يتجمد الماء الساخن في الهواء. لماذا يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد؟ تأثير مبيمبا

21.11.2017 11.10.2018 الكسندر فيرتسيف

« أي الماء يتجمد أسرع، البارد أم الساخن؟"- حاول أن تطرح سؤالاً على أصدقائك، على الأرجح سيجيب معظمهم بأن الماء البارد يتجمد بشكل أسرع - وسوف يرتكبون خطأً.

في الواقع، إذا قمت بوضع وعاءين من نفس الشكل والحجم في الثلاجة في وقت واحد، يحتوي أحدهما على ماء بارد والآخر ساخن، فإن الماء الساخن هو الذي سيتجمد بشكل أسرع.

قد يبدو مثل هذا البيان سخيفًا وغير معقول. إذا اتبعت المنطق، فيجب أن يبرد الماء الساخن أولا إلى درجة حرارة الماء البارد، ويجب أن يتحول الماء البارد بالفعل إلى جليد في هذا الوقت.

فلماذا يتفوق الماء الساخن على الماء البارد في طريقه إلى التجمد؟ دعونا نحاول معرفة ذلك.

تاريخ الملاحظات والبحث

لقد لاحظ الناس هذا التأثير المتناقض منذ العصور القديمة، لكن لم يعلق عليه أحد أهمية كبيرة. وهكذا، أشار أرسطو، وكذلك رينيه ديكارت وفرانسيس بيكون، في ملاحظاتهم إلى التناقضات في معدل تجميد الماء البارد والساخن. غالبًا ما ظهرت ظاهرة غير عادية في الحياة اليومية.

لفترة طويلة لم تتم دراسة هذه الظاهرة بأي شكل من الأشكال ولم تثير اهتمامًا كبيرًا بين العلماء.

بدأت دراسة هذا التأثير غير العادي في عام 1963، عندما لاحظ تلميذ فضولي من تنزانيا، إيراستو مبيمبا، أن الحليب الساخن المخصص للآيس كريم يتجمد بشكل أسرع من الحليب البارد. وعلى أمل الحصول على تفسير لأسباب التأثير غير العادي، سأل الشاب مدرس الفيزياء في المدرسة. ومع ذلك، ضحك المعلم عليه فقط.

لاحقًا، كرر مبيمبا التجربة، لكن في تجربته لم يعد يستخدم الحليب، بل الماء، وتكرر التأثير المتناقض مرة أخرى.

وبعد 6 سنوات، في عام 1969، طرح مبيمبا هذا السؤال على أستاذ الفيزياء دينيس أوزبورن، الذي جاء إلى مدرسته. اهتم الأستاذ بملاحظة الشاب، ونتيجة لذلك أجريت تجربة أكدت وجود التأثير، لكن لم يتم تحديد أسباب هذه الظاهرة.

ومنذ ذلك الحين سميت هذه الظاهرة تأثير مبيمبا.

وطوال تاريخ الملاحظات العلمية، تم طرح العديد من الفرضيات حول أسباب هذه الظاهرة.

لذلك، في عام 2012، أعلنت الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء عن مسابقة للفرضيات التي تشرح تأثير مبيمبا. وشارك في المسابقة علماء من جميع أنحاء العالم، حيث تم تسجيل ما مجموعه 22000 ورقة علمية. على الرغم من هذا العدد الهائل من المقالات، لم يوضح أي منها مفارقة مبيمبا.

كان الإصدار الأكثر شيوعًا هو أن الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع، لأنه ببساطة يتبخر بشكل أسرع، ويصبح حجمه أصغر، ومع انخفاض الحجم، يزداد معدل التبريد. تم دحض النسخة الأكثر شيوعًا في النهاية لأنه تم إجراء تجربة تم فيها استبعاد التبخر، ولكن تم تأكيد التأثير مع ذلك.

ويعتقد علماء آخرون أن سبب تأثير مبيمبا هو تبخر الغازات الذائبة في الماء. في رأيهم، أثناء عملية التسخين، تتبخر الغازات المذابة في الماء، مما يجعلها تكتسب كثافة أعلى من الماء البارد. وكما هو معروف فإن زيادة الكثافة تؤدي إلى تغير في الخواص الفيزيائية للماء (زيادة في التوصيل الحراري)، وبالتالي زيادة في معدل التبريد.

بالإضافة إلى ذلك، تم طرح عدد من الفرضيات التي تصف معدل دوران المياه اعتمادًا على درجة الحرارة. وقد حاولت العديد من الدراسات إثبات العلاقة بين مادة الحاويات التي يوجد فيها السائل. بدت العديد من النظريات معقولة جدًا، لكن لم يكن من الممكن تأكيدها علميًا بسبب نقص البيانات الأولية، أو التناقضات في التجارب الأخرى، أو لأن العوامل المحددة لم تكن ببساطة قابلة للمقارنة مع معدل تبريد الماء. شكك بعض العلماء في أعمالهم في وجود التأثير.

