21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev
« Hangi su daha hızlı donar, soğuk mu sıcak mı?“- arkadaşlarınıza bir soru sormayı deneyin, büyük olasılıkla çoğu soğuk suyun daha hızlı donduğunu söyleyecektir ve bir hata yapacaklardır.
Aslında, aynı şekil ve hacimde, biri soğuk su, diğeri sıcak olan iki kabı aynı anda dondurucuya koyarsanız, o zaman sıcak su daha hızlı donacaktır.
Böyle bir ifade saçma ve mantıksız görünebilir. Mantığı takip ederseniz, sıcak suyun önce soğuk suyun sıcaklığına kadar soğuması gerekir ve bu sırada soğuk su zaten buza dönüşmelidir.
Peki neden sıcak su donma yolunda soğuk suyu geride bırakıyor? Hadi anlamaya çalışalım.
Gözlem ve araştırmaların tarihi
İnsanlar bu paradoksal etkiyi eski çağlardan beri gözlemliyorlardı, ancak kimse buna fazla önem vermedi. Böylece Arestotle, Rene Descartes ve Francis Bacon notlarında soğuk ve sıcak suyun donma oranlarındaki tutarsızlıklara dikkat çekti. Günlük yaşamda sıklıkla alışılmadık bir fenomen ortaya çıktı.
Uzun süredir bu fenomen hiçbir şekilde incelenmedi ve bilim adamları arasında fazla ilgi uyandırmadı.
Bu olağandışı etkinin incelenmesi 1963 yılında Tanzanya'dan meraklı bir okul çocuğu olan Erasto Mpemba'nın dondurma için sıcak sütün soğuk sütten daha hızlı donduğunu fark etmesiyle başladı. Bu olağandışı etkinin nedenlerine dair bir açıklama bulmayı ümit eden genç adam, okuldaki fizik öğretmenine sordu. Ancak öğretmen ona sadece güldü.
Daha sonra Mpemba deneyi tekrarladı, ancak deneyinde artık süt değil su kullandı ve paradoksal etki bir kez daha tekrarlandı.
6 yıl sonra, 1969'da Mpemba bu soruyu okuluna gelen fizik profesörü Dennis Osborn'a sordu. Profesör genç adamın gözlemiyle ilgilendi ve sonuç olarak etkinin varlığını doğrulayan bir deney yapıldı, ancak bu olgunun nedenleri belirlenemedi.
O zamandan beri fenomen çağrıldı Mpemba etkisi.
Bilimsel gözlemlerin tarihi boyunca bu olgunun nedenleri hakkında birçok hipotez öne sürülmüştür.
Böylece 2012'de İngiliz Kraliyet Kimya Derneği, Mpemba etkisini açıklayan bir hipotez yarışması düzenleyecekti. Dünyanın her yerinden bilim insanlarının katıldığı yarışmaya toplam 22.000 bilimsel makale kayıt edildi. Bu kadar etkileyici sayıda makaleye rağmen hiçbiri Mpemba paradoksuna açıklık getirmedi.
En yaygın versiyon, sıcak suyun daha hızlı donması, çünkü daha hızlı buharlaşması, hacminin küçülmesi ve hacim azaldıkça soğutma hızının artmasıydı. En yaygın versiyon sonunda çürütüldü çünkü buharlaşmanın hariç tutulduğu bir deney yapıldı, ancak yine de etki doğrulandı.
Diğer bilim adamları Mpemba etkisinin nedeninin suda çözünen gazların buharlaşması olduğuna inanıyorlardı. Onlara göre, ısıtma işlemi sırasında suda çözünen gazlar buharlaşır ve bu nedenle soğuk sudan daha yüksek bir yoğunluk kazanır. Bilindiği gibi yoğunluğun artması suyun fiziksel özelliklerinin değişmesine (ısıl iletkenliğin artmasına) ve dolayısıyla soğuma hızının artmasına neden olur.
Ayrıca sıcaklığa bağlı olarak su sirkülasyon hızını açıklayan bir takım hipotezler ileri sürülmüştür. Sıvının bulunduğu kapların malzemesi arasındaki ilişkiyi kurmaya yönelik birçok çalışma yapılmıştır. Pek çok teori çok makul görünüyordu, ancak ilk verilerin eksikliği, diğer deneylerdeki çelişkiler veya belirlenen faktörlerin suyun soğuma hızıyla karşılaştırılamaması nedeniyle bilimsel olarak doğrulanamadı. Bazı bilim insanları çalışmalarında bu etkinin varlığını sorguladılar.
2013 yılında Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacılar Mpemba etkisinin gizemini çözdüklerini iddia ettiler. Araştırmalarına göre bu olgunun nedeni, soğuk ve sıcak su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarında depolanan enerji miktarının önemli ölçüde farklı olmasıdır.
