Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Kumpi vesi jäätyy nopeammin: kuuma vai kylmä? Mistä se riippuu

Mpemba-ilmiö vai miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi? Mpemba-ilmiö (Mpemba Paradox) on paradoksi, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyä tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan. Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä. Erasto Mpemba opiskeli Magambin High Schoolissa Tansaniassa tekemässä käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen piti tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuuman maidon jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla. Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa myös tavallista vettä. Joka tapauksessa, ollessaan jo Mkvavan lukion opiskelija, hän kysyi professori Dennis Osbornea Dar es Salaamin yliopistosta (koulun johtaja kutsui pitämään luennon fysiikasta opiskelijoille) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä niin, että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laitat ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin Miksi? Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutusta kutsutaan Mpemba-ilmiöksi. Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja. Mpemba-ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa. Tämä ei kuitenkaan vielä tarkoita paradoksia, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää myös tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on muutama selitys Mpemba-ilmiölle: Haihdutus Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä vettä samassa lämpötilassa jäätyy nopeammin. 100 C:een kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan ​​0 C:een jäähdytettynä. Haihtumisen vaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa vähennetään. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee. Lämpötilaero Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - joten lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin. Alijäähdytys Kun vesi jäähdytetään alle 0 C, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi jäädä nestemäiseksi jopa -20 C:n lämpötilassa. Syynä tähän on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseen tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä. Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina. Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Kun kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi. Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän. Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa. Konvektio Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta. Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden maksimitiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyeksi aikaa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, jotka pysyvät 4 C lämpötilassa. , jatkojäähdytysprosessi on hitaampi. Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun. Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta oletetaan, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan toisistaan ​​ja itse konvektioprosessi jatkuu, kun veden keskilämpötila on laskenut alle 4 C. Kokeellisia tietoja ei kuitenkaan ole. joka vahvistaisi tämän hypoteesin, että kylmän ja kuuman veden kerrokset eroavat toisistaan ​​konvektiolla. Veteen liuenneet kaasut Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeassa lämpötilassa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian. Lämmönjohtavuus Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan pakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumaa vettä sisältävä säiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla. Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100% Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu. Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähdytetyn tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä. Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan suuremman alijäähdytyksen, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistetaan siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu. Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu olennaisesti olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta. O. V. Mosin

Vuonna 1963 tansanialainen koulupoika nimeltä Erasto Mpemba esitti opettajalleen tyhmän kysymyksen - miksi lämmin jäätelö jäätyi nopeammin kuin kylmä jäätelö hänen pakastimessaan?

Erasto Mpemba opiskeli Magambin High Schoolissa Tansaniassa tekemässä käytännön ruoanlaittotyötä. Hänen piti tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpöiseksi ja laittaa sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytteli tehtävän ensimmäistä osaa. Hän pelkäsi, ettei hän ehtisi oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuumaa maitoa jääkaappiin. Hänen yllätyksekseen se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen tovereidensa maito, joka oli valmistettu tietyllä tekniikalla.

Hän kääntyi fysiikan opettajan puoleen saadakseen selvennyksen, mutta hän vain nauroi opiskelijalle sanoen seuraavaa: "Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan Mpemban fysiikkaa." Sen jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa myös tavallista vettä.

Joka tapauksessa hän jo Mkvavan lukion opiskelijana kysyi professori Dennis Osbornen Dar es Salaamin yliopistosta (koulun johtaja kutsui pitämään opiskelijoille luennon fysiikasta) vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä niin, että toisessa veden lämpötila on 35 ° C ja toisessa - 100 ° C, ja laitat ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi?" Osborn kiinnostui tästä aiheesta ja pian vuonna 1969 he julkaisivat yhdessä Mpemban kanssa kokeiden tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän löytämänsä vaikutusta kutsutaan Mpemba-ilmiöksi.

Oletko utelias tietämään, miksi näin tapahtuu? Vain muutama vuosi sitten tutkijat onnistuivat selittämään tämän ilmiön ...

