뜨거운 물은 찬물보다 빨리 언다. 어느 물이 더 빨리 어는가: 뜨거운 물과 차가운 물? 그것은 무엇에 달려 있습니까?
Mpemba 효과 또는 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 어는 이유는 무엇입니까? 음펨바 효과(Mpemba Paradox)는 뜨거운 물이 어는 과정에서 냉수의 온도를 통과해야 하지만 특정 조건에서 뜨거운 물이 냉수보다 더 빨리 언다는 역설입니다. 이 역설은 같은 조건에서 더 뜨거운 물체가 더 차가운 물체가 같은 온도로 식는 데 더 많은 시간이 걸린다는 일반적인 생각과 모순되는 실험적 사실입니다. 이 현상은 Aristotle, Francis Bacon 및 Rene Descartes에 의해 당시에 발견되었지만 1963년에야 탄자니아 남학생 Erasto Mpemba는 뜨거운 아이스크림 혼합물이 차가운 것보다 더 빨리 언다는 것을 발견했습니다. Erasto Mpemba는 탄자니아의 Magambin High School에서 요리 실습을 하는 학생이었습니다. 그는 수제 아이스크림을 만들어야했습니다. 우유를 끓여서 설탕을 녹이고 실온으로 식힌 다음 냉장고에 넣어 얼립니다. 분명히 Mpemba는 특별히 부지런한 학생이 아니었고 과제의 첫 번째 부분을 미루었습니다. 수업이 끝날 때까지 제 시간에 오지 않을까 두려워 그는 아직 뜨거운 우유를 냉장고에 넣었습니다. 놀랍게도 주어진 기술에 따라 준비된 동지들의 우유보다 더 일찍 얼었습니다. 그 후 Mpemba는 우유뿐만 아니라 일반 물도 실험했습니다. 어쨌든 이미 Mkvava 고등학교 학생이었던 그는 Dar es Salaam에 있는 University College의 Dennis Osborne 교수(학교장이 학생들에게 물리학 강의를 하도록 초대함)에게 물에 대해 물었습니다. 같은 양의 물이 담긴 두 개의 동일한 용기를 가져 와서 그 중 하나는 물의 온도가 35 ° C이고 다른 하나는 100 ° C이며 냉동실에 넣으면 두 번째 물이 얼 것입니다. 더 빨리 왜? Osborne은 이 문제에 관심을 갖게 되었고 곧 1969년 Mpemba와 함께 "Physics Education" 저널에 실험 결과를 발표했습니다. 그 이후로 그들이 발견한 효과를 Mpemba 효과라고 합니다. 지금까지 아무도 이 이상한 효과를 정확히 설명하는 방법을 알지 못했습니다. 과학자들은 많은 버전이 있지만 단일 버전이 없습니다. 뜨거운 물과 차가운 물의 특성 차이에 관한 것이지만 이 경우 어떤 특성이 역할을 하는지는 아직 명확하지 않습니다. 다른 온도. Mpemba 효과의 역설은 신체가 주변 온도로 냉각되는 시간이 이 신체와 환경 사이의 온도 차이에 비례해야 한다는 것입니다. 이 법칙은 Newton에 의해 제정되었으며 그 이후로 실제로 여러 번 확인되었습니다. 같은 효과에서 100°C의 물은 35°C의 같은 양의 물보다 더 빨리 0°C로 냉각됩니다. 그러나 이것은 음펨바 효과가 알려진 물리학 내에서도 설명될 수 있기 때문에 아직 역설을 의미하지는 않습니다. 다음은 Mpemba 효과에 대한 몇 가지 설명입니다. 증발 뜨거운 물은 용기에서 더 빨리 증발하여 부피가 줄어들고 같은 온도에서 더 적은 양의 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 100℃로 가열된 물은 0℃로 냉각될 때 질량의 16%를 잃습니다. 증발 효과는 이중 효과입니다. 첫째, 냉각에 필요한 물의 양이 줄어듭니다. 둘째, 수상에서 기상으로의 전이 증발열이 감소하기 때문에 온도가 감소합니다. 온도 차이 뜨거운 물과 차가운 공기 사이의 온도 차이가 더 크기 때문에 이 경우 열 교환이 더 강해지고 뜨거운 물이 더 빨리 냉각됩니다. 과냉각 물이 0C 이하로 냉각되면 항상 얼지 않습니다. 특정 조건에서는 어는점 이하의 온도에서 계속 액체 상태를 유지하면서 과냉각을 겪을 수 있습니다. 경우에 따라 물은 -20C의 온도에서도 액체 상태를 유지할 수 있습니다. 이 효과의 이유는 첫 번째 얼음 결정이 형성되기 시작하려면 결정 형성 중심이 필요하기 때문입니다. 액체 상태의 물에 있지 않으면 결정이 자발적으로 형성되기 시작할 정도로 온도가 충분히 떨어질 때까지 과냉각이 계속됩니다. 과냉각된 액체에서 형성되기 시작하면 더 빨리 성장하기 시작하여 얼음을 형성하기 위해 얼어붙을 얼음 슬러시를 형성합니다. 뜨거운 물을 가열하면 용해된 가스와 기포가 제거되어 얼음 결정 형성의 중심 역할을 할 수 있기 때문에 저체온증에 가장 취약합니다. 저체온증이 뜨거운 물을 더 빨리 얼게 하는 이유는 무엇입니까? 과냉각되지 않은 냉수의 경우 다음과 같은 현상이 발생합니다. 이 경우 용기 표면에 얇은 얼음층이 형성됩니다. 