Bilgisayar modelleme yöntemleri şu sonuçları gösterdi: Su sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, itici kuvvetlerin artması nedeniyle moleküller arasındaki mesafe de o kadar büyük olur. Sonuç olarak moleküllerin hidrojen bağları gerilir ve daha fazla enerji depolanır. Soğutulduğunda moleküller birbirine yaklaşmaya başlar ve hidrojen bağlarından enerji açığa çıkar. Bu durumda enerjinin salınımına sıcaklıkta bir azalma eşlik eder.
Ekim 2017'de İspanyol fizikçiler, başka bir çalışma sırasında, etkinin oluşumunda önemli bir rolün, maddenin dengeden çıkarılmasıyla (güçlü soğutmadan önce güçlü ısıtma) oynandığını buldular. Etkinin ortaya çıkma olasılığının maksimum olduğu koşulları belirlediler. Ayrıca İspanya'dan bilim adamları ters Mpemba etkisinin varlığını doğruladılar. Daha soğuk bir numunenin ısıtıldığında daha sıcak bir numuneden daha hızlı bir şekilde yüksek bir sıcaklığa ulaşabileceğini buldular.
Kapsamlı bilgilere ve çok sayıda deneye rağmen, bilim insanları etkiyi incelemeye devam etmeyi planlıyor.
Gerçek hayatta Mpemba etkisi
Kışın buz pateni pistinin neden soğuk değil de sıcak suyla doldurulduğunu hiç merak ettiniz mi? Zaten anladığınız gibi, bunu yapıyorlar çünkü sıcak suyla dolu bir buz pateni pisti, soğuk suyla dolu bir buz pateni pistine göre daha hızlı donacaktır. Aynı sebepten dolayı kışın buz kasabalarında kaydıraklara sıcak su dökülür.
Böylece fenomenin varlığının bilinmesi, insanların kış sporları için saha hazırlarken zamandan tasarruf etmelerini sağlar.
Ayrıca endüstride su içeren ürün, madde ve malzemelerin donma süresini azaltmak için Mpemba etkisi bazen kullanılmaktadır.
Sıcak suyun neden soğuk suya göre daha hızlı donduğuna dair pek çok araştırmacı kendi versiyonlarını ortaya attı ve ileri sürüyor. Bu bir paradoks gibi görünebilir - sonuçta, sıcak suyun donması için önce soğuması gerekir. Ancak gerçek hala bir gerçek ve bilim insanları bunu farklı şekillerde açıklıyor.
Ana sürümler
Şu anda bu gerçeği açıklayan birkaç versiyon var:
- Sıcak su daha hızlı buharlaştığı için hacmi azalır. Aynı sıcaklıkta daha az miktarda suyun donması daha hızlı gerçekleşir.
- Buzdolabının dondurucu bölmesinde kar astarı bulunmaktadır. İçinde sıcak su bulunan bir kap, altındaki karı eritir. Bu, dondurucuyla termal teması iyileştirir.
- Soğuk suyun donması, sıcak sudan farklı olarak üst kısımdan başlar. Aynı zamanda konveksiyon ve ısı radyasyonu ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşir.
- Soğuk su, içinde çözünmüş maddeler olan kristalleşme merkezleri içerir. Sudaki içerikleri küçükse, buzlanma zordur, ancak aynı zamanda aşırı soğutma da mümkündür - sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı halde olduğunda.
Adil olmak gerekirse, bu etkinin her zaman gözlemlenmediğini söyleyebiliriz. Çoğu zaman soğuk su, sıcak sudan daha hızlı donar.
Su hangi sıcaklıkta donar
Su neden donuyor? Belirli miktarda mineral veya organik parçacık içerir. Bunlar örneğin çok küçük kum, toz veya kil parçacıkları olabilir. Hava sıcaklığı düştükçe bu parçacıklar, çevresinde buz kristallerinin oluştuğu merkezlerdir.
Kristalizasyon çekirdeklerinin rolü, su içeren kaptaki hava kabarcıkları ve çatlaklar tarafından da oynanabilir. Suyu buza dönüştürme işleminin hızı büyük ölçüde bu tür merkezlerin sayısından etkilenir - eğer çok sayıda varsa, sıvı daha hızlı donar. Normal koşullar altında, normal atmosfer basıncında su, 0 derece sıcaklıkta sıvıdan katı duruma dönüşür.
Mpemba etkisinin özü
Mpemba etkisi bir paradokstur; bunun özü, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasıdır. Bu fenomen Aristoteles ve Descartes tarafından fark edildi. Ancak 1963 yılına kadar Tanzanyalı öğrenci Erasto Mpemba, sıcak dondurmanın soğuk dondurmaya göre daha kısa sürede donduğunu belirledi. Bir yemek pişirme görevini tamamlarken bu sonuca vardı.
