau.
- Šaldytuvo šaldiklio skyriuje yra sniego įdėklas. Talpykla su karštu vandeniu ištirpdo sniegą po juo. Tai pagerina šiluminį kontaktą su šaldikliu.
- Šaltame vandenyje yra kristalizacijos centrų – jame ištirpusių medžiagų. Jei jų kiekis vandenyje mažas, apledėti sunku, nors tuo pačiu galimas ir peršalimas – esant minusinei temperatūrai jis būna skystos būsenos.
Nors sąžiningai galime pasakyti, kad šis poveikis ne visada pastebimas. Labai dažnai šaltas vanduo užšąla greičiau nei karštas.
Kokioje temperatūroje vanduo užšąla
Kodėl vanduo apskritai užšąla? Jame yra tam tikras mineralinių arba organinių dalelių kiekis. Tai gali būti, pavyzdžiui, labai mažos smėlio, dulkių ar molio dalelės. Kai oro temperatūra mažėja, šios dalelės yra centrai, aplink kuriuos susidaro ledo kristalai.
Kristalizacijos branduolių vaidmenį taip pat gali atlikti oro burbuliukai ir įtrūkimai talpoje, kurioje yra vanduo. Didelę įtaką vandens pavertimo ledu proceso greičiui turi tokių centrų skaičius – jei jų daug, skystis greičiau užšąla. Įprastomis sąlygomis, esant normaliam atmosferos slėgiui, 0 laipsnių temperatūroje vanduo iš skysčio virsta kieta būsena.
Mpemba efekto esmė
Mpemba efektas yra paradoksas, kurio esmė ta, kad tam tikromis aplinkybėmis karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Šį reiškinį pastebėjo Aristotelis ir Dekartas. Tačiau tik 1963 m. Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba nustatė, kad karšti ledai užšąla per trumpesnį laiką nei šalti ledai. Tokią išvadą jis padarė atlikdamas maisto gaminimo užduotį.
Jis turėjo ištirpinti cukrų virintame piene ir, atvėsusį, padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin darbštus ir pavėluotai pradėjo atlikti pirmąją užduoties dalį. Todėl nelaukė, kol pienas atvės, o karštą padėjo į šaldytuvą. Jis labai nustebo, kai užšalo net greičiau nei bendramokslių, kurie darbus atliko pagal duotą technologiją.
Šis faktas jaunuolį labai sudomino, ir jis pradėjo eksperimentus su paprastu vandeniu. 1969 metais žurnalas Physics Education paskelbė Mpembos ir Dar Es Salaamo universiteto profesoriaus Denniso Osborne'o tyrimų rezultatus. Jų aprašytam efektui buvo suteiktas Mpemba pavadinimas. Tačiau ir šiandien nėra aiškaus šio reiškinio paaiškinimo. Visi mokslininkai sutinka, kad pagrindinis vaidmuo čia tenka atšaldyto ir karšto vandens savybių skirtumams, tačiau kas tiksliai – nežinoma.
Singapūro versija
Vieno Singapūro universitetų fizikus taip pat domino klausimas, kuris vanduo užšąla greičiau – karštas ar šaltas? Xi Zhang vadovaujama tyrėjų komanda šį paradoksą paaiškino būtent vandens savybėmis. Visi žino vandens sudėtį iš mokyklos – deguonies atomas ir du vandenilio atomai. Deguonis tam tikru mastu atitraukia elektronus nuo vandenilio, todėl molekulė yra tam tikras „magnetas“.
Dėl to tam tikros molekulės vandenyje šiek tiek traukia viena kitą ir jas jungia vandenilinis ryšys. Jo stiprumas daug kartų mažesnis nei kovalentinio ryšio. Singapūro mokslininkai mano, kad Mpembos paradokso paaiškinimas slypi būtent vandeniliniuose ryšiuose. Jei vandens molekulės yra išdėstytos labai sandariai, tada tokia stipri sąveika tarp molekulių gali deformuoti kovalentinį ryšį pačios molekulės viduryje.
