21.11.2017 11.10.2018 Aleksandras Fircevas
« Kuris vanduo užšąla greičiau, šaltas ar karštas?“ – pabandykite užduoti klausimą savo draugams, greičiausiai dauguma jų atsakys, kad šaltas vanduo užšąla greičiau – ir jie padarys klaidą.
Tiesą sakant, jei vienu metu į šaldiklį įdėsite du vienodos formos ir tūrio indus, kurių viename yra šaltas vanduo, o kitame karštas, tai karštas vanduo užšals greičiau.
Toks teiginys gali atrodyti absurdiškas ir nepagrįstas. Jei vadovausitės logika, tada karštas vanduo pirmiausia turi atvėsti iki šalto vandens temperatūros, o šaltas vanduo šiuo metu jau turėtų virsti ledu.
Taigi kodėl karštas vanduo įveikia šaltą vandenį pakeliui į užšalimą? Pabandykime tai išsiaiškinti.
Stebėjimų ir tyrimų istorija
Žmonės šį paradoksalų efektą stebėjo nuo senų senovės, tačiau niekas jam neteikė didelės reikšmės. Taigi Arestotelis, taip pat Rene Descartes ir Francis Bacon savo pastabose pažymėjo šalto ir karšto vandens užšalimo greičio neatitikimus. Kasdieniame gyvenime dažnai pasirodydavo neįprastas reiškinys.
Ilgą laiką reiškinys niekaip nebuvo tiriamas ir didelio mokslininkų susidomėjimo nesukėlė.
Šio neįprasto poveikio tyrimas buvo pradėtas 1963 m., kai smalsus moksleivis iš Tanzanijos Erasto Mpemba pastebėjo, kad karštas pienas ledams užšalo greičiau nei šaltas pienas. Tikėdamasis sulaukti neįprasto efekto priežasčių paaiškinimo, jaunuolis mokykloje paklausė savo fizikos mokytojo. Tačiau mokytoja iš jo tik juokėsi.
Vėliau Mpemba eksperimentą pakartojo, tačiau savo eksperimente naudojo nebe pieną, o vandenį ir paradoksalus efektas pasikartojo dar kartą.
Po 6 metų, 1969 m., Mpemba uždavė šį klausimą fizikos profesoriui Dennisui Osbornui, atvykusiam į jo mokyklą. Profesorius domėjosi jaunuolio stebėjimu, todėl buvo atliktas eksperimentas, kuris patvirtino efekto buvimą, tačiau šio reiškinio priežastys nebuvo nustatytos.
Nuo tada reiškinys buvo vadinamas Mpemba efektas.
Per visą mokslinių stebėjimų istoriją buvo iškelta daugybė hipotezių apie šio reiškinio priežastis.
Taigi 2012 m. Britanijos karališkoji chemijos draugija paskelbs hipotezių, paaiškinančių Mpemba efektą, konkursą. Konkurse dalyvavo mokslininkai iš viso pasaulio, iš viso užregistruota 22 000 mokslinių darbų. Nepaisant tokio įspūdingo straipsnių skaičiaus, nė vienas iš jų neatnešė aiškumo Mpemba paradoksui.
Dažniausia versija buvo tokia, kad karštas vanduo užšąla greičiau, nes jis paprasčiausiai greičiau išgaruoja, jo tūris mažėja, o tūriui mažėjant – didėja aušinimo greitis. Dažniausia versija galiausiai buvo paneigta, nes buvo atliktas eksperimentas, kurio metu garavimas buvo atmestas, tačiau poveikis vis dėlto buvo patvirtintas.
Kiti mokslininkai manė, kad Mpemba efekto priežastis buvo vandenyje ištirpusių dujų išgaravimas. Jų nuomone, kaitinimo metu vandenyje ištirpusios dujos išgaruoja, dėl to jis įgauna didesnį tankį nei šaltas vanduo. Kaip žinoma, tankio padidėjimas lemia vandens fizinių savybių pasikeitimą (šilumos laidumo padidėjimą), taigi ir aušinimo greičio padidėjimą.
