Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Hangi su daha hızlı donar: sıcak mı soğuk mu? Bu neye bağlıdır

Mpemba etkisi veya neden sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar? Mpemba Etkisi (Mpemba Paradoksu), donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında, daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasına göre daha fazla zamana ihtiyaç duyduğu şeklindeki olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir. Bu fenomen o sırada Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi, ancak yalnızca 1963'te Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba, sıcak dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti. Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde uygulamalı yemek pişirme çalışması yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri eritin, oda sıcaklığına kadar soğutun ve ardından donması için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle gayretli bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünü erteledi. Dersin sonuna yetişemeyeceğinden korkarak hala sıcak olan sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha erken dondu. Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, aynı zamanda normal suyla da deneyler yaptı. Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi'nde bir öğrenci olarak, Dar es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermesi için davet edildi) su hakkında sordu: "Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece bunlardan birinde suyun sıcaklığı 35 ° C, diğerinde - 100 ° C'dir ve bunları dondurucuya koyarsınız, ardından ikincisinde su donar daha hızlı. neden? Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını "Fizik Eğitimi" dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkiye Mpemba etkisi deniyor. Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Birçok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, taşınım veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi arasındaki fark. farklı sıcaklıklar. Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuma süresinin, bu vücut ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturulmuştur ve o zamandan beri uygulamada birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki sudan 0°C'ye daha hızlı soğur. Bununla birlikte, Mpemba etkisi bilinen fizikle de açıklanabileceğinden, bu henüz bir paradoks anlamına gelmez. İşte Mpemba etkisi için birkaç açıklama: Buharlaşma Sıcak su bir kaptan daha hızlı buharlaşarak hacmini azaltır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100 C'ye ısıtılan su, 0 C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder. Buharlaşmanın etkisi çifte etkidir. Birincisi, soğutma için gereken su kütlesi azaltılır. İkincisi, 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 - dolayısıyla bu durumda ısı değişimi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur. Aşırı soğutma Su 0 C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda su, -20 C sıcaklıkta bile sıvı halde kalabilir. Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlamasına yetecek kadar düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvıda oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve donarak buza dönüşecek bir buz sulu karı oluşturacaklar. Sıcak su, hipotermiye en yatkındır çünkü ısıtıldığında, buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilen çözünmüş gazlar ve kabarcıklar ortadan kalkar. Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler gerçekleşir. Bu durumda, kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası, su ile soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya tabi tutulan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş su koruyucu bir buz yüzey tabakasına sahip değildir. Bu nedenle, üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder. Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur. Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipotermiyi ana faktör olarak kabul eder. Konveksiyon Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçlerini ve dolayısıyla ısı kaybını kötüleştirirken, sıcak su aşağıdan donmaya başlar. Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun yoğunluğu 4 C'de maksimumdur. Suyu 4 C'ye kadar soğutur ve daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır ancak bu buz tabakası, 4 C sıcaklıkta kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. , daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır. Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük bir sıcaklık farkı nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su tabakaları sıcak su tabakalarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su tabakası aşağı inerek sıcak su tabakasını yüzeye çıkarır. Suyun bu sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar. Peki bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyonun bu bakış açısıyla açıklamak için, suyun soğuk ve sıcak katmanlarının ayrıldığı ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon sürecinin kendisinin devam ettiği varsayılacaktır. Ancak deneysel veri yoktur. bu, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığı hipotezini doğrulayacaktır. Suda Çözünen Gazlar Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında bu gazlar yüksek sıcaklıkta sudaki çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde ısıtılmamış soğuk suya göre her zaman daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısınan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir. Termal İletkenlik Bu mekanizma, su küçük kaplarda dondurucu bir buzdolabına yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında, sıcak su içeren kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği, böylece dondurucunun duvarı ile termal teması ve termal iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabındaki ısı, soğuk olandan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren kap, altındaki karı eritmez. Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100 yeniden üretimini sağladığı sorusuna net bir yanıt elde edilememiştir. Örneğin, 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder. Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünmüş gazlar uzaklaştırılır ve kaynatıldığında içinde çözünmüş bazı tuzlar çökelir. Şimdiye kadar sadece bir şey ileri sürülebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi, esasen deneyin yürütüldüğü koşullara bağlıdır. Kesin olarak, çünkü her zaman yeniden üretilmez. OV Mosin

1963'te Tanzanya'dan Erasto Mpemba adlı bir okul çocuğu öğretmenine aptalca bir soru sordu - dondurucusunda sıcak dondurma neden soğuk dondurmadan daha hızlı dondu?

Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde uygulamalı yemek pişirme çalışması yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri eritin, oda sıcaklığına kadar soğutun ve ardından donması için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle gayretli bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünü erteledi. Dersin sonuna kadar zamanında gelemeyeceğinden korkarak buzdolabına hala sıcak süt koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha erken dondu.

Açıklama için fizik öğretmenine döndü, ancak öğrenciye sadece güldü ve şunları söyledi: "Bu dünya fiziği değil, Mpemba fiziği." Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, aynı zamanda normal suyla da deneyler yaptı.

Her durumda, zaten Mkvava Lisesi'nde bir öğrenci olarak, Dar es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermesi için davet edildi) su hakkında sordu: "Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece bunlardan birinde suyun sıcaklığı 35 ° C, diğerinde - 100 ° C'dir ve bunları dondurucuya koyarsınız, ardından ikincisinde su donar Daha hızlı. Neden?" Osborn bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını Physics Education dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkiye Mpemba etkisi deniyor.

Bunun neden olduğunu merak ediyor musunuz? Sadece birkaç yıl önce, bilim adamları bu fenomeni açıklamayı başardılar ...

Mpemba etkisi (Mpemba Paradoksu), donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında, daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasına göre daha fazla zamana ihtiyaç duyduğu şeklindeki olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.

Bu fenomen o sırada Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi. Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Birçok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, taşınım veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi arasındaki fark. farklı sıcaklıklar. Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuma süresinin, bu vücut ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturulmuştur ve o zamandan beri uygulamada birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki sudan 0°C'ye daha hızlı soğur.

O zamandan beri, farklı versiyonlar ifade edildi, bunlardan biri şuydu: önce sıcak suyun bir kısmı basitçe buharlaşır ve ardından, daha küçük bir miktar kaldığında, su daha hızlı katılaşır. Sadeliği nedeniyle bu versiyon en popüler hale geldi, ancak bilim adamları tamamen tatmin olmadı.

Şimdi, kimyager Xi Zhang liderliğindeki Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna dair asırlık gizemi çözdüklerini söylüyor. Çinli uzmanların öğrendiği gibi, sır su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarında depolanan enerji miktarında yatıyor.

Bildiğiniz gibi, su molekülleri, parçacık seviyesinde bir elektron değişimi gibi görünen kovalent bağlarla bir arada tutulan bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşur. İyi bilinen bir başka gerçek de, hidrojen atomlarının komşu moleküllerden oksijen atomlarına çekilmesidir - bu durumda hidrojen bağları oluşur.

Aynı zamanda, su molekülleri bir bütün olarak birbirlerini iterler. Singapurlu bilim adamları, su ne kadar sıcaksa, itme kuvvetlerindeki artış nedeniyle sıvının molekülleri arasındaki mesafenin o kadar büyük olduğunu fark ettiler. Sonuç olarak, hidrojen bağları gerilir ve bu nedenle daha fazla enerji depolar. Bu enerji, su soğuduğunda açığa çıkar - moleküller birbirine yaklaşır. Ve bildiğiniz gibi, enerjinin geri dönüşü soğuma anlamına gelir.

İşte bilim adamlarının öne sürdüğü hipotezler:

buharlaşma

Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşarak hacmini azaltır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100°C'ye ısıtılan su, 0°C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder. Buharlaşma etkisi ikili bir etkidir. Birincisi, soğutma için gereken su kütlesi azaltılır. İkincisi, buharlaşma nedeniyle sıcaklığı düşer.

sıcaklık farkı

Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha fazla olması nedeniyle - bu durumda ısı transferi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur.

hipotermi
Su 0°C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda su -20°C'de bile sıvı kalabilir. Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlamasına yetecek kadar düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvıda oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve donarak buza dönüşecek bir buz sulu karı oluşturacaklar. Sıcak su, hipotermiye en yatkındır çünkü ısıtıldığında, buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilen çözünmüş gazlar ve kabarcıklar ortadan kalkar. Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda, yüzeyinde su ile soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi gören ve böylece daha fazla buharlaşmayı önleyen ince bir buz tabakası oluşur. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya tabi tutulan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş su koruyucu bir buz yüzey tabakasına sahip değildir. Bu nedenle, üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder. Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur. Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipotermiyi ana faktör olarak kabul eder.
Konveksiyon

Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşirken, sıcak su aşağıdan donmaya başlar. Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun maksimum yoğunluğu 4°C'dedir. Suyu 4°C'ye kadar soğutur ve daha düşük sıcaklıktaki bir ortama koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır ancak bu buz tabakası, 4°C'de kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. Bu nedenle, daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır. Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkları nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su tabakaları sıcak su tabakalarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su tabakası aşağı inerek sıcak su tabakasını yüzeye çıkarır. Suyun bu sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar. Peki bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyon açısından açıklamak için, suyun soğuk ve sıcak katmanlarının ayrıldığı ve ortalama su sıcaklığı 4°C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiği varsayılacaktır. Bununla birlikte, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla 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 yüksek sıcaklıkta sudaki çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde ısıtılmamış soğuk suya göre her zaman daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısınan suyun donma noktası daha yüksektir 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, su küçük kaplarda bir buzdolabı dondurucusuna yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında, sıcak su içeren kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği, böylece dondurucunun duvarı ile termal teması ve termal iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabındaki ısı, soğuk olandan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren kap, altındaki karı eritmez. Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100 yeniden üretimini sağladığı sorusuna kesin bir yanıt elde edilememiştir. Örneğin, 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş bir duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder. Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünmüş gazlar uzaklaştırılır ve kaynatıldığında içinde çözünmüş bazı tuzlar çökelir. Şimdiye kadar sadece bir şey söylenebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi, büyük ölçüde deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Kesin olarak, çünkü her zaman yeniden üretilmez.

Ve işte en olası neden.

Kimyagerlerin arXiv.org ön baskı sitesinde bulunabilecek makalelerinde yazdıkları gibi, hidrojen bağları sıcak suda soğuk suya göre daha güçlü gerilir. Böylece, sıcak suyun hidrojen bağlarında daha fazla enerji depolandığı ortaya çıkıyor, bu da sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazlasının salındığı anlamına geliyor. Bu nedenle donma daha hızlıdır.

Bilim adamları bugüne kadar bu bilmeceyi sadece teorik olarak çözdüler. Versiyonlarına dair ikna edici kanıtlar sunduklarında, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu sorusu kapanmış sayılabilir.

Hangi suyun daha hızlı donacağı, sıcak veya soğuk, birçok faktörden etkilenir, ancak sorunun kendisi biraz garip görünüyor. Anlaşıldı ve fizikten biliniyor ki, sıcak suyun buza dönüşmesi için karşılaştırılabilir soğuk su sıcaklığına kadar soğuması için hala zamana ihtiyacı var. bu aşama atlanabilir ve buna göre zamanında kazanır.

Ancak, kuzey enlemlerinin herhangi bir sakini, sokakta donda hangi suyun daha hızlı donduğu - soğuk veya sıcak - sorusunun cevabını bilir. Aslında, bilimsel olarak, her durumda soğuk suyun daha hızlı donması gerektiği ortaya çıktı.

1963'te okul çocuğu Erasto Mpemba'nın gelecekteki dondurmanın soğuk karışımının neden benzer ama sıcak olandan daha uzun süre donduğunu açıklama talebiyle yaklaşan fizik öğretmeni de öyle yaptı.

"Bu dünya fiziği değil, bir tür Mpemba fiziği"

O sırada öğretmen buna sadece güldü, ancak bir zamanlar Erasto'nun okuduğu okula giden fizik profesörü Deniss Osborne, o zaman bunun için bir açıklama olmamasına rağmen böyle bir etkinin varlığını deneysel olarak doğruladı. . 1969'da popüler bir bilimsel dergi, bu tuhaf etkiyi açıklayan iki adamın ortak bir makalesini yayınladı.

O zamandan beri, bu arada, hangi suyun daha hızlı donduğu sorusunun - sıcak veya soğuk, kendi adı var - etkisi veya paradoks, Mpemba.

soru uzun süredir gündemde

Doğal olarak böyle bir olay daha önce de yaşanmış ve diğer bilim adamlarının eserlerinde de bahsedilmiştir. Bu soruyla sadece okul çocuğu ilgilenmedi, aynı zamanda Rene Descartes ve hatta Aristoteles bir zamanlar bunun hakkında düşündüler.

İşte bu paradoksu çözmeye yönelik yaklaşımlar, ancak yirminci yüzyılın sonunda görünmeye başladı.

