Топлата вода замръзва по-бързо от студената. Коя вода замръзва по-бързо: гореща или студена? От какво зависи

Мпемба ефект или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената? Ефектът на Мпемба (парадокс на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура. Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. танзанийският ученик Ерасто Мпемба установява, че горещата смес за сладолед замръзва по-бързо от студената. Ерасто Мпемба е бил ученик в гимназията Магамбин в Танзания и се е занимавал с готварска практика. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и е протакал първата част от задачата. Страхувайки се, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещото мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, вече като ученик в гимназията Мквава, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги сложете във фризера, след което във втория водата ще замръзне по-бързо, защо? Озбърн се заинтересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от своите експерименти в списанието "Physics Education". Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C. Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да бъде обяснен и в рамките на известната физика. Ето няколко обяснения за ефекта Мпемба: Изпаряване Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява неговия обем, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C. Ефектът от изпарението е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява. Температурна разлика Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма - следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо. Преохлаждане Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от -20 C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се получава следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba. Конвекция Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно , по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, повдигайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещи слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C. Въпреки това, няма експериментални данни това би потвърдило тази хипотеза, че слоевете студена и гореща вода са разделени чрез конвекция. Газове, разтворени във вода Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температура е по-ниска. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт. Топлопроводимост Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризерен хладилник в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него. Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но недвусмислен отговор на въпроса - кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Mpemba - не е получен. Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига преохладеното състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отстраняват от нея, а при кипене някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект по същество зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда. О. В. Мосин

През 1963 г. ученик от Танзания на име Ерасто Мпемба задава глупав въпрос на учителя си - защо топлият сладолед замръзва по-бързо от студения сладолед във фризера му?

Ерасто Мпемба е бил ученик в гимназията Магамбин в Танзания и се е занимавал с готварска практика. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и е протакал първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология.

Той се обърна към учителя по физика за разяснение, но той само се изсмя на ученика, като каза следното: „Това не е световна физика, а физиката на Мпемба“. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода.

Във всеки случай, вече като ученик в гимназията Мквава, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги сложете във фризера, след което във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осборн се интересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от експериментите си в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба.

Любопитни ли сте защо се случва това? Само преди няколко години учените успяха да обяснят този феномен ...

Ефектът Mpemba (Mpemba Paradox) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C.

Оттогава се изказват различни версии, една от които е следната: част от горещата вода първо просто се изпарява, а след това, когато остане по-малко количество, водата се втвърдява по-бързо. Тази версия, поради своята простота, стана най-популярна, но учените не бяха напълно доволни.

Сега екип от изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур, ръководен от химика Си Джан, казва, че е разрешил вековната мистерия защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Както установиха китайски експерти, тайната се крие в количеството енергия, съхранявана във водородните връзки между водните молекули.

Както знаете, водните молекули се състоят от един кислороден атом и два водородни атома, държани заедно чрез ковалентни връзки, което на ниво частица изглежда като обмен на електрони. Друг добре известен факт е, че водородните атоми се привличат към кислородни атоми от съседни молекули - в този случай се образуват водородни връзки.

В същото време водните молекули като цяло се отблъскват взаимно. Учени от Сингапур забелязаха, че колкото по-топла е водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите на течността поради увеличаването на отблъскващите сили. В резултат на това водородните връзки се разтягат и следователно съхраняват повече енергия. Тази енергия се освобождава, когато водата се охлади - молекулите се приближават една към друга. А връщането на енергията, както знаете, означава охлаждане.

Ето какви са хипотезите на учените:

Изпарение

Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода със същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100°C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0°C. Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, поради изпарението температурата му намалява.

температурна разлика

Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма - следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и горещата вода се охлажда по-бързо.

