Air panas bertukar menjadi ais lebih cepat daripada air sejuk. Kesan mpemba, atau mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Air manakah lebih cepat membeku, sejuk atau panas?“- cuba tanya rakan anda satu soalan, kemungkinan besar kebanyakan mereka akan menjawab bahawa air sejuk membeku lebih cepat - dan mereka akan membuat kesilapan.

Malah, jika anda meletakkan dua bekas yang sama bentuk dan isipadu dalam peti sejuk secara serentak, satu daripadanya mengandungi air sejuk dan satu lagi panas, maka air panaslah yang akan membeku dengan lebih cepat.

Kenyataan sedemikian mungkin kelihatan tidak masuk akal dan tidak munasabah. Kalau ikut logiknya, maka air panas mesti terlebih dahulu menyejukkan ke suhu air sejuk, dan air sejuk sepatutnya sudah bertukar menjadi ais pada masa ini.

Jadi mengapa air panas mengalahkan air sejuk dalam perjalanan ke pembekuan? Mari kita cuba memikirkannya.

Sejarah pemerhatian dan penyelidikan

Orang ramai telah memerhatikan kesan paradoks ini sejak zaman purba, tetapi tiada siapa yang mementingkannya. Oleh itu, Arestotle, serta Rene Descartes dan Francis Bacon, menyatakan dalam nota mereka tentang ketidakselarasan dalam kadar pembekuan air sejuk dan panas. Fenomena luar biasa sering muncul dalam kehidupan seharian.

Untuk masa yang lama, fenomena itu tidak dikaji dalam apa-apa cara dan tidak menimbulkan banyak minat di kalangan saintis.

Kajian mengenai kesan luar biasa ini bermula pada tahun 1963, apabila seorang budak sekolah yang ingin tahu dari Tanzania, Erasto Mpemba, menyedari bahawa susu panas untuk ais krim membeku lebih cepat daripada susu sejuk. Berharap mendapat penjelasan atas sebab-sebab kesan luar biasa itu, pemuda itu bertanya kepada guru fiziknya di sekolah. Namun, guru itu hanya mentertawakannya.

Kemudian, Mpemba mengulangi eksperimen, tetapi dalam eksperimennya dia tidak lagi menggunakan susu, tetapi air, dan kesan paradoks diulang lagi.

6 tahun kemudian, pada tahun 1969, Mpemba bertanya soalan ini kepada profesor fizik Dennis Osborn, yang datang ke sekolahnya. Profesor itu berminat dengan pemerhatian lelaki muda itu, dan sebagai hasilnya, satu eksperimen telah dijalankan yang mengesahkan kehadiran kesannya, tetapi sebab-sebab fenomena ini tidak ditubuhkan.

Sejak itu fenomena itu dipanggil Kesan Mpemba.

Sepanjang sejarah pemerhatian saintifik, banyak hipotesis telah dikemukakan mengenai punca fenomena tersebut.

Jadi pada 2012, British Royal Society of Chemistry akan mengumumkan pertandingan hipotesis yang menerangkan kesan Mpemba. Para saintis dari seluruh dunia mengambil bahagian dalam pertandingan itu; sejumlah 22,000 kertas saintifik telah didaftarkan. Walaupun jumlah artikel yang begitu mengagumkan, tiada satu pun daripada mereka membawa kejelasan kepada paradoks Mpemba.

Versi yang paling biasa adalah mengikut mana air panas membeku lebih cepat, kerana ia hanya menyejat lebih cepat, isipadunya menjadi lebih kecil, dan apabila isipadu berkurangan, kadar penyejukannya meningkat. Versi yang paling biasa akhirnya disangkal kerana percubaan telah dijalankan di mana penyejatan dikecualikan, tetapi kesannya telah disahkan.

Para saintis lain percaya bahawa punca kesan Mpemba adalah penyejatan gas yang dilarutkan dalam air. Pada pendapat mereka, semasa proses pemanasan, gas yang dibubarkan dalam air menguap, yang mana ia memperoleh ketumpatan yang lebih tinggi daripada air sejuk. Seperti yang diketahui, peningkatan ketumpatan membawa kepada perubahan dalam sifat fizikal air (peningkatan kekonduksian terma), dan oleh itu peningkatan dalam kadar penyejukan.