في عام 2013، ادعى الباحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة أنهم حلوا لغز تأثير مبيمبا. وبحسب أبحاثهم فإن سبب هذه الظاهرة يكمن في أن كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء البارد والساخن تختلف بشكل كبير.

أظهرت طرق النمذجة الحاسوبية النتائج التالية: كلما ارتفعت درجة حرارة الماء، زادت المسافة بين الجزيئات بسبب زيادة قوى التنافر. ونتيجة لذلك، تمتد الروابط الهيدروجينية للجزيئات، مما يؤدي إلى تخزين المزيد من الطاقة. عندما تبرد، تبدأ الجزيئات في الاقتراب من بعضها البعض، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة من الروابط الهيدروجينية. في هذه الحالة، يكون إطلاق الطاقة مصحوبًا بانخفاض في درجة الحرارة.

في أكتوبر 2017، وجد الفيزيائيون الإسبان، في سياق دراسة أخرى، أن الدور الرئيسي في تكوين التأثير يلعبه إزالة المادة من التوازن (التسخين القوي قبل التبريد القوي). لقد حددوا الظروف التي يكون فيها احتمال حدوث التأثير هو الحد الأقصى. بالإضافة إلى ذلك، أكد علماء من إسبانيا وجود تأثير مبيمبا العكسي. ووجدوا أنه عند تسخينها، يمكن للعينة الباردة أن تصل إلى درجة حرارة عالية بشكل أسرع من العينة الأكثر دفئا.

وعلى الرغم من المعلومات الشاملة والتجارب العديدة، يعتزم العلماء مواصلة دراسة التأثير.

تأثير Mpemba في الحياة الحقيقية

هل سبق لك أن تساءلت لماذا تمتلئ حلبة التزلج في الشتاء بالماء الساخن وليس البارد؟ كما تفهم بالفعل، فإنهم يفعلون ذلك لأن حلبة التزلج المملوءة بالماء الساخن سوف تتجمد بشكل أسرع مما لو كانت مملوءة بالماء البارد. لنفس السبب، يتم سكب الماء الساخن في الشرائح في مدن الجليد الشتوية.

وبالتالي فإن معرفة وجود الظاهرة تتيح للناس توفير الوقت عند إعداد المواقع لممارسة الرياضات الشتوية.

بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم تأثير مبيمبا أحيانًا في الصناعة لتقليل وقت تجميد المنتجات والمواد والمواد التي تحتوي على الماء.

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في بعض الظروف يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يجب أن يتجاوز درجة حرارة الماء البارد في عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتناقض مع الأفكار المعتادة، والتي بموجبها، في ظل نفس الظروف، يستغرق الجسم الأكثر حرارة وقتًا أطول ليبرد إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالجسم الأقل حرارة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.

وقد لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الظاهرة في وقت واحد، ولكن في عام 1963 فقط اكتشف تلميذ المدرسة التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من الخليط البارد.

عندما كان إيراستو مبيمبا طالبًا في مدرسة ماغامبي الثانوية في تنزانيا، قام بعمل عملي كطاهي. كان بحاجة إلى صنع الآيس كريم محلي الصنع - غلي الحليب، وحل السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا بشكل خاص وتأخر في إكمال الجزء الأول من المهمة. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، فقد تجمد حتى قبل أن يتجمد حليب رفاقه المحضر وفقًا للتقنية المحددة.

بعد ذلك، لم يقم مبيمبا بإجراء التجارب باستخدام الحليب فحسب، بل أيضًا باستخدام الماء العادي. على أية حال، عندما كان طالبًا في مدرسة مكوافا الثانوية، سأل البروفيسور دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعاه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) تحديدًا عن الماء: "إذا أخذت حاويتان متطابقتان بحجم متساوٍ من الماء بحيث تكون درجة حرارة الماء في إحداهما 35 درجة مئوية، وفي الأخرى - 100 درجة مئوية، ووضعهما في الفريزر، ثم في الثانية سوف يتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما نشر هو ومبيمبا في عام 1969 نتائج تجاربهما في مجلة تعليم الفيزياء. ومنذ ذلك الحين، تم تسمية التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.

وحتى الآن، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. ليس لدى العلماء نسخة واحدة، على الرغم من وجود الكثير. الأمر كله يتعلق بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد، ولكن ليس من الواضح بعد ما هي الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الفرق في التبريد الفائق، أو التبخر، أو تكوين الجليد، أو الحمل الحراري، أو تأثير الغازات المسالة على الماء عند درجة حرارة منخفضة. درجات حرارة مختلفة.

