Nampak jelas bahawa air sejuk membeku lebih cepat daripada air panas, kerana dalam keadaan yang sama air panas mengambil masa lebih lama untuk menyejukkan dan seterusnya membeku. Walau bagaimanapun, beribu-ribu tahun pemerhatian, serta eksperimen moden, telah menunjukkan bahawa sebaliknya juga benar: dalam keadaan tertentu, air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Saluran Sains Sciencium menerangkan fenomena ini:
Seperti yang dijelaskan dalam video di atas, fenomena air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk dikenali sebagai kesan Mpemba, dinamakan sempena Erasto Mpemba, seorang pelajar Tanzania yang membuat ais krim sebagai sebahagian daripada projek sekolah pada tahun 1963. Pelajar terpaksa membawa campuran krim dan gula sehingga mendidih, biarkan ia sejuk, dan kemudian masukkan ke dalam peti sejuk.
Sebaliknya, Erasto meletakkan adunannya dengan segera, panas, tanpa menunggu ia sejuk. Akibatnya, selepas 1.5 jam adunannya telah pun beku, tetapi adunan pelajar lain tidak. Tertarik dengan fenomena itu, Mpemba mula mengkaji isu itu dengan profesor fizik Denis Osborne, dan pada tahun 1969 mereka menerbitkan kertas yang menyatakan bahawa air suam membeku lebih cepat daripada air sejuk. Ini adalah kajian semakan sebaya yang pertama seumpamanya, tetapi fenomena itu sendiri disebut dalam karya Aristotle, sejak abad ke-4 SM. e. Francis Bacon dan Descartes juga mencatat fenomena ini dalam kajian mereka.
Video ini menyenaraikan beberapa pilihan untuk menerangkan perkara yang sedang berlaku:
- Frost adalah dielektrik, dan oleh itu air sejuk beku menyimpan haba lebih baik daripada gelas suam, yang mencairkan ais apabila ia bersentuhan dengannya
- Air sejuk mempunyai lebih banyak gas terlarut daripada air suam, dan penyelidik membuat spekulasi bahawa ini mungkin memainkan peranan dalam kadar penyejukan, walaupun masih belum jelas bagaimana
- Air panas kehilangan lebih banyak molekul air melalui penyejatan, jadi terdapat lebih sedikit daripada mereka yang tinggal untuk membeku
- Air suam boleh menyejukkan lebih cepat disebabkan oleh peningkatan arus perolakan. Arus ini berlaku kerana air dalam gelas menyejuk terlebih dahulu pada permukaan dan tepi, menyebabkan air sejuk tenggelam dan air panas naik. Dalam gelas suam, arus perolakan lebih aktif, yang boleh menjejaskan kadar penyejukan.
Walau bagaimanapun, pada tahun 2016, kajian terkawal dengan teliti telah dijalankan yang menunjukkan sebaliknya: air panas membeku jauh lebih perlahan daripada air sejuk. Pada masa yang sama, saintis menyedari bahawa menukar lokasi termokopel - peranti yang menentukan perubahan suhu - dengan hanya satu sentimeter membawa kepada kemunculan kesan Mpemba. Satu kajian kajian lain yang serupa menunjukkan bahawa dalam semua kes di mana kesan ini diperhatikan, terdapat anjakan termokopel dalam satu sentimeter.
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 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 oleh fakta bahawa 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 untuk hablur ais pertama mula terbentuk, pusat pembentukan kristal diperlukan. Jika ia tidak terdapat dalam air cecair, maka penyejukan super akan diteruskan sehingga suhu turun cukup untuk kristal terbentuk secara spontan. Apabila mereka mula terbentuk dalam cecair supercooled, mereka akan mula berkembang lebih cepat, membentuk slush ais, 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 pandangan 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 sejuk dan panas air 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:
- Kerana air panas menyejat lebih cepat, isipadunya berkurangan. Dan pembekuan jumlah air yang lebih kecil pada suhu yang sama berlaku lebih cepat.
- 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.
- 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.
- 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 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
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 cuba fikirkan.
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, mencatatkan dalam nota mereka tentang ketidakkonsistenan 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 pelajar sekolah yang ingin tahu dari Tanzania, Erasto Mpemba, menyedari bahawa susu panas untuk ais krim membeku lebih cepat daripada susu sejuk. Berharap untuk mendapatkan 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 tahun 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 telah 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 diisi dengan 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.
Nampaknya formula lama yang baik H 2 O tidak mengandungi rahsia. Tetapi sebenarnya, air - sumber kehidupan dan cecair paling terkenal di dunia - penuh dengan banyak misteri yang kadang-kadang tidak dapat diselesaikan oleh para saintis.
Berikut adalah 5 fakta paling menarik tentang air:
1. Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk
Mari ambil dua bekas dengan air: tuangkan air panas ke dalam satu, dan air sejuk ke dalam yang lain, dan letakkan di dalam peti sejuk. Air panas akan membeku lebih cepat daripada air sejuk, walaupun secara logiknya, air sejuk sepatutnya bertukar menjadi ais dahulu: lagipun, air panas mesti terlebih dahulu menyejukkan kepada suhu sejuk, dan kemudian bertukar menjadi ais, manakala air sejuk tidak perlu menyejukkan. Kenapa ini terjadi?