Bir paradoksun oluşması için koşullar

Dondurmada olduğu gibi, deney sırasında donan sadece sıradan su değildir. Hangi suyun daha hızlı donduğunu - soğuk veya sıcak - tartışmaya başlamak için belirli koşulların mevcut olması gerekir. Bu süreci ne etkiler?

Şimdi, 21. yüzyılda, bu paradoksu açıklayabilecek birkaç seçenek öne sürüldü. Hangi suyun daha hızlı donacağı, sıcak veya soğuk, soğuk sudan daha yüksek buharlaşma oranına sahip olmasına bağlı olabilir. Böylece hacmi azalır ve hacminin azalmasıyla donma süresi, benzer bir başlangıç ​​​​soğuk su hacmi aldığımızdan daha kısa olur.

Dondurucu uzun süredir buzu çözülmüş

Hangi suyun daha hızlı donduğu ve neden donduğu, deney için kullanılan buzdolabının dondurucusunda bulunabilecek kar tabakasından etkilenebilir. Hacim olarak aynı olan ancak birinde sıcak su, diğerinde soğuk su bulunan iki kap alırsanız, sıcak su dolu kap altındaki karı eriterek ısı seviyesinin buzdolabı duvarı ile temasını iyileştirir. Soğuk su kabı bunu yapamaz. Buzdolabında böyle bir kar astarı yoksa soğuk su daha hızlı donmalıdır.

Üst - alt

Ayrıca, hangi suyun daha hızlı donduğu - sıcak veya soğuk - olgusu aşağıdaki şekilde açıklanmaktadır. Belirli yasalara göre, soğuk su üst katmanlardan donmaya başlar, sıcak su ise tam tersini yapar - aşağıdan yukarıya doğru donmaya başlar. Bazı yerlerde zaten buzla birlikte soğuk bir tabakaya sahip olan soğuk suyun, konveksiyon ve termal radyasyon süreçlerini kötüleştirdiği ve böylece hangi suyun daha hızlı donduğunu açıkladığı ortaya çıktı - soğuk veya sıcak. Amatör deneylerden bir fotoğraf eklenmiştir ve burada açıkça görülmektedir.

Isı dışarı çıkar, yukarı doğru yönelir ve orada çok soğuk bir katmanla karşılaşır. Isı radyasyonu için serbest bir yol yoktur, bu nedenle soğutma işlemi zorlaşır. Sıcak suyun yolunda kesinlikle böyle bir engel yoktur. Hangisi daha hızlı donar - soğuk veya sıcak, olası sonucun bağlı olduğu, herhangi bir suyun içinde çözünmüş belirli maddeler olduğunu söyleyerek cevabı genişletebilirsiniz.

Sonucu etkileyen bir faktör olarak suyun bileşimindeki safsızlıklar

Hile yapmazsanız ve belirli maddelerin konsantrasyonlarının aynı olduğu aynı bileşime sahip su kullanırsanız, soğuk su daha hızlı donmalıdır. Ancak, çözünmüş kimyasal elementlerin yalnızca sıcak suda bulunduğu ve soğuk suda bulunmadığı bir durum meydana gelirse, o zaman sıcak suyun daha erken donma olasılığı vardır. Bu, suda çözünmüş maddelerin kristalleşme merkezleri oluşturması ve bu merkezlerin az sayıda olmasıyla suyun katı hale dönüşmesinin zor olması ile açıklanmaktadır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı halde olması anlamında suyun aşırı soğutulması bile mümkündür.

Ancak görünüşe göre tüm bu versiyonlar bilim adamlarına sonuna kadar uymadı ve bu konuda çalışmaya devam ettiler. 2013 yılında, Singapur'daki bir araştırma ekibi asırlık gizemi çözdüklerini söyledi.

Bir grup Çinli bilim adamı, bu etkinin sırrının, hidrojen bağları adı verilen bağlarındaki su molekülleri arasında depolanan enerji miktarında yattığını iddia ediyor.

Çinli bilim adamlarından yanıt

Hangi suyun daha hızlı donduğunu - sıcak veya soğuk - anlamak için kimyada biraz bilgiye sahip olmanın gerekli olduğunu anlamak için daha fazla bilgi gelecektir. Bildiğiniz gibi, kovalent bağlarla bir arada tutulan iki H (hidrojen) atomu ve bir O (oksijen) atomundan oluşur.