المفارقة في تأثير مبيمبا هي أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع الفرق في درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. لقد وضع نيوتن هذا القانون وتم تأكيده عدة مرات منذ ذلك الحين في الممارسة العملية. في هذا التأثير، يبرد الماء الذي درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية أسرع من نفس الكمية من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية.

ومع ذلك، فإن هذا لا يعني وجود مفارقة بعد، حيث يمكن تفسير تأثير مبيمبا في إطار الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:

تبخر

تأثير التبخر هو تأثير مزدوج. أولاً، تتناقص كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً: تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة التبخر للانتقال من الطور المائي إلى الطور البخاري.

الفرق في درجة الحرارة

ونظرًا لأن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر، فإن التبادل الحراري في هذه الحالة يكون أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم

عندما يبرد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية، فإنه لا يتجمد دائمًا. في بعض الظروف، يمكن أن يتعرض للتبريد الفائق، ويستمر في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. في بعض الحالات، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.

والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التشكل، هناك حاجة إلى مراكز تكوين البلورات. إذا لم تكن موجودة في الماء السائل، فسوف يستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية لتكوين البلورات تلقائيًا. عندما تبدأ في التشكل في السائل فائق التبريد، ستبدأ في النمو بشكل أسرع، وتشكل جليدًا ذائبًا، والذي سيتجمد ليشكل جليدًا.

الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض حرارة الجسم لأن تسخينه يزيل الغازات والفقاعات الذائبة، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.

لماذا يؤدي انخفاض حرارة الجسم إلى تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد غير فائق التبريد، يحدث ما يلي. في هذه الحالة، سوف تتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل هذه الطبقة من الجليد كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن المعرض للتبريد الفائق، لا يحتوي الماء فائق التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. ولذلك، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع بكثير من خلال الجزء العلوي المفتوح.

عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي يتكون المزيد من الجليد.

يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.

الحمل الحراري

يبدأ الماء البارد بالتجمد من الأعلى، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة، بينما يبدأ الماء الساخن بالتجمد من الأسفل.

ويفسر هذا التأثير بوجود شذوذ في كثافة الماء. تبلغ كثافة الماء الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في درجة حرارة أقل، فإن الطبقة السطحية من الماء سوف تتجمد بشكل أسرع. ولأن هذا الماء أقل كثافة من الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية، فإنه سيبقى على السطح مكونًا طبقة رقيقة باردة. وفي ظل هذه الظروف، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء خلال فترة قصيرة، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل، حيث تحمي الطبقات السفلية من الماء، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. ولذلك، فإن عملية التبريد الإضافية ستكون أبطأ.

أما في حالة الماء الساخن فالوضع مختلف تماما. سوف تبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر وزيادة اختلاف درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن، وبالتالي فإن طبقة الماء البارد سوف تغوص إلى الأسفل، مما يؤدي إلى رفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن تداول الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.

لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير مبيمبا من وجهة نظر الحمل الحراري، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة منفصلة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية.

ومع ذلك، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة يتم فصلها عن طريق عملية الحمل الحراري.

الغازات الذائبة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. ولهذه الغازات القدرة على تقليل درجة تجمد الماء. عند تسخين الماء، تنطلق هذه الغازات من الماء لأن قابلية ذوبانها في الماء تكون أقل عند درجات الحرارة المرتفعة. لذلك، عندما يبرد الماء الساخن، فإنه يحتوي دائمًا على غازات مذابة أقل من الماء البارد غير المسخن. ولذلك، فإن نقطة تجمد الماء الساخن أعلى ويتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل في بعض الأحيان هو العامل الرئيسي في تفسير تأثير مبيمبا، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

توصيل حراري

تمت دراسة كل هذه الظروف (وكذلك غيرها) في العديد من التجارب، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة مائة بالمائة لتأثير مبيمبا - لم يتم الحصول عليها مطلقًا.

على سبيل المثال، في عام 1995، قام الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ بدراسة تأثير الماء فائق التبريد على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق بشكل أسرع من الماء الساخن، وبالتالي يعوض التأخر السابق.

بالإضافة إلى ذلك، تناقضت نتائج أورباخ مع البيانات السابقة التي تقول إن الماء الساخن كان قادرًا على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب عدد أقل من مراكز التبلور. عند تسخين الماء تخرج منه الغازات الذائبة فيه، وعند غليه تترسب بعض الأملاح الذائبة فيه.