Şekeri kaynamış sütte eritmesi ve soğuttuktan sonra donması için buzdolabına koyması gerekiyordu. Görünüşe göre Mpemba pek gayretli değildi ve görevin ilk bölümünü geç tamamlamaya başladı. Bu nedenle sütün soğumasını beklemedi ve sıcak bir şekilde buzdolabına koydu. Verilen teknolojiye uygun olarak çalışmayı yapan sınıf arkadaşlarından bile daha hızlı donduğunu görünce çok şaşırdı.
Bu gerçek genç adamın çok ilgisini çekti ve sade su ile deneylere başladı. 1969'da Fizik Eğitimi dergisi Mpemba ve Dar Es Salaam Üniversitesi'nden Profesör Dennis Osborne'un araştırmasının sonuçlarını yayınladı. Tanımladıkları etkiye Mpemba adı verildi. Ancak bugün bile bu olaya ilişkin net bir açıklama bulunmuyor. Tüm bilim adamları bundaki ana rolün soğuk ve sıcak suyun özelliklerindeki farklılıklara ait olduğu konusunda hemfikirdir, ancak tam olarak ne olduğu bilinmemektedir.
Singapur versiyonu
Singapur üniversitelerinden birinden fizikçiler de hangi suyun daha hızlı donduğu sorusuyla ilgilendiler - sıcak mı soğuk mu? Xi Zhang liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, bu paradoksu tam olarak suyun özellikleriyle açıkladı. Herkes suyun bileşimini okuldan biliyor - bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomu. Oksijen bir dereceye kadar elektronları hidrojenden uzaklaştırır, dolayısıyla molekül bir tür “mıknatıstır”.
Sonuç olarak sudaki bazı moleküller birbirlerine hafifçe çekilir ve bir hidrojen bağıyla birleşir. Gücü kovalent bağdan birçok kez daha düşüktür. Singapurlu araştırmacılar, Mpemba paradoksunun açıklamasının tam olarak hidrojen bağlarında yattığına inanıyor. Su molekülleri birbirine çok sıkı bir şekilde yerleştirilirse, moleküller arasındaki bu kadar güçlü bir etkileşim, molekülün ortasındaki kovalent bağı deforme edebilir.
Ancak su ısıtıldığında bağlı moleküller birbirinden biraz uzaklaşır. Sonuç olarak, fazla enerjinin salınması ve daha düşük bir enerji seviyesine geçiş ile moleküllerin ortasında kovalent bağların gevşemesi meydana gelir. Bu, sıcak suyun hızla soğumaya başlamasına neden olur. En azından Singapurlu bilim adamlarının yaptığı teorik hesaplamalar bunu gösteriyor.
Suyu anında dondurmak - 5 inanılmaz numara: Video
Hangi suyun daha hızlı, sıcak mı yoksa soğuk mu donacağını etkileyen birçok faktör vardır, ancak sorunun kendisi biraz tuhaf görünmektedir. Bunun anlamı, fizikten de bilindiği gibi, sıcak suyun buza dönüşmesi için karşılaştırılan soğuk suyun sıcaklığına kadar soğuması için hala zamana ihtiyacı olduğudur. Soğuk su bu aşamayı atlayabilir ve buna bağlı olarak zaman kazanır.
Ancak kuzey enlemlerinde yaşayan herhangi biri, dışarıda soğukta hangi suyun daha hızlı donduğu - soğuk veya sıcak - sorusunun cevabını bilir. Aslında bilimsel olarak, her durumda soğuk suyun daha hızlı donacağı ortaya çıktı.
1963'te okul çocuğu Erasto Mpemba'nın görüştüğü fizik öğretmeni, gelecekteki dondurmanın soğuk karışımının donmasının benzer ama sıcak olandan neden daha uzun sürdüğünü açıklama talebiyle aynı şeyi düşündü.
“Bu evrensel fizik değil, bir çeşit Mpemba fiziği”
O zamanlar öğretmen buna sadece güldü, ancak bir zamanlar Erasto'nun çalıştığı okulu ziyaret eden fizik profesörü Deniss Osborne, böyle bir etkinin varlığını deneysel olarak doğruladı, ancak o zamanlar bunun için bir açıklama yoktu. 1969'da bu iki kişinin ortak makalesi popüler bir bilimsel dergide yayınlandı ve bu tuhaf etkiyi anlattı.
O zamandan beri, bu arada, hangi suyun daha hızlı donduğu sorusunun - sıcak mı yoksa soğuk mu - kendi adı var - Mpemba etkisi veya paradoks.
Soru uzun zamandır ortalıkta dolaşıyor
Doğal olarak böyle bir olay daha önce de yaşanmıştı ve diğer bilim adamlarının çalışmalarında da bahsedilmişti. Bu konuyla sadece okul çocuğu ilgilenmiyordu, Rene Descartes ve hatta Aristoteles de bir zamanlar bu konu üzerinde düşünmüştü.
