Kuris vanduo atvėsta greičiau, karštas ar šaltas? Kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas?

Šiame straipsnyje apžvelgsime klausimą, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas.

Pašildytas vanduo užšąla daug greičiau nei šaltas! Ši nuostabi vandens savybė, kuriai mokslininkai vis dar negali rasti tikslaus paaiškinimo, buvo žinoma nuo seniausių laikų. Pavyzdžiui, net Aristotelyje yra aprašyta žieminė žvejyba: žvejai į lede esančias skylutes kišdavo meškeres, o kad jos greičiau sušaltų, ant ledo užpylė šilto vandens. Šis reiškinys buvo pavadintas Erasto Mpembos vardu XX amžiaus 60-aisiais. Mnemba pastebėjo keistą poveikį gamindamas ledus ir kreipėsi į savo fizikos mokytoją daktarą Denisą Osborne'ą, prašydamas paaiškinimo. Mpemba ir daktaras Osborne'as eksperimentavo su skirtingos temperatūros vandeniu ir padarė išvadą, kad beveik verdantis vanduo pradeda užšalti daug greičiau nei vanduo kambario temperatūroje. Kiti mokslininkai atliko savo eksperimentus ir kiekvieną kartą gaudavo panašius rezultatus.

Fizinio reiškinio paaiškinimas

Nėra visuotinai priimto paaiškinimo, kodėl taip nutinka. Daugelis mokslininkų teigia, kad visa esmė yra skysčio peršalimas, kuris įvyksta, kai jo temperatūra nukrenta žemiau užšalimo taško. Kitaip tariant, jei vanduo užšąla žemesnėje nei 0°C temperatūroje, tai peršalęs vanduo gali turėti, pavyzdžiui, -2°C ir vis tiek išlikti skystas, nevirsdamas ledu. Kai bandome užšaldyti šaltą vandenį, yra tikimybė, kad jis pirmiausia peršals ir tik po kurio laiko sukietės. Kiti procesai vyksta šildomame vandenyje. Jo greitesnis pavertimas ledu yra susijęs su konvekcija.

Konvekcija- tai fizinis reiškinys, kai šilti apatiniai skysčio sluoksniai pakyla, o viršutiniai, atvėsę, krenta.

Sveiki, brangūs 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“ – pagal moksleivį iš Tanganikos Erasto Mpembos, 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 yra vienas nuostabiausių skysčių pasaulyje, turintis neįprastų savybių. Pavyzdžiui, ledo, kietos skysčio būsenos, savitasis sunkumas yra mažesnis nei paties vandens, todėl gyvybės atsiradimas ir vystymasis Žemėje iš esmės tapo įmanomas. Be to, pseudomoksliniame ir moksliniame pasaulyje vyksta diskusijos, kuris vanduo užšąla greičiau – karštas ar šaltas. Kiekvienas, galintis įrodyti, kad karštas skystis tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau, ir moksliškai pagrįsti savo sprendimą, gaus 1000 svarų sterlingų atlygį iš Didžiosios Britanijos karališkosios chemikų draugijos.

Fonas

Tai, kad esant įvairioms sąlygoms karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas, buvo pastebėta dar viduramžiais. Francis Baconas ir René Descartesas įdėjo daug pastangų aiškindami šį reiškinį. Tačiau klasikinės šilumos inžinerijos požiūriu šio paradokso neįmanoma paaiškinti, ir jie bandė įžūliai nutylėti. Debatų tęsimo impulsas buvo šiek tiek kurioziška istorija, nutikusi Tanzanijos moksleiviui Erastui Mpembai 1963 m. Vieną dieną per desertų gaminimo pamoką virėjų mokykloje vaikinas, besiblaškęs nuo kitų dalykų, nespėjo laiku atvėsinti ledų mišinio ir į šaldiklį įdėti karšto cukraus tirpalo piene. Jo nuostabai, produktas atvėso kiek greičiau nei kolegų studentų, kurie stebėjo ledų ruošimo temperatūros režimą.

Bandydamas suprasti reiškinio esmę, vaikinas kreipėsi į fizikos mokytoją, kuris, nesileisdamas į smulkmenas, išjuokė jo kulinarinius eksperimentus. Tačiau Erasto pasižymėjo pavydėtinu atkaklumu ir tęsė eksperimentus ne su pienu, o su vandeniu. Jis įsitikino, kad kai kuriais atvejais karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas.