في الوقت الحالي، من الممكن ذكر شيء واحد فقط - إن استنساخ هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

O. V. موسين

الأدبيةمصادر:

"يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. لماذا يتجمد؟"، جيرل ووكر في عالم الهواة، مجلة ساينتفيك أمريكان، المجلد. 237، رقم. 3، ص 246-257؛ سبتمبر 1977.

"تجميد الماء الساخن والبارد"، ج.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 37، لا. 5، ص 564-565؛ مايو 1969.

"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا"، ديفيد أورباخ، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 63، لا. 10، ص 882-885؛ أكتوبر 1995.

"تأثير مبيمبا: أوقات تجمد الماء الساخن والبارد"، تشارلز أ. نايت، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 64، لا. 5، ص 524؛ مايو 1996.

تقدم الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء مكافأة قدرها 1000 جنيه إسترليني لأي شخص يستطيع أن يشرح علميًا سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد في بعض الحالات.

"لا يزال العلم الحديث غير قادر على الإجابة على هذا السؤال الذي يبدو بسيطًا. يستخدم صانعو الآيس كريم والسقاة هذا التأثير في عملهم اليومي، لكن لا أحد يعرف حقًا سبب نجاحه. وقال البروفيسور ديفيد فيليبس، رئيس الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء، كما نقل عنه بيان صحفي للجمعية، إن هذه المشكلة معروفة منذ آلاف السنين، وقد فكر فيها فلاسفة مثل أرسطو وديكارت.

كيف هزم طباخ من أفريقيا أستاذ فيزياء بريطاني

هذه ليست مزحة كذبة إبريل، ولكنها حقيقة مادية قاسية. إن العلم الحديث، الذي يتعامل بسهولة مع المجرات والثقوب السوداء، ويبني مسرعات عملاقة للبحث عن الكواركات والبوزونات، لا يستطيع تفسير كيفية "عمل" الماء الأولي. ينص الكتاب المدرسي بوضوح على أن تبريد الجسم الأكثر سخونة يستغرق وقتًا أطول من تبريد الجسم البارد. ولكن بالنسبة للمياه، لا يتم مراعاة هذا القانون دائما. وقد لفت أرسطو الانتباه إلى هذه المفارقة في القرن الرابع قبل الميلاد. ه. إليكم ما كتبه اليوناني القديم في كتابه Meteorologica I: «إن تسخين الماء مسبقًا يؤدي إلى تجميده. لذلك، كثير من الناس، عندما يريدون تبريد الماء الساخن بشكل أسرع، يضعونه أولاً في الشمس..." في العصور الوسطى، حاول فرانسيس بيكون ورينيه ديكارت تفسير هذه الظاهرة. للأسف، لم يتمكن الفلاسفة العظماء ولا العديد من العلماء الذين طوروا الفيزياء الحرارية الكلاسيكية من تحقيق ذلك، وبالتالي تم "نسيان" هذه الحقيقة المزعجة لفترة طويلة.

وفقط في عام 1968 "تذكروا" بفضل التلميذ إراستو مبيمبي من تنزانيا، بعيدًا عن أي علم. أثناء دراسته في مدرسة فنون الطهي عام 1963، تم تكليف مبيمبي البالغ من العمر 13 عامًا بمهمة صنع الآيس كريم. وبحسب التقنية، كان من الضروري غلي الحليب، وتذويب السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا وكان مترددًا. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، تجمد حتى قبل حليب رفاقه المعد وفقًا لجميع القواعد.

عندما شارك مبيمبا اكتشافه مع مدرس الفيزياء، ضحك عليه أمام الفصل بأكمله. تذكر مبيمبا الإهانة. وبعد خمس سنوات، كان بالفعل طالبًا في جامعة دار السلام، وحضر محاضرة ألقاها الفيزيائي الشهير دينيس جي أوزبورن. بعد المحاضرة، سأل العالم سؤالاً: "إذا أخذت حاويتين متطابقتين بكميتين متساويتين من الماء، إحداهما عند 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) والأخرى عند 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت)، ووضعتهما في مكان واحد". في الفريزر، فإن الماء الموجود في وعاء ساخن سوف يتجمد بشكل أسرع. لماذا؟" ولكم أن تتخيلوا رد فعل أستاذ بريطاني على سؤال من شاب من تنزانيا المهجورة. لقد سخر من الطالب. ومع ذلك، كان مبيمبا جاهزًا لمثل هذه الإجابة وتحدى العالم للمراهنة. انتهى نزاعهم باختبار تجريبي أكد أن مبيمبا كان على حق وهزم أوزبورن. وهكذا كتب الطباخ المتدرب اسمه في تاريخ العلم، ومن الآن فصاعدا تسمى هذه الظاهرة "تأثير مبيمبا". من المستحيل التخلص منها والإعلان عنها على أنها "غير موجودة". الظاهرة موجودة، وكما كتب الشاعر «لا تضر».