Ancak bu paradoksu çözecek yaklaşımları ancak yirminci yüzyılın sonunda aramaya başladılar.
Bir paradoksun ortaya çıkması için koşullar
Dondurmada olduğu gibi, deney sırasında donan sadece sade su değil. Hangi suyun daha hızlı donacağını (soğuk veya sıcak) tartışmaya başlamak için belirli koşulların mevcut olması gerekir. Bu sürecin gidişatını neler etkiler?
Şimdi ise 21. yüzyılda bu paradoksu açıklayabilecek çeşitli seçenekler öne sürülüyor. Hangi suyun daha hızlı donacağı, sıcak veya soğuk, buharlaşma oranının soğuk suya göre daha yüksek olmasına bağlı olabilir. Böylece hacmi azalır ve hacim azaldıkça donma süresi, başlangıçta aynı hacimde soğuk su aldığımıza göre daha kısa olur.
Dondurucunun buzunu çözeli uzun zaman oldu.
Hangi suyun daha hızlı donacağı ve bunun neden olacağı, deney için kullanılan buzdolabının dondurucusunda mevcut olabilecek kar tabakasından etkilenebilir. Hacimleri aynı olan ancak birinde sıcak su, diğerinde soğuk iki kap alırsanız, sıcak su içeren kap alttaki karı eritecek ve böylece termal seviyenin buzdolabının duvarı ile teması artacaktır. Bir kap soğuk su bunu yapamaz. Soğutucu bölmesinde böyle bir kar tabakası yoksa soğuk suyun daha hızlı donması gerekir.
Üst - alt
Ayrıca suyun daha hızlı (sıcak veya soğuk) donması olgusu da şu şekilde açıklanmaktadır. Belirli yasalara göre, soğuk su üst katmanlardan donmaya başlar, sıcak su ise tam tersini yapar - aşağıdan yukarıya doğru donmaya başlar. Üstünde soğuk bir tabaka bulunan ve yer yer buz oluşmuş olan soğuk suyun, konveksiyon ve termal radyasyon süreçlerini kötüleştirdiği, böylece hangi suyun daha hızlı donduğunu - soğuk veya sıcak - açıkladığı ortaya çıktı. Amatör deneylerden elde edilen fotoğraflar ektedir ve bu burada açıkça görülmektedir.
Isı yukarı doğru hızla dışarı çıkıyor ve orada çok soğuk bir katmanla karşılaşıyor. Isı yayılımı için serbest bir yol olmadığından soğutma işlemi zorlaşır. Sıcak suyun yolunda kesinlikle böyle bir engel yoktur. Hangisi daha hızlı donar - soğuk veya sıcak, hangisine olası sonuç bağlıdır, herhangi bir suyun içinde belirli maddelerin çözünmüş olduğunu söyleyerek cevabı genişletebilirsiniz.
Sonucu etkileyen bir faktör olarak sudaki yabancı maddeler
Belirli maddelerin konsantrasyonlarının aynı olduğu aynı bileşime sahip su kullanmazsanız, soğuk suyun daha hızlı donması gerekir. Ancak çözünmüş kimyasal elementlerin yalnızca sıcak suda mevcut olduğu ve soğuk suyun bulunmadığı bir durum ortaya çıkarsa, sıcak suyun daha erken donma şansı vardır. Bu, sudaki çözünmüş maddelerin kristalleşme merkezleri oluşturması ve bu merkezlerin az olmasıyla suyun katı duruma dönüşmesinin zor olmasıyla açıklanmaktadır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı halde olması anlamında suyun aşırı soğutulması bile mümkündür.
Ancak görünüşe göre tüm bu versiyonlar bilim adamlarına tam olarak uymuyordu ve bu konu üzerinde çalışmaya devam ettiler. 2013 yılında Singapur'daki bir araştırmacı ekibi asırlık bir gizemi çözdüklerini söyledi.
Bir grup Çinli bilim adamı, bu etkinin sırrının, su molekülleri arasında hidrojen bağları adı verilen bağlarda depolanan enerji miktarında yattığını iddia ediyor.
Çinli bilim adamlarından cevap
Aşağıda, hangi suyun daha hızlı donduğunu - sıcak veya soğuk - anlamak için kimya hakkında biraz bilgi sahibi olmanız gerektiğini anlamak için bilgi verilmiştir. Bilindiği gibi kovalent bağlarla bir arada tutulan iki H (hidrojen) atomu ve bir O (oksijen) atomundan oluşur.
Ancak bir molekülün hidrojen atomları da komşu moleküllere, yani oksijen bileşenlerine çekilir. Bu bağlara hidrojen bağları denir.
