Yra daug veiksnių, turinčių įtakos tam, kuris vanduo užšąla greičiau, karštas ar šaltas, tačiau pats klausimas atrodo šiek tiek keistas. Tai žinoma iš fizikos, kad karštam vandeniui vis tiek reikia laiko atvėsti iki lyginamo šalto vandens temperatūros, kad jis virstų ledu. Šaltas vanduo gali praleisti šį etapą ir atitinkamai įgauna laiko.
Tačiau atsakymą į klausimą, kuris vanduo greičiau užšąla – šaltas ar karštas – lauke šaltyje, žino bet kuris šiaurinių platumų gyventojas. Tiesą sakant, moksliškai paaiškėja, kad bet kokiu atveju šaltas vanduo tiesiog greičiau užšąla.
Tą patį galvojo ir fizikos mokytojas, į kurį 1963 metais kreipėsi moksleivis Erasto Mpemba, prašydamas paaiškinti, kodėl šaltas būsimų ledų mišinys užšąla ilgiau nei panašus, bet karštas.
„Tai ne universali fizika, o tam tikra Mpemba fizika“
Tuo metu mokytojas iš to tik juokėsi, tačiau fizikos profesorius Denisas Osborne'as, kažkada lankęsis toje pačioje mokykloje, kurioje mokėsi Erasto, eksperimentiškai patvirtino tokio efekto buvimą, nors paaiškinimo tada jam nebuvo. 1969 m. populiariame mokslo žurnale buvo paskelbtas bendras šių dviejų žmonių straipsnis, kuriame aprašomas šis ypatingas poveikis.
Nuo tada, beje, klausimas, kuris vanduo užšąla greičiau – karštas ar šaltas – turi savo pavadinimą – Mpemba efektas, arba paradoksas.
Klausimas iškilo jau seniai
Natūralu, kad toks reiškinys buvo ir anksčiau, jis buvo minimas ir kitų mokslininkų darbuose. Šiuo klausimu domėjosi ne tik moksleivis, bet ir Rene Descartesas ir net Aristotelis vienu ar kitu metu apie tai galvojo.
Tačiau šio paradokso sprendimo būdų jie pradėjo ieškoti tik XX amžiaus pabaigoje.
Paradokso atsiradimo sąlygos
Kaip ir su ledais, eksperimento metu užšąla ne tik paprastas vanduo. Tam, kad būtų galima ginčytis, kuris vanduo užšąla greičiau – šaltas ar karštas, turi būti tam tikros sąlygos. Kas turi įtakos šio proceso eigai?
Dabar, XXI amžiuje, buvo pasiūlyta keletas variantų, galinčių paaiškinti šį paradoksą. Kuris vanduo užšąla greičiau, karštas ar šaltas, gali priklausyti nuo to, kad jo garavimo greitis didesnis nei šalto vandens. Taigi jo tūris mažėja, o tūriui mažėjant užšalimo laikas trumpėja, nei imtume tokį patį pradinį šalto vandens tūrį.
Praėjo nemažai laiko, kai atitirpinote šaldiklį.
Kuris vanduo užšąla greičiau ir kodėl taip nutinka, gali turėti įtakos eksperimentui naudoto šaldytuvo šaldiklyje galintis būti sniego pamušalas. Jei paimsite du vienodo tūrio indus, tačiau viename iš jų yra karštas vanduo, o kitame šaltas, indas su karštu vandeniu ištirpdys po apačia esantį sniegą ir taip pagerins šiluminio lygio kontaktą su šaldytuvo sienele. Šalto vandens talpykla to negali padaryti. Jei šaldytuvo skyriuje nėra tokio pamušalo su sniegu, šaltas vanduo turėtų užšalti greičiau.