хипотермия
Когато водата се охлади под 0°C, тя не винаги замръзва. При определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при -20°C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? В случай на студена вода, която не е преохладена, на повърхността й се образува тънък слой лед, който действа като изолатор между водата и студения въздух и по този начин предотвратява по-нататъшното изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.
Конвекция

Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4°C. Ако охладите водата до 4°C и я поставите в среда с по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата ще се образува тънък слой лед за кратко време, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при 4°C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-големи температурни разлики. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, повдигайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещи слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4°C. Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че слоевете студена и гореща вода са разделени чрез конвекция.

газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температура е по-ниска. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.

Топлопроводимост

Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя в хладилник с фризер в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него. Всички тези (както и други) състояния са изследвани в много експерименти, но не е получен еднозначен отговор на въпроса кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Мпемба. Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

И ето най-вероятната причина.

Както пишат химиците в статията си, която може да бъде намерена на сайта за предпечат на arXiv.org, водородните връзки се разтягат по-силно в гореща вода, отколкото в студена вода. Така се оказва, че повече енергия се съхранява във водородните връзки на горещата вода, което означава, че повече от нея се отделя при охлаждане до минусови температури. Поради тази причина замразяването става по-бързо.

Към днешна дата учените са решили тази загадка само теоретично. Когато представят убедителни доказателства за своята версия, тогава въпросът защо топлата вода замръзва по-бързо от студената може да се счита за приключен.

Коя вода замръзва по-бързо, топла или студена, се влияе от много фактори, но самият въпрос изглежда малко странен. Разбираемо е и е известно от физиката, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на сравнима студена вода, за да се превърне в лед. този етап може да бъде пропуснат и съответно тя печели във времето.

Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - на улицата в слана, всеки жител на северните ширини знае. Всъщност научно се оказва, че във всеки случай студената вода просто трябва да замръзне по-бързо.

Така направи и учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г. с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва по-дълго от подобна, но гореща.

„Това не е световна физика, а някакъв вид физика на Мпемба“

По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осборн, професор по физика, който по едно време отиде в същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди съществуването на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това . През 1969 г. популярно научно списание публикува съвместна статия на двамата мъже, които описват този особен ефект.

Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, има свое име - ефектът или парадоксът Mpemba.

Въпросът стои отдавна

Естествено, подобно явление се е случвало и преди и е споменато в трудовете на други учени. Не само ученикът се интересуваше от този въпрос, но Рене Декарт и дори Аристотел мислеха за това по едно време.

Ето само подходите за разрешаване на този парадокс започнаха да се търсят едва в края на ХХ век.

Условия за възникване на парадокс

Както при сладоледа, по време на експеримента не замръзва обикновена вода. Трябва да са налице определени условия, за да започнем да спорим коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща. Какво влияе върху този процес?

Сега, в 21-ви век, бяха представени няколко варианта, които могат да обяснят този парадокс. Коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, може да зависи от факта, че има по-висока скорост на изпарение от студената вода. Така нейният обем намалява, а с намаляване на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем подобен първоначален обем студена вода.

Фризерът отдавна е размразен

Коя вода замръзва по-бързо и защо го прави, може да бъде повлияно от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземете два еднакви по обем контейнера, но в единия ще има топла вода, а в другия студена вода, съдът с гореща вода ще разтопи снега отдолу, като по този начин ще подобри контакта на термичното ниво със стената на хладилника. Контейнер със студена вода не може да направи това. Ако в хладилника няма такава подплата със сняг, студената вода трябва да замръзне по-бързо.

Горе долу

Също така феноменът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, се обяснява по следния начин. Следвайки определени закони, студената вода започва да замръзва от горните слоеве, когато топлата го прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. Оказва се, че студената вода, имайки студен слой отгоре с вече образуван лед на някои места, по този начин влошава процесите на конвекция и топлинно излъчване, като по този начин обяснява коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща. Приложена е снимка от любителски опити и тук се вижда ясно.

Топлината излиза навън, като се стреми нагоре и там среща много хладен слой. Няма свободен път за топлинно излъчване, така че процесът на охлаждане става труден. Топлата вода няма абсолютно никакви такива бариери по пътя си. Кое замръзва по-бързо - студено или горещо, от което зависи вероятният резултат, можете да разширите отговора, като кажете, че всяка вода има определени вещества, разтворени в нея.