Aynı zamanda su moleküllerinin birbirlerini itici etkiye sahip olduğunu da hatırlamakta fayda var. Bilim adamları, su ısıtıldığında molekülleri arasındaki mesafenin arttığını ve bunun itici güçler tarafından kolaylaştırıldığını belirtti. Soğuk halde moleküller arasında aynı mesafeyi işgal ederek esnedikleri ve daha fazla enerji arzına sahip oldukları söylenebilir. Su molekülleri birbirine yaklaşmaya başladığında yani soğuma meydana geldiğinde açığa çıkan bu enerji rezervidir. Sıcak suda daha fazla enerji rezervinin olduğu ve sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazla enerji salınımının, daha küçük bir enerji rezervine sahip olan soğuk suya göre daha hızlı gerçekleştiği ortaya çıktı. Peki hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı? Sokakta ve laboratuvarda Mpemba paradoksu meydana gelmeli ve sıcak su daha hızlı buza dönüşmelidir.
Ama soru hala açık
Bu çözümün yalnızca teorik bir onayı var - bunların hepsi güzel formüllerle yazılmış ve makul görünüyor. Ancak suyun daha hızlı (sıcak veya soğuk) donduğunu gösteren deneysel veriler pratik kullanıma sunulduğunda ve sonuçları sunulduğunda, Mpemba paradoksu sorununun kapandığı düşünülebilir.
Mpemba etkisi(Mpemba Paradoksu) - bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradoks. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha fazla ısıtılmış bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha az ısıtılmış bir cismin aynı sıcaklığa soğuması için daha fazla zaman harcadığı şeklindeki alışılagelmiş fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.
Bu fenomen bir zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti, ancak Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba ancak 1963'te sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti.
Tanzanya'daki Magambi Lisesi öğrencisi olan Erasto Mpemba, aşçı olarak pratik çalışmalar yaptı. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri çözün, oda sıcaklığına soğutun ve ardından donması için buzdolabına koyun. Görünüşe göre Mpemba pek çalışkan bir öğrenci değildi ve görevin ilk bölümünü tamamlamayı geciktirdi. Dersin sonuna yetişemeyeceğinden korktuğu için hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, yoldaşlarının verilen teknolojiye göre hazırlanan sütünden bile daha erken dondu.
Bundan sonra Mpemba sadece sütle değil aynı zamanda sıradan suyla da deneyler yaptı. Her halükarda, zaten Mkwava Ortaokulunda bir öğrenci olarak, Dar Es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (öğrencilere fizik üzerine bir ders vermek üzere okul müdürü tarafından davet edilmiştir) özellikle su hakkında sorular sordu: "Eğer Eşit hacimde su içeren iki özdeş kap, birinde suyun sıcaklığı 35°C, diğerinde - 100°C olacak ve bunları dondurucuya koyun, ikincisinde su daha hızlı donacaktır. Neden? Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da o ve Mpemba deneylerinin sonuçlarını Physics Education dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkinin adı Mpemba etkisi.
Şu ana kadar hiç kimse bu garip etkinin nasıl açıklanacağını tam olarak bilmiyor. Pek çok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yok. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farklılıkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz belli değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisindeki fark. farklı sıcaklıklar.
Mpemba etkisinin paradoksu, bir cismin ortam sıcaklığına kadar soğuma süresinin, bu cisim ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturuldu ve o zamandan beri pratikte birçok kez doğrulandı. Bu etkide sıcaklığı 100°C olan su, aynı miktardaki 35°C sıcaklıktaki sudan 0°C daha hızlı soğur.
Ancak Mpemba etkisi bilinen fizik çerçevesinde açıklanabildiği için bu henüz bir paradoks anlamına gelmiyor. Mpemba etkisine ilişkin bazı açıklamalar şunlardır:
Buharlaşma
Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşır, böylece hacmi azalır ve aynı sıcaklıkta daha küçük hacimli su daha hızlı donar. 100°C'ye ısıtılan su, 0°C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder.
Buharlaşma etkisi ikili bir etkidir. Öncelikle soğutma için gerekli olan su kütlesi azalır. İkincisi ise su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer.
Sıcaklık farkı
Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha fazla olması nedeniyle bu durumda ısı alışverişi daha yoğun olur ve sıcak su daha hızlı soğur.
Hipotermi
Su 0 C'nin altına soğuduğunda her zaman donmaz. Bazı koşullar altında aşırı soğumaya maruz kalabilir ve donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam edebilir. Bazı durumlarda su –20 C sıcaklıkta bile sıvı kalabilmektedir.
Bu etkinin nedeni ilk buz kristallerinin oluşmaya başlayabilmesi için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda mevcut değillerse, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlamasına yetecek kadar düşene kadar aşırı soğutma devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar, sulu kar buzları oluşturacaklar ve bu da donarak buz oluşturacak.
