Ус нь халуун, хүйтэн аль нь илүү хурдан хөлдөхөд нөлөөлдөг олон хүчин зүйл байдаг ч асуулт нь өөрөө жаахан хачирхалтай санагдаж байна. Үүний үр дагавар нь физикээс мэдэгдэж байгаа бөгөөд халуун ус мөс болж хувирахын тулд харьцуулж буй хүйтэн усны температурт хөргөх цаг хугацаа шаардагддаг. Хүйтэн ус энэ үе шатыг алгасах боломжтой бөгөөд үүний дагуу цаг хугацаа хожих болно.
Гэхдээ хүйтэнд эсвэл халуун ус аль нь хурдан хөлддөг вэ гэсэн асуултын хариултыг хойд өргөргийн аль ч оршин суугч мэддэг. Үнэн хэрэгтээ, шинжлэх ухааны үүднээс авч үзвэл, ямар ч тохиолдолд хүйтэн ус илүү хурдан хөлдөх нь гарцаагүй.
1963 онд сургуулийн сурагч Эрасто Мпемба ирж уулзсан физикийн багш ирээдүйн зайрмагны хүйтэн хольц яагаад ижил төстэй боловч халуун зайрмагнаас илүү удаан хөлддөгийг тайлбарлах хүсэлттэй ижил зүйлийг бодсон байна.
"Энэ бол бүх нийтийн физик биш, харин нэг төрлийн Mpemba физик юм."
Тухайн үед багш үүнийг инээж байсан ч Эрастогийн сурч байсан сургуульд нэгэн цагт очиж байсан физикийн профессор Денис Осборн ийм нөлөө байгааг туршилтаар баталж байсан ч тэр үед ямар ч тайлбар байгаагүй. 1969 онд энэ хоёр хүний хамтарсан нийтлэл шинжлэх ухааны алдартай сэтгүүлд хэвлэгдсэн бөгөөд энэ өвөрмөц нөлөөг дүрсэлсэн байдаг.
Түүнээс хойш халуун эсвэл хүйтэн ус аль нь хурдан хөлддөг вэ гэсэн асуулт нь Mpemba эффект буюу парадокс нэртэй болсон.
гэсэн асуулт удаан хугацааны туршид байсаар ирсэн
Мэдээжийн хэрэг, ийм үзэгдэл урьд өмнө тохиолдож байсан бөгөөд бусад эрдэмтдийн бүтээлүүдэд дурдсан байдаг. Энэ асуудлыг зөвхөн сургуулийн сурагч сонирхоод зогсохгүй Рене Декарт, тэр байтугай Аристотель ч гэсэн нэг удаа бодож байсан.
Гэвч тэд энэ парадоксыг шийдвэрлэх арга замыг зөвхөн 20-р зууны төгсгөлд хайж эхлэв.
Парадокс үүсэх нөхцөл
Зайрмагны нэгэн адил туршилтын явцад хөлддөг энгийн ус биш юм. Хүйтэн эсвэл халуун усны аль нь хурдан хөлддөг талаар маргаж эхлэхийн тулд тодорхой нөхцөлүүд байх ёстой. Энэ үйл явцын явцад юу нөлөөлдөг вэ?
Одоо, 21-р зуунд энэ парадоксыг тайлбарлах хэд хэдэн хувилбар гарч ирэв. Халуун эсвэл хүйтэн ус аль нь хурдан хөлддөг нь хүйтэн устай харьцуулахад ууршилт ихтэй байхаас шалтгаална. Тиймээс түүний эзэлхүүн буурч, эзэлхүүн нь багасах тусам хөлдөх хугацаа нь ижил хэмжээтэй хүйтэн ус авахаас богино болно.
Та хөлдөөгчийг гэсгээснээс хойш багагүй хугацаа өнгөрчээ.
Аль ус илүү хурдан хөлддөг, яагаад ийм зүйл болдог вэ гэдэг нь туршилтанд ашигласан хөргөгчний хөлдөөгчид байгаа цасны доторлогоонд нөлөөлж болно. Хэрэв та ижил эзэлхүүнтэй хоёр савыг авбал тэдгээрийн нэг нь халуун ус, нөгөө нь хүйтэн байвал халуун устай сав нь цасыг хайлуулж, дулааны түвшинг хөргөгчийн хананд хүрэхийг сайжруулна. Хүйтэн устай сав үүнийг хийж чадахгүй. Хэрэв хөргөгчийн тасалгаанд цастай ийм доторлогоо байхгүй бол хүйтэн ус илүү хурдан хөлдөх ёстой.