هل جزيئات الغبار والمواد المذابة هي المسؤولة؟

على مر السنين، حاول الكثيرون حل لغز تجميد الماء. تم اقتراح مجموعة كاملة من التفسيرات لهذه الظاهرة: التبخر، والحمل الحراري، وتأثير المواد الذائبة - ولكن لا يمكن اعتبار أي من هذه العوامل نهائيًا. لقد كرس عدد من العلماء حياتهم كلها لتأثير مبيمبا. كان جيمس براونريدج، عضو قسم السلامة الإشعاعية بجامعة ولاية نيويورك، يدرس هذه المفارقة في أوقات فراغه لمدة عقد من الزمن. وبعد إجراء مئات التجارب، يزعم العالم أن لديه أدلة على "الذنب" الناجم عن انخفاض حرارة الجسم. يوضح براونريدج أنه عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، يصبح الماء شديد البرودة، ويبدأ في التجمد عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون ذلك. يتم تنظيم نقطة التجمد عن طريق الشوائب الموجودة في الماء - فهي تغير معدل تكوين بلورات الجليد. تتمتع الشوائب، مثل جزيئات الغبار والبكتيريا والأملاح الذائبة، بدرجة حرارة نووية مميزة عندما تتشكل بلورات الجليد حول مراكز التبلور. عند وجود عدة عناصر في الماء في وقت واحد، يتم تحديد نقطة التجمد بواسطة العنصر الذي لديه أعلى درجة حرارة للتنوي.

لإجراء التجربة، أخذ براونريدج عينتين من الماء لهما نفس درجة الحرارة ووضعهما في الثلاجة. واكتشف أن إحدى العينات تتجمد دائمًا قبل الأخرى، ربما بسبب مجموعة مختلفة من الشوائب.

يقول براونريدج إن الماء الساخن يبرد بشكل أسرع لأن هناك فرقًا أكبر بين درجة حرارة الماء والفريزر - وهذا يساعده على الوصول إلى نقطة التجمد قبل أن يصل الماء البارد إلى نقطة التجمد الطبيعية، والتي تكون أقل بمقدار 5 درجات مئوية على الأقل.

ومع ذلك، فإن منطق براونريدج يثير العديد من الأسئلة. ولذلك، فإن أولئك الذين يستطيعون تفسير تأثير مبيمبا بطريقتهم الخاصة لديهم فرصة للتنافس على جائزة ألف جنيه إسترليني من الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء.

في عام 1963، سأل تلميذ تنزاني يُدعى إيراستو مبيمبا معلمه سؤالاً غبيًا - لماذا يتجمد الآيس كريم الدافئ في الثلاجة بشكل أسرع من البارد؟

والتفت إلى مدرس الفيزياء للتوضيح، لكنه لم يكتف بالضحك على الطالب قائلاً: "هذه ليست فيزياء عالمية، بل فيزياء مبيمبا". بعد ذلك، لم يقم مبيمبا بإجراء التجارب باستخدام الحليب فحسب، بل أيضًا باستخدام الماء العادي.

على أية حال، عندما كان طالبًا في مدرسة مكوافا الثانوية، سأل البروفيسور دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعاه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) تحديدًا عن الماء: "إذا أخذت حاويتان متطابقتان بحجم متساوٍ من الماء بحيث تكون درجة حرارة الماء في إحداهما 35 درجة مئوية، وفي الأخرى - 100 درجة مئوية، ووضعهما في الفريزر، ثم في الثانية سوف يتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما نشر هو ومبيمبا في عام 1969 نتائج تجاربهما في مجلة تعليم الفيزياء. ومنذ ذلك الحين، أصبح التأثير الذي اكتشفوه يسمى تأثير مبيمبا.

هل أنت مهتم بمعرفة سبب حدوث ذلك؟ ومنذ سنوات قليلة فقط، تمكن العلماء من تفسير هذه الظاهرة...

تأثير مبيمبا (مفارقة مبيمبا) هو مفارقة تنص على أن الماء الساخن في بعض الظروف يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يجب أن يتجاوز درجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتناقض مع الأفكار المعتادة، والتي بموجبها، في ظل نفس الظروف، يستغرق الجسم الأكثر حرارة وقتًا أطول ليبرد إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالجسم الأقل حرارة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.