Įstojęs į Dar es Salamo universitetą, Erasto Mpembe lankė profesoriaus Denniso G. Osborne'o paskaitą. Baigęs jį, studentas suglumino mokslininką dėl vandens užšalimo greičio, priklausomai nuo jo temperatūros. DG Osborne'as išjuokė patį klausimo iškėlimą ir apgailėtinai pareiškė, kad bet kuris vargšas studentas žino, kad šaltas vanduo užšals greičiau. Tačiau natūralus jaunuolio užsispyrimas pasijuto. Jis sudarė lažybas su profesoriumi, siūlydamas atlikti eksperimentinį bandymą čia pat, laboratorijoje. Erasto į šaldiklį įdėjo du indus su vandeniu, vieną 95 °F (35 °C), o kitą 212 °F (100 °C). Įsivaizduokite profesoriaus ir aplinkinių „gerbėjų“ nuostabą, kai antroje talpykloje vanduo užšaldavo greičiau. Nuo tada šis reiškinys buvo vadinamas „Mpemba paradoksu“.

Tačiau iki šiol nėra nuoseklios teorinės hipotezės, paaiškinančios „Mpemba paradoksą“. Neaišku, kokie išoriniai veiksniai, vandens cheminė sudėtis, ištirpusių dujų ir mineralų buvimas jame, turi įtakos skysčių užšalimo greičiui esant skirtingoms temperatūroms. „Mpembos efekto“ paradoksas yra tas, kad jis prieštarauja vienam iš I. Niutono atrastų dėsnių, teigiančių, kad vandens aušinimo laikas yra tiesiogiai proporcingas skysčio ir aplinkos temperatūrų skirtumui. Ir jei visi kiti skysčiai visiškai paklūsta šiam įstatymui, tada vanduo kai kuriais atvejais yra išimtis.

Kodėl karštas vanduo užšąla greičiau?T

Yra keletas versijų, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Pagrindiniai iš jų yra:

karštas vanduo greičiau išgaruoja, tuo tarpu jo tūris mažėja, o mažesnis skysčio tūris greičiau atvėsta - aušinant vandenį nuo + 100°C iki 0°C, tūriniai nuostoliai esant atmosferos slėgiui siekia 15%;
kuo didesnis temperatūrų skirtumas, tuo didesnis temperatūrų skirtumas, tuo didesnis šilumos mainų tarp skysčio ir aplinkos intensyvumas, todėl verdančio vandens šilumos nuostoliai atsiranda greičiau;
karštam vandeniui atvėsus, jo paviršiuje susidaro ledo pluta, neleidžianti skysčiui visiškai užšalti ir išgaruoti;
esant aukštai vandens temperatūrai, vyksta konvekcinis maišymasis, sumažinant užšalimo laiką;
Vandenyje ištirpusios dujos sumažina užšalimo temperatūrą, pašalindamos energiją kristalų susidarymui – karštame vandenyje nėra ištirpusių dujų.

Visos šios sąlygos buvo ne kartą išbandytos eksperimentiškai. Visų pirma, vokiečių mokslininkas Davidas Auerbachas atrado, kad karšto vandens kristalizacijos temperatūra yra šiek tiek aukštesnė nei šalto vandens, todėl pirmasis gali užšalti greičiau. Tačiau vėliau jo eksperimentai buvo kritikuojami ir daugelis mokslininkų įsitikinę, kad „Mpemba efektas“, lemiantis, kuris vanduo greičiau užšąla – karštas ar šaltas, gali būti atkurtas tik esant tam tikroms sąlygoms, kurių iki šiol niekas neieškojo ir nenurodė.

1963 metais Tanzanijos moksleivis, vardu Erasto Mpemba, uždavė savo mokytojui kvailą klausimą – kodėl šilti ledai jo šaldiklyje užšaldavo greičiau nei šalti?

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.

Jis kreipėsi į fizikos mokytoją, kad paaiškintų, bet jis tik nusijuokė iš mokinio, sakydamas: „Tai ne universali fizika, o Mpemba fizika“. 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.

Ar jums įdomu sužinoti, kodėl taip nutinka? Vos prieš kelerius metus mokslininkams pavyko paaiškinti šį reiškinį...

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 savo laikais pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas. 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.

Nuo tada buvo išsakomos įvairios versijos, viena iš jų buvo tokia: dalis karšto vandens iš pradžių tiesiog išgaruoja, o vėliau, kai jo lieka mažiau, vanduo greičiau užšąla. Ši versija dėl savo paprastumo tapo populiariausia, tačiau mokslininkų visiškai netenkino.

