Энэ нийтлэлд бид халуун ус яагаад хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг вэ гэсэн асуултыг авч үзэх болно.
Халаасан ус хүйтэн уснаас хамаагүй хурдан хөлддөг! Эрдэмтэд яг тодорхой тайлбар олж чадаагүй байгаа усны энэхүү гайхалтай шинж чанарыг эрт дээр үеэс мэддэг байсан. Жишээлбэл, Аристотельд ч гэсэн өвлийн загас агнуурын тухай тайлбар байдаг: загасчид загас барих савааг мөсөн дээрх нүхэнд хийж, илүү хурдан хөлдөхийн тулд мөсөн дээр бүлээн ус асгадаг байв. Энэ үзэгдлийг 20-р зууны 60-аад онд Эрасто Мпембагийн нэрээр нэрлэжээ. Мнемба зайрмаг хийж байхдаа хачирхалтай нөлөө үзүүлж байгааг анзаарч, физикийн багш, доктор Денис Осборн руу хандаж тайлбар авсан байна. Мпемба, доктор Осборн нар өөр өөр температурт устай туршилт хийж, бараг буцалж буй ус тасалгааны температурт уснаас хамаагүй хурдан хөлдөж эхэлдэг гэж дүгнэжээ. Бусад эрдэмтэд өөрсдийн туршилтыг хийж, бүр ижил төстэй үр дүнд хүрсэн.
Физик үзэгдлийн тайлбар
Яагаад ийм зүйл болдог талаар нийтээр хүлээн зөвшөөрсөн тайлбар байдаггүй. Олон судлаачид бүх цэг нь шингэний хэт хөргөлтөд оршдог бөгөөд энэ нь түүний температур хөлдөх цэгээс доош унах үед үүсдэг гэж үздэг. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв ус 0 хэмээс доош температурт хөлддөг бол хэт хөргөсөн ус нь жишээлбэл, -2 ° C температуртай байх ба мөс болон хувиралгүй шингэн хэвээр үлдэнэ. Хүйтэн усыг хөлдөөх гэж оролдоход эхлээд хэт хөргөж, хэсэг хугацааны дараа хатуурах магадлалтай. Бусад процессууд халсан усанд явагддаг. Түүний мөс болж хурдан хувирах нь конвекцтэй холбоотой юм.
Конвекц- энэ бол шингэний дулаан доод давхаргууд дээшилж, дээд, хөргөсөн хэсэг нь унадаг физик үзэгдэл юм.
Сайн байна уу, эрхэм сонирхолтой баримтуудыг хайрлагчид. Өнөөдөр бид тантай энэ талаар ярилцах болно. Гэхдээ гарчигт тавьсан асуулт нь зүгээр л утгагүй мэт санагдаж магадгүй гэж би бодож байна - гэхдээ хатуу тогтоосон туршилтын туршилт биш харин алдартай "эрүүл ухаан" -д үргэлж итгэх хэрэгтэй. Яагаад халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөгийг олж мэдье?
Түүхэн суурь
Хүйтэн, халуун усыг хөлдөөх асуудалд "бүх зүйл цэвэр биш" гэж Аристотелийн бүтээлүүдэд дурьдсан бол Ф.Бэкон, Р.Декарт, Ж.Блэк нар үүнтэй төстэй тэмдэглэлүүдийг хийсэн. Сүүлийн үеийн түүхэнд энэ нөлөөг "Мпембагийн парадокс" гэж нэрлэжээ - Танганикагийн сургуулийн сурагч Эрасто Мпемба зочлон ирсэн физикийн профессороос ижил асуулт асуусан.
Хүүгийн асуулт гэнэт гарч ирээгүй, харин гал тогооны өрөөнд зайрмагны хольцыг хөргөх үйл явцын талаархи хувийн ажиглалтаас үүдэлтэй юм. Мэдээжийн хэрэг, тэнд байсан ангийнхан сургуулийн багшийн хамт Мпембыг инээлгэсэн боловч профессор Д.Осборн биечлэн туршилт хийсний дараа Эрастог шоолох хүсэл тэднээс "ууршсан". Түүгээр ч зогсохгүй Мпемба профессорын хамт 1969 онд Физикийн боловсролд энэ нөлөөний нарийвчилсан тайлбарыг нийтэлсэн бөгөөд тэр цагаас хойш дээр дурдсан нэр нь шинжлэх ухааны уран зохиолд хадгалагдан үлджээ.
Энэ үзэгдлийн мөн чанар юу вэ?
Туршилтын зохион байгуулалт нь маш энгийн: бусад бүх зүйл тэнцүү, ижил нимгэн ханатай савнууд нь зөвхөн температурын хувьд ялгаатай, ижил хэмжээний ус агуулдаг. Усан онгоцыг хөргөгчинд ачиж, дараа нь тус бүрт мөс үүсэх хүртэлх хугацааг тэмдэглэнэ. Парадокс нь эхлээд халуун шингэнтэй саванд энэ нь илүү хурдан болдог.
Орчин үеийн физик үүнийг хэрхэн тайлбарладаг вэ?
Парадокс нь бүх нийтийн тайлбартай байдаггүй, учир нь хэд хэдэн зэрэгцээ процессууд хамт явагддаг бөгөөд тэдгээрийн хувь нэмэр нь тодорхой анхны нөхцлөөс хамааран өөр өөр байж болох ч нэг төрлийн үр дүнд хүрдэг.