وقد لاحظ هذه الظاهرة في عصرهم أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت. وحتى الآن، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. ليس لدى العلماء نسخة واحدة، على الرغم من وجود الكثير. الأمر كله يتعلق بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد، ولكن ليس من الواضح بعد ما هي الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الفرق في التبريد الفائق، أو التبخر، أو تكوين الجليد، أو الحمل الحراري، أو تأثير الغازات المسالة على الماء عند درجة حرارة منخفضة. درجات حرارة مختلفة. المفارقة في تأثير مبيمبا هي أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع الفرق في درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. لقد وضع نيوتن هذا القانون وتم تأكيده عدة مرات منذ ذلك الحين في الممارسة العملية. في هذا التأثير، يبرد الماء الذي درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية أسرع من نفس الكمية من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية.

منذ ذلك الحين، تم التعبير عن إصدارات مختلفة، وكان أحدها على النحو التالي: يتبخر جزء من الماء الساخن أولا، ثم، عندما يبقى أقل، يتجمد الماء بشكل أسرع. أصبح هذا الإصدار بسبب بساطته هو الأكثر شعبية، لكنه لم يرضي العلماء تماما.

الآن يقول فريق من الباحثين من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة، بقيادة الكيميائي شي تشانغ، إنهم حلوا اللغز القديم حول سبب تجمد الماء الدافئ بشكل أسرع من الماء البارد. وكما اكتشف الخبراء الصينيون، فإن السر يكمن في كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

كما تعلم، تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واحدة وذرتين هيدروجين مرتبطتين معًا بروابط تساهمية، والتي تبدو على مستوى الجسيمات وكأنها تبادل للإلكترونات. والحقيقة الأخرى المعروفة هي أن ذرات الهيدروجين تنجذب إلى ذرات الأكسجين من الجزيئات المجاورة، مما يؤدي إلى تكوين روابط هيدروجينية.

وفي الوقت نفسه، تتنافر جزيئات الماء بشكل عام مع بعضها البعض. لاحظ علماء من سنغافورة: كلما كان الماء أكثر دفئا، كلما زادت المسافة بين جزيئات السائل بسبب زيادة قوى التنافر. ونتيجة لذلك، تتمدد الروابط الهيدروجينية وبالتالي تخزن المزيد من الطاقة. يتم إطلاق هذه الطاقة عندما يبرد الماء، حيث تقترب الجزيئات من بعضها البعض. وإطلاق الطاقة كما هو معروف يعني التبريد.

فيما يلي الافتراضات التي طرحها العلماء:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية، وبالتالي يقلل حجمه، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع. الماء الذي يتم تسخينه إلى 100 درجة مئوية يفقد 16% من كتلته عند تبريده إلى درجة 0 درجة مئوية. تأثير التبخر هو تأثير مزدوج. أولاً، تتناقص كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً بسبب التبخر تنخفض درجة حرارته.

الفرق في درجة الحرارة

انخفاض حرارة الجسم
عندما يبرد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية فإنه لا يتجمد دائمًا. في بعض الظروف، يمكن أن يتعرض للتبريد الفائق، ويستمر في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. في بعض الحالات، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية. والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التشكل، هناك حاجة إلى مراكز تكوين البلورات. إذا لم تكن موجودة في الماء السائل، فسوف يستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية لتكوين البلورات تلقائيًا. عندما تبدأ في التشكل في السائل فائق التبريد، ستبدأ في النمو بشكل أسرع، وتشكل جليدًا ذائبًا، والذي سيتجمد ليشكل جليدًا. الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض حرارة الجسم لأن تسخينه يزيل الغازات والفقاعات الذائبة، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد. لماذا يؤدي انخفاض حرارة الجسم إلى تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ وفي حالة الماء البارد غير فائق البرودة، فإن ما يحدث هو أن طبقة رقيقة من الجليد تتشكل على سطحه، والتي تعمل بمثابة عازل بين الماء والهواء البارد، وبالتالي تمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن المعرض للتبريد الفائق، لا يحتوي الماء فائق التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. ولذلك، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع بكثير من خلال الجزء العلوي المفتوح. عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي يتكون المزيد من الجليد. يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.
الحمل الحراري

يبدأ الماء البارد بالتجمد من الأعلى، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة، بينما يبدأ الماء الساخن بالتجمد من الأسفل. ويفسر هذا التأثير بوجود شذوذ في كثافة الماء. تبلغ كثافة الماء أقصى كثافة عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعه في بيئة ذات درجة حرارة أقل، فإن الطبقة السطحية من الماء سوف تتجمد بشكل أسرع. ولأن هذا الماء أقل كثافة من الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية، فإنه سيبقى على السطح مكونًا طبقة رقيقة باردة. في ظل هذه الظروف ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء خلال فترة قصيرة، إلا أن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل، حيث تحمي الطبقات السفلية من الماء، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. . ولذلك، فإن عملية التبريد الإضافية ستكون أبطأ. أما في حالة الماء الساخن فالوضع مختلف تماما. سوف تبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر وزيادة اختلاف درجات الحرارة. كما أن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن، وبالتالي فإن طبقة الماء البارد ستغرق للأسفل، فترتفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن تداول الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة. لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير مبيمبا من وجهة نظر الحمل الحراري، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة منفصلة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية. ومع ذلك، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة يتم فصلها عن طريق عملية الحمل الحراري.