Viršus - apačia
Taip pat reiškinys, kai vanduo užšąla greičiau – karštas ar šaltas – paaiškinamas taip. Laikantis tam tikrų dėsnių, šaltas vanduo ima stingti iš viršutinių sluoksnių, kai karštas veikia priešingai – ima stingti iš apačios į viršų. Pasirodo, šaltas vanduo, turintis viršuje šaltą sluoksnį su jau vietomis susidariusiu ledu, taip pablogina konvekcijos ir šiluminės spinduliuotės procesus, tuo paaiškindamas, kuris vanduo greičiau užšąla – šaltas ar karštas. Mėgėjų eksperimentų nuotraukos pridedamos, ir tai čia aiškiai matoma.
Šiluma užgęsta, veržiasi aukštyn, ir ten susitinka labai vėsus sluoksnis. Laisvo šilumos spinduliavimo kelio nėra, todėl aušinimo procesas tampa sunkus. Karšto vandens kelyje tokių kliūčių visiškai nėra. Kuris užšąla greičiau – šaltas ar karštas, kas lemia tikėtiną rezultatą. Galite išplėsti atsakymą sakydami, kad bet kuriame vandenyje yra ištirpusių medžiagų?
Priemaišos vandenyje kaip veiksnys, turintis įtakos rezultatui
Jei neapgaudinėjate ir naudojate tokios pačios sudėties vandenį, kuriame tam tikrų medžiagų koncentracijos yra identiškos, tuomet šaltas vanduo turėtų užšalti greičiau. Bet jei susidaro situacija, kai ištirpusių cheminių elementų yra tik karštame vandenyje, o šaltame vandenyje jų nėra, tai karštas vanduo turi galimybę užšalti anksčiau. Tai paaiškinama tuo, kad vandenyje ištirpusios medžiagos sukuria kristalizacijos centrus, o esant nedideliam šių centrų skaičiui, vanduo sunkiai paverčiamas kietu. Netgi gali būti, kad vanduo bus peršalęs, ta prasme, kad esant minusinei temperatūrai jis bus skystos būsenos.
Tačiau visos šios versijos, matyt, visiškai netiko mokslininkams ir jie toliau dirbo šiuo klausimu. 2013 metais Singapūro tyrėjų komanda pasakė, kad išsprendė seną paslaptį.
Grupė Kinijos mokslininkų teigia, kad šio efekto paslaptis slypi energijos kiekyje, kuris sukauptas tarp vandens molekulių jos ryšiuose, vadinamuose vandenilio ryšiais.
Kinijos mokslininkų atsakymas
Toliau pateikiama informacija, kurios supratimui reikia turėti tam tikrų chemijos žinių, kad suprastum, kuris vanduo užšąla greičiau – karštas ar šaltas. Kaip žinoma, jį sudaro du H (vandenilio) atomai ir vienas O (deguonies) atomas, sujungti kovalentinėmis jungtimis.
Bet ir vienos molekulės vandenilio atomus traukia kaimyninės molekulės, jų deguonies komponentas. Šios jungtys vadinamos vandenilio ryšiais.
Verta prisiminti, kad tuo pat metu vandens molekulės atstumia viena kitą. Mokslininkai pastebėjo, kad kaitinant vandenį didėja atstumas tarp jo molekulių, o tai palengvina atstumiančios jėgos. Pasirodo, užimdami tą patį atstumą tarp molekulių šaltoje būsenoje, galima sakyti, kad jos išsitampo, ir jos turi didesnį energijos tiekimą. Būtent šis energijos rezervas išsiskiria, kai vandens molekulės pradeda artėti viena prie kitos, tai yra, įvyksta aušinimas. Pasirodo, didesnis energijos rezervas karštame vandenyje ir didesnis jo išsiskyrimas atvėsus iki minusinės temperatūros atsiranda greičiau nei šaltame vandenyje, kuris turi mažesnį tokios energijos rezervą. Taigi kuris vanduo užšąla greičiau – šaltas ar karštas? Gatvėje ir laboratorijoje turėtų atsirasti Mpembos paradoksas, o karštas vanduo greičiau virsti ledu.
