21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev
« Hvilket vann fryser raskere, kaldt eller varmt?"- prøv å stille vennene dine et spørsmål, mest sannsynlig vil de fleste av dem svare at kaldt vann fryser raskere - og de vil gjøre en feil.
Faktisk, hvis du samtidig plasserer to kar med samme form og volum i fryseren, hvorav det ene inneholder kaldt vann og det andre varmt, så er det det varme vannet som vil fryse raskere.
En slik uttalelse kan virke absurd og urimelig. Hvis du følger logikken, må varmt vann først kjøles ned til temperaturen til kaldt vann, og kaldt vann bør allerede bli til is på dette tidspunktet.
Så hvorfor slår varmt vann kaldt vann på vei til å fryse? La oss prøve å finne ut av det.
Observasjons- og forskningshistorie
Folk har observert denne paradoksale effekten siden antikken, men ingen la stor vekt på den. Således bemerket Arestoteles, så vel som Rene Descartes og Francis Bacon, i sine notater inkonsekvensene i hastigheten på frysing av kaldt og varmt vann. Et uvanlig fenomen dukket ofte opp i hverdagen.
I lang tid ble fenomenet ikke studert på noen måte og vekket ikke mye interesse blant forskere.
Studiet av denne uvanlige effekten begynte i 1963, da en nysgjerrig skolegutt fra Tanzania, Erasto Mpemba, la merke til at varm melk til is frøs raskere enn kald melk. I håp om å få en forklaring på årsakene til den uvanlige effekten, spurte den unge mannen sin fysiklærer på skolen. Men læreren bare lo av ham.
Senere gjentok Mpemba eksperimentet, men i eksperimentet sitt brukte han ikke lenger melk, men vann, og den paradoksale effekten ble gjentatt igjen.
6 år senere, i 1969, stilte Mpemba dette spørsmålet til fysikkprofessor Dennis Osborn, som kom til skolen hans. Professoren var interessert i den unge mannens observasjon, og som et resultat ble det utført et eksperiment som bekreftet tilstedeværelsen av effekten, men årsakene til dette fenomenet ble ikke etablert.
Siden den gang har fenomenet blitt kalt Mpemba-effekt.
Gjennom historien til vitenskapelige observasjoner har det blitt fremsatt mange hypoteser om årsakene til fenomenet.
Så i 2012 ville British Royal Society of Chemistry kunngjøre en konkurranse med hypoteser som forklarer Mpemba-effekten. Forskere fra hele verden deltok i konkurransen i alt 22 000 vitenskapelige artikler. Til tross for et så imponerende antall artikler, brakte ingen av dem klarhet i Mpemba-paradokset.
Den vanligste versjonen var ifølge hvilken varmtvann fryser raskere, siden det ganske enkelt fordamper raskere, volumet blir mindre, og når volumet reduseres, øker kjølehastigheten. Den vanligste versjonen ble til slutt tilbakevist fordi det ble utført et eksperiment der fordampning ble utelukket, men effekten ble likevel bekreftet.
Andre forskere mente at årsaken til Mpemba-effekten var fordampning av gasser oppløst i vann. Etter deres mening, under oppvarmingsprosessen, fordamper gasser oppløst i vann, på grunn av hvilket det får en høyere tetthet enn kaldt vann. Som kjent fører en økning i tetthet til en endring i de fysiske egenskapene til vann (en økning i termisk ledningsevne), og derfor en økning i kjølehastigheten.
I tillegg er det fremsatt en rekke hypoteser som beskriver hastigheten på vannsirkulasjonen avhengig av temperatur. Mange studier har forsøkt å etablere forholdet mellom materialet i beholderne der væsken var plassert. Mange teorier virket veldig plausible, men de kunne ikke bekreftes vitenskapelig på grunn av mangel på innledende data, motsetninger i andre eksperimenter, eller fordi de identifiserte faktorene rett og slett ikke var sammenlignbare med avkjølingshastigheten til vann. Noen forskere i sine arbeider stilte spørsmål ved eksistensen av effekten.
I 2013 hevdet forskere ved Nanyang Technological University i Singapore å ha løst mysteriet med Mpemba-effekten. I følge deres forskning ligger årsaken til fenomenet i det faktum at mengden energi som er lagret i hydrogenbindinger mellom kaldt- og varmtvannsmolekyler er vesentlig forskjellig.
Datamodelleringsmetoder viste følgende resultater: jo høyere vanntemperatur, jo større avstand mellom molekylene på grunn av at frastøtende krefter øker. Følgelig strekker hydrogenbindingene til molekyler seg og lagrer mer energi. Når de er avkjølt, begynner molekylene å bevege seg nærmere hverandre, og frigjør energi fra hydrogenbindinger. I dette tilfellet er frigjøringen av energi ledsaget av en reduksjon i temperaturen.