- шингэний хэт хөргөх чадвар - эхэндээ хүйтэн ус нь хэт хөргөлтөд илүү өртөмтгий байдаг, өөрөөр хэлбэл. температур нь аль хэдийн хөлдөх цэгээс доош байх үед шингэн хэвээр байна
- түргэвчилсэн хөргөлт - халуун усны уур нь мөсөн микро талст болж хувирдаг бөгөөд энэ нь буцаж унах үед процессыг хурдасгаж, нэмэлт "гадаад дулаан солилцуур" болж ажилладаг.
- дулаалгын нөлөө - халуун уснаас ялгаатай нь хүйтэн ус нь дээрээс хөлддөг бөгөөд энэ нь конвекц ба цацрагийн дулаан дамжуулалтыг бууруулдаг.
Өөр хэд хэдэн тайлбарууд байдаг (Сүүлийн удаа Британийн Хатан хааны химийн нийгэмлэг хамгийн сүүлд 2012 онд шилдэг таамаглалын уралдаан зохион байгуулсан) - гэхдээ оролтын нөхцлийн хослолын бүх тохиолдлуудад хоёрдмол утгагүй онол байхгүй хэвээр байна ...
Ус бол ер бусын шинж чанартай дэлхийн хамгийн гайхалтай шингэний нэг юм. Жишээлбэл, мөс нь шингэний хатуу төлөвт уснаас бага жинтэй тул дэлхий дээр амьдрал үүсч, хөгжих боломжтой болсон. Нэмж дурдахад, псевдо-шинжлэх ухаан, шинжлэх ухааны ертөнцөд аль ус илүү хурдан хөлддөг тухай хэлэлцүүлэг байдаг - халуун эсвэл хүйтэн. Халуун шингэн нь тодорхой нөхцөлд илүү хурдан хөлддөг гэдгийг баталж, түүний уусмалыг шинжлэх ухааны үндэслэлтэй нотолж чадсан хүн Британийн хааны химийн нийгэмлэгээс 1000 фунт стерлингийн шагнал хүртэх болно.
Суурь
Хэд хэдэн нөхцөл хангагдсан үед халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг нь Дундад зууны үед ажиглагдсан. Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт нар энэ үзэгдлийг тайлбарлахын тулд маш их хүчин чармайлт гаргасан. Гэсэн хэдий ч сонгодог дулааны инженерийн үүднээс авч үзвэл энэ парадоксыг тайлбарлах боломжгүй бөгөөд тэд энэ талаар ичингүйрэхийг оролдов. Мэтгэлцээнийг үргэлжлүүлэхэд түлхэц болсон зүйл бол 1963 онд Танзанийн сургуулийн сурагч Эрасто Мпембатай тохиолдсон сонин түүх байв. Нэгэн өдөр тогоочийн сургуульд амттан хийх хичээл дээр өөр зүйлд сатаарсан хүү зайрмагны хольцыг цагт нь хөргөж, сүүнд элсэн чихрийн халуун уусмалыг хөлдөөгчид хийж амжсангүй. Бүтээгдэхүүн нь зайрмаг бэлтгэх температурын горимыг ажиглаж байсан оюутнуудынхаас арай хурдан хөргөсөн нь түүний гайхшралыг төрүүлэв.
Энэ үзэгдлийн мөн чанарыг ойлгохыг хичээсэн хүү физикийн багш руу хандсан бөгөөд тэрээр нарийн ширийн зүйлгүйгээр түүний хоолны туршилтыг шоолж байв. Гэсэн хэдий ч Эрасто атаархмаар тэсвэр тэвчээрээр ялгарч, туршилтаа сүү дээр биш, харин усан дээр үргэлжлүүлэв. Тэрээр зарим тохиолдолд халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг гэдэгт итгэлтэй болсон.
Дар-эс-Саламын их сургуульд элсэн орсон Эрасто Мпембе профессор Денис Г.Осборнийн лекцэнд суув. Үүнийг дуусгасны дараа оюутан эрдэмтнийг усны температураас хамааран хөлдөх хурдны тухай асуудалд оруулав. Д.Г. Осборн энэ асуултыг тохуурхаж, ямар ч ядуу оюутан хүйтэн ус илүү хурдан хөлддөг гэдгийг мэддэг гэж тунхаглан хэлэв. Гэсэн хэдий ч тэр залуугийн төрөлхийн тэсвэр хатуужил нь мэдрэгдэж байв. Тэрээр профессортой мөрий тавьж, яг энд лабораторид туршилтын туршилт хийхийг санал болгов. Эрасто хоёр савтай устай хөлдөөгчид нэгийг нь 35°C, нөгөөг нь 212°F (100°C) хэмд байрлуулав. Хоёр дахь саванд байгаа ус илүү хурдан хөлдөхөд профессор болон түүний эргэн тойрон дахь "фенүүд" гайхширсаныг төсөөлөөд үз дээ. Түүнээс хойш энэ үзэгдлийг "Мпемба парадокс" гэж нэрлэх болсон.