Mpemba-ilmiö (Mpemba Paradox) on paradoksi, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavallisten käsitysten kanssa, joiden mukaan kuumempi kappale tarvitsee samoissa olosuhteissa enemmän aikaa jäähtyä tiettyyn lämpötilaan kuin viileämpi kappale jäähtyäkseen samaan lämpötilaan.

Tämän ilmiön huomasivat tuolloin Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes. Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja. Mpemba-ilmiön paradoksi on, että ajan, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on oltava verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja sen jälkeen se on vahvistettu monta kertaa käytännössä. Samassa vaikutuksessa vesi 100 °C:ssa jäähtyy 0 °C:seen nopeammin kuin sama määrä vettä 35 °C:ssa.

Siitä lähtien on esitetty erilaisia ​​versioita, joista yksi oli seuraava: osa kuumasta vedestä yksinkertaisesti haihtuu ensin, ja sitten, kun pienempi määrä on jäljellä, vesi jähmettyy nopeammin. Tästä versiosta tuli yksinkertaisuutensa vuoksi suosituin, mutta tutkijat eivät olleet täysin tyytyväisiä.

Nyt Singaporen Nanyangin teknologisen yliopiston tutkijaryhmä, jota johtaa kemisti Xi Zhang, sanoo ratkaisseensa ikivanhan mysteerin, miksi lämmin vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Kuten kiinalaiset asiantuntijat selvittivät, salaisuus piilee vesimolekyylien välisissä vetysidoksissa varastoidun energian määrässä.

Kuten tiedät, vesimolekyylit koostuvat yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset, mikä hiukkastasolla näyttää elektronien vaihdolta. Toinen hyvin tunnettu tosiasia on, että vetyatomit houkuttelevat happiatomeja viereisistä molekyyleistä - tässä tapauksessa muodostuu vetysidoksia.

Samaan aikaan vesimolekyylit kokonaisuutena hylkivät toisiaan. Singaporelaiset tutkijat huomasivat, että mitä lämpimämpää vesi on, sitä suurempi on nesteen molekyylien välinen etäisyys hylkivöiden lisääntymisen vuoksi. Tämän seurauksena vetysidokset venyvät ja varastoivat siten enemmän energiaa. Tämä energia vapautuu, kun vesi jäähtyy - molekyylit lähestyvät toisiaan. Ja energian paluu, kuten tiedätte, tarkoittaa jäähdytystä.

Tässä ovat tutkijoiden esittämät hypoteesit:

Haihtuminen

Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin. 100°C:een kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan, kun se jäähdytetään 0°C:seen. Haihdutusvaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massaa vähennetään. Ja toiseksi, haihtumisen vuoksi sen lämpötila laskee.

lämpötilaero

Johtuen siitä, että kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi - siksi lämmönsiirto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.

hypotermia
Kun vesi jäähdytetään alle 0 °C:n, se ei aina jäädy. Tietyissä olosuhteissa se voi alijäähtyä samalla kun se pysyy nesteenä jäätymispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20°C:ssa. Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteen muodostumiskeskuksia. Jos ne eivät ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteitä alkaa muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen jäälohjoa, joka jäätyy muodostaen jäätä. Kuuma vesi on alttiin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan ​​voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina. Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Jos kylmää vettä ei ole alijäähdytetty, sen pinnalle muodostuu ohut jääkerros, joka toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää siten haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Alijäähdytetyssä kuumassa vedessä ei ole alijäähdytetyssä vedessä suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi. Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän. Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.
Konvektio

Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämmön menetystä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta. Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden suurin tiheys on 4°C. Jos jäähdytät veden 4 °C:seen ja asetat sen ympäristöön, jossa lämpötila on alhaisempi, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi 4 °C:ssa, se pysyy pinnalla muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu hetkeksi ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, joiden lämpötila pysyy 4°C:ssa. Siksi jatkojäähdytysprosessi on hitaampi. Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suurempien lämpötilaerojen vuoksi. Myös kylmän veden kerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun. Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi konvektion näkökulmasta oletetaan, että kylmä ja kuuma vesikerros erotetaan toisistaan ​​ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila on laskenut alle 4°C. Kuitenkaan ei ole olemassa kokeellista näyttöä tämän hypoteesin tueksi siitä, että kylmän ja kuuman veden kerrokset erotetaan toisistaan ​​konvektiolla.