Sıcak su, hipotermiye en duyarlı olanıdır çünkü ısıtmak, çözünmüş gazları ve kabarcıkları uzaklaştırır ve bunlar da buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilir.
Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası su ile soğuk hava arasında yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha düşük olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder.
Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybı olur ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur.
Bu etkiyi araştıran birçok araştırmacı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.
Konveksiyon
Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar.
Bu etki su yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun maksimum yoğunluğu 4 C'dedir. Suyu 4 C'ye soğutup daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız suyun yüzey tabakası daha hızlı donacaktır. Bu su, 4 C sıcaklıktaki sudan daha az yoğun olduğundan yüzeyde kalacak ve ince, soğuk bir tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında kısa sürede suyun yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır ancak bu buz tabakası yalıtkan görevi görerek suyun alt katmanlarını koruyacak ve 4 C sıcaklıkta kalacaktır. Bu nedenle daha sonraki soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.
Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle suyun yüzey tabakası daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca soğuk su katmanları sıcak su katmanlarından daha yoğun olduğundan soğuk su katmanı aşağıya doğru çökerek sıcak su katmanını yüzeye çıkarır. Suyun bu dolaşımı sıcaklığın hızlı bir şekilde düşmesini sağlar.
Peki bu süreç neden bir denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyon açısından bu bakış açısıyla açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon sürecinin devam ettiğini varsaymak gerekir.
Ancak soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyon süreciyle ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.
Suda çözünmüş gazlar
Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında bu gazlar sudan açığa çıkar çünkü yüksek sıcaklıklarda sudaki çözünürlükleri daha düşüktür. Bu nedenle sıcak su soğuduğunda, ısıtılmamış soğuk suya göre her zaman daha az çözünmüş gaz içerir. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksek olur ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.
Termal iletkenlik
Bu mekanizma, suyun buzdolabı bölmesi dondurucusuna küçük kaplar halinde yerleştirilmesi durumunda önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında, bir sıcak su kabının alttaki dondurucudaki buzu erittiği, böylece dondurucu duvarı ile termal teması ve termal iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabındaki ısı, soğuk olana göre daha hızlı uzaklaştırılır. Buna karşılık, soğuk su dolu bir kap, altındaki karı eritmez.
Tüm bu koşullar (aynı zamanda diğer) birçok deneyde incelendi, ancak hangisinin Mpemba etkisinin yüzde yüz yeniden üretimini sağladığı sorusuna net bir cevap hiçbir zaman elde edilemedi.
Örneğin 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğumuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta donduğunu ve dolayısıyla soğuk sudan daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğumuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder.
Ayrıca Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma elde edebildiğine ilişkin önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünen gazlar uzaklaştırılır, kaynatıldığında ise içinde çözünen bazı tuzlar çöker.
Şimdilik tek bir şey söylenebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi büyük ölçüde deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Tam da her zaman çoğaltılmadığı için.
O. V. Mosin
Edebikaynaklar:
"Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Neden böyle yapıyor?", Jearl Walker, The Amatör Bilim Adamı, Scientific American, Cilt. 237, Hayır. 3, sayfa 246-257; Eylül 1977.
"Sıcak ve Soğuk Suyun Donması", G.S. Kell, American Journal of Physics, Cilt. 37, Hayır. 5, sayfa 564-565; Mayıs 1969.
"Süper soğutma ve Mpemba etkisi", David Auerbach, American Journal of Physics, Cilt. 63, Hayır. 10, sayfa 882-885; Ekim 1995.
"Mpemba etkisi: Sıcak ve soğuk suyun donma süreleri", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Cilt. 64, Hayır. 5, sayfa 524; Mayıs 1996.
Görünüşe göre eski güzel H 2 O formülü hiçbir sır içermiyor. Ancak aslında yaşamın kaynağı ve dünyadaki en ünlü sıvı olan su, bilim adamlarının bile bazen çözemediği birçok gizemle doludur.
İşte su hakkında en ilginç 5 gerçek:
1. Sıcak su, soğuk suya göre daha hızlı donar
İki kap su alalım; birine sıcak su, diğerine soğuk su döküp dondurucuya koyalım. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donacaktır, ancak işlerin mantığına göre önce soğuk suyun buza dönüşmesi gerekirdi: sonuçta, sıcak suyun önce soğuk sıcaklığa soğuması ve sonra buza dönüşmesi gerekirken, soğuk su buza dönüşmez. soğumaya ihtiyacım var. Bu neden oluyor?