Гэсэн хэдий ч өнөөг хүртэл "Мпемба парадокс" -ыг тайлбарласан нэгдмэл онолын таамаглал байхгүй байна. Янз бүрийн температурт шингэний хөлдөх хурдад ямар гадны хүчин зүйлс, усны химийн найрлага, ууссан хий, эрдэс бодисууд нөлөөлж байгаа нь тодорхойгүй байна. “Мпемба эффект”-ийн парадокс нь И.Ньютоны нээсэн, усны хөргөх хугацаа нь шингэн ба хүрээлэн буй орчны температурын зөрүүтэй шууд пропорциональ гэсэн хуультай зөрчилдөж байгаа явдал юм. Хэрэв бусад бүх шингэн энэ хуулийг бүрэн дагаж мөрддөг бол зарим тохиолдолд ус нь үл хамаарах зүйл юм.
Халуун ус яагаад хурдан хөлддөг вэ?Т
Халуун ус яагаад хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг талаар хэд хэдэн хувилбар байдаг. Гол нь:
- халуун ус илүү хурдан ууршдаг бол эзэлхүүн нь буурч, бага хэмжээний шингэн нь илүү хурдан хөрдөг - усыг + 100 хэмээс 0 хэм хүртэл хөргөх үед атмосферийн даралт дахь эзэлхүүний алдагдал 15% хүрдэг;
- температурын зөрүү их байх тусам температурын зөрүү их байх тусам шингэн ба хүрээлэн буй орчны хоорондох дулаан солилцооны эрч хүч ихсэх тул буцалж буй усны дулааны алдагдал хурдан явагддаг;
- халуун ус хөргөх үед түүний гадаргуу дээр мөсөн царцдас үүсч, шингэнийг бүрэн хөлдөж, ууршихаас сэргийлдэг;
- усны өндөр температурт конвекц холилдож, хөлдөх хугацааг багасгадаг;
- Усанд ууссан хий нь хөлдөх цэгийг бууруулж, болор үүсэх энергийг арилгадаг - халуун усанд ууссан хий байхгүй.
Эдгээр бүх нөхцлийг туршилтаар олон удаа туршиж үзсэн. Тодруулбал, Германы эрдэмтэн Дэвид Ауэрбах халуун усны талсжих температур нь хүйтэн усныхаас арай өндөр байдаг нь эхнийх нь илүү хурдан хөлдөх боломжтой болохыг олж мэдсэн. Гэсэн хэдий ч хожим түүний туршилтууд шүүмжлэлд өртөж, олон эрдэмтэд халуун эсвэл хүйтэн ус илүү хурдан хөлддөгийг тодорхойлдог "Мпемба эффект"-ийг зөвхөн тодорхой нөхцөлд л гаргаж авах боломжтой гэдэгт итгэлтэй байгаа бөгөөд өнөөг хүртэл хэн ч хайж, тодорхойлоогүй байна.
1963 онд Танзанийн сургуулийн сурагч Эрасто Мпемба багшаасаа "Яагаад түүний хөлдөөгчинд байгаа бүлээн зайрмаг хүйтнээс хурдан хөлддөг вэ?" гэсэн тэнэг асуулт асуужээ.
Танзанийн Магамби ахлах сургуулийн сурагч байхдаа Эрасто Мпемба тогоочоор практик ажил хийдэг байв. Түүнд гар хийцийн зайрмаг хийх хэрэгтэй - сүү буцалгаж, элсэн чихэр уусгаж, тасалгааны температурт хөргөөд дараа нь хөргөгчинд хийж хөлдөөнө. Мпэмба тийм ч хичээнгүй сурагч биш байсан тул даалгаврын эхний хэсгийг хойшлуулсан бололтой. Хичээл дуустал амжих вий гэж айгаад хөргөгчинд халуун сүүгээ хийв. Өгөгдсөн технологийн дагуу бэлтгэсэн нөхдийнхөө сүүнээс ч эрт хөлдсөн нь түүний гайхлыг төрүүлэв.
Тэрээр физикийн багш руу хандаж тодруулга авах гэсэн боловч "Энэ бол бүх нийтийн физик биш, харин Mpemba физик юм" гэж сурагч руу инээв. Үүний дараа Мпемба зөвхөн сүүгээр зогсохгүй энгийн усаар туршилт хийжээ.
Ямар ч байсан Мквава дунд сургуулийн сурагч байхдаа тэрээр Дар-Эс-Салам дахь их сургуулийн коллежийн профессор Деннис Осборнд (сургуулийн захирал оюутнуудад физикийн тухай лекц уншихыг урьсан) усны талаар тусгайлан: "Хэрэв та ижил хэмжээний устай хоёр ижил савыг нэг саванд нь 35 хэм, нөгөө нь 100 хэмийн температуртай байлгаж, хөлдөөгчид хийнэ, хоёр дахь нь ус илүү хурдан хөлдөх болно. Яагаад?" Осборн энэ асуудлыг сонирхож эхэлсэн бөгөөд удалгүй 1969 онд Мпемба хоёрын хамт Физик боловсрол сэтгүүлд туршилтынхаа үр дүнг нийтлэв. Түүнээс хойш тэдний нээсэн эффектийг Mpemba эффект гэж нэрлэх болсон.
Яагаад ийм зүйл болдгийг та сонирхож байна уу? Хэдхэн жилийн өмнө эрдэмтэд энэ үзэгдлийг тайлбарлаж чадсан...