Примесите в състава на водата като фактор, влияещ върху резултата

Ако не мамите и използвате вода със същия състав, където концентрациите на определени вещества са идентични, тогава студената вода трябва да замръзне по-бързо. Но ако възникне ситуация, когато разтворените химични елементи присъстват само в гореща вода, докато студената вода не ги притежава, тогава горещата вода има възможност да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените във водата вещества създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори преохлаждане на водата, в смисъл, че при минусови температури тя ще бъде в течно състояние.

Но всички тези версии, очевидно, не отговарят на учените до края и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековната мистерия.

Група китайски учени твърдят, че тайната на този ефект се крие в количеството енергия, което се съхранява между водните молекули в нейните връзки, наречени водородни връзки.

Отговорът на китайски учени

Следва допълнителна информация, за чието разбиране е необходимо да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както знаете, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), държани заедно чрез ковалентни връзки.

Но водородните атоми на една молекула също се привличат към съседните молекули, към техния кислороден компонент. Тези връзки се наричат ​​водородни връзки.

В същото време си струва да запомните, че в същото време водните молекули действат отблъскващо една на друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че заемайки едно разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, че те се разтягат и имат по-голям запас от енергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започнат да се приближават една към друга, тоест настъпва охлаждане. Оказва се, че по-големият запас от енергия в горещата вода и по-голямото й освобождаване при охлаждане до минусови температури става по-бързо, отколкото в студената вода, която има по-малък запас от такава енергия. И така, коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща? На улицата и в лабораторията трябва да се случи парадоксът Mpemba и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.

Но въпросът все още е отворен

Има само теоретично потвърждение на тази следа - всичко това е написано в красиви формули и изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни, коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, бъдат поставени в практически смисъл и резултатите от тях бъдат представени, тогава ще бъде възможно да се счита въпросът за парадокса на Мпемба за приключен.

Много изследователи са излагали и излагат свои версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Изглежда парадоксално - в крайна сметка, за да замръзне, горещата вода първо трябва да се охлади. Фактът обаче си остава факт и учените го обясняват по различни начини.

В момента има няколко версии, които обясняват този факт:

1. Тъй като изпарението в гореща вода е по-бързо, нейният обем намалява. По-малко количество вода със същата температура замръзва по-бързо.
2. Фризерната част на хладилника е със снежна подплата. Съд с гореща вода топи снега отдолу. Това подобрява термичния контакт с фризера.
3. Замразяването на студена вода, за разлика от горещата, започва отгоре. В този случай конвекцията и топлинното излъчване и следователно загубата на топлина се влошават.
4. В студената вода има центрове на кристализация - вещества, разтворени в нея. При малко съдържание на тях във вода обледеняването е трудно, но в същото време е възможна нейната хипотермия - когато е в течно състояние при минусови температури.

Въпреки че справедливо може да се каже, че този ефект не винаги се наблюдава. Студената вода често замръзва по-бързо от горещата вода.

При каква температура замръзва водата

Защо водата изобщо замръзва? Съдържа определено количество минерални или органични частици. Това например могат да бъдат много фини частици пясък, прах или глина. Когато температурата на въздуха спадне, тези частици се превръщат в центрове, около които се образуват ледени кристали.

Ролята на кристализационни ядра могат да изпълняват и въздушни мехурчета и пукнатини в контейнер, съдържащ вода. Скоростта на процеса на превръщане на водата в лед до голяма степен се влияе от броя на такива центрове - ако има много от тях, течността замръзва по-бързо. При нормални условия, с нормално атмосферно налягане, водата преминава в твърдо състояние от течност при температура 0 градуса.

Същността на ефекта Мпемба

Ефектът на Мпемба се разбира като парадокс, чиято същност е, че при определени обстоятелства горещата вода замръзва по-бързо от студената. Това явление е забелязано от Аристотел и Декарт. Въпреки това, едва през 1963 г. Ерасто Мпемба, ученик от Танзания, установи, че горещият сладолед замръзва за по-кратко време от студения сладолед. Той направи такова заключение, докато изпълняваше задачата за готвене.