1963 yılında Tanzanya'da bir lise öğrencisi olan Erasto B. Mpemba, bir dondurma karışımını donduruyordu ve sıcak karışımın dondurucuda soğuk olana göre daha hızlı katılaştığını fark etti. Genç adam buluşunu fizik öğretmeniyle paylaştığında ona sadece güldü. Neyse ki öğrenci ısrarcıydı ve öğretmeni bir deney yapmaya ikna etti; bu da keşfini doğruladı: belirli koşullar altında sıcak su aslında soğuk sudan daha hızlı donar.
Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olgusuna "Mpemba etkisi" adı veriliyor. Doğru, ondan çok önce suyun bu eşsiz özelliği Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti.
Bilim adamları bu olgunun doğasını hala tam olarak anlayamıyorlar; bunu ya aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon arasındaki farkla ya da sıvılaştırılmış gazların sıcak ve soğuk su üzerindeki etkisiyle açıklıyorlar.
X.RU'dan "Sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar" konulu not.
Soğutma sorunları bize, soğutma uzmanlarına daha yakın olduğundan, bu sorunun özünü biraz daha derinlemesine incelememize ve böylesine gizemli bir olgunun doğası hakkında iki fikir vermemize izin vereceğiz.
1. Washington Üniversitesi'nden bir bilim adamı, Aristoteles zamanından beri bilinen gizemli bir olguya bir açıklama önerdi: Sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu.
Mpemba etkisi adı verilen olay pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin uzmanlar, sürücülere kışın yıkama haznesine sıcak değil soğuk su dökmelerini tavsiye ediyor. Ancak bu olgunun altında yatan şey uzun süre bilinmiyordu.
EurekAlert'e göre Washington Üniversitesi'nden Dr. Jonathan Katz bu olguyu inceledi ve suda çözünen ve ısıtıldığında çöken maddelerin önemli bir rol oynadığı sonucuna vardı.
Dr. Katz, çözünen maddeler derken, sert suda bulunan kalsiyum ve magnezyum bikarbonatları kastediyor. Su ısıtıldığında bu maddeler çökelerek su ısıtıcısının duvarlarında kireç oluşturur. Hiç ısıtılmamış su bu yabancı maddeleri içerir. Donup buz kristalleri oluştuğunda sudaki yabancı maddelerin konsantrasyonu 50 kat artar. Bu nedenle suyun donma noktası düşer. Dr. Katz, "Artık suyun donması için daha da soğuması gerekiyor" diye açıklıyor.
Isıtılmayan suyun donmasını engelleyen ikinci bir sebep daha vardır. Suyun donma noktasının düşürülmesi, katı ve sıvı fazlar arasındaki sıcaklık farkını azaltır. Dr. Katz, "Suyun ısı kaybetme hızı bu sıcaklık farkına bağlı olduğundan ısıtılmamış su daha az soğur" yorumunu yapıyor.
Bilim adamına göre teorisi deneysel olarak test edilebilir çünkü Mpemba etkisi daha sert sularda daha belirgin hale gelir.
2. Oksijen artı hidrojen artı soğuk buz oluşturur. İlk bakışta bu şeffaf madde çok basit görünüyor. Gerçekte buz birçok gizemle doludur. Afrikalı Erasto Mpemba'nın yarattığı Ice, şöhreti düşünmedi. Günler sıcaktı. Dondurma istedi. Meyve suyu kutusunu alıp dondurucuya koydu. Bunu bir kereden fazla yaptı ve bu nedenle meyve suyunun özellikle güneşte ilk kez tuttuğunuzda hızlı bir şekilde donduğunu fark etti - gerçekten ısıtıyor! Dünyevi bilgeliğe aykırı davranan Tanzanyalı öğrenci, bunun tuhaf olduğunu düşündü. Daha hızlı buza dönüşmek için sıvıyı önceden ısıtmak gerçekten gerekli mi? Genç adam o kadar şaşırmıştı ki tahminini öğretmeniyle paylaştı. Bu merakını basına bildirdi.
Bu hikaye geçen yüzyılın altmışlı yıllarında yaşandı. Artık "Mpemba etkisi" bilim adamları tarafından iyi biliniyor. Ancak görünüşte basit olan bu olay uzun süre bir sır olarak kaldı. Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar?
Fizikçi David Auerbach 1996 yılına kadar bir çözüm bulamadı. Bu soruyu cevaplamak için bir yıl boyunca bir deney yaptı: Bir bardaktaki suyu ısıttı ve tekrar soğuttu. Peki ne öğrendi? Isıtıldığında suda çözünen hava kabarcıkları buharlaşır. Gaz içermeyen su, kabın duvarlarında daha kolay donar. Auerbach, "Elbette yüksek hava içeriğine sahip su da donacaktır, ancak sıfır santigrat derecede değil, yalnızca eksi dört ila altı derecede donacaktır" diyor. Tabii ki daha uzun süre beklemeniz gerekecek. Yani sıcak su soğuk sudan önce donar, bu bilimsel bir gerçektir.