Pada tahun 1963, Erasto B. Mpemba, seorang pelajar sekolah menengah di Tanzania, sedang membekukan campuran aiskrim dan mendapati bahawa campuran panas itu lebih cepat memejal di dalam peti sejuk daripada yang sejuk. Apabila pemuda itu berkongsi penemuannya dengan guru fiziknya, dia hanya mentertawakannya. Nasib baik, pelajar itu gigih dan meyakinkan guru untuk menjalankan eksperimen, yang mengesahkan penemuannya: dalam keadaan tertentu, air panas sebenarnya membeku lebih cepat daripada air sejuk.
Kini fenomena air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk dipanggil "kesan Mpemba." Benar, lama sebelum dia sifat unik air ini telah diperhatikan oleh Aristotle, Francis Bacon dan Rene Descartes.
Para saintis masih tidak memahami sepenuhnya sifat fenomena ini, menjelaskannya sama ada dengan perbezaan penyejukan super, penyejatan, pembentukan ais, perolakan, atau oleh kesan gas cecair pada air panas dan sejuk.
Nota daripada X.RU mengenai topik "Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk."
Memandangkan isu penyejukan lebih dekat dengan kami, pakar penyejukan, kami akan membenarkan diri kami menyelidiki lebih mendalam intipati masalah ini dan memberikan dua pendapat tentang sifat fenomena misteri itu.
1. Seorang saintis dari Universiti Washington telah mencadangkan penjelasan untuk fenomena misteri yang diketahui sejak zaman Aristotle: mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk.
Fenomena yang dipanggil kesan Mpemba, digunakan secara meluas dalam amalan. Sebagai contoh, pakar menasihati pemandu untuk menuangkan air sejuk, bukan panas, ke dalam takungan mesin basuh pada musim sejuk. Tetapi apa yang mendasari fenomena ini kekal tidak diketahui untuk masa yang lama.
Dr. Jonathan Katz dari Universiti Washington mengkaji fenomena ini dan membuat kesimpulan bahawa bahan terlarut dalam air, yang mengendap apabila dipanaskan, memainkan peranan penting, lapor EurekAlert.
Dengan bahan terlarut, Dr. Katz bermaksud kalsium dan magnesium bikarbonat, yang terdapat dalam air keras. Apabila air dipanaskan, bahan-bahan ini mendakan, membentuk skala pada dinding cerek. Air yang tidak pernah dipanaskan mengandungi kekotoran ini. Apabila ia membeku dan kristal ais terbentuk, kepekatan kekotoran dalam air meningkat 50 kali ganda. Kerana ini, takat beku air berkurangan. "Dan kini air perlu menyejukkan lagi untuk membeku," jelas Dr. Katz.
Terdapat sebab kedua yang menghalang air yang tidak dipanaskan daripada membeku. Menurunkan takat beku air mengurangkan perbezaan suhu antara fasa pepejal dan cecair. "Oleh kerana kadar air kehilangan haba bergantung pada perbezaan suhu ini, air yang belum dipanaskan menjadi kurang baik," komen Dr. Katz.
Menurut saintis itu, teorinya boleh diuji secara eksperimen, kerana Kesan Mpemba menjadi lebih ketara untuk air yang lebih keras.
2. Oksigen ditambah hidrogen ditambah sejuk menghasilkan ais. Pada pandangan pertama, bahan lutsinar ini kelihatan sangat mudah. Pada hakikatnya, ais penuh dengan banyak misteri. Ais, yang dicipta oleh Afrika Erasto Mpemba, tidak memikirkan kemasyhuran. Hari-hari panas. Dia mahukan popsikel. Dia mengambil kotak jus dan memasukkannya ke dalam peti sejuk beku. Dia melakukan ini lebih daripada sekali dan oleh itu menyedari bahawa jus membeku terutamanya dengan cepat jika anda mula-mula memegangnya di bawah sinar matahari - ia benar-benar memanaskannya! Ini pelik, fikir budak sekolah Tanzania itu, yang bertindak bertentangan dengan kebijaksanaan duniawi. Betul ke supaya cecair bertukar menjadi ais dengan lebih cepat, ia mesti terlebih dahulu... dipanaskan? Pemuda itu sangat terkejut sehingga dia berkongsi tekaannya dengan guru itu. Dia melaporkan rasa ingin tahu ini dalam akhbar.
Kisah ini berlaku pada tahun enam puluhan abad yang lalu. Kini "kesan Mpemba" diketahui ramai saintis. Tetapi untuk masa yang lama fenomena yang kelihatan mudah ini kekal sebagai misteri. Mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk?