Tačiau kaitinant vandenį, surištos molekulės šiek tiek nutolsta viena nuo kitos. Dėl to kovalentiniai ryšiai atsipalaiduoja molekulių viduryje, kai išsiskiria energijos perteklius ir pereinama į žemesnį energijos lygį. Tai veda prie to, kad karštas vanduo pradeda greitai atvėsti. Bent jau taip rodo Singapūro mokslininkų atlikti teoriniai skaičiavimai.
Akimirksniu užšąlantis vanduo – 5 neįtikėtini triukai: Vaizdo įrašas
Sveiki, mieli įdomių faktų mėgėjai. Šiandien mes kalbėsime su jumis apie. Bet manau, kad pavadinime užduotas klausimas gali atrodyti tiesiog absurdiškas – bet visada reikia nedalomai pasitikėti liūdnai pagarsėjusiu „sveiku protu“, o ne griežtai nustatytu bandomuoju eksperimentu. Pabandykime išsiaiškinti, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas?
Istorinis fonas
Kad šalto ir karšto vandens užšalimo klausimu „ne viskas tyra“ buvo paminėta Aristotelio darbuose, tada panašius užrašus padarė F. Baconas, R. Descartesas ir J. Blackas. Pastaruoju metu šis efektas buvo pavadintas „Mpembos paradoksas“ – pavadintas moksleivio iš Tanganikos Erasto Mpembos vardu, kuris uždavė tą patį klausimą atvykusiam fizikos profesoriui.
Berniuko klausimas kilo ne iš niekur, o iš grynai asmeninių pastebėjimų apie ledų mišinių aušinimo procesą virtuvėje. Žinoma, ten buvę bendraklasiai kartu su mokyklos mokytoja prajuokino Mpembą – tačiau po asmeniškai profesoriaus D. Osborne'o atlikto eksperimentinio testo noras pasijuokti iš Erasto „išgaravo“. Negana to, Mpemba kartu su profesoriumi 1969 metais išspausdino išsamų šio efekto aprašymą fizikos ugdyme – ir nuo tada minėtas pavadinimas buvo užfiksuotas mokslinėje literatūroje.
Kokia reiškinio esmė?
Eksperimento sąranka gana paprasta: esant visiems kitiems lygiems dalykams, bandomi identiški plonasieniai indai, kuriuose yra griežtai vienodi vandens kiekiai, besiskiriantys tik temperatūra. Indai pakraunami į šaldytuvą, po to fiksuojamas laikas, kol kiekviename iš jų susiformuoja ledas. Paradoksas yra tas, kad inde su iš pradžių karštesniu skysčiu tai vyksta greičiau.
Kaip tai paaiškina šiuolaikinė fizika?
Paradoksas neturi universalaus paaiškinimo, nes kartu vyksta keli lygiagrečiai procesai, kurių indėlis gali skirtis priklausomai nuo konkrečių pradinių sąlygų, tačiau turi vienodą rezultatą:
- skysčio gebėjimas peršalti – iš pradžių šaltas vanduo yra labiau linkęs peršalti, t.y. išlieka skystas, kai jo temperatūra jau yra žemiau užšalimo taško
- pagreitintas aušinimas - garai iš karšto vandens virsta ledo mikrokristalais, kurie, krisdami atgal, pagreitina procesą, veikdami kaip papildomas „išorinis šilumokaitis“
- izoliacijos efektas - skirtingai nei karštas vanduo, šaltas vanduo užšąla iš viršaus, todėl sumažėja šilumos perdavimas konvekcija ir radiacija
Yra daugybė kitų paaiškinimų (paskutinį kartą Britanijos karališkoji chemijos draugija geriausios hipotezės konkursą surengė neseniai, 2012 m.), tačiau vis dar nėra vienareikšmės teorijos visiems įvesties sąlygų derinių atvejams...
Vanduo- cheminiu požiūriu gana paprasta medžiaga, tačiau ji turi daugybę neįprastų savybių, kurios nenustoja stebinti mokslininkų. Žemiau yra keletas faktų, apie kuriuos žino nedaugelis.