이 얼음층은 물과 차가운 공기 사이의 절연체 역할을 하여 추가 증발을 방지합니다. 이 경우 얼음 결정의 형성 속도는 낮아집니다. 과냉각을 겪는 온수의 경우 과냉각수에는 보호용 얼음 표면층이 없습니다. 따라서 열린 상단을 통해 열을 훨씬 빨리 잃습니다. 과냉각 과정이 끝나고 물이 얼면 훨씬 더 많은 열이 손실되어 더 많은 얼음이 형성됩니다. 이 효과에 대한 많은 연구자들은 Mpemba 효과의 경우 저체온증을 주요 요인으로 간주합니다. 대류 냉수는 위에서부터 얼기 시작하여 열 복사 및 대류 과정을 악화시켜 열 손실을 일으키고 뜨거운 물은 아래에서 얼기 시작합니다. 이 효과는 물 밀도의 이상으로 설명됩니다. 물은 4C에서 최대 밀도를 가집니다. 물을 4C로 냉각하고 더 낮은 온도에 놓으면 물 표면층이 더 빨리 얼게 됩니다. 이 물은 4°C의 물보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 남아 얇은 차가운 층을 형성합니다. 이러한 조건에서 짧은 시간 동안 수면에 얇은 얼음층이 형성되지만 이 얼음층은 물의 낮은 층을 보호하는 절연체 역할을 하여 4C의 온도를 유지합니다. 따라서 , 추가 냉각 프로세스가 느려집니다. 온수의 경우 상황이 완전히 다릅니다. 물의 표면층은 증발과 더 큰 온도 차이로 인해 더 빨리 냉각됩니다. 또한 냉수층은 온수층보다 밀도가 높기 때문에 냉수층이 가라앉으면서 온수층이 수면으로 올라오게 됩니다. 이러한 물의 순환은 급격한 온도 강하를 보장합니다. 그런데 왜 이 과정이 평형점에 도달하지 못하는 것일까? 이러한 대류의 관점에서 음펨바 효과를 설명하기 위해서는 물의 찬 층과 뜨거운 층이 분리되고 평균 수온이 4℃ 이하로 떨어진 후에도 대류 과정 자체가 계속된다고 가정할 수 있습니다. 그러나 실험 데이터는 없습니다. 그것은 냉수층과 온수층이 대류에 의해 분리된다는 이 가설을 확인시켜줄 것입니다. 물에 용해된 기체 물에는 항상 용해된 기체(산소와 이산화탄소)가 포함되어 있습니다. 이 가스는 물의 어는점을 낮추는 능력이 있습니다. 물이 가열되면 이러한 가스는 고온에서 물에 대한 용해도가 낮기 때문에 물에서 방출됩니다. 따라서 온수가 냉각되면 가열되지 않은 냉수보다 항상 용존 가스가 적습니다. 따라서 가열된 물의 어는점은 더 높고 더 빨리 언다. 이 사실을 확인하는 실험 데이터는 없지만 음펨바 효과를 설명하는 데 있어 이 요인이 주요 요인으로 간주되는 경우가 있습니다. 열전도율 이 메커니즘은 작은 용기에 담긴 냉동 냉장고에 물을 넣을 때 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이러한 조건에서 뜨거운 물이 담긴 용기가 아래에 있는 냉동실의 얼음을 녹여 냉동실 벽과의 열 접촉 및 열전도율을 향상시키는 것이 관찰되었습니다. 결과적으로 뜨거운 물통에서 찬물보다 더 빨리 열이 제거됩니다. 차례로 찬물이 담긴 용기는 그 아래의 눈을 녹이지 않습니다. 이러한 모든 조건(및 기타)은 많은 실험에서 연구되었지만 Mpemba 효과의 100% 재생산을 제공하는 질문에 대한 명확한 답변을 얻지 못했습니다. 예를 들어, 1995년에 독일의 물리학자 David Auerbach는 물의 과냉각이 이 효과에 미치는 영향을 연구했습니다. 그는 과냉각 상태에 도달하는 뜨거운 물이 찬물보다 더 높은 온도에서 얼기 때문에 후자보다 더 빠르다는 것을 발견했습니다. 그러나 찬물은 뜨거운 물보다 더 빨리 과냉각 상태에 도달하므로 이전 지연을 보상합니다. 또한 Auerbach의 결과는 뜨거운 물이 더 적은 결정화 센터로 인해 더 큰 과냉각을 달성할 수 있다는 이전 데이터와 모순됩니다. 물을 가열하면 물에 용해된 가스가 제거되고 끓으면 물에 용해된 일부 염이 침전됩니다. 지금까지 단 한 가지만 주장할 수 있습니다. 이 효과의 재현은 본질적으로 실험이 수행되는 조건에 달려 있습니다. 항상 재생산되는 것은 아니기 때문입니다. O. V. 모신
1963년, Erasto Mpemba라는 탄자니아의 남학생이 선생님에게 어리석은 질문을 했습니다. 왜 따뜻한 아이스크림이 냉동실에서 차가운 아이스크림보다 빨리 언가요?
Erasto Mpemba는 탄자니아의 Magambin High School에서 요리 실습을 하는 학생이었습니다. 그는 수제 아이스크림을 만들어야했습니다. 우유를 끓여서 설탕을 녹이고 실온으로 식힌 다음 냉장고에 넣어 얼립니다. 분명히 Mpemba는 특별히 부지런한 학생이 아니었고 과제의 첫 번째 부분을 미루었습니다. 수업이 끝날 때까지 제 시간에 오지 않을까 두려워 그는 여전히 뜨거운 우유를 냉장고에 넣었습니다. 놀랍게도 주어진 기술에 따라 준비된 동지들의 우유보다 더 일찍 얼었습니다.