Mpemba Effect (Mpemba Paradox) нь зарим нөхцөлд халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг гэсэн парадокс юм, гэхдээ хөлдөх явцад хүйтэн усны температурыг давах ёстой. Энэхүү парадокс нь ердийн санаатай зөрчилддөг туршилтын баримт бөгөөд үүний дагуу ижил нөхцөлд илүү халсан бие нь тодорхой температурт хөргөхөд бага халсан бие ижил температурт хөргөхөөс илүү их цаг зарцуулдаг.
Энэ үзэгдлийг тэдний үед Аристотель, Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт нар анзаарчээ. Өнөөг хүртэл энэ хачирхалтай нөлөөг яг яаж тайлбарлахыг хэн ч мэдэхгүй. Эрдэмтэд олон хувилбартай ч гэсэн ганц хувилбар байдаггүй. Энэ бүхэн нь халуун, хүйтэн усны шинж чанарын ялгааны тухай юм, гэхдээ энэ тохиолдолд ямар шинж чанар нь чухал үүрэг гүйцэтгэдэг нь тодорхойгүй байна: хэт хөргөлт, ууршилт, мөс үүсэх, конвекц, эсвэл усанд шингэрүүлсэн хийн нөлөөллийн ялгаа. өөр өөр температур. Mpemba эффектийн парадокс нь биеийг орчны температур хүртэл хөргөх хугацаа нь энэ бие ба хүрээлэн буй орчны температурын зөрүүтэй пропорциональ байх ёстой. Энэ хуулийг Ньютон бий болгосон бөгөөд түүнээс хойш практикт олон удаа батлагдсан. Энэ нөлөөгөөр 100°С-ийн температуртай ус 35°С-ийн температуртай ижил хэмжээний уснаас 0°С-ийн температур хүртэл хурдан хөрнө.
Түүнээс хойш янз бүрийн хувилбаруудыг илэрхийлсэн бөгөөд тэдгээрийн нэг нь дараах байдалтай байсан: халуун усны нэг хэсэг нь эхлээд зүгээр л ууршдаг бөгөөд дараа нь бага зэрэг үлдэх үед ус илүү хурдан хөлддөг. Энэ хувилбар нь энгийн байдлаасаа болоод хамгийн алдартай болсон боловч эрдэмтдийн сэтгэлд бүрэн нийцсэнгүй.
Эдүгээ Сингапурын Наньян технологийн их сургуулийн химич Ши Жангаар ахлуулсан судлаачдын баг бүлээн ус яагаад хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг тухай олон жилийн нууцыг тайлсан гэж мэдэгдэв. Хятадын мэргэжилтнүүдийн олж мэдсэнээр энэ нууц нь усны молекулуудын хоорондох устөрөгчийн холбоонд хуримтлагдсан энергийн хэмжээнд оршдог.
Та бүхний мэдэж байгаагаар усны молекулууд нь нэг хүчилтөрөгчийн атом ба хоёр устөрөгчийн атомаас бүрддэг бөгөөд бөөмийн түвшинд электрон солилцоо шиг харагддаг. Өөр нэг мэдэгдэж байгаа баримт бол устөрөгчийн атомууд хөрш молекулуудаас хүчилтөрөгчийн атомуудад татагддаг - устөрөгчийн холбоо үүсдэг.
Үүний зэрэгцээ усны молекулууд ерөнхийдөө бие биенээ няцаадаг. Сингапурын эрдэмтэд ажиглав: ус дулаан байх тусам түлхэлтийн хүч ихэссэнээс шингэний молекулуудын хоорондох зай ихсэх болно. Үүний үр дүнд устөрөгчийн холбоо сунадаг тул илүү их энерги хуримтлуулдаг. Ус хөргөх үед энэ энерги ялгардаг - молекулууд бие биедээ ойртдог. Мөн мэдэгдэж байгаагаар энерги ялгарах нь хөргөх гэсэн үг юм.
Эрдэмтдийн дэвшүүлсэн таамаглалууд энд байна.
Ууршилт
Халуун ус нь савнаас хурдан ууршиж, улмаар түүний эзэлхүүнийг багасгаж, ижил температурт бага хэмжээний ус илүү хурдан хөлддөг. 100°С хүртэл халсан ус 0°С хүртэл хөргөхөд массынхаа 16%-ийг алддаг. Ууршилтын нөлөө нь давхар нөлөө юм. Нэгдүгээрт, хөргөхөд шаардагдах усны масс буурдаг. Хоёрдугаарт, ууршилтаас болж түүний температур буурдаг.
Температурын зөрүү
Халуун ус ба хүйтэн агаарын температурын зөрүү их байдаг тул энэ тохиолдолд дулааны солилцоо илүү эрчимтэй явагдаж, халуун ус илүү хурдан хөрдөг.