1. Kuris vanduo užšąla greičiau – šaltas ar karštas?
Paimkime du indus su vandeniu: į vieną supilkite karštą, į kitą šaltą vandenį ir padėkite į šaldiklį. Karštas vanduo užšals greičiau nei šaltas, nors logiškai mąstant, šaltas vanduo pirmiausia turėjo pavirsti ledu: juk karštas vanduo pirmiausia turi atvėsti iki šaltos temperatūros, o po to virsti ledu, o šalto vandens vėsinti nereikia. Kodėl tai vyksta?
1963 metais Tanzanijos studentas Erasto B. Mpemba, šaldydamas ledų mišinį, pastebėjo, kad karštas mišinys šaldiklyje sustingsta greičiau nei šaltas. Kai jaunuolis savo atradimu pasidalijo su fizikos mokytoju, šis iš jo tik juokėsi. Laimei, mokinys buvo atkaklus ir įtikino mokytoją atlikti eksperimentą, kuris patvirtino jo atradimą: tam tikromis sąlygomis karštas vanduo iš tikrųjų užšąla greičiau nei šaltas.
Dabar šis reiškinys, kai karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas vanduo, vadinamas " Mpemba efektas“ Tiesa, dar gerokai prieš jį šią unikalią vandens savybę pažymėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Renė Dekartas.
Mokslininkai vis dar iki galo nesuvokia šio reiškinio prigimties, aiškindami jį arba peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos skirtumu, arba suskystintų dujų poveikiu karštam ir šaltam vandeniui.
2. Jis gali akimirksniu sušalti
Visi tai žino vandens atvėsus iki 0°C visada virsta ledu... su kai kuriomis išimtimis! Tokio atvejo pavyzdys yra peršalimas, kuris yra labai gryno vandens savybė išlikti skystam net atvėsus iki žemiau užšalimo. Šis reiškinys įmanomas dėl to, kad aplinkoje nėra kristalizacijos centrų ar branduolių, kurie galėtų paskatinti ledo kristalų susidarymą. Taigi vanduo išlieka skystas net ir atvėsęs iki žemiau nulio laipsnių Celsijaus.
Kristalizacijos procesas gali atsirasti, pavyzdžiui, dėl dujų burbuliukų, nešvarumų (teršalų) arba nelygaus talpyklos paviršiaus. Be jų vanduo išliks skysto pavidalo. Kai prasidės kristalizacijos procesas, galite stebėti, kaip itin atvėsęs vanduo akimirksniu virsta ledu.
Atkreipkite dėmesį, kad „perkaitintas“ vanduo taip pat išlieka skystas, net kai šildomas virš virimo temperatūros.
3. 19 vandens būsenų
Nedvejodami įvardykite, kiek skirtingų būsenų turi vanduo? Jeigu atsakėte trise: kietas, skystas, dujinis, vadinasi, klydote. Mokslininkai išskiria mažiausiai 5 skirtingas vandens būsenas skysto pavidalo ir 14 būsenų užšaldyto pavidalo.
Prisimeni pokalbį apie itin atšaldytą vandenį? Taigi, kad ir ką darytumėte, esant -38 °C net tyriausias itin atšaldytas vanduo staiga virs ledu. Kas atsitiks, kai temperatūra toliau kris? Esant -120 °C vandeniui pradeda įvykti kažkas keisto: jis tampa itin klampus arba klampus, kaip melasa, o žemesnėje nei -135 °C temperatūroje virsta „stikliniu“ arba „stikliniu“ vandeniu – kieta medžiaga, neturinčia kristalinės struktūros. .
4. Vanduo stebina fizikus
Molekuliniu lygmeniu vanduo dar labiau stebina. 1995 m. mokslininkų atliktas neutronų sklaidos eksperimentas davė netikėtą rezultatą: fizikai išsiaiškino, kad į vandens molekules nukreipti neutronai „mato“ 25 % mažiau vandenilio protonų, nei tikėtasi.
Paaiškėjo, kad vienos atosekundės (10–18 sekundžių) greičiu įvyksta neįprastas kvantinis efektas, o vietoj jo atsiranda cheminė vandens formulė H2O, tampa H1.5O!