Selain itu, beberapa hipotesis telah dikemukakan yang menerangkan kadar peredaran air bergantung kepada suhu. Banyak kajian telah cuba untuk mewujudkan hubungan antara bahan bekas di mana cecair itu berada. Banyak teori kelihatan sangat munasabah, tetapi ia tidak dapat disahkan secara saintifik kerana kekurangan data awal, percanggahan dalam eksperimen lain, atau kerana faktor yang dikenal pasti tidak dapat dibandingkan dengan kadar penyejukan air. Beberapa saintis dalam karya mereka mempersoalkan kewujudan kesannya.

Pada 2013, penyelidik di Universiti Teknologi Nanyang di Singapura mendakwa telah menyelesaikan misteri kesan Mpemba. Menurut penyelidikan mereka, sebab fenomena itu terletak pada fakta bahawa jumlah tenaga yang disimpan dalam ikatan hidrogen antara molekul air sejuk dan panas adalah berbeza dengan ketara.

Kaedah pemodelan komputer menunjukkan keputusan berikut: semakin tinggi suhu air, semakin besar jarak antara molekul disebabkan oleh fakta bahawa daya tolakan meningkat. Akibatnya, ikatan hidrogen molekul meregang, menyimpan lebih banyak tenaga. Apabila disejukkan, molekul mula bergerak lebih dekat antara satu sama lain, membebaskan tenaga daripada ikatan hidrogen. Dalam kes ini, pelepasan tenaga disertai dengan penurunan suhu.

Pada Oktober 2017, ahli fizik Sepanyol, dalam perjalanan kajian lain, mendapati bahawa peranan utama dalam pembentukan kesan dimainkan oleh penyingkiran bahan daripada keseimbangan (pemanasan kuat sebelum penyejukan kuat). Mereka menentukan keadaan di mana kemungkinan kesan berlaku adalah maksimum. Di samping itu, saintis dari Sepanyol mengesahkan kewujudan kesan Mpemba terbalik. Mereka mendapati bahawa apabila dipanaskan, sampel yang lebih sejuk boleh mencapai suhu tinggi lebih cepat daripada yang lebih panas.

Walaupun maklumat yang komprehensif dan banyak eksperimen, saintis berhasrat untuk terus mengkaji kesannya.

Kesan Mpemba dalam kehidupan sebenar

Pernahkah anda terfikir mengapa pada musim sejuk gelanggang luncur dipenuhi air panas dan tidak sejuk? Seperti yang anda sudah faham, mereka melakukan ini kerana gelanggang luncur yang dipenuhi air panas akan membeku lebih cepat daripada jika ia diisi dengan air sejuk. Atas sebab yang sama, air panas dituangkan ke dalam gelongsor di bandar ais musim sejuk.

Oleh itu, pengetahuan tentang kewujudan fenomena itu membolehkan orang ramai menjimatkan masa ketika menyediakan tapak untuk sukan musim sejuk.

Di samping itu, kesan Mpemba kadangkala digunakan dalam industri untuk mengurangkan masa pembekuan produk, bahan dan bahan yang mengandungi air.