Гипотерми
Ус 0 хэмээс доош хөргөхөд үргэлж хөлддөггүй. Зарим нөхцөлд энэ нь хэт хөргөлтөд орж, хөлдөхөөс доош температурт шингэн хэвээр үлддэг. Зарим тохиолдолд ус нь -20 градусын температурт ч шингэн хэвээр үлддэг. Энэ нөлөөллийн шалтгаан нь анхны мөсөн талстууд үүсч эхлэхийн тулд талст үүсэх төвүүд шаардлагатай байдаг. Хэрэв тэдгээр нь шингэн усанд байхгүй бол талстууд аяндаа үүсч эхлэх хүртэл температур хангалттай буурах хүртэл хэт хөргөлт үргэлжлэх болно. Тэд хэт хөргөсөн шингэнд үүсч эхлэхэд тэд илүү хурдан ургаж, нялцгай мөс үүсгэдэг бөгөөд энэ нь мөс үүсгэхийн тулд хөлддөг. Халуун ус нь гипотермид хамгийн өртөмтгий байдаг, учир нь халаах нь ууссан хий, бөмбөлгийг зайлуулдаг бөгөөд энэ нь эргээд мөсөн талст үүсэх төв болж чаддаг. Гипотерми яагаад халуун ус илүү хурдан хөлддөг вэ? Хүйтэн усны хэт хөргөлтгүй тохиолдолд дараахь зүйл тохиолддог: түүний гадаргуу дээр мөсөн нимгэн давхарга үүсдэг бөгөөд энэ нь ус ба хүйтэн агаарын хооронд тусгаарлагч болж, улмаар цаашдын ууршилтаас сэргийлдэг. Энэ тохиолдолд мөсөн талст үүсэх хурд бага байх болно. Хэт хөргөлттэй халуун усны хувьд хэт хөргөсөн ус нь хамгаалалтын гадаргуугийн мөсний давхаргагүй байдаг. Тиймээс энэ нь ил задгай оройгоор илүү хурдан дулаанаа алддаг. Хэт хөргөлтийн процесс дуусч, ус хөлдөх үед илүү их дулаан алдагдаж, илүү их мөс үүсдэг. Энэ нөлөөний олон судлаачид гипотерми нь Mpemba эффектийн гол хүчин зүйл гэж үздэг.
Конвекц
Хүйтэн ус нь дээрээс хөлдөж эхэлдэг бөгөөд ингэснээр дулааны цацраг, конвекцийн процессыг улам дордуулж, улмаар дулаан алддаг бол халуун ус доороос хөлдөж эхэлдэг. Энэ нөлөөг усны нягтралын гажигтай холбон тайлбарладаг. Усны хамгийн их нягт нь 4 ° C байна. Хэрэв та усыг 4 хэм хүртэл хөргөж, бага температуртай орчинд байрлуулбал усны гадаргуугийн давхарга илүү хурдан хөлдөх болно. Энэ ус нь 40С-ийн температуртай уснаас бага нягттай тул гадаргуу дээр үлдэж, нимгэн хүйтэн давхарга үүсгэдэг. Ийм нөхцөлд богино хугацаанд усны гадаргуу дээр нимгэн мөсөн давхарга үүсэх боловч энэ мөсний давхарга нь 4 хэмийн температурт үлдэх усны доод давхаргыг хамгаалж, тусгаарлагчийн үүрэг гүйцэтгэнэ. . Тиймээс цаашдын хөргөлтийн процесс удааширна. Халуун усны хувьд нөхцөл байдал огт өөр. Усны гадаргуугийн давхарга нь ууршилт, температурын зөрүүгээс болж илүү хурдан хөрнө. Мөн хүйтэн усны давхаргууд нь халуун усны давхаргаас илүү нягт байдаг тул хүйтэн усны давхарга доошоо живж, халуун усны давхаргыг гадаргуу дээр гаргана. Усны ийм эргэлт нь температурын огцом уналтыг баталгаажуулдаг. Гэхдээ яагаад энэ үйл явц тэнцвэрт байдалд хүрэхгүй байна вэ? Mpemba эффектийг конвекцийн үүднээс тайлбарлахын тулд усны хүйтэн ба халуун давхаргыг тусгаарлаж, усны дундаж температур 4 хэмээс доош буусны дараа конвекцийн процесс өөрөө үргэлжилнэ гэж үзэх шаардлагатай. Гэсэн хэдий ч усны хүйтэн ба халуун давхаргууд нь конвекцийн процессоор тусгаарлагддаг гэсэн энэ таамаглалыг батлах туршилтын нотолгоо байхгүй байна.
Усанд ууссан хий
Ус нь үргэлж ууссан хий агуулдаг - хүчилтөрөгч ба нүүрстөрөгчийн давхар исэл. Эдгээр хий нь усны хөлдөх цэгийг багасгах чадвартай. Ус халах үед эдгээр хий нь өндөр температурт усанд уусах чадвар нь бага байдаг тул уснаас ялгардаг. Тиймээс халуун ус хөргөхөд халаалтгүй хүйтэн устай харьцуулахад ууссан хий нь үргэлж бага байдаг. Тиймээс халсан усны хөлдөх температур өндөр, хурдан хөлддөг. Энэ хүчин зүйлийг заримдаа Mpemba эффектийг тайлбарлах гол хүчин зүйл гэж үздэг боловч энэ баримтыг баталгаажуулсан туршилтын мэдээлэл байхгүй байна.