veteen liuenneet kaasut

Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä nämä kaasut vapautuvat vedestä, koska niiden liukoisuus veteen korkeassa lämpötilassa on alhaisempi. Siksi kuumaa vettä jäähdytettäessä siinä on aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellisia tietoja, jotka vahvistavat tämän tosiasian.

Lämmönjohtokyky

Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappipakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumaa vettä sisältävä säiliö sulattaa alla olevan pakastimen jään, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan ​​sulata lunta sen alla. Kaikkia näitä (samoin kuin muita) olosuhteita on tutkittu monissa kokeissa, mutta yksiselitteistä vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat 100% Mpemba-ilmiön toiston - ei ole saatu. Joten esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki veden alijäähdytyksen vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähtyneen tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä. Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi pystyy saavuttamaan suuremman alijäähdytyksen, koska kiteytyskeskuksia on vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu. Toistaiseksi voidaan väittää vain yksi asia - tämän vaikutuksen toistuminen riippuu merkittävästi olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.

Ja tässä todennäköisin syy.

Kuten kemistit kirjoittavat artikkelissaan, joka löytyy arXiv.org preprint -sivustolta, vetysidokset venyvät voimakkaammin kuumassa vedessä kuin kylmässä vedessä. Siten käy ilmi, että kuuman veden vetysidoksiin varastoituu enemmän energiaa, mikä tarkoittaa, että sitä vapautuu enemmän, kun se jäähtyy miinuslämpötilaan. Tästä syystä jäätyminen on nopeampaa.

Tähän mennessä tiedemiehet ovat ratkaisseet tämän arvoituksen vain teoreettisesti. Kun he esittävät vakuuttavia todisteita versiostaan, kysymystä siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi, voidaan pitää suljettuna.

Se, mikä vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, vaikuttaa monista tekijöistä, mutta itse kysymys tuntuu hieman oudolta. Fysiikasta tiedetään ja tiedetään, että kuuma vesi tarvitsee vielä aikaa jäähtyäkseen vastaavan kylmän veden lämpötilaan muuttuakseen jääksi. tämä vaihe voidaan ohittaa, ja vastaavasti hän voittaa ajoissa.

Mutta vastauksen kysymykseen, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä tai kuuma - kadulla pakkasessa, kuka tahansa pohjoisten leveysasteiden asukas tietää. Itse asiassa tieteellisesti käy ilmi, että joka tapauksessa kylmän veden täytyy yksinkertaisesti jäätyä nopeammin.

Niin teki myös fysiikan opettaja, jota koulupoika Erasto Mpemba lähestyi vuonna 1963 ja pyysi selittämään, miksi tulevaisuuden jäätelön kylmä seos jäätyy pidempään kuin vastaava, mutta kuuma.

"Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan jonkinlaista Mpemba-fysiikkaa"

Tuolloin opettaja vain nauroi tälle, mutta fysiikan professori Deniss Osborne, joka aikoinaan kävi samassa koulussa, jossa Erasto opiskeli, vahvisti kokeellisesti tällaisen vaikutuksen olemassaolon, vaikka siihen ei silloin ollut selitystä. . Vuonna 1969 suosittu tieteellinen aikakauslehti julkaisi näiden kahden miehen yhteisen artikkelin, jotka kuvasivat tätä erikoista vaikutusta.

Siitä lähtien kysymyksellä siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä, on muuten oma nimi - vaikutus tai paradoksi, Mpemba.