그는 설명을 위해 물리학 교사에게로 향했지만 "이것은 세계 물리학이 아니라 Mpemba의 물리학입니다. "라고 말하면서 학생을 비웃었습니다. 그 후 Mpemba는 우유뿐만 아니라 일반 물도 실험했습니다.
어쨌든 이미 Mkvava 고등학교 학생이었던 그는 Dar es Salaam에 있는 University College의 Dennis Osborne 교수(학교장이 학생들에게 물리학 강의를 하도록 초대함)에게 물에 대해 물었습니다. 같은 양의 물이 담긴 두 개의 동일한 용기를 가져 와서 그 중 하나는 물의 온도가 35 ° C이고 다른 하나는 100 ° C이며 냉동실에 넣으면 두 번째 물이 얼 것입니다. 더 빠르게. 왜?" Osborn은 이 문제에 관심을 갖게 되었고 곧 1969년에 Mpemba와 함께 실험 결과를 Physics Education 저널에 발표했습니다. 그 이후로 그들이 발견한 효과를 Mpemba 효과라고 합니다.
왜 이런 일이 발생하는지 궁금하십니까? 불과 몇 년 전 과학자들은 이 현상을 설명했습니다 ...
음펨바 효과(Mpemba Paradox)는 뜨거운 물이 어는 과정에서 찬 물의 온도를 통과해야 하지만 특정 조건에서 뜨거운 물이 찬 물보다 더 빨리 언다는 역설입니다. 이 역설은 같은 조건에서 더 뜨거운 물체가 더 차가운 물체가 같은 온도로 식는 데 더 많은 시간이 걸린다는 일반적인 생각과 모순되는 실험적 사실입니다.
이 현상은 당시 아리스토텔레스, 프란시스 베이컨, 르네 데카르트가 주목했습니다. 지금까지 아무도 이 이상한 효과를 정확히 설명하는 방법을 알지 못했습니다. 과학자들은 많은 버전이 있지만 단일 버전이 없습니다. 뜨거운 물과 차가운 물의 특성 차이에 관한 것이지만 이 경우 어떤 특성이 역할을 하는지는 아직 명확하지 않습니다. 다른 온도. Mpemba 효과의 역설은 신체가 주변 온도로 냉각되는 시간이 이 신체와 환경 사이의 온도 차이에 비례해야 한다는 것입니다. 이 법칙은 Newton에 의해 제정되었으며 그 이후로 실제로 여러 번 확인되었습니다. 같은 효과에서 100°C의 물은 35°C의 같은 양의 물보다 더 빨리 0°C로 냉각됩니다.
그 이후로 다른 버전이 표현되었으며 그 중 하나는 다음과 같습니다. 뜨거운 물의 일부가 처음에는 단순히 증발하고 소량이 남아 있으면 물이 더 빨리 응고됩니다. 이 버전은 단순함으로 인해 가장 인기가 있었지만 과학자들은 완전히 만족하지 못했습니다.
이제 화학자 Xi Zhang이 이끄는 싱가포르 난양 기술 대학의 연구팀은 왜 따뜻한 물이 찬물보다 빨리 어는지에 대한 오랜 미스터리를 풀었다고 말합니다. 중국 전문가들이 알아낸 것처럼 비밀은 물 분자 사이의 수소 결합에 저장된 에너지의 양에 있습니다.
아시다시피, 물 분자는 공유 결합에 의해 결합된 하나의 산소 원자와 두 개의 수소 원자로 구성되며 입자 수준에서 전자 교환처럼 보입니다. 또 다른 잘 알려진 사실은 수소 원자가 이웃 분자의 산소 원자에 끌린다는 것입니다. 이 경우 수소 결합이 형성됩니다.
동시에 물 분자 전체가 서로 반발합니다. 싱가포르의 과학자들은 물이 따뜻할수록 반발력의 증가로 인해 액체 분자 사이의 거리가 더 멀어진다는 사실을 발견했습니다. 결과적으로 수소 결합이 늘어나 더 많은 에너지를 저장합니다. 이 에너지는 물이 식을 때 방출됩니다. 분자가 서로 접근합니다. 아시다시피 에너지의 반환은 냉각을 의미합니다.
과학자들이 제시한 가설은 다음과 같습니다.
증발
뜨거운 물은 용기에서 더 빨리 증발하여 부피가 줄어들고 같은 온도의 적은 양의 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 100°C로 가열된 물은 0°C로 냉각될 때 질량의 16%를 잃습니다. 증발 효과는 이중 효과입니다. 첫째, 냉각에 필요한 물의 양이 줄어듭니다. 둘째, 증발로 인해 온도가 감소합니다.
온도차
뜨거운 물과 차가운 공기의 온도차가 더 크기 때문에 이 경우 열 전달이 더 강해지고 뜨거운 물이 더 빨리 냉각됩니다.