Дулаан дамжилтын илтгэлцүүр
Энэ механизм нь хөргөгчийн тасалгааны хөлдөөгчид жижиг саванд ус хийх үед чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Ийм нөхцөлд халуун устай сав нь доороо хөлдөөгч доторх мөсийг хайлуулж, улмаар хөлдөөгчийн ханатай дулаан холбоо тогтоож, дулаан дамжуулалтыг сайжруулдаг нь ажиглагдсан. Үүний үр дүнд халуун устай савнаас дулааныг хүйтэн савнаас хурдан авдаг. Эргээд хүйтэн устай сав нь доороо цас хайлуулдаггүй. Эдгээр бүх нөхцлийг (мөн бусад) олон туршилтаар судалж үзсэн боловч тэдгээрийн аль нь Mpemba эффектийг зуун хувь хуулбарлах боломжтой вэ гэсэн асуултын хоёрдмол утгагүй хариултыг хэзээ ч олж чадаагүй байна. Жишээлбэл, 1995 онд Германы физикч Давид Ауэрбах энэ нөлөөнд хэт хөргөх усны нөлөөг судалжээ. Тэрээр хэт хөргөлттэй халуун ус хүйтэн уснаас өндөр температурт хөлддөг тул сүүлчийнхээс хурдан хөлддөг болохыг олж мэдэв. Гэхдээ хүйтэн ус нь халуун уснаас илүү хурдан хөргөсөн байдалд хүрч, улмаар өмнөх хоцролтыг нөхдөг. Нэмж дурдахад, Ауэрбахын үр дүн нь талстжих төвүүд бага тул халуун ус илүү их хөргөлттэй байсан гэсэн өмнөх мэдээлэлтэй зөрчилдөж байв. Усыг халаахад дотор нь ууссан хийнүүд нь ялгарч, буцалгахад зарим давс нь тунадас үүсгэдэг. Одоогийн байдлаар зөвхөн нэг зүйлийг хэлж болно: энэ нөлөөг нөхөн сэргээх нь туршилт хийх нөхцлөөс ихээхэн хамаарна. Яагаад гэвэл энэ нь үргэлж хуулбарлагддаггүй.
Гэхдээ тэдний хэлснээр хамгийн их магадлалтай шалтгаан.
Химичид өөрсдийн нийтлэлдээ бичсэн бөгөөд үүнийг arXiv.org сайтаас олж болно, устөрөгчийн холбоо нь хүйтэн устай харьцуулахад халуун усанд илүү хүчтэй байдаг. Тиймээс халуун усны устөрөгчийн холбоонд илүү их энерги хуримтлагддаг бөгөөд энэ нь тэгээс доош температурт хөргөхөд илүү их энерги ялгардаг гэсэн үг юм. Энэ шалтгааны улмаас хатуурал илүү хурдан явагддаг.
Өнөөдрийг хүртэл эрдэмтэд энэ нууцыг зөвхөн онолын хувьд л тайлсан. Тэд өөрсдийн хувилбарынхаа итгэл үнэмшилтэй нотолгоог танилцуулахдаа халуун ус яагаад хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг вэ гэсэн асуултыг хаалттай гэж үзэж болно.
Mpemba эффект(Мпембагийн парадокс) - зарим нөхцөлд халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг гэсэн парадокс, гэхдээ хөлдөх явцад хүйтэн усны температурыг давах ёстой. Энэхүү парадокс нь ердийн санаатай зөрчилддөг туршилтын баримт бөгөөд үүний дагуу ижил нөхцөлд илүү халсан бие нь тодорхой температурт хөргөхөд бага халсан бие ижил температурт хөргөхөөс илүү их цаг зарцуулдаг.
Энэ үзэгдлийг Аристотель, Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт нар нэгэн цагт анзаарсан боловч 1963 онд л Танзанийн сургуулийн сурагч Эрасто Мпемба халуун зайрмагны хольц хүйтэн зайрмагнаас хурдан хөлддөг болохыг олж мэджээ.
Танзанийн Магамби ахлах сургуулийн сурагч байхдаа Эрасто Мпемба тогоочоор практик ажил хийдэг байв. Түүнд гар хийцийн зайрмаг хийх хэрэгтэй - сүү буцалгаж, элсэн чихэр уусгаж, тасалгааны температурт хөргөөд дараа нь хөргөгчинд хийж хөлдөөнө. Мпэмба тийм ч хичээнгүй сурагч биш байсан тул даалгаврын эхний хэсгийг хойшлуулсан бололтой. Хичээл дуустал амжих вий гэж айгаад хөргөгчинд халуун сүүгээ хийв. Өгөгдсөн технологийн дагуу бэлтгэсэн нөхдийнхөө сүүнээс ч эрт хөлдсөн нь түүний гайхлыг төрүүлэв.
Үүний дараа Мпемба зөвхөн сүүгээр зогсохгүй энгийн усаар туршилт хийжээ. Ямар ч байсан Мквава дунд сургуулийн сурагч байхдаа тэрээр Дар-Эс-Салам дахь их сургуулийн коллежийн профессор Деннис Осборнд (сургуулийн захирал оюутнуудад физикийн тухай лекц уншихыг урьсан) усны талаар тусгайлан: "Хэрэв та ижил хэмжээний устай хоёр ижил савыг нэг саванд нь 35 хэм, нөгөө нь 100 хэмийн температуртай байлгаж, хөлдөөгчид хийнэ, хоёр дахь нь ус илүү хурдан хөлдөх болно. Яагаад? Осборн энэ асуудлыг сонирхож эхэлсэн бөгөөд удалгүй 1969 онд Мпемба хоёрын хамт Физик боловсрол сэтгүүлд туршилтынхаа үр дүнг нийтлэв. Түүнээс хойш тэдний нээсэн эффект гэж нэрлэгдэх болсон Mpemba эффект.