Kysymys on ollut esillä jo pitkään

Luonnollisesti tällaista ilmiötä on tapahtunut ennenkin, ja se mainittiin muiden tutkijoiden töissä. Ei vain koulupoika ollut kiinnostunut tästä kysymyksestä, vaan Rene Descartes ja jopa Aristoteles ajattelivat sitä aikoinaan.

Tässä on vain lähestymistapoja tämän paradoksin ratkaisemiseen, jota alettiin tarkastella vasta 1900-luvun lopulla.

Edellytykset paradoksien syntymiselle

Kuten jäätelön kanssa, ei vain tavallinen vesi jäätyy kokeen aikana. Tietyt olosuhteet täytyy olla olemassa, jotta voidaan alkaa kiistellä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Mikä vaikuttaa tähän prosessiin?

Nyt, 2000-luvulla, on esitetty useita vaihtoehtoja, jotka voivat selittää tämän paradoksin. Kumpi vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, voi riippua siitä, että sen haihtumisnopeus on korkeampi kuin kylmällä vedellä. Siten sen tilavuus pienenee, ja tilavuuden pienentyessä jäätymisajasta tulee lyhyempi kuin jos otamme samanlaisen alkuperäisen tilavuuden kylmää vettä.

Pakastin on sulatettu pitkään

Se, mikä vesi jäätyy nopeammin ja miksi se jäätyy, voi vaikuttaa kokeeseen käytetyn jääkaapin pakastimessa mahdollisesti oleva lumipeite. Jos otat kaksi tilavuudeltaan identtistä astiaa, mutta toisessa on kuumaa vettä ja toisessa kylmää vettä, kuumavesisäiliö sulattaa alla olevan lumen, mikä parantaa lämpötason kosketusta jääkaapin seinään. Kylmävesisäiliö ei pysty siihen. Jos jääkaapissa ei ole tällaista lumen vuorausta, kylmän veden tulisi jäätyä nopeammin.

Ylä - alaosa

Myös ilmiö, jossa vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, selitetään seuraavasti. Tiettyjen lakien mukaan kylmä vesi alkaa jäätyä ylemmistä kerroksista, kun kuuma vesi tekee sen päinvastoin - se alkaa jäätyä alhaalta ylöspäin. Osoittautuu, että kylmä vesi, jonka päällä on kylmä kerros, jossa on jo paikoin muodostunut jäätä, huonontaa siten konvektio- ja lämpösäteilyprosesseja, mikä selittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Liitteenä on valokuva amatöörikokeista, ja täällä se näkyy selvästi.

Lämpö menee ulos, suuntautuu ylöspäin, ja siellä se kohtaa hyvin viileän kerroksen. Lämpösäteilylle ei ole vapaata polkua, joten jäähdytysprosessi vaikeutuu. Kuumalla vedellä ei ole lainkaan tällaisia ​​esteitä. Kumpi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma, josta todennäköinen lopputulos riippuu, voit laajentaa vastausta sanomalla, että missä tahansa vedessä on tiettyjä aineita liuenneena.

Epäpuhtaudet veden koostumuksessa lopputulokseen vaikuttavana tekijänä

Jos et huijaa ja käytä vettä, jolla on sama koostumus, jossa tiettyjen aineiden pitoisuudet ovat samat, kylmän veden tulisi jäätyä nopeammin. Mutta jos tapahtuu tilanne, jossa liuenneita kemiallisia alkuaineita on vain kuumassa vedessä, kun taas kylmässä vedessä niitä ei ole, kuumalla vedellä on mahdollisuus jäätyä aikaisemmin. Tämä selittyy sillä, että veteen liuenneet aineet muodostavat kiteytyskeskuksia, ja pienellä määrällä näitä keskuksia veden muuttuminen kiinteäksi olomuodoksi on vaikeaa. Jopa veden alijäähdytys on mahdollista siinä mielessä, että pakkasessa se on nestemäisessä tilassa.