الغازات الذائبة في الماء

توصيل حراري

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عند وضع الماء في حجرة الثلاجة والفريزر في حاويات صغيرة. وفي ظل هذه الظروف لوحظ أن وعاء من الماء الساخن يذيب الجليد الموجود في الفريزر الموجود أسفله، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري مع جدار الفريزر والتوصيل الحراري. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن بشكل أسرع من وعاء الماء البارد. وفي المقابل، فإن وعاء به ماء بارد لا يذيب الثلج الموجود تحته. تمت دراسة كل هذه الظروف (وكذلك غيرها) في العديد من التجارب، ولكن لم يتم الحصول على إجابة لا لبس فيها على السؤال - أي منها يضمن إعادة إنتاج تأثير مبيمبا بنسبة 100٪ - لم يتم الحصول عليها أبدًا. على سبيل المثال، في عام 1995، قام الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ بدراسة تأثير الماء فائق التبريد على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق بشكل أسرع من الماء الساخن، وبالتالي يعوض التأخر السابق. بالإضافة إلى ذلك، تناقضت نتائج أورباخ مع البيانات السابقة التي تقول إن الماء الساخن كان قادرًا على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب عدد أقل من مراكز التبلور. عند تسخين الماء تخرج منه الغازات الذائبة فيه، وعند غليه تترسب بعض الأملاح الذائبة فيه. في الوقت الحالي، يمكن ذكر شيء واحد فقط: إن استنساخ هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

ولكن كما يقولون، السبب الأكثر احتمالا.

كما كتب الكيميائيون في مقالتهم، والتي يمكن العثور عليها على موقع ما قبل الطباعة arXiv.org، فإن الروابط الهيدروجينية أقوى في الماء الساخن منها في الماء البارد. وهكذا، اتضح أنه يتم تخزين المزيد من الطاقة في الروابط الهيدروجينية للماء الساخن، مما يعني إطلاق المزيد منها عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر. لهذا السبب، يحدث التصلب بشكل أسرع.

حتى الآن، تمكن العلماء من حل هذا اللغز من الناحية النظرية فقط. عندما يقدمون أدلة مقنعة على نسختهم، يمكن اعتبار مسألة لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد مغلقة.

ماء- مادة بسيطة إلى حد ما من وجهة نظر كيميائية، ومع ذلك، فهي تحتوي على عدد من الخصائص غير العادية التي لا تتوقف أبدا عن مفاجأة العلماء. وفيما يلي بعض الحقائق التي يعرفها عدد قليل من الناس.

1. أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟

لنأخذ حاويتين من الماء: نسكب الماء الساخن في إحداهما والماء البارد في الأخرى ونضعهما في الثلاجة. سوف يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه من المنطقي أن يتحول الماء البارد إلى جليد أولاً: بعد كل شيء، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة الحرارة الباردة، ثم يتحول إلى ثلج، في حين أن الماء البارد لا يحتاج إلى التبريد. لماذا يحدث هذا؟

في عام 1963، لاحظ طالب تنزاني يُدعى إيراستو ب. مبيمبا، أثناء تجميد خليط الآيس كريم، أن الخليط الساخن يتجمد في الفريزر بشكل أسرع من الخليط البارد. وعندما شارك الشاب اكتشافه مع مدرس الفيزياء، لم يفعل سوى الضحك عليه. لحسن الحظ، كان الطالب مثابرا وأقنع المعلم بإجراء تجربة، مما أكد اكتشافه: في ظل ظروف معينة، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.

الآن هذه الظاهرة المتمثلة في تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد تسمى " تأثير مبيمبا" صحيح أن أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت لاحظوا هذه الخاصية الفريدة للمياه قبله بفترة طويلة.

ولا يزال العلماء لا يفهمون طبيعة هذه الظاهرة بشكل كامل، ويفسرونها إما بالاختلاف في التبريد الفائق أو التبخر أو تكوين الجليد أو الحمل الحراري، أو بتأثير الغازات المسالة على الماء الساخن والبارد.