Sehingga tahun 1996 ahli fizik David Auerbach menemui penyelesaian. Untuk menjawab soalan ini, dia menjalankan eksperimen selama setahun penuh: dia memanaskan air dalam gelas dan menyejukkannya semula. Jadi apa yang dia dapati? Apabila dipanaskan, gelembung udara yang dilarutkan dalam air tersejat. Air tanpa gas membeku dengan lebih mudah ke dinding kapal. "Sudah tentu, air dengan kandungan udara yang tinggi juga akan membeku," kata Auerbach, "tetapi bukan pada sifar darjah Celsius, tetapi hanya pada tolak empat hingga enam darjah." Sudah tentu, anda perlu menunggu lebih lama. Jadi, air panas membeku sebelum air sejuk, ini adalah fakta saintifik.
Hampir tidak ada bahan yang muncul di hadapan mata kita dengan kemudahan yang sama seperti ais. Ia hanya terdiri daripada molekul air - iaitu molekul asas yang mengandungi dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Walau bagaimanapun, ais mungkin bahan paling misteri di Alam Semesta. Para saintis masih belum dapat menjelaskan beberapa sifatnya.
2. Supercooling dan pembekuan "segera".
Semua orang tahu bahawa air sentiasa bertukar menjadi ais apabila disejukkan hingga 0°C... kecuali dalam beberapa kes! Contohnya ialah "penyejukan super," yang merupakan sifat air yang sangat tulen untuk kekal cair walaupun disejukkan hingga di bawah paras beku. Fenomena ini berlaku kerana persekitaran tidak mengandungi pusat atau nukleus penghabluran yang boleh mencetuskan pembentukan hablur ais. Oleh itu, air kekal dalam bentuk cecair walaupun disejukkan hingga di bawah sifar darjah Celsius. Proses penghabluran boleh dicetuskan, contohnya, oleh gelembung gas, kekotoran (pencemar), atau permukaan bekas yang tidak rata. Tanpa mereka, air akan kekal dalam keadaan cair. Apabila proses penghabluran bermula, anda boleh melihat air yang sangat sejuk serta-merta bertukar menjadi ais.
Tonton video (2,901 KB, 60 saat) daripada Phil Medina (www.mrsciguy.com) dan lihat sendiri >>
Komen. Air panas lampau juga kekal cair walaupun dipanaskan melebihi takat didihnya.
3. Air "kaca".
Dengan cepat dan tanpa berfikir, namakan berapa banyak negeri yang berbeza yang ada pada air?
Jika anda menjawab tiga (pepejal, cecair, gas), maka anda silap. Para saintis mengenal pasti sekurang-kurangnya 5 keadaan air cecair yang berbeza dan 14 keadaan ais.
Ingat perbualan tentang air super sejuk? Jadi, tidak kira apa yang anda lakukan, pada -38 °C walaupun air sejuk super paling tulen tiba-tiba bertukar menjadi ais. Apa yang berlaku dengan penurunan selanjutnya?
suhu? Pada -120 °C sesuatu yang pelik mula berlaku kepada air: ia menjadi sangat likat atau likat, seperti molase, dan pada suhu di bawah -135 °C ia bertukar menjadi air "berkaca" atau "vitreous" - bahan pepejal yang tidak mempunyai struktur kristal. .
4. Sifat kuantum air
Di peringkat molekul, air adalah lebih mengejutkan. Pada tahun 1995, eksperimen penyerakan neutron yang dijalankan oleh saintis membuahkan hasil yang tidak dijangka: ahli fizik mendapati bahawa neutron yang ditujukan kepada molekul air "melihat" 25% kurang proton hidrogen daripada yang dijangkakan.
Ternyata pada kelajuan satu attosaat (10 -18 saat) kesan kuantum yang luar biasa berlaku, dan formula kimia air, bukannya yang biasa - H 2 O, menjadi H 1.5 O!
5. Adakah air mempunyai ingatan?
Homeopati, alternatif kepada perubatan konvensional, menyatakan bahawa larutan ubat yang dicairkan boleh memberi kesan penyembuhan pada badan, walaupun faktor pencairannya sangat besar sehingga tiada apa-apa lagi yang tinggal dalam larutan kecuali molekul air. Penyokong homeopati menerangkan paradoks ini dengan konsep yang dipanggil "ingatan air," mengikut mana air pada tahap molekul mempunyai "ingatan" bahan setelah larut di dalamnya dan mengekalkan sifat larutan kepekatan asal selepas tidak satu pun. molekul bahan kekal di dalamnya.
Sekumpulan saintis antarabangsa yang diketuai oleh Profesor Madeleine Ennis dari Queen's University of Belfast, yang mengkritik prinsip homeopati, menjalankan eksperimen pada tahun 2002 untuk menyangkal konsep ini sekali dan untuk semua. Hasilnya adalah sebaliknya dapat membuktikan realiti kesan "ingatan air" Walau bagaimanapun, eksperimen yang dijalankan di bawah pengawasan pakar bebas tidak membawa sebarang hasil Perdebatan tentang kewujudan fenomena "ingatan air".
Air mempunyai banyak sifat luar biasa lain yang tidak kami bincangkan dalam artikel ini.
kesusasteraan.
1. 5 Perkara Pelik Tentang Air / http://www.neatorama.com.
2. Misteri air: teori kesan Aristotle-Mpemba dicipta / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Rahsia alam yang tidak bernyawa. Bahan paling misteri di alam semesta / http://www.bibliotekar.ru.