5. Vandens atmintis
Alternatyva oficialiai medicinai homeopatija teigia, kad praskiestas vaisto tirpalas gali turėti gydomąjį poveikį organizmui, net jei praskiedimo koeficientas yra toks didelis, kad tirpale nelieka nieko, išskyrus vandens molekules. Homeopatijos šalininkai šį paradoksą paaiškina sąvoka, vadinama " vandens atmintis“, pagal kurią vanduo molekuliniame lygmenyje turi kažkada jame ištirpusios medžiagos „atmintį“ ir išsaugo pradinės koncentracijos tirpalo savybes, kai jame nelieka nė vienos sudedamosios dalies molekulės.
Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama profesorės Madeleine Ennis iš Belfasto Karalienės universiteto, kritikavusių homeopatijos principus, 2002 metais atliko eksperimentą, siekdama visam laikui paneigti šią koncepciją. Rezultatas buvo priešingas. Po to mokslininkai pareiškė, kad jiems pavyko įrodyti efekto realumą “ vandens atmintis“ Tačiau eksperimentai, atlikti prižiūrint nepriklausomiems ekspertams, rezultatų nedavė. Ginčai dėl reiškinio egzistavimo “ vandens atmintis"tęsti.
Vanduo turi daug kitų neįprastų savybių, apie kurias šiame straipsnyje nekalbėjome. Pavyzdžiui, vandens tankis kinta priklausomai nuo temperatūros (ledo tankis mažesnis už vandens tankį); vanduo turi gana didelį paviršiaus įtempimą; skystoje būsenoje vanduo yra sudėtingas ir dinamiškai kintantis vandens telkinių tinklas, o būtent klasterių elgsena turi įtakos vandens struktūrai ir kt.
Apie šias ir daugelį kitų netikėtų funkcijų vandens galima perskaityti straipsnyje “ Nenormalios vandens savybės“, autorius Martinas Chaplinas, Londono universiteto profesorius.
Mpemba efektas arba kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas? Mpemba efektas (Mpemba Paradox) yra paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo proceso metu jis turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms idėjoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įkaitusiam kūnui reikia daugiau laiko atvėsti iki tam tikros temperatūros, nei mažiau įkaitusiam kūnui atvėsti iki tokios pat temperatūros. Šį reiškinį vienu metu pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas, tačiau tik 1963 metais Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba atrado, kad karštas ledų mišinys užšąla greičiau nei šaltas. Mokydamasis Magambi vidurinėje mokykloje Tanzanijoje Erasto Mpemba atliko praktinį virėjo darbą. Jam reikėjo pasigaminti naminių ledų – užvirti pieną, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros, o tada padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin stropus mokinys ir delsė atlikti pirmąją užduoties dalį. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal nurodytą technologiją. Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su paprastu vandeniu. Bet kuriuo atveju, jau būdamas Mkwavos vidurinės mokyklos mokinys, profesoriaus Denniso Osborne'o iš Dar Es Salamo universiteto koledžo (mokyklos direktoriaus pakviestas skaityti paskaitą apie fiziką studentams) jis paklausė konkrečiai apie vandenį: „Jei imtumėt du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, kad viename vandens temperatūra būtų 35°C, o kitame - 100°C, ir įdėkite į šaldiklį, tada antrajame vanduo užšaltų greičiau. Kodėl? Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus, 1969 m., jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale Physics Education. Nuo tada jų atrastas efektas buvo vadinamas Mpemba efektu. Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą poveikį. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Kalbama apie karšto ir šalto vandens savybių skirtumus, tačiau dar neaišku, kurios savybės šiuo atveju turi įtakos: peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos ar suskystintų dujų poveikio vandeniui skirtumai. skirtingos temperatūros. Mpemba efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atšąla iki aplinkos temperatūros, turi būti proporcingas šio kūno ir aplinkos temperatūrų skirtumui. Šį dėsnį nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis daug kartų buvo patvirtintas praktikoje. Dėl šio poveikio vanduo, kurio temperatūra 100 °C, atvėsta iki 0 °C greičiau nei toks pat vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 °C. Tačiau tai dar nereiškia paradokso, nes Mpemba efektą galima paaiškinti žinomos fizikos rėmuose. Štai keletas Mpemba efekto paaiškinimų: Garavimas Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Vanduo, pašildytas iki 100 C, atvėsęs iki 0 C, netenka 16% savo masės. Garavimo efektas yra dvigubas poveikis. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Antra, temperatūra mažėja dėl to, kad perėjimo iš vandens fazės į garo fazę garavimo šiluma mažėja. Temperatūros skirtumas Dėl to, kad karšto vandens ir šalto oro temperatūrų skirtumas yra didesnis, todėl šilumos mainai šiuo atveju vyksta intensyviau ir karštas vanduo greičiau atvėsta. Hipotermija Kai vanduo atšąla žemiau 0 C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali peršalti ir toliau išlikti skystas esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai. Kai kuriais atvejais vanduo gali išlikti skystas net esant -20 C. Tokio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų susidarymo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris tiek, kad kristalai pradės spontaniškai formuotis. Kai jie pradės formuotis peraušintame skystyje, jie pradės sparčiau augti, sudarydami purviną ledą, kuris užšals ir susidarys ledas. Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali būti ledo kristalų susidarymo centrai. Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo greičiau užšąla? Jei šaltas vanduo nėra peršaldytas, nutinka taip. Tokiu atveju ant indo paviršiaus susidarys plonas ledo sluoksnis. Šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius tarp vandens ir šalto oro ir neleis tolesniam garavimui. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršinio ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų jis daug greičiau praranda šilumą. Kai peršalimo procesas baigiasi ir vanduo užšąla, prarandama daug daugiau šilumos, todėl susidaro daugiau ledo. Daugelis šio poveikio tyrinėtojų mano, kad hipotermija yra pagrindinis veiksnys Mpemba efekto atveju. Konvekcija Šaltas vanduo pradeda stingti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios. Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 C. Jei vandenį atvėsinate iki 4 C ir pastatysite žemesnės temperatūros, paviršinis vandens sluoksnis užšals greičiau. Kadangi šis vanduo yra mažesnis nei 4 C temperatūros vanduo, jis išliks paviršiuje, sudarydamas ploną šaltą sluoksnį. Tokiomis sąlygomis per trumpą laiką vandens paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis pasitarnaus kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4 C temperatūroje. Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis. Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo. Be to, šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis grims žemyn, šilto vandens sluoksnį iškeldamas į paviršių. Tokia vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą. Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą šiuo konvekcijos požiūriu, reikėtų manyti, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 C. Tačiau nėra eksperimentiniai duomenys, kurie patvirtintų šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskiriami konvekcijos procesu. Vandenyje ištirpusios dujos Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų – deguonies ir anglies dioksido. Šios dujos turi galimybę sumažinti vandens užšalimo temperatūrą. Kaitinant vandenį, šios dujos išsiskiria iš vandens, nes aukštoje temperatūroje jų tirpumas vandenyje yra mažesnis. Todėl karštam vandeniui atvėsus, jame visada būna mažiau ištirpusių dujų nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis veiksnys kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra. Šilumos laidumas Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldytuvo skyriaus šaldiklį mažose talpyklose. Esant tokioms sąlygoms, buvo pastebėta, kad karšto vandens indas ištirpdo apačioje esantį šaldiklį ledą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Dėl to iš karšto vandens indo šiluma pasišalina greičiau nei iš šalto. Savo ruožtu indas su šaltu vandeniu neištirpdo po juo esančio sniego. Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau vienareikšmiško atsakymo į klausimą – kurios iš jų užtikrina šimtaprocentinį Mpembos efekto atkūrimą – taip ir nepavyko gauti. Pavyzdžiui, 1995 metais vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė peršalimo vandens poveikį šiam poveikiui. Jis atrado, kad karštas vanduo, pasiekęs peršalimo būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas, taigi ir greičiau nei pastarasis. Tačiau šaltas vanduo peršalimo būseną pasiekia greičiau nei karštas, taip kompensuodamas ankstesnį atsilikimą. Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesniems duomenims, kad karštas vanduo galėjo pasiekti didesnį peršalimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pasišalina jame ištirpusios dujos, o verdant nusėda dalis jame ištirpusių druskų. Kol kas galima teigti tik viena – šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas. O. V. Mosinas