Kesan Mpemba atau mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk? Kesan Mpemba (Mpemba Paradox) ialah paradoks yang menyatakan bahawa air panas dalam beberapa keadaan membeku lebih cepat daripada air sejuk, walaupun ia mesti melepasi suhu air sejuk semasa proses pembekuan. Paradoks ini adalah fakta eksperimen yang bercanggah dengan idea biasa, yang mengikutnya, dalam keadaan yang sama, badan yang lebih panas mengambil lebih banyak masa untuk menyejukkan ke suhu tertentu daripada badan yang kurang panas untuk menyejukkan kepada suhu yang sama. Fenomena ini pernah disedari oleh Aristotle, Francis Bacon dan Rene Descartes, tetapi hanya pada tahun 1963 budak sekolah Tanzania Erasto Mpemba mendapati bahawa campuran ais krim panas membeku lebih cepat daripada yang sejuk. Sebagai pelajar di Sekolah Tinggi Magambi di Tanzania, Erasto Mpemba melakukan kerja amali sebagai tukang masak. Dia perlu membuat ais krim buatan sendiri - susu mendidih, larutkan gula di dalamnya, sejukkan ke suhu bilik, dan kemudian masukkan ke dalam peti sejuk untuk membekukan. Nampaknya, Mpemba bukanlah seorang pelajar yang rajin dan tertangguh menyiapkan bahagian pertama tugas itu. Kerana takut dia tidak berjaya sampai tamat pelajaran, dia meletakkan susu yang masih panas di dalam peti sejuk. Yang mengejutkannya, ia membeku lebih awal daripada susu rakan-rakannya, yang disediakan mengikut teknologi yang diberikan. Selepas ini, Mpemba bereksperimen bukan sahaja dengan susu, tetapi juga dengan air biasa. Walau apa pun, sebagai pelajar di Sekolah Menengah Mkwava, dia bertanya kepada Profesor Dennis Osborne dari Kolej Universiti di Dar Es Salaam (dijemput oleh pengarah sekolah untuk memberi syarahan mengenai fizik kepada pelajar) secara khusus tentang air: “Jika anda mengambil dua bekas yang sama dengan isipadu air yang sama supaya dalam salah satu daripadanya air mempunyai suhu 35°C, dan dalam satu lagi - 100°C, dan masukkannya ke dalam peti sejuk, kemudian pada detik air akan membeku lebih cepat. kenapa?" Osborne mula berminat dengan isu ini dan tidak lama kemudian, pada tahun 1969, dia dan Mpemba menerbitkan hasil eksperimen mereka dalam jurnal Physics Education. Sejak itu, kesan yang mereka temui telah dipanggil kesan Mpemba. Sehingga kini, tiada siapa yang tahu dengan tepat bagaimana untuk menerangkan kesan aneh ini. Para saintis tidak mempunyai satu versi, walaupun terdapat banyak. Ini semua tentang perbezaan dalam sifat air panas dan sejuk, tetapi masih belum jelas sifat mana yang memainkan peranan dalam kes ini: perbezaan dalam penyejukan super, penyejatan, pembentukan ais, perolakan, atau kesan gas cecair pada air pada suhu yang berbeza. Paradoks kesan Mpemba ialah masa semasa badan menyejuk kepada suhu ambien harus berkadar dengan perbezaan suhu antara badan ini dan persekitaran. Undang-undang ini telah ditubuhkan oleh Newton dan sejak itu telah disahkan berkali-kali dalam amalan. Dalam kesan ini, air dengan suhu 100°C menyejukkan kepada suhu 0°C lebih cepat daripada jumlah air yang sama dengan suhu 35°C. Walau bagaimanapun, ini belum lagi membayangkan paradoks, kerana kesan Mpemba boleh dijelaskan dalam rangka kerja fizik yang diketahui. Berikut ialah beberapa penjelasan untuk kesan Mpemba: Penyejatan Air panas menyejat lebih cepat daripada bekas, dengan itu mengurangkan isipadunya, dan isipadu air yang lebih kecil pada suhu yang sama membeku lebih cepat. Air yang dipanaskan hingga 100 C kehilangan 16% jisimnya apabila disejukkan kepada 0 C. Kesan penyejatan ialah kesan berganda. Pertama, jisim air yang diperlukan untuk penyejukan berkurangan. Dan kedua, suhu berkurangan disebabkan oleh fakta bahawa haba penyejatan peralihan dari fasa air ke fasa stim berkurangan. Perbezaan suhu Disebabkan perbezaan suhu antara air panas dan udara sejuk adalah lebih besar, oleh itu pertukaran haba dalam kes ini lebih sengit dan air panas menyejuk lebih cepat. Hipotermia Apabila air sejuk di bawah 0 C, ia tidak sentiasa membeku. Di bawah beberapa keadaan, ia boleh mengalami penyejukan super, terus kekal cair pada suhu di bawah paras beku. Dalam sesetengah kes, air boleh kekal cair walaupun pada suhu -20 C. Sebab untuk kesan ini ialah agar hablur ais pertama mula terbentuk, pusat pembentukan kristal diperlukan. Jika ia tidak terdapat dalam air cecair, maka penyejukan super akan diteruskan sehingga suhu menurun cukup untuk kristal terbentuk secara spontan. Apabila mereka mula terbentuk dalam cecair supercooled, mereka akan mula berkembang lebih cepat, membentuk ais lumpur, yang akan membeku untuk membentuk ais. Air panas paling mudah terdedah kepada hipotermia kerana pemanasan ia menghilangkan gas dan buih terlarut, yang seterusnya boleh berfungsi sebagai pusat pembentukan hablur ais. Mengapakah hipotermia menyebabkan