Өнөөг хүртэл энэ хачирхалтай нөлөөг яг яаж тайлбарлахыг хэн ч мэдэхгүй. Эрдэмтэд олон хувилбартай ч гэсэн ганц хувилбар байдаггүй. Энэ бүхэн нь халуун, хүйтэн усны шинж чанарын ялгааны тухай юм, гэхдээ энэ тохиолдолд ямар шинж чанар нь чухал үүрэг гүйцэтгэдэг нь тодорхойгүй байна: хэт хөргөлт, ууршилт, мөс үүсэх, конвекц, эсвэл усанд шингэрүүлсэн хийн нөлөөллийн ялгаа. өөр өөр температур.
Mpemba эффектийн парадокс нь биеийг орчны температур хүртэл хөргөх хугацаа нь энэ бие ба хүрээлэн буй орчны температурын зөрүүтэй пропорциональ байх ёстой. Энэ хуулийг Ньютон бий болгосон бөгөөд түүнээс хойш практикт олон удаа батлагдсан. Энэ нөлөөгөөр 100°С-ийн температуртай ус 35°С-ийн температуртай ижил хэмжээний уснаас 0°С-ийн температур хүртэл хурдан хөрнө.
Гэсэн хэдий ч Mpemba эффектийг мэдэгдэж байгаа физикийн хүрээнд тайлбарлаж болох тул энэ нь парадокс гэсэн үг биш юм. Mpemba эффектийн зарим тайлбарыг энд оруулав.
Ууршилт
Халуун ус нь савнаас хурдан ууршиж, улмаар түүний эзэлхүүнийг багасгаж, ижил температурт бага хэмжээний ус илүү хурдан хөлддөг. 100С хүртэл халсан ус 0С хүртэл хөргөхөд массынхаа 16%-ийг алддаг.
Ууршилтын нөлөө нь давхар нөлөө юм. Нэгдүгээрт, хөргөхөд шаардагдах усны масс буурдаг. Хоёрдугаарт, усны үе шатнаас уурын үе рүү шилжих ууршилтын дулаан буурч байгаатай холбоотойгоор температур буурдаг.
Температурын зөрүү
Халуун ус ба хүйтэн агаарын температурын зөрүү их байдаг тул энэ тохиолдолд дулааны солилцоо илүү эрчимтэй явагдаж, халуун ус хурдан хөрнө.
Гипотерми
Ус 0 хэмээс доош хөргөхөд тэр бүр хөлддөггүй. Зарим нөхцөлд энэ нь хэт хөргөлтөд орж, хөлдөхөөс доош температурт шингэн хэвээр үлддэг. Зарим тохиолдолд ус нь -20 хэм хүртэл шингэн хэвээр үлддэг.
Энэ нөлөөллийн шалтгаан нь анхны мөсөн талстууд үүсч эхлэхийн тулд талст үүсэх төвүүд шаардлагатай байдаг. Хэрэв тэдгээр нь шингэн усанд байхгүй бол талстууд аяндаа үүсч эхлэх хүртэл температур хангалттай буурах хүртэл хэт хөргөлт үргэлжлэх болно. Тэд хэт хөргөсөн шингэнд үүсч эхлэхэд тэд илүү хурдан ургаж, нялцгай мөс үүсгэдэг бөгөөд энэ нь мөс үүсгэхийн тулд хөлддөг.
Халуун ус нь гипотермид хамгийн өртөмтгий байдаг, учир нь халаах нь ууссан хий, бөмбөлгийг зайлуулдаг бөгөөд энэ нь эргээд мөсөн талст үүсэх төв болж чаддаг.
Гипотерми яагаад халуун ус илүү хурдан хөлддөг вэ? Хүйтэн усны хэт хөргөлтгүй тохиолдолд дараахь зүйл тохиолддог. Энэ тохиолдолд хөлөг онгоцны гадаргуу дээр нимгэн мөсөн давхарга үүснэ. Энэ мөсний давхарга нь ус болон хүйтэн агаарын хооронд тусгаарлагч болж, цаашдын ууршилтаас сэргийлнэ. Энэ тохиолдолд мөсөн талст үүсэх хурд бага байх болно. Хэт хөргөлттэй халуун усны хувьд хэт хөргөсөн ус нь хамгаалалтын гадаргуугийн мөсний давхаргагүй байдаг. Тиймээс энэ нь ил задгай оройгоор илүү хурдан дулаанаа алддаг.
Хэт хөргөлтийн процесс дуусч, ус хөлдөх үед илүү их дулаан алдагдаж, илүү их мөс үүсдэг.
Энэ нөлөөний олон судлаачид гипотерми нь Mpemba эффектийн гол хүчин зүйл гэж үздэг.
Конвекц
Хүйтэн ус нь дээрээс хөлдөж эхэлдэг бөгөөд ингэснээр дулааны цацраг, конвекцийн процессыг улам дордуулж, улмаар дулаан алддаг бол халуун ус доороос хөлдөж эхэлдэг.
Энэ нөлөөг усны нягтралын гажигтай холбон тайлбарладаг. Ус хамгийн их нягтралтай 4С. Хэрэв та усыг 4С хүртэл хөргөж, бага температурт тавих юм бол усны гадаргуугийн давхарга илүү хурдан хөлддөг. Энэ ус нь 4 С-ийн температурт уснаас бага нягттай тул гадаргуу дээр үлдэж, нимгэн хүйтэн давхарга үүсгэдэг. Ийм нөхцөлд богино хугацаанд усны гадаргуу дээр нимгэн мөсөн давхарга үүсэх боловч энэ мөсний давхарга нь 4 хэмийн температурт үлдэх усны доод давхаргыг хамгаалж, тусгаарлагчийн үүрэг гүйцэтгэнэ. Тиймээс цаашид хөргөх процесс удааширна.