Be to, buvo iškelta keletas hipotezių, apibūdinančių vandens cirkuliacijos greitį priklausomai nuo temperatūros. Daugeliu tyrimų buvo bandoma nustatyti ryšį tarp talpyklų, kuriose buvo skystis, medžiagos. Daugelis teorijų atrodė labai įtikinamos, tačiau jos negalėjo būti moksliškai patvirtintos dėl pradinių duomenų trūkumo, prieštaravimų kituose eksperimentuose arba dėl to, kad nustatyti veiksniai tiesiog nebuvo lyginami su vandens aušinimo greičiu. Kai kurie mokslininkai savo darbuose suabejojo efekto egzistavimu.
2013 metais Singapūro Nanyang technologijos universiteto mokslininkai teigė įminę Mpemba efekto paslaptį. Pasak jų tyrimų, reiškinio priežastis slypi tame, kad vandeniliniuose ryšiuose tarp šalto ir karšto vandens molekulių sukauptos energijos kiekis gerokai skiriasi.
Kompiuterinio modeliavimo metodai parodė tokius rezultatus: kuo aukštesnė vandens temperatūra, tuo didesnis atstumas tarp molekulių dėl to, kad didėja atstūmimo jėgos. Vadinasi, molekulių vandeniliniai ryšiai išsitempia, sukaupdami daugiau energijos. Atvėsusios molekulės pradeda artėti viena prie kitos, išskirdamos energiją iš vandenilinių ryšių. Šiuo atveju energijos išsiskyrimą lydi temperatūros sumažėjimas.
2017 m. spalį ispanų fizikai, atlikdami kitą tyrimą, nustatė, kad didelį vaidmenį formuojant efektą atlieka medžiagos pašalinimas iš pusiausvyros (stiprus kaitinimas prieš stiprų aušinimą). Jie nustatė sąlygas, kuriomis poveikio pasireiškimo tikimybė yra didžiausia. Be to, Ispanijos mokslininkai patvirtino atvirkštinio Mpemba efekto egzistavimą. Jie nustatė, kad kaitinant šaltesnis mėginys gali pasiekti aukštą temperatūrą greičiau nei šiltesnis.
Nepaisant išsamios informacijos ir daugybės eksperimentų, mokslininkai ketina toliau tirti poveikį.
Mpemba efektas realiame gyvenime
Ar kada susimąstėte, kodėl žiemą čiuožykla prisipildo karšto vandens, o ne šalta? Kaip jau supratote, jie tai daro todėl, kad čiuožykla, užpildyta karštu vandeniu, užšals greičiau nei tada, kai ji būtų užpildyta šaltu vandeniu. Dėl tos pačios priežasties žiemos ledo miesteliuose į čiuožykles pilamas karštas vanduo.
Taigi žinios apie reiškinio egzistavimą leidžia žmonėms sutaupyti laiko ruošiant aikšteles žiemos sportui.
Be to, Mpemba efektas kartais naudojamas pramonėje, siekiant sumažinti vandens turinčių produktų, medžiagų ir medžiagų užšalimo laiką.
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.
- Šalto vandens užšalimas, skirtingai nei karštas, prasideda viršuje. Tuo pačiu metu pablogėja konvekcija ir šilumos spinduliavimas, taigi ir šilumos nuostoliai.
- 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
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. mokslo populiarinimo 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 kažkada apie tai galvojo ir Rene Descartesas bei net Aristotelis.
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 kelio šilumos spinduliuotei nėra, todėl aušinimo procesas tampa sunkus. Karšto vandens kelyje tokių kliūčių visiškai nėra. Kas užšąla greičiau – šalta ar karšta, kas lemia tikėtiną baigtį, galite išplėsti atsakymą sakydami, kad bet kuriame vandenyje yra ištirpusių tam tikrų 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.
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 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 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 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
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 viena – šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas.
O. V. Mosinas
Literatūrinisšaltiniai:
"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.
Atrodytų, kad sena gera formulė H 2 O neturi paslapčių. Tačiau iš tikrųjų vanduo – gyvybės šaltinis ir garsiausias skystis pasaulyje – yra kupinas daugybės paslapčių, kurių kartais neįstengia įminti net mokslininkai.