air panas membeku lebih cepat? Dalam kes air sejuk yang tidak supersejuk, perkara berikut berlaku. Dalam kes ini, lapisan nipis ais akan terbentuk di permukaan kapal. Lapisan ais ini akan bertindak sebagai penebat antara air dan udara sejuk dan akan menghalang penyejatan selanjutnya. Kadar pembentukan hablur ais dalam kes ini akan lebih rendah. Dalam kes air panas yang tertakluk kepada penyejukan super, air yang disejukkan tidak mempunyai lapisan permukaan pelindung ais. Oleh itu, ia kehilangan haba dengan lebih cepat melalui bahagian atas terbuka. Apabila proses supercooling berakhir dan air membeku, lebih banyak haba hilang dan oleh itu lebih banyak ais terbentuk. Ramai penyelidik kesan ini menganggap hipotermia sebagai faktor utama dalam kes kesan Mpemba. Perolakan Air sejuk mula membeku dari atas, dengan itu memburukkan lagi proses sinaran haba dan perolakan, dan seterusnya kehilangan haba, manakala air panas mula membeku dari bawah. Kesan ini dijelaskan oleh anomali dalam ketumpatan air. Air mempunyai ketumpatan maksimum pada 4 C. Jika anda menyejukkan air hingga 4 C dan meletakkannya pada suhu yang lebih rendah, lapisan permukaan air akan membeku lebih cepat. Kerana air ini kurang tumpat daripada air pada suhu 4 C, ia akan kekal di permukaan, membentuk lapisan sejuk yang nipis. Di bawah keadaan ini, lapisan nipis ais akan terbentuk di permukaan air dalam masa yang singkat, tetapi lapisan ais ini akan berfungsi sebagai penebat, melindungi lapisan bawah air, yang akan kekal pada suhu 4 C. Oleh itu, proses penyejukan selanjutnya akan menjadi lebih perlahan. Dalam kes air panas, keadaannya berbeza sama sekali. Lapisan permukaan air akan menjadi lebih cepat sejuk disebabkan oleh penyejatan dan perbezaan suhu yang lebih besar. Di samping itu, lapisan air sejuk lebih tumpat daripada lapisan air panas, jadi lapisan air sejuk akan tenggelam ke bawah, menaikkan lapisan air suam ke permukaan. Peredaran air ini memastikan penurunan suhu yang cepat. Tetapi mengapa proses ini tidak mencapai titik keseimbangan? Untuk menerangkan kesan Mpemba dari sudut perolakan ini, adalah perlu untuk mengandaikan bahawa lapisan air sejuk dan panas diasingkan dan proses perolakan itu sendiri berterusan selepas purata suhu air turun di bawah 4 C. Walau bagaimanapun, tidak ada data eksperimen yang akan mengesahkan hipotesis ini bahawa lapisan air sejuk dan panas dipisahkan oleh proses perolakan. Gas terlarut dalam air Air sentiasa mengandungi gas terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas ini mempunyai keupayaan untuk mengurangkan takat beku air. Apabila air dipanaskan, gas-gas ini dibebaskan daripada air kerana keterlarutannya dalam air lebih rendah pada suhu tinggi. Oleh itu, apabila air panas menyejuk, ia sentiasa mengandungi kurang gas terlarut berbanding air sejuk yang tidak dipanaskan. Oleh itu, takat beku air yang dipanaskan adalah lebih tinggi dan ia lebih cepat membeku. Faktor ini kadangkala dianggap sebagai faktor utama dalam menjelaskan kesan Mpemba, walaupun tiada data eksperimen yang mengesahkan fakta ini. Kekonduksian terma Mekanisme ini boleh memainkan peranan penting apabila air diletakkan di dalam peti sejuk peti sejuk dalam bekas kecil. Di bawah keadaan ini, telah diperhatikan bahawa bekas air panas mencairkan ais di dalam peti sejuk di bawahnya, dengan itu meningkatkan sentuhan terma dengan dinding penyejuk beku dan kekonduksian terma. Akibatnya, haba dikeluarkan dari bekas air panas lebih cepat daripada bekas sejuk. Sebaliknya, bekas dengan air sejuk tidak mencairkan salji di bawahnya. Semua keadaan ini (serta lain-lain) telah dikaji dalam banyak eksperimen, tetapi jawapan yang jelas kepada soalan - yang mana antara mereka memberikan seratus peratus pembiakan kesan Mpemba - tidak pernah diperolehi. Sebagai contoh, pada tahun 1995, ahli fizik Jerman David Auerbach mengkaji kesan air penyejukan super terhadap kesan ini. Dia mendapati bahawa air panas, mencapai keadaan supersejuk, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air sejuk, dan oleh itu lebih cepat daripada yang terakhir. Tetapi air sejuk mencapai keadaan supersejuk lebih cepat daripada air panas, dengan itu mengimbangi ketinggalan sebelumnya. Di samping itu, keputusan Auerbach bercanggah dengan data sebelumnya bahawa air panas mampu mencapai penyejukan super yang lebih besar disebabkan oleh pusat penghabluran yang lebih sedikit. Apabila air dipanaskan, gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan daripadanya, dan apabila ia direbus, beberapa garam yang terlarut di dalamnya mendakan. Buat masa ini, hanya satu perkara yang boleh dinyatakan - pembiakan kesan ini dengan ketara bergantung pada keadaan di mana eksperimen dijalankan. Tepat kerana ia tidak selalu dihasilkan semula. O. V. Mosin