Дээрээс доош
Мөн халуун эсвэл хүйтэн ус илүү хурдан хөлддөг үзэгдлийг дараах байдлаар тайлбарлав. Тодорхой хуулиудын дагуу хүйтэн ус дээд давхаргаас хөлдөж эхэлдэг бол халуун ус эсрэгээр нь хөлддөг - доороос дээш хөлдөж эхэлдэг. Хүйтэн ус нь зарим газарт аль хэдийн үүссэн мөс бүхий хүйтэн давхаргатай тул конвекц ба дулааны цацрагийн процессыг улам дордуулж, улмаар аль ус нь хүйтэн эсвэл халуун аль нь илүү хурдан хөлддөг болохыг тайлбарладаг. Сонирхогчдын туршилтын зургуудыг хавсаргасан бөгөөд энэ нь энд тодорхой харагдаж байна.
Дулаан гарч, дээшээ гүйж, тэнд маш сэрүүн давхаргатай тулгардаг. Дулааны цацрагийн чөлөөт зам байхгүй тул хөргөх үйл явц хэцүү болдог. Халуун усанд ийм саад бэрхшээл огт байдаггүй. Аль нь илүү хурдан хөлддөг - хүйтэн эсвэл халуун, үр дүн нь үүнээс хамаарна, та ямар ч усанд ууссан тодорхой бодис агуулдаг гэж хариулж болно.
Үр дүнд нөлөөлөх хүчин зүйл болох усан дахь хольц
Хэрэв та хуурч мэхлэхгүй, ижил найрлагатай, зарим бодисын агууламж ижил ус хэрэглэдэг бол хүйтэн ус илүү хурдан хөлдөх болно. Гэхдээ хэрэв ууссан химийн элементүүд нь зөвхөн халуун усанд агуулагдаж, хүйтэн усанд байхгүй бол халуун ус эрт хөлдөх боломжтой болно. Энэ нь усанд ууссан бодисууд талсжих төвүүдийг үүсгэдэг, цөөн тооны төвүүдтэй бол усыг хатуу төлөвт хувиргахад хэцүү байдагтай холбон тайлбарладаг. Тэр ч байтугай тэгээс доош температурт ус нь шингэн төлөвт байх болно гэдэг утгаараа хэт хөргөх боломжтой.
Гэхдээ эдгээр бүх хувилбарууд нь эрдэмтдэд бүрэн нийцээгүй бололтой, тэд энэ асуудал дээр үргэлжлүүлэн ажилласан. 2013 онд Сингапурын судлаачдын баг олон жилийн нууцыг тайлсан гэж мэдэгджээ.
Хятадын хэсэг эрдэмтэд энэ нөлөөний нууц нь устөрөгчийн холбоо гэж нэрлэгддэг усны молекулуудын хооронд хуримтлагдсан энергийн хэмжээнд байдаг гэж мэдэгджээ.
Хятадын эрдэмтдийн хариулт
Дараахь зүйл бол халуун эсвэл хүйтэн ус илүү хурдан хөлддөгийг ойлгохын тулд химийн талаар бага зэрэг мэдлэгтэй байх шаардлагатай мэдээлэл юм. Мэдэгдэж байгаагаар энэ нь ковалент холбоогоор холбогдсон хоёр H (устөрөгч) ба нэг O (хүчилтөрөгч) атомаас бүрддэг.
Гэхдээ нэг молекулын устөрөгчийн атомууд хөрш молекулууд, тэдгээрийн хүчилтөрөгчийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд татагддаг. Эдгээр холбоог устөрөгчийн холбоо гэж нэрлэдэг.
Үүний зэрэгцээ усны молекулууд бие биендээ зэвүүн нөлөө үзүүлдэг гэдгийг санах нь зүйтэй. Эрдэмтэд ус халах үед түүний молекулуудын хоорондох зай нэмэгдэж, үүнийг түлхэх хүч нь хөнгөвчилдөг гэж тэмдэглэжээ. Хүйтэн төлөвт молекулуудын хооронд ижил зайг эзэлснээр тэдгээр нь сунадаг гэж хэлж болох ба тэд илүү их эрчим хүчний нөөцтэй байдаг. Энэ нь усны молекулууд бие биентэйгээ ойртож эхлэхэд ялгардаг энергийн нөөц юм, өөрөөр хэлбэл хөргөлт үүсдэг. Халуун усанд илүү их энергийн нөөц, тэгээс доош температурт хөргөх үед илүү их ялгардаг нь ийм энерги бага нөөцтэй хүйтэн устай харьцуулахад хурдан явагддаг. Тэгэхээр аль ус илүү хурдан хөлддөг вэ - хүйтэн эсвэл халуун уу? Гудамжинд болон лабораторид Mpemba-ийн парадокс үүсч, халуун ус илүү хурдан мөс болж хувирах ёстой.