Халуун усны хувьд нөхцөл байдал огт өөр. Усны гадаргуугийн давхарга нь ууршилт, температурын зөрүүгээс болж илүү хурдан хөрнө. Үүнээс гадна хүйтэн усны давхаргууд нь халуун усны давхаргаас илүү нягт байдаг тул хүйтэн усны давхарга доошоо живж, халуун усны давхаргыг гадаргуу дээр дээшлүүлнэ. Усны ийм эргэлт нь температурын огцом уналтыг баталгаажуулдаг.
Гэхдээ яагаад энэ үйл явц тэнцвэрт байдалд хүрэхгүй байна вэ? Mpemba эффектийг конвекцийн үүднээс тайлбарлахын тулд усны хүйтэн, халуун давхаргууд тусгаарлагдсан бөгөөд усны дундаж температур 4 хэмээс доош буусны дараа конвекцийн процесс өөрөө үргэлжилдэг гэж үзэх шаардлагатай.
Гэсэн хэдий ч усны хүйтэн ба халуун давхаргууд нь конвекцийн процессоор тусгаарлагддаг гэсэн энэ таамаглалыг батлах туршилтын нотолгоо байхгүй байна.
Усанд ууссан хий
Ус нь үргэлж ууссан хий агуулдаг - хүчилтөрөгч ба нүүрстөрөгчийн давхар исэл. Эдгээр хий нь усны хөлдөх цэгийг багасгах чадвартай. Ус халах үед эдгээр хий нь өндөр температурт усанд уусах чадвар нь бага байдаг тул уснаас ялгардаг. Тиймээс халуун ус хөргөхөд халаалтгүй хүйтэн устай харьцуулахад ууссан хий нь үргэлж бага байдаг. Тиймээс халсан усны хөлдөх температур өндөр, хурдан хөлддөг. Энэ хүчин зүйлийг заримдаа Mpemba эффектийг тайлбарлах гол хүчин зүйл гэж үздэг боловч энэ баримтыг баталгаажуулсан туршилтын мэдээлэл байхгүй байна.
Дулаан дамжилтын илтгэлцүүр
Энэ механизм нь хөргөгчийн тасалгааны хөлдөөгчид жижиг саванд ус хийх үед чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Ийм нөхцөлд халуун устай сав нь доороо хөлдөөгч доторх мөсийг хайлуулж, улмаар хөлдөөгчийн ханатай дулаан холбоо тогтоож, дулаан дамжуулалтыг сайжруулдаг нь ажиглагдсан. Үүний үр дүнд халуун устай савнаас дулааныг хүйтэн савнаас хурдан авдаг. Эргээд хүйтэн устай сав нь доороо цас хайлуулдаггүй.
Эдгээр (мөн бусад) бүх нөхцлийг олон туршилтаар судалж үзсэн боловч тэдгээрийн аль нь Mpemba эффектийг зуун хувь хуулбарлах боломжтой вэ гэсэн асуултын тодорхой хариултыг хэзээ ч олж чадаагүй байна.
Жишээлбэл, 1995 онд Германы физикч Давид Ауэрбах энэ нөлөөнд хэт хөргөх усны нөлөөг судалжээ. Тэрээр хэт хөргөлттэй халуун ус хүйтэн уснаас өндөр температурт хөлддөг тул сүүлчийнхээс хурдан хөлддөг болохыг олж мэдэв. Гэхдээ хүйтэн ус нь халуун уснаас илүү хурдан хөргөсөн байдалд хүрч, улмаар өмнөх хоцролтыг нөхдөг.
Нэмж дурдахад, Ауэрбахын үр дүн нь талстжих төвүүд бага тул халуун ус илүү их хөргөлттэй байсан гэсэн өмнөх мэдээлэлтэй зөрчилдөж байв. Усыг халаахад дотор нь ууссан хийнүүд нь ялгарч, буцалгахад зарим давс нь тунадас үүсгэдэг.
Одоогийн байдлаар зөвхөн нэг зүйлийг хэлж болно - энэ нөлөөг нөхөн сэргээх нь туршилт хийх нөхцлөөс ихээхэн хамаарна. Яагаад гэвэл энэ нь үргэлж хуулбарлагддаггүй.
О.В.Мосин
Утга зохиолэх сурвалжууд:
"Халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг. Яагаад ингэдэг вэ?", Jearl Walker The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Үгүй. 3, хуудас 246-257; 1977 оны есдүгээр сар.
"Халуун, хүйтэн усны хөлдөлт", Г.С. Келл Америкийн физикийн сэтгүүл, боть. 37, Үгүй. 5, хуудас 564-565; 1969 оны тавдугаар сар.
"Супер хөргөлт ба Мпемба эффект", Дэвид Ауэрбах, Америкийн Физик сэтгүүл, боть. 63, Үгүй. 10, хуудас 882-885; 1995 оны аравдугаар сар.
"Мпемба эффект: Халуун, хүйтэн усны хөлдөх хугацаа", Чарльз А. Найт, Америкийн Физик сэтгүүл, Боть. 64, Үгүй. 5, х 524; 1996 оны тавдугаар сар.