저체온증
물이 0°C 이하로 냉각되면 항상 얼지 않습니다. 특정 조건에서는 어는점 이하의 온도에서 계속 액체 상태를 유지하면서 과냉각을 겪을 수 있습니다. 경우에 따라 물은 -20°C에서도 액체 상태를 유지할 수 있습니다. 이 효과의 이유는 첫 번째 얼음 결정이 형성되기 시작하려면 결정 형성 중심이 필요하기 때문입니다. 액체 상태의 물에 있지 않으면 결정이 자발적으로 형성되기 시작할 정도로 온도가 충분히 떨어질 때까지 과냉각이 계속됩니다. 과냉각된 액체에서 형성되기 시작하면 더 빨리 성장하기 시작하여 얼음을 형성하기 위해 얼어붙을 얼음 슬러시를 형성합니다. 뜨거운 물을 가열하면 용해된 가스와 기포가 제거되어 얼음 결정 형성의 중심 역할을 할 수 있기 때문에 저체온증에 가장 취약합니다. 저체온증이 뜨거운 물을 더 빨리 얼게 하는 이유는 무엇입니까? 과냉각되지 않은 냉수의 경우 표면에 얇은 얼음층이 형성되어 물과 냉기 사이의 절연체 역할을 하여 추가 증발을 방지합니다. 이 경우 얼음 결정의 형성 속도는 낮아집니다. 과냉각을 겪는 온수의 경우 과냉각수에는 보호용 얼음 표면층이 없습니다. 따라서 열린 상단을 통해 열을 훨씬 빨리 잃습니다. 과냉각 과정이 끝나고 물이 얼면 훨씬 더 많은 열이 손실되어 더 많은 얼음이 형성됩니다. 이 효과에 대한 많은 연구자들은 Mpemba 효과의 경우 저체온증을 주요 요인으로 간주합니다.
전달
찬물은 위에서 얼기 시작하여 열 복사 및 대류 과정을 악화시켜 열 손실을 일으키고 뜨거운 물은 아래에서 얼기 시작합니다. 이 효과는 물 밀도의 이상으로 설명됩니다. 물은 4°C에서 최대 밀도를 가집니다. 물을 4°C로 식히고 더 낮은 온도의 환경에 두면 물의 표면층이 더 빨리 얼게 됩니다. 이 물은 4°C의 물보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 남아 얇은 차가운 층을 형성합니다. 이러한 조건에서 짧은 시간 동안 수면에 얇은 얼음층이 형성되지만 이 얼음층은 4°C로 유지되는 낮은 물층을 보호하는 절연체 역할을 합니다. 따라서 추가 냉각 프로세스가 느려집니다. 온수의 경우 상황이 완전히 다릅니다. 물의 표면층은 증발과 더 큰 온도 차이로 인해 더 빨리 냉각됩니다. 또한 냉수층은 온수층보다 밀도가 높기 때문에 냉수층이 가라앉으면서 온수층이 수면으로 올라오게 됩니다. 이러한 물의 순환은 급격한 온도 강하를 보장합니다. 그런데 왜 이 과정이 평형점에 도달하지 못하는 것일까? 대류의 관점에서 Mpemba 효과를 설명하기 위해 물의 차가운 층과 뜨거운 층이 분리되고 평균 수온이 4°C 아래로 떨어진 후에도 대류 과정 자체가 계속된다고 가정합니다. 그러나 냉수층과 온수층이 대류에 의해 분리된다는 이 가설을 뒷받침하는 실험적 증거는 없습니다.
물에 용해된 기체
물에는 항상 산소와 이산화탄소와 같은 가스가 용해되어 있습니다. 이 가스는 물의 어는점을 낮추는 능력이 있습니다. 물이 가열되면 이러한 가스는 고온에서 물에 대한 용해도가 낮기 때문에 물에서 방출됩니다. 따라서 온수가 냉각되면 가열되지 않은 냉수보다 항상 용존 가스가 적습니다. 따라서 가열된 물의 어는점은 더 높고 더 빨리 언다. 이 사실을 확인하는 실험 데이터는 없지만 음펨바 효과를 설명하는 데 있어 이 요인이 주요 요인으로 간주되는 경우가 있습니다.
열 전도성
이 메커니즘은 작은 용기에 담긴 냉장고 냉동고에 물을 넣을 때 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이러한 조건에서 뜨거운 물이 담긴 용기가 아래에 있는 냉동실의 얼음을 녹여 냉동실 벽과의 열 접촉 및 열전도율을 향상시키는 것이 관찰되었습니다. 결과적으로 뜨거운 물통에서 찬물보다 더 빨리 열이 제거됩니다. 차례로 찬물이 담긴 용기는 그 아래의 눈을 녹이지 않습니다. 이러한 모든 조건(및 기타)은 많은 실험에서 연구되었지만 Mpemba 효과의 100% 재생산을 제공하는 질문에 대한 명확한 답변을 얻지 못했습니다. 예를 들어, 1995년에 독일의 물리학자 David Auerbach는 물의 과냉각이 이 효과에 미치는 영향을 연구했습니다. 그는 과냉각 상태에 도달하는 뜨거운 물이 찬물보다 더 높은 온도에서 얼기 때문에 후자보다 더 빠르다는 것을 발견했습니다. 그러나 냉수는 온수보다 더 빨리 과냉각 상태에 도달하므로 이전 지연을 보상합니다. 또한 Auerbach의 결과는 뜨거운 물이 더 적은 결정화 센터로 인해 더 큰 과냉각을 달성할 수 있다는 이전 데이터와 모순됩니다. 물을 가열하면 물에 용해된 가스가 제거되고 끓으면 용해된 일부 염이 침전됩니다. 지금까지 한 가지만 주장 할 수 있습니다. 이 효과의 재현은 실험이 수행되는 조건에 따라 크게 달라집니다. 항상 재생산되는 것은 아니기 때문입니다.