Ramai penyelidik telah mengemukakan dan mengemukakan versi mereka sendiri tentang mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Ia kelihatan seperti paradoks - lagipun, untuk membekukan, air panas perlu disejukkan terlebih dahulu. Walau bagaimanapun, fakta itu tetap menjadi fakta, dan saintis menerangkannya dengan cara yang berbeza.

Versi utama

Pada masa ini, terdapat beberapa versi yang menjelaskan fakta ini:

1. Kerana air panas menyejat lebih cepat, isipadunya berkurangan. Dan pembekuan jumlah air yang lebih kecil pada suhu yang sama berlaku lebih cepat.
2. Petak penyejuk beku peti sejuk mempunyai pelapik salji. Bekas yang mengandungi air panas mencairkan salji di bawahnya. Ini meningkatkan sentuhan haba dengan peti sejuk beku.
3. Pembekuan air sejuk, tidak seperti air panas, bermula di bahagian atas. Pada masa yang sama, perolakan dan sinaran haba, dan, akibatnya, kehilangan haba bertambah teruk.
4. Air sejuk mengandungi pusat penghabluran - bahan terlarut di dalamnya. Jika kandungannya dalam air adalah kecil, aising adalah sukar, walaupun pada masa yang sama, penyejukan super mungkin - apabila pada suhu sub-sifar ia mempunyai keadaan cair.

Walaupun secara adil kita boleh mengatakan bahawa kesan ini tidak selalu diperhatikan. Selalunya, air sejuk membeku lebih cepat daripada air panas.

Pada suhu berapakah air membeku

Mengapa air membeku sama sekali? Ia mengandungi sejumlah mineral atau zarah organik. Ini mungkin, sebagai contoh, zarah pasir, habuk atau tanah liat yang sangat kecil. Apabila suhu udara menurun, zarah-zarah ini adalah pusat di sekelilingnya terbentuk hablur ais.