Mutta kaikki nämä versiot eivät ilmeisesti sopineet tutkijoille loppuun asti, ja he jatkoivat työskentelyä tämän asian parissa. Vuonna 2013 singaporelainen tutkijaryhmä sanoi ratkaiseneensa ikivanhan mysteerin.

Ryhmä kiinalaisia ​​tutkijoita väittää, että tämän vaikutuksen salaisuus piilee energiamäärässä, joka varastoituu vesimolekyylien väliin sen sidoksissa, joita kutsutaan vetysidoksiksi.

Vastaus kiinalaisilta tutkijoilta

Lisätietoa seuraa, jonka ymmärtämiseksi tarvitaan jonkin verran tietoa kemiasta, jotta voidaan selvittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Kuten tiedät, se koostuu kahdesta H (vety) atomista ja yhdestä O (happi) atomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset.

Mutta yhden molekyylin vetyatomit vetoavat myös viereisiin molekyyleihin, niiden happikomponenttiin. Näitä sidoksia kutsutaan vetysidoksiksi.

Samalla kannattaa muistaa, että samaan aikaan vesimolekyylit vaikuttavat toisiaan vastenmielisesti. Tutkijat totesivat, että kun vettä lämmitetään, sen molekyylien välinen etäisyys kasvaa, ja tätä helpottavat hylkivät voimat. Osoittautuu, että viemällä yhden etäisyyden molekyylien välillä kylmässä tilassa voidaan sanoa, että ne venyvät ja niillä on enemmän energiaa. Juuri tämä energiavarasto vapautuu, kun vesimolekyylit alkavat lähestyä toisiaan, eli tapahtuu jäähdytystä. Osoittautuu, että suurempi energian saanti kuumassa vedessä ja sen suurempi vapautuminen jäähtyneenä pakkasen lämpötiloihin tapahtuu nopeammin kuin kylmässä vedessä, jossa tällaista energiaa on vähemmän. Joten kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma? Kadulla ja laboratoriossa pitäisi tapahtua Mpemba-paradoksi, ja kuuman veden pitäisi muuttua jääksi nopeammin.

Mutta kysymys on edelleen avoin

Tälle vihjeelle on vain teoreettinen vahvistus - kaikki tämä on kirjoitettu kauniilla kaavoilla ja näyttää uskottavalta. Mutta kun kokeelliset tiedot, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä, asetetaan käytännöllisesti ja niiden tulokset esitetään, on mahdollista pitää kysymys Mpemba-paradoksista suljettuna.

Monet tutkijat ovat esittäneet ja esittävät omia versioitaan siitä, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Se vaikuttaisi paradoksilta - loppujen lopuksi kuuman veden on ensin jäähdyttävä jäätyäkseen. Tosiasia kuitenkin pysyy, ja tutkijat selittävät sen eri tavoin.

Tällä hetkellä on olemassa useita versioita, jotka selittävät tämän tosiasian:

1. Koska kuumassa vedessä haihtuminen on nopeampaa, sen tilavuus pienenee. Pienempi määrä samanlämpöistä vettä jäätyy nopeammin.
2. Jääkaapin pakastinosastossa on lumivuori. Kuumaa vettä sisältävä astia sulattaa lumen alla. Tämä parantaa lämpökosketusta pakastimen kanssa.
3. Kylmän veden jäätyminen, toisin kuin kuuma, alkaa ylhäältä. Tässä tapauksessa konvektio ja lämpösäteily ja siten lämpöhäviö pahenevat.
4. Kylmässä vedessä on kiteytyskeskuksia - siihen liuenneita aineita. Niiden pienellä pitoisuudella vedessä jäätyminen on vaikeaa, vaikka samalla sen hypotermia on mahdollista - kun se on nestemäisessä tilassa pakkasen lämpötiloissa.

Vaikka rehellisyyden nimissä voidaan sanoa, että tätä vaikutusta ei aina havaita. Kylmä vesi jäätyy usein nopeammin kuin kuuma vesi.