Гэхдээ асуулт нээлттэй хэвээр байна
Энэ шийдлийн зөвхөн онолын баталгаа байдаг - энэ бүхэн сайхан томьёогоор бичигдсэн бөгөөд үнэмшилтэй мэт санагддаг. Гэхдээ халуун эсвэл хүйтэн ус илүү хурдан хөлддөг туршилтын өгөгдлийг практикт ашиглаж, үр дүнг нь танилцуулбал Мпембагийн парадокс 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 амжихгүй 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 хэмийн 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 үүсгэж, мөс үүсгэхийн тулд хөлдөх болно.
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.
Яагаад гипотерми нь халуун ус илүү хурдан хөлддөг вэ? Хэт хөргөлтгүй хүйтэн устай 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 хөргөлттэй 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 дамжуулалтын
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 дотор нь ууссан зарим давс тунадас үүснэ.
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 физикийн 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.
Хүйтэн ус халуун уснаас хурдан хөлддөг нь илт харагдаж байна, учир нь ижил нөхцөлд халуун ус хөргөж, дараа нь хөлддөг. Гэсэн хэдий ч олон мянган жилийн ажиглалт, орчин үеийн туршилтууд ч эсрэгээрээ байгааг харуулсан: тодорхой нөхцөлд халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг. Sciencium Science Channel энэ үзэгдлийг дараах байдлаар тайлбарлав.
Дээрх видеонд тайлбарласнаар халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлдөх үзэгдлийг 1963 онд сургуулийн төслийн хүрээнд зайрмаг хийж байсан Танзанийн оюутан Эрасто Мпембагийн нэрээр нэрлэсэн Mpemba эффект гэж нэрлэдэг. Оюутнууд цөцгий, элсэн чихэр хольж буцалгаад хөргөөд хөлдөөгчид хийнэ.
Үүний оронд Эрасто хольцоо хөргөхийг хүлээлгүйгээр шууд халуунаар нь хийнэ. Үүний үр дүнд 1.5 цагийн дараа түүний хольц аль хэдийн хөлдсөн байсан ч бусад оюутнуудын холимог хөлдөөсөнгүй. Мпемба энэ үзэгдлийг сонирхож байсан тул физикийн профессор Денис Осборнтой энэ асуудлыг судалж эхэлсэн бөгөөд 1969 онд тэд бүлээн ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг гэсэн нийтлэл хэвлүүлжээ. Энэ бол анхны ижил төстэй судалгаа байсан боловч энэ үзэгдэл өөрөө МЭӨ 4-р зуунд хамаарах Аристотелийн баримт бичигт дурдсан байдаг. д. Фрэнсис Бэкон, Декарт нар ч гэсэн судалгаандаа энэ үзэгдлийг тэмдэглэжээ.
Видео нь юу болж байгааг тайлбарлах хэд хэдэн сонголтыг жагсаав.
- Хүйтэн нь диэлектрик тул хүйтэн жавартай хүйтэн ус нь дулаан шилнээс илүү дулааныг хадгалдаг бөгөөд мөстэй хүрэлцэх үед хайлуулдаг.
- Хүйтэн ус нь бүлээн уснаас илүү ууссан хийтэй байдаг бөгөөд судлаачид энэ нь хөргөлтийн хурдад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг гэж таамаглаж байгаа ч яаж гэдэг нь одоогоор тодорхойгүй байна.
- Халуун ус ууршилтаар илүү их усны молекул алддаг тул хөлдөх нь цөөхөн байдаг
- Халуун ус нь конвекцийн урсгал ихэссэнээс илүү хурдан хөргөнө. Шилэн доторх ус эхлээд гадаргуу болон хажуу талдаа хөрж, хүйтэн ус живж, халуун ус нэмэгддэг тул эдгээр гүйдэл үүсдэг. Дулаан шилэнд конвектив гүйдэл илүү идэвхтэй байдаг бөгөөд энэ нь хөргөлтийн хурдад нөлөөлдөг.
Гэсэн хэдий ч 2016 онд сайтар хянагдсан судалгаа хийсэн бөгөөд үүний эсрэгээр: халуун ус хүйтэн уснаас хамаагүй удаан хөлддөг. Үүний зэрэгцээ, эрдэмтэд термопарын байрлалыг температурын өөрчлөлтийг тодорхойлдог төхөөрөмж - ердөө нэг сантиметрээр өөрчлөх нь Mpemba эффект үүсэхэд хүргэдэг болохыг анзаарсан. Бусад ижил төстэй судалгаануудын судалгаагаар ийм нөлөө ажиглагдсан бүх тохиолдолд термопарын шилжилт нь нэг см-ийн дотор байгааг харуулж байна.