Ancak bir molekülün hidrojen atomları, komşu moleküllere, oksijen bileşenlerine de çekilir. Bu bağlara hidrojen bağları denir.

Aynı zamanda, su moleküllerinin birbirlerini itici bir şekilde hareket ettiğini hatırlamakta fayda var. Bilim adamları, su ısıtıldığında molekülleri arasındaki mesafenin arttığını ve bunun itici güçler tarafından kolaylaştırıldığını belirtti. Soğuk halde moleküller arasında bir mesafeyi işgal ederek, esnediklerini ve daha büyük bir enerji kaynağına sahip olduklarını söyleyebiliriz. Su molekülleri birbirine yaklaşmaya başladığında, yani soğuma meydana geldiğinde açığa çıkan bu enerji rezervidir. Sıcak suda daha büyük bir enerji kaynağının ve sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazla salınımının, bu tür bir enerji kaynağının daha küçük olduğu soğuk sudan daha hızlı gerçekleştiği ortaya çıktı. Peki hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı? Sokakta ve laboratuvarda Mpemba paradoksu oluşmalı ve sıcak su daha hızlı buza dönüşmelidir.

Ama soru hala açık

Bu ipucunun yalnızca teorik bir doğrulaması var - tüm bunlar güzel formüllerle yazılmış ve makul görünüyor. Ancak suyun daha hızlı donduğu - sıcak veya soğuk - deneysel veriler pratik anlamda ortaya konduğunda ve sonuçları sunulduğunda, o zaman Mpemba paradoksu sorununu kapalı olarak düşünmek mümkün olacaktır.

Birçok araştırmacı, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna dair kendi versiyonlarını ortaya koydu ve koyuyor. Bu bir paradoks gibi görünebilir - sonuçta, donmak için sıcak suyun önce soğuması gerekir. Ancak gerçek devam ediyor ve bilim adamları bunu farklı şekillerde açıklıyor.

Şu anda, bu gerçeği açıklayan birkaç versiyon var:

1. Sıcak suda buharlaşma daha hızlı olduğu için hacmi azalır. Aynı sıcaklıktaki daha az miktarda su daha hızlı donar.
2. Buzdolabının dondurucu bölmesinde kar astarı vardır. İçinde sıcak su bulunan bir kap altındaki karı eritir. Bu, dondurucu ile termal teması iyileştirir.
3. Soğuk suyun donması, sıcaktan farklı olarak yukarıdan başlar. Bu durumda, konveksiyon ve ısı radyasyonu ve dolayısıyla ısı kaybı daha da kötüleşir.
4. Soğuk suda kristalleşme merkezleri vardır - içinde çözünmüş maddeler. Suda küçük bir içerikle buzlanma zordur, ancak aynı zamanda sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı haldeyken hipotermisi de mümkündür.

Adil olmak gerekirse, bu etkinin her zaman gözlenmediği söylenebilir. Soğuk su genellikle sıcak sudan daha hızlı donar.

su hangi sıcaklıkta donar

Su neden donuyor? Belirli miktarda mineral veya organik parçacıklar içerir. Bunlar, örneğin çok ince kum, toz veya kil parçacıkları olabilir. Hava sıcaklığı düştükçe, bu parçacıklar etrafında buz kristallerinin oluştuğu merkezler haline gelir.

Kristalizasyon çekirdeklerinin rolü, su içeren bir kaptaki hava kabarcıkları ve çatlaklar tarafından da gerçekleştirilebilir. Suyu buza dönüştürme işleminin hızı, büyük ölçüde bu tür merkezlerin sayısından etkilenir - eğer birçoğu varsa, sıvı daha hızlı donar. Normal şartlar altında, normal atmosfer basıncında su, 0 derece sıcaklıkta sıvıdan katı hale geçer.

Mpemba etkisinin özü

Mpemba etkisi, özü, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasıdır. Bu fenomen Aristoteles ve Descartes tarafından fark edildi. Ancak, Tanzanya'dan bir okul çocuğu olan Erasto Mpemba'nın sıcak dondurmanın soğuk dondurmadan daha kısa sürede donduğunu belirlemesi 1963 yılına kadar değildi. Yemek yapma görevini yerine getirirken böyle bir sonuca vardı.

Şekeri kaynamış sütte eritmesi ve soğuttuktan sonra donması için buzdolabına koyması gerekiyordu. Görünüşe göre, Mpemba özel bir özenle ayırt edilmedi ve görevin ilk bölümünü geç yapmaya başladı. Bu nedenle sütün soğumasını beklemedi ve sıcak olarak buzdolabına koydu. İşi verilen teknolojiye göre yapan sınıf arkadaşlarından bile daha hızlı donduğunda çok şaşırdı.