Missä lämpötilassa vesi jäätyy

Miksi vesi ylipäätään jäätyy? Se sisältää tietyn määrän mineraali- tai orgaanisia hiukkasia. Nämä voivat olla esimerkiksi erittäin hienoja hiekan, pölyn tai saven hiukkasia. Kun ilman lämpötila laskee, näistä hiukkasista tulee keskuksia, joiden ympärille muodostuu jääkiteitä.

Kiteytysytimien roolia voivat hoitaa myös ilmakuplat ja halkeamat vettä sisältävässä säiliössä. Veden jääksi muuttamisprosessin nopeuteen vaikuttaa suuresti tällaisten keskusten lukumäärä - jos niitä on paljon, neste jäätyy nopeammin. Normaaleissa olosuhteissa, normaalissa ilmanpaineessa, vesi siirtyy kiinteään tilaan nesteestä 0 asteen lämpötilassa.

Mpemba-efektin ydin

Mpemba-ilmiö ymmärretään paradoksina, jonka ydin on, että kuuma vesi jäätyy tietyissä olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi. Tämän ilmiön huomasivat Aristoteles ja Descartes. Kuitenkin vasta vuonna 1963 Erasto Mpemba, koulupoika Tansaniasta, päätti, että kuuma jäätelö jäätyy lyhyemmässä ajassa kuin kylmä jäätelö. Hän teki tällaisen johtopäätöksen suorittaessaan ruoanlaittotehtävää.

Hänen piti liuottaa sokeria keitettyyn maitoon ja jäähdyttämisen jälkeen laittaa se jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei eronnut erityisestä huolellisuudesta ja aloitti tehtävän ensimmäisen osan myöhässä. Siksi hän ei odottanut maidon jäähtymistä, vaan laittoi sen jääkaappiin kuumana. Hän oli hyvin yllättynyt, kun se jäätyi jopa nopeammin kuin hänen luokkatovereidensa, jotka tekivät työn annetun tekniikan mukaisesti.

Tämä tosiasia kiinnosti nuorta miestä kovasti, ja hän aloitti kokeita puhtaalla vedellä. Physics Education -lehti julkaisi vuonna 1969 Mpemban ja Dar es Salaamin yliopiston professori Dennis Osbornin tutkimustulokset. Heidän kuvailemansa vaikutelma sai nimen Mpemba. Ilmiölle ei kuitenkaan vielä tänä päivänä ole selkeää selitystä. Kaikki tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että päärooli tässä on jäähdytetyn ja kuuman veden ominaisuuksien erot, mutta mitä tarkalleen ei tiedetä.

Singaporen versio

Erään Singaporen yliopiston fyysikot olivat myös kiinnostuneita kysymyksestä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä? Xi Zhangin johtama tutkijaryhmä selitti tämän paradoksin juuri veden ominaisuuksilla. Kaikki tietävät edelleen veden koostumuksen koulusta - happiatomi ja kaksi vetyatomia. Happi vety jossain määrin elektroneja vedystä, joten molekyyli on tietynlainen "magneetti".

Tämän seurauksena tietyt vedessä olevat molekyylit vetäytyvät hieman toisiinsa ja niitä yhdistää vetysidos. Sen lujuus on monta kertaa pienempi kuin kovalenttisen sidoksen. Singaporelaiset tutkijat uskovat, että Mpemba-paradoksin selitys piilee juuri vetysidoksissa. Jos vesimolekyylit sijoitetaan hyvin lähelle toisiaan, niin vahva molekyylien välinen vuorovaikutus voi muuttaa kovalenttista sidosta itse molekyylin keskellä.

Mutta kun vettä kuumennetaan, sitoutuneet molekyylit siirtyvät hieman poispäin toisistaan. Tämän seurauksena kovalenttisten sidosten relaksaatio tapahtuu molekyylien keskellä, kun ylimääräinen energia palaa ja siirtyy alimmalle energiatasolle. Tämä johtaa siihen, että kuuma vesi alkaa jäähtyä nopeasti. Ainakin singaporelaisten tutkijoiden tekemät teoreettiset laskelmat osoittavat tämän.