Štai 5 įdomiausi faktai apie vandenį:
1. Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas
Imkime du indus su vandeniu: į vieną supilkite karštą, į kitą šaltą vandenį ir padėkite į šaldiklį. Karštas vanduo užšals greičiau nei šaltas, nors pagal dalykų logiką šaltas vanduo pirmiausia turėjo virsti ledu: juk karštas vanduo pirmiausia turi atvėsti iki šaltos temperatūros, o tada virsti ledu, o šaltas – ne. reikia atvėsti. Kodėl tai vyksta?
1963 metais Tanzanijos vidurinės mokyklos moksleivis 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, vadinamas Mpemba efektu. 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.
X.RU pastaba tema „Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas“.
Kadangi aušinimo klausimai mums, šaldymo specialistams, artimesni, leisime šiek tiek labiau įsigilinti į šios problemos esmę ir pateiksime dvi nuomones apie tokio paslaptingo reiškinio prigimtį.
1. Vašingtono universiteto mokslininkas pasiūlė nuo Aristotelio laikų žinomo paslaptingo reiškinio paaiškinimą: kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas.
Reiškinys, vadinamas Mpemba efektu, plačiai naudojamas praktikoje. Pavyzdžiui, ekspertai pataria vairuotojams žiemą į plovimo rezervuarą pilti šaltą, o ne karštą vandenį. Tačiau kas yra šio reiškinio pagrindas, ilgą laiką liko nežinoma.
Daktaras Jonathanas Katzas iš Vašingtono universiteto tyrinėjo šį reiškinį ir priėjo prie išvados, kad svarbų vaidmenį atlieka vandenyje ištirpusios medžiagos, kurios kaitinant nusėda, praneša EurekAlert.
Dr. Katz, sakydamas ištirpusias medžiagas, reiškia kalcio ir magnio bikarbonatus, kurių yra kietame vandenyje. Kaitinamas vanduo, šios medžiagos nusėda ir ant virdulio sienelių susidaro apnašos. Vandenyje, kuris niekada nebuvo šildomas, yra šių priemaišų. Jam užšalus ir formuojantis ledo kristalams, priemaišų koncentracija vandenyje padidėja 50 kartų. Dėl to sumažėja vandens užšalimo temperatūra. "Ir dabar vanduo turi atvėsti toliau, kad užšaltų", - aiškina dr. Katzas.
Yra ir antra priežastis, neleidžianti užšalti nešildomam vandeniui. Sumažinus vandens užšalimo temperatūrą, sumažėja temperatūrų skirtumas tarp kietos ir skystos fazės. „Kadangi nuo šio temperatūrų skirtumo priklauso greitis, kuriuo vanduo praranda šilumą, vanduo, kuris nebuvo pašildytas, blogiau atvėsta“, – komentuoja dr. Katzas.
Mokslininko teigimu, jo teoriją galima patikrinti eksperimentiškai, nes Mpemba efektas tampa labiau pastebimas esant kietesniam vandeniui.
2. Deguonis plius vandenilis ir šaltis sukuria ledą. Iš pirmo žvilgsnio ši skaidri medžiaga atrodo labai paprasta. Tiesą sakant, ledas yra kupinas daugybės paslapčių. Afrikiečio Erasto Mpembos sukurtas ledas apie šlovę negalvojo. Dienos buvo karštos. Jis norėjo popsių. Jis paėmė sulčių dėžutę ir įdėjo į šaldiklį. Jis tai darė ne kartą ir todėl pastebėjo, kad sultys ypač greitai užšąla, jei pirmą kartą palaikysite jas saulėje – tikrai sušildo! Tai keista, pagalvojo Tanzanijos moksleivis, kuris elgėsi priešingai pasaulietinei išminčiai. Ar tikrai reikia iš anksto pašildyti skystį, kad greičiau virstų ledu? Jaunuolis taip nustebo, kad savo spėjimu pasidalijo su mokytoja. Apie šį kuriozą jis pranešė spaudoje.
Ši istorija nutiko praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje. Dabar „Mpemba efektas“ yra gerai žinomas mokslininkams. Tačiau ilgą laiką šis iš pažiūros paprastas reiškinys liko paslaptimi. Kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas?