Bu gerçek genç adamı çok ilgilendirdi ve sade su ile deneylere başladı. 1969'da Physics Education dergisi, Mpemba ve Dar es Salaam Üniversitesi'nden Profesör Dennis Osborn tarafından yapılan araştırmanın sonuçlarını yayınladı. Tarif ettikleri etkiye Mpemba adı verildi. Ancak, bugün bile fenomen için net bir açıklama yoktur. Tüm bilim adamları, buradaki ana rolün, soğutulmuş ve sıcak suyun özelliklerindeki farklılıklara ait olduğu konusunda hemfikirdir, ancak tam olarak ne olduğu bilinmemektedir.

Singapur versiyonu

Singapur üniversitelerinden birinden fizikçiler de hangi su daha hızlı donar - sıcak mı soğuk mu? Xi Zhang liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu paradoksu tam olarak suyun özellikleriyle açıkladı. Herkes hala okuldan suyun bileşimini biliyor - bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomu. Oksijen bir dereceye kadar elektronları hidrojenden çeker, bu nedenle molekül belirli bir tür "mıknatıs" tır.

Sonuç olarak, sudaki bazı moleküller birbirlerini hafifçe çekerler ve bir hidrojen bağıyla birleşirler. Gücü, kovalent bağdan birçok kez daha düşüktür. Singapurlu araştırmacılar, Mpemba paradoksunun açıklamasının tam olarak hidrojen bağlarında yattığına inanıyor. Su molekülleri birbirine çok yakın 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 geri dönüşü ve en düşük 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.

Anında Su Dondurma - 5 İnanılmaz Numara: Video

Kimya okulda en sevdiğim derslerden biriydi. Bir keresinde bir kimya öğretmeni bize çok garip ve zor bir görev verdi. Bize kimya açısından cevaplamamız gereken soruların bir listesini verdi. Bu görev için bize birkaç gün verildi ve kütüphaneleri ve diğer mevcut bilgi kaynaklarını kullanmamıza izin verildi. Bu sorulardan biri suyun donma noktası ile ilgiliydi. Sorunun kulağa tam olarak nasıl geldiğini hatırlamıyorum, ancak aynı boyutta, biri sıcak suyla, diğeri soğuk suyla (tam olarak belirtilen sıcaklıkta) iki tahta kova alıp yerleştirirseniz gerçekle ilgiliydi. Belirli bir sıcaklığa sahip bir ortamda hangisi daha hızlı donar? Tabii ki, cevap hemen kendini gösterdi - bir kova soğuk su, ama bize çok basit geldi. Ancak bu tam bir cevap vermek için yeterli değildi, bunu kimyasal bir bakış açısıyla kanıtlamamız gerekiyordu. Tüm düşüncelerime ve araştırmalarıma rağmen mantıklı bir sonuca varamadım. O gün bu dersi atlamaya bile karar verdim, bu yüzden bu bilmecenin çözümünü asla bulamadım.

Yıllar geçti ve suyun kaynama noktası ve donma noktası hakkında birçok günlük efsane öğrendim ve bir efsane şöyle dedi: "sıcak su daha hızlı donar." Birçok web sitesine baktım ama bilgiler çok çelişkili. Ve bunlar sadece bilim açısından asılsız görüşlerdi. Ve kendi deneyimimi yürütmeye karar verdim. Tahta kova bulamadığım için derin dondurucu, set üstü ocak, biraz su ve dijital termometre kullandım. Deneyimlerimin sonuçlarından biraz sonra bahsedeceğim. İlk olarak, sizinle su hakkında bazı ilginç argümanları paylaşacağım:

Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Çoğu uzman, soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donacağını söylüyor. Ancak bilinmeyen nedenlerle komik bir fenomen (sözde Memba etkisi) bunun tersini kanıtlıyor: Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Birkaç açıklamadan biri buharlaşma sürecidir: Soğuk bir ortama çok sıcak su konulursa, su buharlaşmaya başlar (kalan su miktarı daha hızlı donar). Ve kimya yasalarına göre, bu hiç de bir efsane değil ve büyük olasılıkla öğretmenin bizden duymak istediği buydu.