Той трябваше да разтвори захар в сварено мляко и след като го охлади, да го постави в хладилника да замръзне. Очевидно Мпемба не се отличаваше със специално усърдие и започна да изпълнява първата част от задачата късно. Затова той не изчака млякото да изстине, а го постави в хладилника горещо. Той беше много изненадан, когато замръзна дори по-бързо от това на съучениците му, които свършиха работата по зададената технология.

Този факт много заинтересува младежа и той започна експерименти с обикновена вода. През 1969 г. списанието Physics Education публикува резултатите от изследването на Mpemba и професор Dennis Osborn от университета в Дар ес Салаам. Ефектът, който описват, е наречен Mpemba. И до днес обаче няма ясно обяснение на феномена. Всички учени са съгласни, че основната роля за това играят разликите в свойствата на охладената и топлата вода, но какво точно е неизвестно.

Сингапурска версия

Физиците от един от сингапурските университети също се интересуваха от въпроса коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена? Екип от изследователи, ръководен от Си Джан, обясни този парадокс именно със свойствата на водата. Всички все още знаят състава на водата от училище - един атом кислород и два атома водород. Кислородът до известна степен извлича електрони от водорода, така че молекулата е определен вид "магнит".

В резултат на това някои молекули във водата са леко привлечени една към друга и са обединени от водородна връзка. Силата му е в пъти по-ниска от ковалентната връзка. Сингапурски изследователи смятат, че обяснението на парадокса Мпемба се крие именно във водородните връзки. Ако водните молекули са поставени много близо една до друга, тогава такова силно взаимодействие между молекулите може да деформира ковалентната връзка в средата на самата молекула.

Но когато водата се нагрява, свързаните молекули се отдалечават леко една от друга. В резултат на това се получава релаксация на ковалентните връзки в средата на молекулите с връщане на излишната енергия и преход към най-ниското енергийно ниво. Това води до факта, че горещата вода започва да се охлажда бързо. Поне това показват теоретичните изчисления, направени от сингапурски учени.

Незабавно замразяване на водата - 5 невероятни трика: Видео

Химията беше един от любимите ми предмети в училище. Веднъж учител по химия ни даде много странна и трудна задача. Той ни даде списък с въпроси, на които трябваше да отговорим по химия. Дадоха ни няколко дни за тази задача и ни позволиха да използваме библиотеки и други налични източници на информация. Един от тези въпроси се отнася до точката на замръзване на водата. Не помня как точно прозвуча въпросът, но беше за това, че ако вземете две дървени кофи с еднакъв размер, едната с топла вода, другата със студена вода (точно определената температура) и ги поставите в среда с определена температура коя ще замръзнат по-бързо? Разбира се, отговорът веднага се подсказа - кофа със студена вода, но ни се стори твърде прост. Но това не беше достатъчно, за да дадем пълен отговор, трябваше да го докажем от химическа гледна точка. Въпреки цялото ми мислене и проучване, не можах да направя логично заключение. На този ден дори реших да пропусна този урок, така че така и не разбрах решението на тази загадка.

Минаха години и научих много ежедневни митове за точката на кипене и точката на замръзване на водата, а един мит гласи: „топлата вода замръзва по-бързо“. Разгледах много уебсайтове, но информацията беше твърде противоречива. И това бяха само мнения, необосновани от гледна точка на науката. И реших да проведа собствен опит. Тъй като не можах да намеря дървени кофи, използвах фризер, котлон, малко вода и цифров термометър. Ще говоря за резултатите от моя опит малко по-късно. Първо, ще споделя с вас някои интересни аргументи за водата:

Топлата вода замръзва по-бързо от студената. Повечето експерти казват, че студената вода ще замръзне по-бързо от горещата вода. Но един забавен феномен (т.нар. Мемба ефект) по неизвестни причини доказва обратното: горещата вода замръзва по-бързо от студената. Едно от няколкото обяснения е процесът на изпаряване: ако много гореща вода се постави в студена среда, тогава водата ще започне да се изпарява (останалото количество вода ще замръзне по-бързо). И според законите на химията това изобщо не е мит и най-вероятно това е, което учителят е искал да чуе от нас.