Bet klausimas vis dar atviras
Yra tik teorinis šio sprendimo patvirtinimas – visa tai surašyta gražiomis formulėmis ir atrodo tikėtina. Bet kai eksperimentiniai duomenys apie tai, kuris vanduo greičiau užšąla – karštas ar šaltas – panaudojami praktiškai ir pateikiami jų rezultatai, Mpembos paradokso klausimą galima laikyti uždarytu.
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.
Būdamas Magambi vidurinės mokyklos Tanzanijoje mokinys, 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 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 vandens masė, reikalinga aušinimui. 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 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? 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 sušals 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
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 aiškaus atsakymo į klausimą – kuri 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.
Atrodo akivaizdu, kad šaltas vanduo užšąla greičiau nei karštas, nes vienodomis sąlygomis karštas vanduo ilgiau atvėsta, o vėliau užšąla. Tačiau tūkstančius metų trukę stebėjimai, kaip ir šiuolaikiniai eksperimentai, parodė, kad yra ir priešingai: tam tikromis sąlygomis karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. „Sciencium Science Channel“ paaiškina šį reiškinį:
Kaip paaiškinta aukščiau esančiame vaizdo įraše, reiškinys, kai karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas, yra žinomas kaip Mpemba efektas, pavadintas Erasto Mpemba, Tanzanijos studento, gaminusio ledus pagal mokyklos projektą 1963 m., vardu. Mokiniai turėjo užvirti grietinėlės ir cukraus mišinį, leisti jam atvėsti ir padėti į šaldiklį.
Vietoj to, Erasto mišinį iškart įdėjo karštą, nelaukdamas, kol jis atvės. Dėl to po 1,5 valandos jo mišinys jau buvo užšalęs, o kitų mokinių – ne. Susidomėjęs šiuo reiškiniu, Mpemba pradėjo nagrinėti šią problemą su fizikos profesoriumi Denisu Osborne'u, o 1969 metais jie paskelbė straipsnį, kuriame teigiama, kad šiltas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Tai buvo pirmasis recenzuojamas tokio pobūdžio tyrimas, tačiau pats reiškinys minimas Aristotelio dokumentuose, datuojamuose IV amžiuje prieš Kristų. e. Šį reiškinį savo studijose pastebėjo ir Francis Baconas bei Dekartas.
Vaizdo įraše pateikiamos kelios galimybės paaiškinti, kas vyksta:
- Šerkšnas yra dielektrikas, todėl šerkšnas šaltas vanduo geriau sulaiko šilumą nei šiltas stiklas, kuris, kai liečiasi su ja, tirpdo ledą
- Šaltame vandenyje yra daugiau ištirpusių dujų nei šiltame vandenyje, ir mokslininkai spėja, kad tai gali turėti įtakos aušinimo greičiui, nors kol kas neaišku, kaip
- Karštas vanduo garuodamas praranda daugiau vandens molekulių, todėl jų lieka mažiau užšalti
- Šiltas vanduo gali greičiau atvėsti dėl padidėjusių konvekcinių srovių. Šios srovės atsiranda dėl to, kad vanduo stiklinėje pirmiausia atvėsta paviršiuje ir šonuose, todėl šaltas vanduo nuskendo, o karštas vanduo kyla aukštyn. Šiltame stikle konvekcinės srovės yra aktyvesnės, o tai gali turėti įtakos aušinimo greičiui.
Tačiau 2016 metais buvo atliktas kruopščiai kontroliuojamas tyrimas, kuris parodė priešingai: karštas vanduo užšalo daug lėčiau nei šaltas. Tuo pačiu metu mokslininkai pastebėjo, kad termoporos – prietaiso, kuris nustato temperatūros pokyčius – vietą pakeitus vos centimetru, atsiranda Mpemba efektas. Kitų panašių tyrimų tyrimas parodė, kad visais atvejais, kai buvo pastebėtas šis efektas, buvo termoporos poslinkis per centimetrą.
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 daug 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, kuris buvo atvėsęs 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“.
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.