그리고 여기에 가장 그럴듯한 이유가 있습니다.
arXiv.org 사전 인쇄 사이트에서 찾을 수 있는 그들의 기사에서 화학자들이 쓴 것처럼, 수소 결합은 찬물보다 뜨거운 물에서 더 강하게 늘어납니다. 따라서 뜨거운 물의 수소 결합에 더 많은 에너지가 저장되어 있으며, 이는 영하의 온도로 냉각될 때 더 많은 에너지가 방출됨을 의미합니다. 이러한 이유로 동결이 더 빠릅니다.
지금까지 과학자들은 이 수수께끼를 이론적으로만 풀었습니다. 그들이 자신의 버전에 대한 설득력 있는 증거를 제시할 때 뜨거운 물이 찬물보다 더 빨리 어는 이유에 대한 질문은 닫힌 것으로 간주될 수 있습니다.
뜨거운 물과 차가운 물 중 어떤 물이 더 빨리 어는지는 많은 요인의 영향을 받지만 질문 자체가 조금 이상해 보입니다. 뜨거운 물이 얼음으로 변하기 위해서는 비슷한 찬물 온도로 식는 데 여전히 시간이 필요하다는 것을 이해하고 물리학에서 알 수 있습니다. 이 단계는 건너뛸 수 있으므로 제 시간에 승리합니다.
그러나 서리가 내린 거리에서 물이 차갑거나 뜨겁게 더 빨리 얼는 문제에 대한 답은 북부 위도의 모든 주민이 알고 있습니다. 사실, 과학적으로 어떤 경우에도 찬물은 단순히 더 빨리 얼어야 한다는 것이 밝혀졌습니다.
1963 년 남학생 Erasto Mpemba가 미래 아이스크림의 차가운 혼합물이 비슷하지만 뜨거운 것보다 더 오래 얼리는 이유를 설명하라는 요청을받은 물리학 교사도 마찬가지였습니다.
"이것은 세계 물리학이 아니라 일종의 Mpemba 물리학입니다."
그 당시 선생님은 이것에 대해서만 웃었지만 한때 Erasto가 공부했던 같은 학교에 다녔던 물리학 교수 Deniss Osborne은 그러한 효과의 존재를 실험적으로 확인했지만 이에 대한 설명은 없었습니다. . 1969년에 유명한 과학 저널은 이 독특한 효과를 기술한 두 사람의 공동 기사를 발표했습니다.
그 이후로 물이 더 빨리 얼는 문제 (뜨거운 것이나 차가운 것)는 효과 또는 역설인 Mpemba라는 자체 이름을 가지고 있습니다.
그 질문은 오랫동안 계속되었습니다.
당연히 이러한 현상은 이전에도 발생했으며 다른 과학자들의 연구에서도 언급되었습니다. 남학생뿐만 아니라이 질문에 관심이 있었지만 Rene Descartes와 Aristotle조차도 한 번에 그것에 대해 생각했습니다.
이 역설을 해결하기 위한 접근 방식은 20세기 말에만 보이기 시작했습니다.
역설이 일어나기 위한 조건
아이스크림과 마찬가지로 실험 중에 얼게 되는 것은 일반 물만이 아닙니다. 어떤 물이 더 빨리 얼는지(차갑거나 뜨거운 물) 논쟁을 시작하려면 특정 조건이 있어야 합니다. 이 프로세스에 영향을 미치는 것은 무엇입니까?
이제 21세기에는 이 역설을 설명할 수 있는 몇 가지 옵션이 제시되었습니다. 뜨겁거나 차가운 물이 더 빨리 어는 것은 찬물보다 증발률이 더 높다는 사실에 달려 있습니다. 따라서 부피가 감소하고 부피가 감소하면 비슷한 초기 냉수를 섭취하는 것보다 동결 시간이 짧아집니다.
냉동실이 오랫동안 해동되었습니다.
어떤 물이 더 빨리 얼고 왜 그렇게 되는지가 실험에 사용된 냉장고의 냉동고에 있을 수 있는 스노우 라이닝의 영향을 받을 수 있습니다. 부피가 동일한 두 개의 용기를 사용하지만 그 중 하나에는 뜨거운 물이 있고 다른 하나에는 찬물이 있으면 뜨거운 물이 담긴 용기가 아래의 눈을 녹여 열 수준과 냉장고 벽의 접촉을 향상시킵니다. 냉수 용기는 그렇게 할 수 없습니다. 냉장고에 눈이 내리는 안감이 없으면 찬물이 더 빨리 얼어야합니다.
상단 - 하단
또한, 물이 더 빨리 어는 현상(뜨겁거나 차가움)은 다음과 같이 설명됩니다. 특정 법칙에 따라 찬물은 상층에서 얼기 시작하고 뜨거운 물은 그 반대입니다. 아래에서 위로 얼기 시작합니다. 일부 장소에 이미 얼음이 형성된 차가운 층이있는 냉수는 대류 및 열 복사 과정을 악화시켜 어떤 물이 더 빨리 얼는지-차갑거나 뜨겁게 설명합니다. 아마추어 실험 사진이 첨부되어 있으며 여기에 명확하게 표시됩니다.