Instant Water Freeze - 5 uskomatonta temppua: Video

Kemia oli yksi lempiaineistani koulussa. Kerran kemian opettaja antoi meille hyvin oudon ja vaikean tehtävän. Hän antoi meille luettelon kysymyksistä, joihin meidän oli vastattava kemian osalta. Saimme useita päiviä tähän tehtävään ja saimme käyttää kirjastoja ja muita saatavilla olevia tietolähteitä. Yksi näistä kysymyksistä koski veden jäätymispistettä. En muista tarkalleen miltä kysymys kuulosti, mutta se koski sitä, että jos otat kaksi samankokoista puista ämpäriä, joista toisessa on kuumaa vettä, toisessa kylmää vettä (täsmälleen määritetyssä lämpötilassa) ja asetat ne Kumpi ne jäätyy nopeammin ympäristössä, jossa on tietty lämpötila? Tietysti vastaus ehdotti heti itseään - ämpäri kylmää vettä, mutta se näytti meistä liian yksinkertaiselta. Mutta tämä ei riittänyt antamaan täydellistä vastausta, meidän piti todistaa se kemiallisesta näkökulmasta. Kaikesta ajattelustani ja tutkimuksestani huolimatta en voinut tehdä loogista johtopäätöstä. Tänä päivänä päätin jopa ohittaa tämän oppitunnin, joten en koskaan löytänyt ratkaisua tähän arvoitukseen.

Vuodet kuluivat, ja opin paljon jokapäiväisiä myyttejä veden kiehumispisteestä ja jäätymispisteestä, ja yksi myytti sanoi: "kuuma vesi jäätyy nopeammin." Katselin monia verkkosivustoja, mutta tiedot olivat liian ristiriitaisia. Ja nämä olivat vain mielipiteitä, tieteen kannalta perusteettomia. Ja päätin tehdä oman kokemukseni. Koska en löytänyt puisia kauhoja, käytin pakastinta, liesitasoa, vettä ja digitaalista lämpömittaria. Kerron kokemukseni tuloksista hieman myöhemmin. Ensin kerron teille mielenkiintoisia väitteitä vedestä:

Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Useimmat asiantuntijat sanovat, että kylmä vesi jäätyy nopeammin kuin kuuma vesi. Mutta yksi hassu ilmiö (ns. Memba-ilmiö), tuntemattomista syistä, todistaa päinvastaisen: kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Yksi useista selityksistä on haihdutusprosessi: jos erittäin kuuma vesi sijoitetaan kylmään ympäristöön, vesi alkaa haihtua (jäljellä oleva vesi jäätyy nopeammin). Ja kemian lakien mukaan tämä ei ole ollenkaan myytti, ja todennäköisesti tämä on se, mitä opettaja halusi kuulla meiltä.

Keitetty vesi jäätyy nopeammin kuin vesijohtovesi. Aiemmasta selityksestä huolimatta jotkut asiantuntijat väittävät, että huoneenlämpöiseksi jäähtyneen keitetyn veden pitäisi jäätyä nopeammin, koska hapen määrä vähenee kiehumisen seurauksena.

Kylmä vesi kiehuu nopeammin kuin kuuma vesi. Jos kuuma vesi jäätyy nopeammin, kylmä vesi voi kiehua nopeammin! Tämä on vastoin tervettä järkeä, ja tutkijat väittävät, että näin ei yksinkertaisesti voi olla. Kuuman vesijohtoveden pitäisi itse asiassa kiehua nopeammin kuin kylmä vesi. Mutta käyttämällä kuumaa vettä keittämiseen, et säästä energiaa. Voit käyttää vähemmän kaasua tai sähköä, mutta vedenlämmitin käyttää saman määrän energiaa kuin kylmän veden lämmittämiseen tarvitaan. (Aurinkoenergia on hieman erilainen.) Veden lämmittämisen seurauksena vedenlämmittimellä voi muodostua sedimenttiä, jolloin veden lämpeneminen kestää kauemmin.