I oktober 2017 fant spanske fysikere, i løpet av en annen studie, at en stor rolle i dannelsen av effekten spilles av fjerning av et stoff fra likevekt (sterk oppvarming før sterk avkjøling). De bestemte forholdene under hvilke sannsynligheten for at effekten oppstår er maksimal. I tillegg bekreftet forskere fra Spania eksistensen av den omvendte Mpemba-effekten. De fant at når den varmes opp, kan en kaldere prøve nå en høy temperatur raskere enn en varmere.
Til tross for omfattende informasjon og mange eksperimenter, har forskerne til hensikt å fortsette å studere effekten.
Mpemba-effekt i det virkelige liv
Har du noen gang lurt på hvorfor skøytebanen om vinteren er fylt med varmt vann og ikke kaldt? Som du allerede forstår, gjør de dette fordi en skøytebane fylt med varmt vann vil fryse raskere enn om den var fylt med kaldt vann. Av samme grunn helles varmt vann i skliene i vinterisbyer.
Dermed lar kunnskap om fenomenets eksistens folk spare tid når de forbereder nettsteder for vintersport.
I tillegg brukes Mpemba-effekten noen ganger i industrien for å redusere frysetiden for produkter, stoffer og materialer som inneholder vann.
Mpemba-effekt(Mpembas paradoks) - et paradoks som sier at varmt vann under noen forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann i ferd med å fryse. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en mer oppvarmet kropp bruker lengre tid på å avkjøles til en viss temperatur under de samme forholdene enn en mindre oppvarmet kropp å avkjøles til samme temperatur.
Dette fenomenet ble lagt merke til en gang av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men det var først i 1963 at den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba oppdaget at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald.
Som elev ved Magambi High School i Tanzania gjorde Erasto Mpemba praktisk arbeid som kokk. Han trengte å lage hjemmelaget iskrem - kok opp melk, løs opp sukker i den, avkjøl den til romtemperatur og legg den deretter i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og forsinket å fullføre den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville klare seg innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til den gitte teknologien.
Etter dette eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med vanlig vann. I alle fall, allerede som student ved Mkwava Secondary School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (invitert av skoledirektøren til å holde et foredrag om fysikk for studentene) spesifikt om vann: «Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at i en av dem har vannet en temperatur på 35 °C, og i den andre - 100 °C, og sett dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor? Osborne ble interessert i denne utgaven, og snart, i 1969, publiserte han og Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet Physics Education. Siden den gang har effekten de oppdaget blitt kalt Mpemba-effekt.
Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer.
Paradokset med Mpemba-effekten er at tiden en kropp kjøles ned til omgivelsestemperaturen skal være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og omgivelsene. Denne loven ble etablert av Newton og har siden blitt bekreftet mange ganger i praksis. I denne effekten avkjøles vann med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C raskere enn samme mengde vann med en temperatur på 35°C.
Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten kan forklares innenfor rammen av kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten:
Fordampning
Varmt vann fordamper raskere fra beholderen, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann ved samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C.
Fordampningseffekten er en dobbel effekt. For det første reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar.
Temperaturforskjell
På grunn av det faktum at temperaturforskjellen mellom varmt vann og kald luft er større, er derfor varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og varmtvannet avkjøles raskere.
Hypotermi
Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under noen forhold kan den gjennomgå superkjøling, og fortsette å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved en temperatur på –20 C.
Årsaken til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs krystalldannelsessentre. Hvis de ikke er tilstede i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller kan dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere og danne slush ice, som vil fryse til is.
Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det fjerner oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller.
Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? Ved kaldt vann som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og den kalde luften og vil hindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller vil i dette tilfellet være lavere. Når det gjelder varmt vann som er utsatt for underkjøling, har ikke det underkjølte vannet et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen.
Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is.
Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten.
Konveksjon
Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed varmetapet, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra.
Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget med vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved en temperatur på 4 C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av vannet i løpet av kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator og beskytte de nedre vannlagene, som forblir ved en temperatur på 4 C. Derfor vil videre kjøleprosess gå langsommere.
Når det gjelder varmt vann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. I tillegg er kaldtvannslag tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og heve varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen.
Men hvorfor når ikke denne prosessen et likevektspunkt? For å forklare Mpemba-effekten fra dette synspunktet til konveksjon, ville det være nødvendig å anta at de kalde og varme vannlagene er separert og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at den gjennomsnittlige vanntemperaturen faller under 4 C.
Imidlertid er det ingen eksperimentelle bevis som støtter denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles ved konveksjonsprosessen.
Gasser oppløst i vann
Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å redusere frysepunktet til vann. Når vann varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann er lavere ved høye temperaturer. Derfor, når varmt vann avkjøles, inneholder det alltid mindre oppløste gasser enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum.
Termisk ledningsevne
Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i kjølerommet fryseren i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at en beholder med varmt vann smelter isen i fryseren under, og derved forbedrer termisk kontakt med fryserveggen og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra en varmtvannsbeholder raskere enn fra en kald. På sin side smelter ikke en beholder med kaldt vann snøen under.
Alle disse (så vel som andre) tilstander ble studert i mange eksperimenter, men et klart svar på spørsmålet – hvilken av dem som gir hundre prosent reproduksjon av Mpemba-effekten – ble aldri oppnådd.