열은 밖으로 나가 위쪽으로 향하고 거기에서 매우 차가운 층을 만납니다. 열 복사에 대한 자유 경로가 없으므로 냉각 프로세스가 어려워집니다. 뜨거운 물은 그 경로에 그러한 장벽이 전혀 없습니다. 가능한 결과가 달라지는 차갑거나 뜨거워지는 것이 더 빨리 얼면 물에 특정 물질이 용해되어 있다고 말함으로써 답을 확장 할 수 있습니다.
결과에 영향을 미치는 요인으로 물 조성의 불순물
특정 물질의 농도가 동일한 동일한 구성의 물을 속이고 사용하지 않으면 냉수가 더 빨리 얼어야합니다. 그러나 용해된 화학 원소가 뜨거운 물에만 존재하고 찬물에는 없는 상황이 발생하면 뜨거운 물이 더 일찍 얼 수 있습니다. 이것은 물에 용해된 물질이 결정화 중심을 만들고 이러한 중심이 적으면 물을 고체 상태로 변환하기 어렵다는 사실에 의해 설명됩니다. 영하의 온도에서 액체 상태가 된다는 점에서 물의 과냉각도 가능합니다.
그러나이 모든 버전은 분명히 과학자들에게 적합하지 않았으며이 문제에 대해 계속 작업했습니다. 2013년 싱가포르의 한 연구팀은 오랜 미스터리를 풀었다고 말했습니다.
중국 과학자 그룹은 이 효과의 비밀이 수소 결합이라고 하는 결합에서 물 분자 사이에 저장되는 에너지의 양에 있다고 주장합니다.
중국 과학자들의 대답
어떤 물이 더 빨리 얼는지(뜨겁거나 차갑게) 알아내기 위해 화학 지식이 필요하다는 것을 이해하기 위해 더 많은 정보가 뒤따를 것입니다. 아시다시피, 공유 결합에 의해 결합된 2개의 H(수소) 원자와 1개의 O(산소) 원자로 구성됩니다.
그러나 한 분자의 수소 원자는 이웃 분자, 즉 산소 성분에도 끌립니다. 이러한 결합을 수소 결합이라고 합니다.
동시에 물 분자가 서로 반발적으로 작용한다는 사실을 기억할 가치가 있습니다. 과학자들은 물이 가열되면 분자 사이의 거리가 증가하고 이는 반발력에 의해 촉진된다고 지적했습니다. 차가운 상태에서 분자 사이에 한 거리를 차지하면 분자가 늘어나고 에너지 공급이 더 많다고 말할 수 있습니다. 물 분자가 서로 접근하기 시작할 때, 즉 냉각이 발생할 때 방출되는 것은 바로 이 에너지 비축량입니다. 뜨거운 물에서 더 많은 에너지 공급과 영하의 온도로 냉각될 때 더 많이 방출되는 것이 그러한 에너지 공급이 더 적은 냉수에서보다 더 빨리 발생하는 것으로 밝혀졌습니다. 그렇다면 어떤 물이 더 빨리 얼까요? 차갑거나 뜨거워요? 거리와 실험실에서 Mpemba 역설이 발생하고 뜨거운 물이 더 빨리 얼음으로 변해야 합니다.
그러나 질문은 여전히 열려 있습니다
이 단서에 대한 이론적 확인 만 있습니다. 이 모든 것은 아름다운 공식으로 작성되었으며 그럴듯 해 보입니다. 그러나 물이 더 빨리 어는 실험 데이터 (뜨거운 것이나 차가운 것)가 실용적인 의미로 제시되고 그 결과가 제시되면 Mpemba 역설의 문제가 닫힌 것으로 간주하는 것이 가능할 것입니다.
많은 연구자들이 뜨거운 물이 찬물보다 더 빨리 어는 이유에 대해 자신의 버전을 제시하고 제시하고 있습니다. 그것은 역설처럼 보일 것입니다. 결국 얼기 위해서는 먼저 뜨거운 물을 식혀야합니다. 그러나 사실은 그대로 남아 있으며 과학자들은 이를 다른 방식으로 설명합니다.
현재 이 사실을 설명하는 여러 버전이 있습니다.
- 뜨거운 물에서의 증발이 더 빠르기 때문에 부피가 감소합니다. 같은 온도의 적은 양의 물이 더 빨리 언다.
- 냉장고의 냉동실에는 스노우 라이닝이 있습니다. 뜨거운 물이 담긴 용기가 밑에 있는 눈을 녹입니다. 이렇게 하면 냉동기와의 열 접촉이 향상됩니다.
- 뜨거운 것과는 달리 냉수의 동결은 위에서부터 시작됩니다. 이 경우 대류 및 열 복사, 결과적으로 열 손실이 악화됩니다.
- 냉수에는 결정화 중심이 있습니다-물질이 용해되어 있습니다. 물에 소량 함유되어 있으면 착빙이 어렵지만 동시에 영하의 온도에서 액체 상태가 될 때 저체온증이 가능합니다.
공정하게 말하면 이 효과가 항상 관찰되는 것은 아니라고 말할 수 있습니다. 찬물은 종종 뜨거운 물보다 빨리 언다.
물은 어떤 온도에서 어는가
왜 물이 전혀 얼지 않습니까? 그것은 일정량의 미네랄 또는 유기 입자를 포함합니다. 예를 들어 이들은 매우 미세한 모래, 먼지 또는 점토 입자일 수 있습니다. 공기 온도가 떨어지면 이 입자들은 얼음 결정이 형성되는 중심이 됩니다.