Peranan nukleus penghabluran juga boleh dimainkan oleh gelembung udara dan keretakan dalam bekas yang mengandungi air. Kelajuan proses menukar air menjadi ais sebahagian besarnya dipengaruhi oleh bilangan pusat tersebut - jika terdapat banyak daripada mereka, cecair membeku lebih cepat. Di bawah keadaan biasa, dengan tekanan atmosfera biasa, air bertukar menjadi keadaan pepejal daripada cecair pada suhu 0 darjah.

Intipati kesan Mpemba

Kesan Mpemba adalah paradoks, intipatinya ialah dalam keadaan tertentu, air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Fenomena ini diperhatikan oleh Aristotle dan Descartes. Walau bagaimanapun, pada tahun 1963 barulah budak sekolah Tanzania Erasto Mpemba menentukan bahawa ais krim panas membeku dalam masa yang lebih singkat daripada ais krim sejuk. Dia membuat kesimpulan ini semasa menyiapkan tugasan memasak.

Dia terpaksa melarutkan gula dalam susu rebus dan, setelah menyejukkannya, letakkannya di dalam peti sejuk untuk membekukan. Nampaknya, Mpemba tidak begitu rajin dan mula menyelesaikan bahagian pertama tugas itu lewat. Oleh itu, dia tidak menunggu susu sejuk, dan memasukkannya ke dalam peti sejuk panas. Dia sangat terkejut apabila ia membeku lebih cepat daripada rakan sekelasnya, yang melakukan kerja mengikut teknologi yang diberikan.

Fakta ini sangat menarik minat lelaki muda itu, dan dia memulakan eksperimen dengan air kosong. Pada tahun 1969, jurnal Physics Education menerbitkan hasil penyelidikan oleh Mpemba dan Profesor Dennis Osborne dari Universiti Dar Es Salaam. Kesan yang mereka gambarkan diberi nama Mpemba. Walau bagaimanapun, sehingga hari ini tidak ada penjelasan yang jelas untuk fenomena itu. Semua saintis bersetuju bahawa peranan utama dalam ini adalah milik perbezaan dalam sifat air sejuk dan panas, tetapi apa sebenarnya yang tidak diketahui.

versi Singapura

Ahli fizik dari salah sebuah universiti Singapura juga berminat dengan persoalan air manakah lebih cepat membeku - panas atau sejuk? Satu pasukan penyelidik yang diketuai oleh Xi Zhang menjelaskan paradoks ini dengan tepat oleh sifat-sifat air. Semua orang tahu komposisi air dari sekolah - atom oksigen dan dua atom hidrogen. Oksigen sedikit sebanyak menarik elektron daripada hidrogen, jadi molekul itu adalah sejenis "magnet" tertentu.

Akibatnya, molekul tertentu dalam air sedikit tertarik antara satu sama lain dan disatukan oleh ikatan hidrogen. Kekuatannya berkali-kali lebih rendah daripada ikatan kovalen. Penyelidik Singapura percaya bahawa penjelasan untuk paradoks Mpemba terletak tepat pada ikatan hidrogen. Jika molekul air diletakkan sangat rapat bersama, maka interaksi yang begitu kuat antara molekul boleh mengubah bentuk ikatan kovalen di tengah molekul itu sendiri.

Tetapi apabila air dipanaskan, molekul terikat bergerak sedikit dari satu sama lain. Akibatnya, kelonggaran ikatan kovalen berlaku di tengah-tengah molekul dengan pembebasan tenaga berlebihan dan peralihan ke tahap tenaga yang lebih rendah. Ini membawa kepada fakta bahawa air panas mula sejuk dengan cepat. Sekurang-kurangnya, inilah yang ditunjukkan oleh pengiraan teori yang dijalankan oleh saintis Singapura.

Air membeku serta-merta - 5 helah luar biasa: Video

British Royal Society of Chemistry menawarkan ganjaran £1,000 kepada sesiapa yang boleh menjelaskan secara saintifik mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk dalam beberapa kes.

“Sains moden masih tidak dapat menjawab soalan yang kelihatan mudah ini. Pembuat ais krim dan pelayan bar menggunakan kesan ini dalam kerja harian mereka, tetapi tiada siapa yang benar-benar tahu mengapa ia berkesan. Masalah ini telah diketahui sejak beribu tahun lalu, dengan ahli falsafah seperti Aristotle dan Descartes memikirkannya,” kata Profesor David Phillips, presiden British Royal Society of Chemistry, seperti yang dipetik dalam kenyataan akhbar Society.