Сургуулийн хамгийн дуртай хичээлүүдийн нэг бол химийн хичээл байсан. Нэг удаа химийн багш бидэнд маш хачирхалтай, хэцүү даалгавар өгсөн. Тэр бидэнд химийн чиглэлээр хариулах ёстой асуултуудын жагсаалтыг өгсөн. Энэ ажлыг гүйцэтгэхэд бидэнд хэд хоногийн хугацаа өгсөн бөгөөд номын сан болон бусад боломжтой мэдээллийн эх сурвалжийг ашиглахыг зөвшөөрсөн. Эдгээр асуултуудын нэг нь усны хөлдөх цэгтэй холбоотой байв. Асуулт яг яаж сонсогдсоныг би санахгүй байна, гэхдээ хэрэв та ижил хэмжээтэй хоёр модон хувин авч, нэг нь халуун устай, нөгөөд нь хүйтэн (тодорхой заасан температуртай) байгаа тухай юм. тодорхой температуртай орчинд аль нь илүү хурдан хөлдөх вэ? Мэдээжийн хэрэг, хариулт нь тэр даруй өөрөө санал болгосон - нэг хувин хүйтэн ус, гэхдээ бид үүнийг хэтэрхий энгийн гэж бодсон. Гэхдээ энэ нь бүрэн хариулт өгөхөд хангалтгүй байсан бөгөөд бид үүнийг химийн үүднээс батлах шаардлагатай байв. Хэдий их бодол, судалгаа хийсэн ч логик дүгнэлт хийж чадсангүй. Тэр өдөр би бүр энэ хичээлийг алгасахаар шийдсэн тул энэ оньсогын шийдлийг хэзээ ч сурч чадаагүй.
Олон жил өнгөрч, би усны буцлах цэг, хөлдөх цэгийн тухай өдөр тутмын олон домог сурсан бөгөөд нэг домогт "халуун ус илүү хурдан хөлддөг" гэж хэлсэн байдаг. Би олон вэбсайтыг үзсэн боловч мэдээлэл нь хэтэрхий зөрчилтэй байсан. Эдгээр нь шинжлэх ухааны үүднээс үндэслэлгүй, зүгээр л үзэл бодол байсан. Тэгээд би өөрөө туршилт хийхээр шийдсэн. Модон хувин олдохгүй байсан тул хөлдөөгч, зуух, ус, дижитал термометр ашигласан. Би өөрийн туршлагын үр дүнгийн талаар бага зэрэг дараа хэлэх болно. Эхлээд би та бүхэнтэй усны талаархи сонирхолтой аргументуудыг хуваалцах болно.
Халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг. Ихэнх мэргэжилтнүүд хүйтэн ус халуун уснаас хурдан хөлддөг гэж хэлдэг. Гэвч үл мэдэгдэх шалтгааны улмаас нэг инээдтэй үзэгдэл (Мемба эффект гэж нэрлэгддэг) нь эсрэгээр нь нотолж байна: Халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг. Хэд хэдэн тайлбарын нэг нь ууршилтын үйл явц юм: хэрэв маш халуун ус хүйтэн орчинд байрлуулсан бол ус ууршиж эхэлнэ (үлдсэн ус илүү хурдан хөлдөх болно). Химийн хуулиудын дагуу энэ бол домог биш бөгөөд багш биднээс сонсохыг хүссэн зүйл байж магадгүй юм.
Буцалсан ус нь цоргоны уснаас хурдан хөлддөг. Өмнөх тайлбарыг үл харгалзан зарим шинжээчид буцалсан ус нь хүчилтөрөгчийн хэмжээг бууруулдаг тул тасалгааны температурт хөргөсөн буцалсан ус илүү хурдан хөлдөх ёстой гэж маргадаг.
Хүйтэн ус халуун уснаас хурдан буцалгана. Хэрэв халуун ус хурдан хөлддөг бол хүйтэн ус илүү хурдан буцалж магадгүй юм! Энэ нь нийтлэг ойлголттой зөрчилдөж байгаа бөгөөд эрдэмтэд үүнийг зүгээр л хийх боломжгүй гэж хэлдэг. Цоргоны халуун ус хүйтэн уснаас хурдан буцалгах ёстой. Гэхдээ буцалгахдаа халуун ус ашиглах нь эрчим хүч хэмнэхгүй. Та бага хий эсвэл гэрэл хэрэглэж болно, гэхдээ ус халаагч нь хүйтэн ус халаахад шаардлагатай ижил хэмжээний эрчим хүчийг ашиглах болно. (Нарны эрчим хүчний хувьд нөхцөл байдал арай өөр байна). Усан халаагуураар ус халаасны үр дүнд тунадас гарч болзошгүй тул ус халаахад удаан хугацаа шаардагдана.