Dabar Singapūro Nanyang technologijos universiteto mokslininkų komanda, vadovaujama chemiko Xi Zhang, teigia, kad išsprendė seną paslaptį, kodėl šiltas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Kaip išsiaiškino Kinijos ekspertai, paslaptis slypi energijos kiekyje, sukauptame vandeniliniuose ryšiuose tarp vandens molekulių.

Kaip žinote, vandens molekulės susideda iš vieno deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų, sujungtų kovalentinėmis jungtimis, kurios dalelių lygyje atrodo kaip elektronų mainai. Kitas žinomas faktas yra tai, kad vandenilio atomus traukia deguonies atomai iš kaimyninių molekulių – susidaro vandenilio ryšiai.

Tuo pačiu metu vandens molekulės paprastai atstumia viena kitą. Mokslininkai iš Singapūro pastebėjo: kuo šiltesnis vanduo, tuo didesnis atstumas tarp skysčio molekulių dėl didėjančių atstumiamųjų jėgų. Dėl to vandeniliniai ryšiai ištempiami, todėl sukaupia daugiau energijos. Ši energija išsiskiria vandeniui vėsstant – molekulės priartėja viena prie kitos. O energijos išleidimas, kaip žinoma, reiškia vėsinimą.

Štai mokslininkų iškeltos prielaidos:

Garavimas

Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Iki 100°C pašildytas vanduo, atvėsęs iki 0°C, praranda 16% savo masės. Garavimo efektas yra dvigubas. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Ir, antra, dėl garavimo sumažėja jo temperatūra.

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 temperatūrai. Šio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų formavimo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris pakankamai, kad kristalai susidarytų savaime. 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? Šalto vandens, kuris nėra peršalęs, atveju nutinka taip: ant jo paviršiaus susidaro plonas ledo sluoksnis, kuris atlieka izoliacijos funkciją tarp vandens ir šalto oro ir taip apsaugo nuo tolesnio garavimo. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršiaus 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 užšalti 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 temperatūroje. Jei vandenį atvėsinsite iki 4°C ir pastatysite į žemesnės temperatūros aplinką, 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 veiks kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4°C. . Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis. Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo. Taip pat šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis nugrims 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 konvekcijos požiūriu, reikėtų daryti prielaidą, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 °C. Tačiau nėra jokių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti 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 šiluma iš karšto vandens indo pašalinama 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 100% Mpemba 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 vieną dalyką: šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas.

Tačiau, kaip sakoma, labiausiai tikėtina priežastis.

Kaip rašo chemikai savo straipsnyje, kurį galima rasti išankstinio spausdinimo svetainėje arXiv.org, vandenilio jungtys yra stipresnės karštame vandenyje nei šaltame vandenyje. Taigi išeina, kad karšto vandens vandeniliniuose ryšiuose sukaupiama daugiau energijos, o tai reiškia, kad atvėsus iki minusinės temperatūros jos išsiskiria daugiau. Dėl šios priežasties kietėjimas vyksta greičiau.

Iki šiol mokslininkai šią paslaptį išsprendė tik teoriškai. Kai jie pateikia įtikinamus savo versijos įrodymus, klausimas, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas, gali būti laikomas uždaru.

Mpemba efektas(Mpembos paradoksas) – paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo procese 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.

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 efektas.

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. Iki 100 C pašildytas vanduo, atvėsęs iki 0 C, praranda 16 % savo masės.

Garavimo efektas yra dvigubas. 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 yra intensyvesni ir karštas vanduo greičiau atvėsta.

Hipotermija

Kai vanduo atvėsta 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 temperatūrai.

Šio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų formavimo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris pakankamai, kad kristalai susidarytų savaime. 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 paviršiaus 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 užšalti 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 daryti prielaidą, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 C.

Tačiau nėra jokių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti konvekcijos procesu.

Vandenyje ištirpusios dujos

Šilumos laidumas

Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau aiškaus 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 vieną dalyką – šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas.

O. V. Mosinas

Literatūrinisšaltinių:

"Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Kodėl tai daroma?", Jearl Walker iš The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Nr. 3, p. 246–257; 1977 metų rugsėjis.

„Karšto ir šalto vandens užšalimas“, G.S. Kell American Journal of Physics, Vol. 37, Nr. 5, p. 564–565; 1969 m. gegužės mėn.

"Supercooling and the Mpemba Effect", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, Nr. 10, p. 882-885; 1995 m. spalio mėn.

"Mpemba efektas: karšto ir šalto vandens užšalimo laikas", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, Nr. 5, p 524; 1996 m. gegužės mėn.