Bagaimana seorang tukang masak dari Afrika mengalahkan seorang profesor fizik British

Ini bukan jenaka April Fool, tetapi realiti fizikal yang keras. Sains moden, yang mudah beroperasi dengan galaksi dan lubang hitam, dan membina pemecut gergasi untuk mencari quark dan boson, tidak dapat menjelaskan cara air asas "berfungsi". Buku teks sekolah dengan jelas menyatakan bahawa memerlukan lebih banyak masa untuk menyejukkan badan yang lebih panas daripada menyejukkan badan yang sejuk. Tetapi untuk air, undang-undang ini tidak selalu dipatuhi. Aristotle menarik perhatian kepada paradoks ini pada abad ke-4 SM. e. Inilah yang ditulis oleh orang Yunani kuno dalam bukunya Meteorologica I: “Fakta bahawa air dipanaskan menyebabkan ia membeku. Oleh itu, ramai orang, apabila mereka ingin menyejukkan air panas dengan lebih cepat, mula-mula meletakkannya di bawah sinar matahari...” Pada Zaman Pertengahan, Francis Bacon dan Rene Descartes cuba menjelaskan fenomena ini. Malangnya, ahli falsafah hebat mahupun banyak saintis yang membangunkan termofizik klasik tidak berjaya dalam hal ini, dan oleh itu fakta yang menyusahkan itu "dilupakan" untuk masa yang lama.

Dan hanya pada tahun 1968 mereka "teringat" terima kasih kepada budak sekolah Erasto Mpembe dari Tanzania, jauh dari sebarang sains. Semasa belajar di sekolah seni masakan pada tahun 1963, Mpembe yang berusia 13 tahun diberi tugas membuat ais krim. Menurut teknologi, susu perlu direbus, larutkan gula di dalamnya, sejukkan ke suhu bilik, dan kemudian masukkan ke dalam peti sejuk untuk membekukan. Nampaknya Mpemba bukanlah seorang pelajar yang rajin dan teragak-agak. Kerana takut dia tidak berjaya sampai tamat pelajaran, dia meletakkan susu yang masih panas di dalam peti sejuk. Yang mengejutkannya, ia membeku lebih awal daripada susu rakan-rakannya, disediakan mengikut semua peraturan.

Apabila Mpemba berkongsi penemuannya dengan guru fiziknya, dia mentertawakannya di hadapan seluruh kelas. Mpemba teringat penghinaan itu. Lima tahun kemudian, sudah menjadi pelajar di universiti di Dar es Salaam, dia menghadiri kuliah oleh ahli fizik terkenal Denis G. Osborne. Selepas kuliah, dia bertanya kepada saintis itu soalan: "Jika anda mengambil dua bekas yang sama dengan jumlah air yang sama, satu pada 35 °C (95 °F) dan satu lagi pada 100 °C (212 °F), dan letakkannya. dalam peti ais, maka Air dalam bekas panas akan lebih cepat beku. kenapa?" Anda boleh bayangkan reaksi seorang profesor British terhadap soalan seorang lelaki muda dari Tanzania Godforsaken. Dia mengejek pelajar itu. Bagaimanapun, Mpemba bersedia untuk jawapan sedemikian dan mencabar saintis itu untuk bertaruh. Pertikaian mereka berakhir dengan ujian percubaan yang mengesahkan Mpemba betul dan Osborne kalah. Oleh itu, tukang masak perantis menulis namanya dalam sejarah sains, dan mulai sekarang fenomena ini dipanggil "kesan Mpemba." Adalah mustahil untuk membuangnya, untuk mengisytiharkannya sebagai "tidak wujud". Fenomena itu wujud, dan, seperti yang ditulis oleh penyair, "ia tidak menyakitkan."

Adakah zarah habuk dan bahan larut harus dipersalahkan?