Преварената вода замръзва по-бързо от чешмяната. Въпреки предишното обяснение, някои експерти твърдят, че преварената вода, която е охладена до стайна температура, трябва да замръзне по-бързо, тъй като количеството кислород намалява в резултат на кипенето.

Студената вода завира по-бързо от горещата. Ако горещата вода замръзва по-бързо, тогава студената вода може да заври по-бързо! Това противоречи на здравия разум и учените твърдят, че това просто не може да бъде. Горещата чешмяна вода всъщност трябва да кипи по-бързо от студената вода. Но като използвате гореща вода за кипене, вие не пестите енергия. Може да използвате по-малко газ или електричество, но бойлерът ще използва същото количество енергия, което е необходимо за загряване на студена вода. (Слънчевата енергия е малко по-различна.) В резултат на нагряване на водата с бойлер може да се образува утайка, така че водата ще се загрее по-дълго.

Ако добавите сол към водата, тя ще заври по-бързо. Солта повишава точката на кипене (и следователно понижава точката на замръзване - затова някои домакини добавят малко каменна сол към сладоледа). Но в този случай се интересуваме от друг въпрос: колко време ще кипи водата и дали точката на кипене в този случай може да се повиши над 100 ° C). Въпреки това, което се казва в готварските книги, учените казват, че количеството сол, което добавяме към врящата вода, не е достатъчно, за да повлияе на времето или температурата на кипене.

Но ето какво получих:

Студена вода: Използвах три стъклени чаши от 100 ml с пречистена вода: една стайна температура (72°F/22°C), една гореща вода (115°F/46°C) и една преварена (212°F/100° ° С). Сложих и трите чаши във фризера на -18°C. И тъй като знаех, че водата няма веднага да се превърне в лед, определих степента на замръзване по „дървената плувка“. Когато пръчката, поставена в центъра на чашата, вече не докосваше основата, повярвах, че водата е замръзнала. Проверявах очилата на всеки пет минути. И какви са моите резултати? Водата в първата чаша замръзна след 50 минути. Горещата вода замръзна след 80 минути. Варени - след 95 минути. Моите заключения: Имайки предвид условията във фризера и водата, която използвах, не успях да възпроизведа ефекта на Мемба.

Пробвах и този експеримент с предварително преварена вода, охладена до стайна температура. Замръзна за 60 минути - все пак замръзването му отне повече от студената вода.

Преварена вода: Взех литър вода със стайна температура и я поставих на огън. Тя кипна за 6 минути. След това отново охладих до стайна температура и добавих към горещото. Със същия огън горещата вода заври за 4 часа и 30 минути. Заключение: както се очаква, топлата вода завира много по-бързо.

Преварена вода (със сол): На 1 литър вода добавих 2 големи супени лъжици готварска сол. Завира за 6 минути 33 секунди и според термометъра достига температура от 102°C. Несъмнено солта влияе на точката на кипене, но не много. Заключение: солта във водата не влияе значително на температурата и времето на кипене. Честно признавам, че моята кухня е трудно да се нарече лаборатория и може би заключенията ми са в противоречие с реалността. Моят фризер може да замрази храната неравномерно. Моите стъклени очила може да са неправилни и т.н. Но каквото и да се случва в лабораторията, когато става въпрос за замразяване или кипене на вода в кухнята, най-важното е здравият разум.

връзка с интересни факти за водата всичко за водата
както е предложено във форума forum.ixbt.com, този ефект (ефектът от замръзване на гореща вода по-бързо от студена вода) се нарича "ефект на Аристотел-Мпемба"

Тези. преварена вода (охладена) замръзва по-бързо от "сурова"