Buz kadar kolaylıkla gözümüzün önüne çıkan bir madde neredeyse yoktur. Yalnızca su moleküllerinden, yani iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu içeren temel moleküllerden oluşur. Ancak buz belki de Evrendeki en gizemli maddedir. Bilim adamları bazı özelliklerini henüz açıklayamadılar.
2. Aşırı soğutma ve "anında" dondurma
Herkes suyun 0°C'ye soğutulduğunda her zaman buza dönüştüğünü bilir... bazı durumlar hariç! Bunun bir örneği, çok saf suyun donma noktasının altına soğutulduğunda bile sıvı kalma özelliği olan "süper soğutma"dır. Bu fenomen, ortamın buz kristallerinin oluşumunu tetikleyebilecek kristalizasyon merkezleri veya çekirdekleri içermemesi nedeniyle mümkün olmaktadır. Ve böylece su, sıfır santigrat derecenin altına soğutulduğunda bile sıvı halde kalır. Kristalizasyon işlemi örneğin gaz kabarcıkları, yabancı maddeler (kirletici maddeler) veya kabın düzgün olmayan yüzeyi nedeniyle tetiklenebilir. Onlar olmadan su sıvı halde kalacaktır. Kristalleşme süreci başladığında aşırı soğumuş suyun anında buza dönüşmesini izleyebilirsiniz.
Phil Medina'dan (www.mrsciguy.com) videoyu (2.901 KB, 60 saniye) izleyin ve kendiniz görün >>
Yorum. Aşırı ısıtılmış su, kaynama noktasının üzerinde ısıtıldığında bile sıvı kalır.
3. "Cam" su
Hızlıca ve hiç düşünmeden suyun kaç farklı hali olduğunu söyleyin?
Üçünü (katı, sıvı, gaz) yanıtladıysanız, yanılıyorsunuz. Bilim insanları sıvı suyun en az 5 farklı durumunu ve buzun 14 durumunu tespit ediyor.
Süper soğutulmuş su hakkındaki konuşmayı hatırlıyor musunuz? Yani ne yaparsanız yapın, -38 °C'de en saf, aşırı soğutulmuş su bile aniden buza dönüşür. Daha fazla düşüş olursa ne olur?
sıcaklık? -120 °C'de suya tuhaf bir şey olmaya başlar: melas gibi süper viskoz veya viskoz hale gelir ve -135 °C'nin altındaki sıcaklıklarda kristal yapıya sahip olmayan katı bir madde olan "camsı" veya "camsı" suya dönüşür. .
4. Suyun kuantum özellikleri
Moleküler düzeyde su daha da şaşırtıcıdır. 1995 yılında bilim insanları tarafından yürütülen bir nötron saçılım deneyi beklenmedik bir sonuç verdi: Fizikçiler, su moleküllerini hedef alan nötronların beklenenden %25 daha az hidrojen protonu "gördüğünü" keşfettiler.
Bir attosaniye hızında (10-18 saniye) olağandışı bir kuantum etkisinin meydana geldiği ve suyun kimyasal formülünün normal olan H2O yerine H 1.5 O olduğu ortaya çıktı!
5. Suyun hafızası var mıdır?
Geleneksel tıbbın bir alternatifi olan Homeopati, bir ilacın seyreltilmiş çözeltisinin, seyreltme faktörü o kadar büyük olsa bile çözeltide su molekülleri dışında hiçbir şey kalmasa bile vücut üzerinde iyileştirici bir etkiye sahip olabileceğini belirtir. Homeopatinin savunucuları bu paradoksu "su hafızası" adı verilen bir kavramla açıklarlar; buna göre moleküler düzeydeki su, içinde çözündüğü maddenin bir "hafızasına" sahiptir ve tek bir süre sonra bile orijinal konsantrasyonun çözeltisinin özelliklerini korur. bileşenin molekülü içinde kalır.
Homeopatinin ilkelerini eleştiren Belfast Queen's Üniversitesi'nden Profesör Madeleine Ennis'in liderliğindeki uluslararası bir grup bilim insanı, 2002 yılında bu kavramı kesin olarak çürütmek için bir deney gerçekleştirdi. "Su hafızası" etkisinin gerçekliği kanıtlanabildi ancak bağımsız uzmanların gözetiminde yapılan deneyler herhangi bir sonuç vermedi.
Suyun bu makalede bahsetmediğimiz pek çok olağandışı özelliği vardır.
Edebiyat.
1. Suyla İlgili Gerçekten Garip 5 Şey / http://www.neatorama.com.
2. Suyun gizemi: Aristoteles-Mpemba etkisinin teorisi yaratıldı / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Cansız doğanın sırları. Evrendeki en gizemli madde / http://www.bibliotekar.ru.