Selama bertahun-tahun, ramai yang cuba merungkai misteri air beku. Sebilangan besar penjelasan untuk fenomena ini telah dicadangkan: penyejatan, perolakan, pengaruh bahan terlarut - tetapi tiada satu pun daripada faktor ini boleh dianggap muktamad. Sebilangan saintis telah menumpukan seluruh hidup mereka untuk kesan Mpemba. James Brownridge, ahli Jabatan Keselamatan Sinaran di Universiti Negeri New York, telah mengkaji paradoks itu pada masa lapangnya selama sedekad. Selepas menjalankan beratus-ratus eksperimen, saintis itu mendakwa mempunyai bukti "rasa bersalah" hipotermia. Brownridge menerangkan bahawa pada 0°C, air hanya menjadi supersejuk, dan mula membeku apabila suhu turun di bawah. Takat beku dikawal oleh kekotoran di dalam air - ia mengubah kadar pembentukan hablur ais. Kekotoran, seperti zarah habuk, bakteria dan garam terlarut, mempunyai suhu nukleasi ciri apabila hablur ais terbentuk di sekitar pusat penghabluran. Apabila beberapa unsur hadir dalam air sekaligus, takat beku ditentukan oleh unsur yang mempunyai suhu nukleasi tertinggi.

Untuk eksperimen, Brownridge mengambil dua sampel air dengan suhu yang sama dan meletakkannya di dalam peti sejuk. Dia mendapati bahawa salah satu spesimen sentiasa membeku sebelum yang lain, mungkin disebabkan oleh gabungan kekotoran yang berbeza.

Brownridge berkata air panas menyejuk lebih cepat kerana terdapat perbezaan yang lebih besar antara suhu air dan penyejuk beku - ini membantu ia mencapai takat bekunya sebelum air sejuk mencapai takat beku semula jadi, iaitu sekurang-kurangnya 5°C lebih rendah.

Walau bagaimanapun, alasan Brownridge menimbulkan banyak persoalan. Oleh itu, mereka yang boleh menerangkan kesan Mpemba dengan cara mereka sendiri mempunyai peluang untuk bersaing untuk mendapatkan seribu pound sterling daripada British Royal Society of Chemistry.

Dalam artikel ini kita akan melihat persoalan mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk.

Air yang dipanaskan membeku lebih cepat daripada air sejuk! Sifat air yang menakjubkan ini, yang mana saintis masih tidak dapat mencari penjelasan yang tepat, telah diketahui sejak zaman purba. Sebagai contoh, walaupun dalam Aristotle terdapat perihalan memancing musim sejuk: nelayan memasukkan pancing ke dalam lubang di dalam ais, dan supaya mereka membeku lebih cepat, mereka menuangkan air suam ke atas ais. Fenomena ini dinamakan sempena Erasto Mpemba pada tahun 60-an abad ke-20. Mnemba melihat kesan aneh semasa membuat ais krim dan berpaling kepada guru fiziknya, Dr Denis Osborne, untuk mendapatkan penjelasan. Mpemba dan Dr. Osborne bereksperimen dengan air pada suhu yang berbeza dan membuat kesimpulan bahawa air yang hampir mendidih mula membeku lebih cepat daripada air pada suhu bilik. Para saintis lain menjalankan eksperimen mereka sendiri dan setiap kali memperoleh keputusan yang sama.

Penjelasan tentang fenomena fizikal

Tiada penjelasan yang diterima umum mengapa ini berlaku. Ramai penyelidik mencadangkan bahawa keseluruhan titik adalah dalam penyejukan super cecair, yang berlaku apabila suhunya jatuh di bawah takat beku. Dalam erti kata lain, jika air membeku pada suhu di bawah 0°C, maka air sejuk super boleh mempunyai suhu, contohnya, -2°C dan masih kekal cair tanpa bertukar menjadi ais. Apabila kita cuba membekukan air sejuk, ada kemungkinan ia akan menjadi supersejuk dan hanya mengeras selepas beberapa ketika. Proses lain berlaku dalam air yang dipanaskan. Perubahan yang lebih cepat menjadi ais dikaitkan dengan perolakan.

Perolakan- ini adalah fenomena fizikal di mana lapisan bawah hangat cecair naik, dan lapisan atas, sejuk, jatuh.