Усанд давс нэмбэл илүү хурдан буцалгана. Давс нь буцалгах цэгийг нэмэгдүүлдэг (мөн үүний дагуу хөлдөх цэгийг бууруулдаг - иймээс зарим гэрийн эзэгтэй нар зайрмагандаа бага зэрэг чулуун давс нэмдэг). Гэхдээ энэ тохиолдолд бид өөр нэг асуултыг сонирхож байна: ус хэр удаан буцалгах вэ, энэ тохиолдолд буцалгах цэг 100 хэмээс дээш гарах боломжтой эсэх). Хоолны номонд бичсэн зүйлээс үл хамааран бидний буцалж буй усанд нэмдэг давсны хэмжээ нь буцалгах хугацаа, температурт нөлөөлдөггүй гэж эрдэмтэд хэлж байна.
Гэхдээ би эндээс юу олж авлаа:
Хүйтэн ус: Би гурван аяга 100 мл цэвэршүүлсэн ус ашигласан: нэг шил тасалгааны температуртай (72°F/22°C), нэг шил халуун устай (115°F/46°C), нөгөө нь буцалсан устай (212°F) °F/100°C). Би бүх гурван шилийг хөлдөөгчид -18 хэмд тавьсан. Ус тэр даруй мөс болж хувирахгүй гэдгийг мэдэж байсан тул би "модон хөвөгч" ашиглан хөлдөх зэргийг тодорхойлсон. Шилний голд байрлуулсан саваа суурь дээр хүрэхээ больсон үед би усыг хөлдсөн гэж үзсэн. Би нүдний шилээ таван минут тутамд шалгадаг байсан. Мөн миний үр дүн юу вэ? Эхний стакан дахь ус 50 минутын дараа хөлдсөн. Халуун ус 80 минутын дараа хөлдсөн. Буцалсан - 95 минутын дараа. Миний олж мэдсэн зүйл: Хөлдөөгчний нөхцөл, ашигласан усыг харгалзан би Мемба эффектийг дахин гаргаж чадаагүй.
Би энэ туршилтыг өмнө нь буцалсан, өрөөний температурт хөргөсөн усаар туршиж үзсэн. Энэ нь 60 минутын дотор хөлдсөн - хүйтэн уснаас илүү удаан хөлдсөн хэвээр байна.
Буцалсан ус: Би тасалгааны температурт нэг литр ус аваад гал дээр тавьсан. Энэ нь 6 минутын дотор буцалгана. Дараа нь би үүнийг өрөөний температурт хөргөөд халуун байхад нь нэмсэн. Ижил галаар халуун ус 4 цаг 30 минут буцалгана. Дүгнэлт: Хүлээгдэж буй шиг халуун ус илүү хурдан буцалгана.
Буцалсан ус (давстай): Би 1 литр ус тутамд 2 том хоолны халбага давс нэмсэн. Энэ нь 6 минут 33 секундэд буцалж, термометрийн үзүүлэлтээр 102 хэмд хүрчээ. Давс нь буцалгах цэгт нөлөөлдөг нь эргэлзээгүй, гэхдээ тийм ч их биш. Дүгнэлт: усан дахь давс нь температур, буцалгах хугацаанд тийм ч их нөлөөлдөггүй.
Миний гал тогоог лаборатори гэж нэрлэж болохгүй гэдгийг би чин сэтгэлээсээ хүлээн зөвшөөрч байна, магадгүй миний дүгнэлт бодит байдалтай зөрчилдөж магадгүй юм. Миний хөлдөөгч хоолыг жигд хөлдөөхгүй байж магадгүй. Миний шилэн шил жигд бус хэлбэртэй байж магадгүй, гэх мэт. Гэхдээ лабораторид юу ч тохиолдсон гал тогоонд ус хөлдөөх, буцалгах тухайд хамгийн чухал нь эрүүл ухаан юм.
усны тухай сонирхолтой баримтуудыг холбоно уу
форум.ixbt.com дээр санал болгосноор энэ нөлөө (халуун усны хүйтэн уснаас хурдан хөлдөх нөлөө) "Аристотель-Мпемба эффект" гэж нэрлэгддэг.
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 нөхцөлд халуун ус хүйтэн уснаас хурдан хөлддөг болохыг Дундад зууны үед анзаарсан. 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 Деннис 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.