결정화 핵의 역할은 물이 담긴 용기의 기포와 균열에 의해서도 수행될 수 있다. 물을 얼음으로 바꾸는 과정의 속도는 이러한 센터의 수에 크게 영향을 받습니다. 센터가 많으면 액체가 더 빨리 얼게 됩니다. 정상적인 조건에서 정상적인 대기압으로 물은 0 도의 온도에서 액체에서 고체 상태로 이동합니다.
Mpemba 효과의 본질
Mpemba 효과는 역설로 이해되며, 그 본질은 특정 상황에서 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다는 것입니다. 이 현상은 아리스토텔레스와 데카르트에 의해 발견되었습니다. 그러나 1963년이 되어서야 탄자니아의 학생인 Erasto Mpemba는 뜨거운 아이스크림이 차가운 아이스크림보다 더 짧은 시간에 언다는 사실을 알게 되었습니다. 그는 요리 작업을 수행하면서 그런 결론을 내렸다.
그는 삶은 우유에 설탕을 녹이고 식힌 후 냉장고에 넣어 얼려야했습니다. 분명히 Mpemba는 특별한 부지런함이 다르지 않았고 작업의 첫 번째 부분을 늦게 수행하기 시작했습니다. 따라서 그는 우유가 식을 때까지 기다리지 않고 뜨겁게 냉장고에 넣었습니다. 주어진 기술에 맞춰 일을 하던 동급생들보다 더 빨리 얼어붙어 매우 놀랐다.
이 사실은 그 청년에게 매우 흥미로웠고, 그는 일반 물로 실험을 시작했습니다. 1969년 Physics Education 저널은 Mpemba와 Dar es Salaam 대학의 Dennis Osborn 교수의 연구 결과를 발표했습니다. 그들이 기술한 효과에 Mpemba라는 이름이 붙여졌습니다. 그러나 오늘날에도 이 현상에 대한 명확한 설명은 없습니다. 모든 과학자들은 이것의 주요 역할이 냉수와 온수의 특성 차이에 속하지만 정확히 알려지지 않은 것에 동의합니다.
싱가포르 버전
싱가포르 대학 중 한 곳의 물리학자들도 어느 물이 더 빨리 언다는 질문에 관심을 가졌습니다. 뜨겁거나 차갑습니다. Xi Zhang이 이끄는 연구팀은 이 역설을 물의 특성으로 정확하게 설명했습니다. 모든 사람들은 여전히 학교에서 물의 구성, 즉 산소 원자와 두 개의 수소 원자를 알고 있습니다. 산소는 어느 정도 수소에서 전자를 끌어당기므로 분자는 일종의 "자석"입니다.
결과적으로 물의 특정 분자는 서로 약간 끌리고 수소 결합으로 결합됩니다. 그 강도는 공유 결합보다 몇 배나 낮습니다. 싱가포르 연구원들은 Mpemba 역설에 대한 설명이 정확히 수소 결합에 있다고 믿습니다. 물 분자가 서로 매우 가깝게 배치되면 분자 간의 강한 상호 작용으로 인해 분자 자체의 중간에 있는 공유 결합이 변형될 수 있습니다.
그러나 물이 가열되면 결합된 분자가 서로 약간 멀어지게 됩니다. 결과적으로 과도한 에너지가 반환되고 가장 낮은 에너지 수준으로 전환되는 분자 중간에서 공유 결합의 이완이 발생합니다. 이것은 뜨거운 물이 빠르게 냉각되기 시작한다는 사실로 이어집니다. 적어도 이것은 싱가포르 과학자들이 수행한 이론적 계산이 보여주는 것입니다.
즉각적인 물 얼리기 - 5가지 놀라운 트릭: 비디오
화학은 학교에서 내가 가장 좋아하는 과목 중 하나였습니다. 한번은 화학 선생님이 우리에게 매우 이상하고 어려운 과제를 주었습니다. 그는 우리가 화학의 관점에서 대답해야 하는 질문 목록을 주었습니다. 우리는 이 작업을 위해 며칠이 주어졌고 도서관 및 기타 사용 가능한 정보 소스를 사용할 수 있었습니다. 이러한 질문 중 하나는 물의 어는점에 관한 것입니다. 질문이 어떻게 들렸는지는 정확히 기억나지 않지만 같은 크기의 나무 통 두 개를 하나는 뜨거운 물, 다른 하나는 찬물(정확히 지정된 온도)로 가져다가 놓으면 특정 온도의 환경에서 어느 것이 더 빨리 얼까요? 물론 대답은 즉시 찬물 한 통으로 제안되었지만 우리에게는 너무 단순 해 보였습니다. 그러나 이것은 완전한 답을 주기에는 충분하지 않았습니다. 우리는 화학적 관점에서 그것을 증명할 필요가 있었습니다. 내 모든 생각과 연구에도 불구하고 논리적 결론을 내릴 수 없었습니다. 이날 저는 이 수업을 건너뛰기로 결정했기 때문에 이 수수께끼의 답을 찾지 못했습니다.
몇 년이 지났고 물의 끓는점과 어는점에 대한 많은 일상적인 신화를 배웠고 한 가지 신화는 "뜨거운 물이 더 빨리 언다"고 말했습니다. 많은 웹사이트를 살펴보았지만 정보가 너무 상충되었습니다. 그리고 이것은 과학적 관점에서 볼 때 근거가 없는 의견일 뿐입니다. 그리고 나는 내 자신의 경험을하기로 결정했습니다. 나무통을 구할 수 없었기 때문에 냉동고, 가스레인지, 약간의 물, 디지털 온도계를 사용했습니다. 나중에 내 경험의 결과에 대해 이야기하겠습니다. 먼저, 물에 대한 몇 가지 흥미로운 주장을 여러분과 공유하겠습니다.