Tik 1996 m. fizikas Davidas Auerbachas rado sprendimą. Norėdamas atsakyti į šį klausimą, jis visus metus atliko eksperimentą: stiklinėje pakaitino vandenį ir vėl atvėsino. Taigi ką jis sužinojo? Kaitinant, vandenyje ištirpę oro burbuliukai išgaruoja. Vanduo, kuriame nėra dujų, lengviau užšąla ant indo sienelių. „Žinoma, vanduo, kuriame yra daug oro, taip pat užšals, – sako Auerbachas, – bet ne nuliui Celsijaus, o tik minus 4–6 laipsniais. Žinoma, teks laukti ilgiau. Taigi, karštas vanduo užšąla prieš šaltą, tai yra mokslinis faktas.
Vargu ar yra medžiaga, kuri mūsų akyse atsidurtų taip lengvai kaip ledas. Jį sudaro tik vandens molekulės - tai yra elementariosios molekulės, turinčios du vandenilio atomus ir vieną deguonies atomą. Tačiau ledas yra bene paslaptingiausia medžiaga Visatoje. Kai kurių jo savybių mokslininkams dar nepavyko paaiškinti.
2. Supercooling ir „momentinis“ užšaldymas
Visi žino, kad vanduo, atvėsęs iki 0°C, visada virsta ledu... išskyrus kai kuriuos atvejus! To pavyzdys yra „peršaldymas“, 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 atvėsęs iki žemiau nulio laipsnių Celsijaus. Kristalizacijos procesą gali sukelti, pavyzdžiui, dujų burbuliukai, priemaišos (teršalai) arba nelygus talpyklos paviršius. Be jų vanduo išliks skystoje būsenoje. Kai prasidės kristalizacijos procesas, galite stebėti, kaip itin atvėsęs vanduo akimirksniu virsta ledu.
Žiūrėkite vaizdo įrašą (2 901 KB, 60 sek.) iš Philo Medinos (www.mrsciguy.com) ir įsitikinkite patys >>
komentuoti. Perkaitintas vanduo taip pat išlieka skystas net kaitinamas virš virimo temperatūros.
3. „Stiklinis“ vanduo
Greitai ir negalvodamas įvardink, kiek skirtingų būsenų turi vanduo?
Jei atsakėte tris (kietas, skystas, dujinis), tada klydote. Mokslininkai nustato mažiausiai 5 skirtingas skysto vandens ir 14 ledo būsenų.
Prisimeni pokalbį apie itin atšaldytą vandenį? Taigi, kad ir ką darytumėte, esant -38 °C net gryniausias itin atšaldytas vanduo staiga virsta ledu. Kas atsitiks su tolesniu nuosmukiu?
temperatūra? 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. Vandens kvantinės savybės
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 vandens cheminė formulė vietoj įprastos - H 2 O tampa H 1,5 O!
5. Ar vanduo turi atmintį?
Homeopatija, alternatyva įprastinei medicinai, 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 aiškina sąvoka, vadinama „vandens atmintimi“, pagal kurią vanduo molekuliniame lygmenyje turi „atmintį“ apie jame ištirpusią medžiagą ir išlaiko pradinės koncentracijos tirpalo savybes po nė vieno. joje lieka ingrediento molekulė.
Tarptautinė mokslininkų grupė, vadovaujama profesorės Madeleine Ennis iš Belfasto universiteto, kuri kritikavo homeopatijos principus, 2002 m. atliko eksperimentą, kad kartą ir visiems laikams paneigtų šią koncepciją. Rezultatas buvo priešingas sugebėjo įrodyti „vandens atminties“ efekto realumą. Tačiau eksperimentai, atlikti prižiūrint nepriklausomiems ekspertams, nedavė jokių rezultatų.
Vanduo turi daug kitų neįprastų savybių, apie kurias šiame straipsnyje nekalbėjome.
Literatūra.
1. 5 tikrai keistų dalykų apie vandenį / http://www.neatorama.com.
2. Vandens paslaptis: sukurta Aristotelio-Mpembos efekto teorija / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Negyvos gamtos paslaptys. Paslaptingiausia medžiaga visatoje / http://www.bibliotekar.ru.