Jos lisäät veteen suolaa, se kiehuu nopeammin. Suola nostaa kiehumispistettä (ja siten alentaa jäätymispistettä - minkä vuoksi jotkut kotiäidit lisäävät jäätelöön hieman vuorisuolaa). Mutta tässä tapauksessa olemme kiinnostuneita toisesta kysymyksestä: kuinka kauan vesi kiehuu ja voiko kiehumispiste tässä tapauksessa nousta yli 100 ° C). Huolimatta siitä, mitä keittokirjoissa sanotaan, tutkijat sanovat, että kiehuvaan veteen lisäämämme suolan määrä ei riitä vaikuttamaan kiehumisaikaan tai -lämpötilaan.

Mutta tässä mitä sain:

Kylmä vesi: Käytin kolmea 100 ml:n dekantterilasia puhdistettua vettä: yhtä huoneenlämpöistä (22 °C), yhtä kuumaa vettä (115 °F/46 °C) ja yhtä keitettyä (212 °F/100 °C). C). Laitoin kaikki kolme lasia pakastimeen -18°C:een. Ja koska tiesin, että vesi ei heti muutu jääksi, määritin jäätymisasteen "puisella kellukkeella". Kun lasin keskelle asetettu tikku ei enää koskenut pohjaan, uskoin, että vesi oli jäätynyt. Tarkistin lasit viiden minuutin välein. Ja mitkä ovat minun tulokseni? Ensimmäisen lasin vesi jäätyi 50 minuutin kuluttua. Kuuma vesi jäätyi 80 minuutin kuluttua. Keitetty - 95 minuutin kuluttua. Johtopäätökseni: Pakastimen olosuhteet ja käyttämäni vesi huomioon ottaen en pystynyt toistamaan Memba-efektiä.

Kokeilin myös tätä koetta aiemmin keitetyllä vedellä, joka oli jäähdytetty huoneenlämpöön. Se jäätyi 60 minuutissa - sen jäätyminen kesti silti kauemmin kuin kylmän veden.

Keitetty vesi: Otin litran huoneenlämpöistä vettä ja laitoin sen tuleen. Hän kiehui 6 minuutissa. Sitten jäähdytin sen uudelleen huoneenlämpöön ja lisäsin kuumaan. Samalla tulella kuuma vesi keitettiin 4 tunnissa ja 30 minuutissa. Johtopäätös: odotetusti kuuma vesi kiehuu paljon nopeammin.

Keitetty vesi (suolan kanssa): Lisäsin 2 isoa ruokalusikallista ruokasuolaa 1 litraan vettä. Se kiehui 6 minuutissa 33 sekunnissa, ja lämpömittarin mukaan se saavutti 102 °C:n lämpötilan. Epäilemättä suola vaikuttaa kiehumispisteeseen, mutta ei paljon. Johtopäätös: vedessä oleva suola ei vaikuta suuresti lämpötilaan ja kiehumisaikaan. Myönnän rehellisesti, että keittiöäni on vaikea kutsua laboratorioksi, ja ehkä päätelmäni ovat ristiriidassa todellisuuden kanssa. Pakastimeni voi jäätyä epätasaisesti. Lasilasini voivat olla epäsäännölliset jne. Mutta mitä tahansa laboratoriossa tapahtuukin, kun on kyse veden jäädyttämisestä tai keittämisestä keittiössä, tärkeintä on maalaisjärki.

linkki mielenkiintoisiin faktoihin vedestä ja vedestä
Kuten forum.ixbt.com-foorumilla ehdotettiin, tätä vaikutusta (vaikutus, jonka mukaan kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi) kutsutaan "Aristoteles-Mpemba-ilmiöksi".

Nuo. keitetty vesi (jäähdytetty) jäätyy nopeammin kuin "raaka"