뜨거운 물은 찬물보다 빨리 언다. 대부분의 전문가들은 찬물이 뜨거운 물보다 더 빨리 언다고 말합니다. 그러나 한 가지 재미있는 현상(소위 멤바 효과)은 알 수 없는 이유로 그 반대를 증명합니다. 뜨거운 물이 찬물보다 더 빨리 언다는 것입니다. 몇 가지 설명 중 하나는 증발 과정입니다. 매우 뜨거운 물을 추운 환경에 넣으면 물이 증발하기 시작합니다(남은 물의 양이 더 빨리 동결됨). 그리고 화학 법칙에 따르면 이것은 전혀 신화가 아니며 아마도 이것이 교사가 우리에게서 듣고 싶었던 것입니다.
끓인 물은 수돗물보다 빨리 언다. 앞선 설명에도 불구하고 일부 전문가들은 상온으로 식힌 끓인 물이 끓는 결과 산소량이 줄어들기 때문에 더 빨리 어는 것이 맞다고 주장한다.
찬물은 뜨거운 물보다 빨리 끓습니다. 뜨거운 물이 더 빨리 얼면 찬물이 더 빨리 끓을 수 있습니다! 이것은 상식에 위배되며 과학자들은 이것이 단순히 불가능하다고 주장합니다. 뜨거운 수돗물은 실제로 찬물보다 빨리 끓어야 합니다. 그러나 뜨거운 물을 사용하여 끓이면 에너지가 절약되지 않습니다. 가스나 전기를 덜 사용할 수 있지만 온수기는 냉수를 데우는 데 필요한 것과 동일한 양의 에너지를 사용합니다. (태양광은 조금 다릅니다.) 온수기로 물을 데우면 침전물이 생길 수 있으므로 물을 데우는 데 시간이 더 걸립니다.
물에 소금을 넣으면 더 빨리 끓습니다. 소금은 비등점을 높입니다(따라서 어는점을 낮춥니다. 이것이 일부 주부들이 아이스크림에 약간의 암염을 첨가하는 이유입니다). 그러나이 경우 물이 끓는 시간과이 경우 끓는점이 100 ° C 이상으로 올라갈 수 있는지 여부에 대한 또 다른 질문에 관심이 있습니다. 요리책에서 말하는 것과는 달리, 과학자들은 우리가 끓는 물에 첨가하는 소금의 양이 끓는 시간이나 온도에 영향을 미치기에 충분하지 않다고 말합니다.
그러나 내가 얻은 것은 다음과 같습니다.
냉수: 정제수 100ml 유리 비커 3개를 사용했습니다. 한 잔은 실온(72°F/22°C), 한 잔은 뜨거운 물(115°F/46°C), 한 잔은 끓인 물(212 °F/100°C). 세 잔 모두 -18°C의 냉동실에 넣었습니다. 그리고 물이 즉시 얼음으로 변하지 않는다는 것을 알고 있었기 때문에 "나무 부유물"로 동결 정도를 결정했습니다. 유리잔 중앙에 꽂혀 있던 막대기가 더 이상 바닥에 닿지 않았을 때 나는 물이 얼었다고 믿었다. 나는 5분마다 안경을 확인했다. 그리고 내 결과는 무엇입니까? 첫 번째 유리잔의 물은 50분 후에 얼었습니다. 뜨거운 물은 80분 후에 얼었습니다. 삶은 - 95분 후. 내 결론: 냉동고의 조건과 내가 사용한 물을 고려할 때 Memba 효과를 재현할 수 없었습니다.
나는 또한 이전에 끓인 물을 실온으로 냉각시켜이 실험을 시도했습니다. 그것은 60분 만에 어는 것이었습니다. 여전히 어는 데 찬물보다 더 오래 걸렸습니다.
끓인 물: 상온의 물 1리터를 가져다가 불을 붙였습니다. 6분만에 끓였습니다. 그런 다음 다시 실온으로 식히고 뜨거운 것을 추가했습니다. 같은 불로 뜨거운 물을 4시간 30분 동안 끓였습니다. 결론: 예상대로 뜨거운 물이 훨씬 빨리 끓습니다.
끓인 물(소금 포함): 물 1리터에 식염 2큰술을 넣었습니다. 6분 33초 만에 끓었고 온도계가 가리키는 대로 102°C의 온도에 도달했습니다. 의심 할 여지없이 소금은 끓는점에 영향을 미치지 만 그다지 많지는 않습니다. 결론: 물의 소금은 온도와 끓는 시간에 큰 영향을 미치지 않습니다. 나는 솔직히 내 부엌이 실험실이라고 부르기 어렵고 내 결론이 현실과 반대일 수도 있음을 인정합니다. 내 냉동고는 음식을 고르지 않게 얼릴 수 있습니다. 내 유리 안경이 불규칙할 수 있습니다. 하지만 실험실에서 무슨 일이 일어나든, 부엌에서 물을 얼리거나 끓일 때 가장 중요한 것은 상식입니다.
waterall about water에 대한 흥미로운 사실과 연결
forum.ixbt.com 포럼에서 제안한 대로 이 효과(냉수보다 뜨거운 물을 더 빨리 어는 효과)를 "아리스토텔레스-음펨바 효과"라고 합니다.
저것들. 끓인 물(차게 한 것)은 "원시"보다 더 빨리 얼게 됩니다.