2. يمكن أن يتجمد على الفور

الجميع يعرف هذا ماءيتحول دائمًا إلى ثلج عند تبريده إلى 0 درجة مئوية... مع بعض الاستثناءات! مثال على مثل هذه الحالة هو التبريد الفائق، وهي خاصية الماء النقي جدًا ليظل سائلاً حتى عند تبريده إلى ما دون درجة التجمد. هذه الظاهرة أصبحت ممكنة بسبب حقيقة أن البيئة لا تحتوي على مراكز أو نوى تبلور يمكن أن تؤدي إلى تكوين بلورات الجليد. وهكذا يبقى الماء في حالته السائلة حتى عند تبريده إلى ما دون الصفر المئوي.

عملية التبلوريمكن أن يكون سببها، على سبيل المثال، فقاعات الغاز أو الشوائب (الملوثات) أو السطح غير المستوي للحاوية. وبدونها سيبقى الماء في حالة سائلة. عندما تبدأ عملية التبلور، يمكنك مشاهدة الماء فائق التبريد يتحول على الفور إلى ثلج.

لاحظ أن الماء "المسخن" يظل أيضًا سائلاً حتى عند تسخينه فوق نقطة الغليان.

3. 19 ولاية للمياه

دون تردد، اذكر عدد الحالات المختلفة التي يوجد بها الماء؟ إذا أجبت على ثلاثة: صلب، سائل، غاز، فأنت مخطئ. ويميز العلماء ما لا يقل عن 5 حالات مختلفة للمياه في الحالة السائلة و14 حالة في الحالة المجمدة.

هل تتذكر المحادثة حول الماء فائق البرودة؟ لذلك، بغض النظر عما تفعله، عند درجة حرارة -38 درجة مئوية، حتى أنقى المياه شديدة البرودة سوف تتحول فجأة إلى ثلج. ماذا سيحدث مع انخفاض درجة الحرارة أكثر؟ عند -120 درجة مئوية، يبدأ شيء غريب بالحدوث للماء: يصبح شديد اللزوجة أو لزجًا، مثل دبس السكر، وعند درجات حرارة أقل من -135 درجة مئوية، يتحول إلى ماء "زجاجي" أو "زجاجي" - وهي مادة صلبة تفتقر إلى البنية البلورية. .

4. الماء يفاجئ الفيزيائيين

على المستوى الجزيئي، يعتبر الماء أكثر إثارة للدهشة. في عام 1995، أسفرت تجربة تشتت النيوترونات التي أجراها العلماء عن نتيجة غير متوقعة: اكتشف الفيزيائيون أن النيوترونات التي تستهدف جزيئات الماء "ترى" بروتونات هيدروجين أقل بنسبة 25٪ من المتوقع.

اتضح أنه عند سرعة واحد أتوثانية (10 - 18 ثانية) يحدث تأثير كمي غير عادي، وبدلاً من ذلك الصيغة الكيميائية للماء ماء، يصبح H1.5O!

5. ذاكرة الماء

بديل للطب الرسمي علاج بالمواد الطبيعيةينص على أن المحلول المخفف للدواء يمكن أن يكون له تأثير علاجي على الجسم، حتى لو كان عامل التخفيف كبيرًا لدرجة أنه لا يتبقى في المحلول سوى جزيئات الماء. يشرح أنصار المعالجة المثلية هذه المفارقة بمفهوم يسمى " ذاكرة الماء"، والتي بموجبها يحتوي الماء على المستوى الجزيئي على "ذاكرة" للمادة التي كانت مذابة فيه ذات يوم ويحتفظ بخصائص محلول التركيز الأصلي بعد عدم بقاء جزيء واحد من المكون فيه.

أجرى فريق دولي من العلماء بقيادة البروفيسور مادلين إينيس من جامعة كوينز في بلفاست، والذي انتقد مبادئ المعالجة المثلية، تجربة في عام 2002 لدحض المفهوم نهائيًا. وكانت النتيجة عكس ذلك. وبعد ذلك ذكر العلماء أنهم تمكنوا من إثبات حقيقة التأثير “ ذاكرة الماء" إلا أن التجارب التي أجريت تحت إشراف خبراء مستقلين لم تسفر عن نتائج. خلافات حول وجود الظاهرة " ذاكرة الماء"يكمل.

وللماء العديد من الخصائص الأخرى غير العادية التي لم نتحدث عنها في هذا المقال. على سبيل المثال، تتغير كثافة الماء حسب درجة الحرارة (كثافة الجليد أقل من كثافة الماء)؛ الماء لديه توتر سطحي مرتفع إلى حد ما. في الحالة السائلة، يكون الماء عبارة عن شبكة معقدة ومتغيرة ديناميكيًا من مجموعات المياه، وسلوك المجموعات هو الذي يؤثر على بنية الماء، وما إلى ذلك.

حول هذه والعديد من الميزات الأخرى غير المتوقعة ماءيمكن قراءتها في المقال " خصائص غير طبيعية للمياه"، تأليف مارتن شابلن، الأستاذ بجامعة لندن.