Kaynamış su, musluk suyundan daha hızlı donar. Önceki açıklamaya rağmen bazı uzmanlar, oda sıcaklığına kadar soğuyan kaynamış suyun daha hızlı donması gerektiğini çünkü kaynama sonucu oksijen miktarının azaldığını savunuyorlar.

Soğuk su, sıcak sudan daha hızlı kaynar. Sıcak su daha hızlı donarsa, soğuk su daha hızlı kaynayabilir! Bu sağduyuya aykırıdır ve bilim adamları bunun olamayacağını iddia etmektedirler. Sıcak musluk suyu aslında soğuk sudan daha hızlı kaynamalıdır. Ancak kaynatmak için sıcak su kullanmak enerji tasarrufu sağlamaz. Daha az gaz veya elektrik kullanabilirsiniz, ancak şofben, soğuk suyu ısıtmak için gereken enerji miktarını kullanacaktır. (Güneş enerjisi biraz farklıdır.) Suyun şofben ile ısıtılması sonucunda tortu oluşabilir, bu nedenle suyun ısınması daha uzun sürer.

Suya tuz eklerseniz daha hızlı kaynar. Tuz kaynama noktasını arttırır (ve dolayısıyla donma noktasını düşürür - bu nedenle bazı ev kadınları dondurmaya biraz kaya tuzu ekler). Ancak bu durumda başka bir soruyla ilgileniyoruz: su ne kadar kaynar ve bu durumda kaynama noktası 100 ° C'nin üzerine çıkıp çıkamaz). Yemek kitaplarının aksine, bilim adamları kaynayan suya eklediğimiz tuz miktarının kaynama süresini veya sıcaklığını etkilemeye yetmediğini söylüyor.

Ama işte sahip olduğum şey:

Soğuk su: Üç adet 100 ml'lik arıtılmış su cam beher kullandım: bir oda sıcaklığında (72°F/22°C), bir sıcak su (115°F/46°C) ve bir kaynatılmış (212°F/100°) C). Üç bardağı da -18°C'deki dondurucuya yerleştirdim. Ve suyun hemen buza dönüşmeyeceğini bildiğim için donma derecesini "tahta şamandıra" ile belirledim. Bardağın ortasına yerleştirilen çubuk artık tabana değmeyince suyun donmuş olduğuna inandım. Her beş dakikada bir camları kontrol ettim. Ve sonuçlarım neler? İlk bardaktaki su 50 dakika sonra dondu. Sıcak su 80 dakika sonra dondu. Haşlanmış - 95 dakika sonra. Sonuçlarım: Dondurucudaki koşullar ve kullandığım su dikkate alındığında Memba etkisini yeniden oluşturamadım.

Bu deneyi önceden kaynamış, oda sıcaklığına soğutulmuş suyla da denedim. 60 dakikada dondu - yine de donması soğuk sudan daha uzun sürdü.

Kaynamış su: Oda sıcaklığındaki bir litre suyu alıp ateşe verdim. 6 dakikada kaynadı. Sonra tekrar oda sıcaklığına soğutup sıcak olana ekledim. Aynı ateşte sıcak su 4 saat 30 dakikada kaynadı. Sonuç: Beklendiği gibi, sıcak su çok daha hızlı kaynar.

Kaynamış su (tuzlu): 1 litre suya 2 büyük yemek kaşığı sofra tuzu ekledim. 6 dakika 33 saniyede kaynadı ve termometrenin gösterdiği gibi 102°C sıcaklığa ulaştı. Kaynama noktasını tuz etkiler kuşkusuz ama fazla değil. Sonuç: Sudaki tuz, sıcaklığı ve kaynama süresini büyük ölçüde etkilemez. Mutfağımın laboratuvar olarak adlandırılmasının zor olduğunu dürüstçe kabul ediyorum ve belki de vardığım sonuçlar gerçeğe aykırı. Dondurucum yiyecekleri düzensiz bir şekilde dondurabilir. Cam bardaklarım düzensiz olabilir vs. Ama laboratuvarda ne olursa olsun, mutfakta suyun donması veya kaynaması söz konusu olduğunda en önemli şey sağduyudur.

su hakkında ilginç gerçeklerle bağlantı - su hakkında her şey
forum.ixbt.com forumunda önerildiği gibi, bu etki (sıcak suyu soğuk sudan daha hızlı dondurma etkisi) "Aristoteles-Mpemba etkisi" olarak adlandırılır.

Onlar. kaynamış su (soğutulmuş) "ham" sudan daha hızlı donar