For eksempel, i 1995, studerte den tyske fysikeren David Auerbach effekten av superkjølende vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en superkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når en superkjølt tilstand raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep.
I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann var i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gasser som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det.
Foreløpig kan bare én ting sies - reproduksjonen av denne effekten avhenger betydelig av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis.
O.V. Mosin
Litterærkilder:
"Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. Hvorfor gjør det det?", Jearl Walker i The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, s. 246-257; september, 1977.
"Frysingen av varmt og kaldt vann", G.S. Kell i American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, s. 564-565; mai, 1969.
"Superkjøling og Mpemba-effekten", David Auerbach, i American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, s. 882-885; oktober 1995.
"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, i American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, s 524; mai, 1996.
British Royal Society of Chemistry tilbyr en belønning på £1000 til alle som vitenskapelig kan forklare hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann i noen tilfeller.
"Moderne vitenskap kan fortsatt ikke svare på dette tilsynelatende enkle spørsmålet. Iskremmakere og bartendere bruker denne effekten i sitt daglige arbeid, men ingen vet egentlig hvorfor det fungerer. Dette problemet har vært kjent i årtusener, med filosofer som Aristoteles og Descartes som har tenkt på det, sier professor David Phillips, president for British Royal Society of Chemistry, sitert i en pressemelding fra Society.
Hvordan en kokk fra Afrika beseiret en britisk fysikkprofessor
Dette er ikke en aprilsnarr, men en hard fysisk virkelighet. Moderne vitenskap, som enkelt opererer med galakser og sorte hull, og bygger gigantiske akseleratorer for å søke etter kvarker og bosoner, kan ikke forklare hvordan elementært vann «fungerer». Skoleboka sier tydelig at det tar mer tid å avkjøle en varmere kropp enn å avkjøle en kald kropp. Men for vann overholdes ikke alltid denne loven. Aristoteles trakk oppmerksomheten til dette paradokset på 400-tallet f.Kr. e. Her er hva den gamle grekeren skrev i sin bok Meteorologica I: «Det faktum at vann blir forvarmet får det til å fryse. Derfor er det mange mennesker, når de ønsker å avkjøle varmt vann raskere, først setter det i solen...» I middelalderen forsøkte Francis Bacon og Rene Descartes å forklare dette fenomenet. Dessverre, verken de store filosofene eller de mange forskerne som utviklet klassisk termofysikk lyktes med dette, og derfor ble et så ubeleilig faktum "glemt" i lang tid.
Og først i 1968 "husket" de takket være skolegutten Erasto Mpembe fra Tanzania, langt fra noen vitenskap. Mens han studerte ved kulinarisk kunstskole i 1963, fikk 13 år gamle Mpembe i oppgave å lage is. I følge teknologien var det nødvendig å koke melk, oppløse sukker i den, avkjøle den til romtemperatur og deretter sette den i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en flittig student og nølte. I frykt for at han ikke ville klare seg innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til alle reglene.
Da Mpemba delte oppdagelsen sin med fysiklæreren sin, lo han av ham foran hele klassen. Mpemba husket fornærmelsen. Fem år senere, allerede student ved universitetet i Dar es Salaam, deltok han på et foredrag av den kjente fysikeren Denis G. Osborne. Etter forelesningen stilte han forskeren et spørsmål: «Hvis du tar to identiske beholdere med like mengder vann, en ved 35 °C (95 °F) og den andre ved 100 °C (212 °F), og plasserer dem i fryseren, da vil Vann i en varm beholder fryse raskere. Hvorfor?" Du kan forestille deg reaksjonen til en britisk professor på et spørsmål fra en ung mann fra Gudforlatt Tanzania. Han gjorde narr av studenten. Mpemba var imidlertid klar for et slikt svar og utfordret forskeren til et veddemål. Tvisten deres endte med en eksperimentell test som bekreftet at Mpemba hadde rett og Osborne beseiret. Dermed skrev kokkelærlingen navnet sitt i vitenskapens historie, og fra nå av kalles dette fenomenet "Mpemba-effekten." Det er umulig å forkaste det, å erklære det som "ikke-eksisterende". Fenomenet eksisterer, og som dikteren skrev, "det gjør ikke vondt."
Har støvpartikler og oppløste stoffer skylden?
Gjennom årene har mange forsøkt å løse mysteriet med iskaldt vann. En hel haug med forklaringer på dette fenomenet har blitt foreslått: fordampning, konveksjon, påvirkning av oppløste stoffer - men ingen av disse faktorene kan betraktes som definitive. En rekke forskere har viet hele livet til Mpemba-effekten. James Brownridge, medlem av Institutt for strålesikkerhet ved State University of New York, har studert paradokset på fritiden i et tiår. Etter å ha utført hundrevis av eksperimenter, hevder forskeren å ha bevis på "skylden" til hypotermi. Brownridge forklarer at ved 0°C blir vann bare superkjølt, og begynner å fryse når temperaturen synker under. Frysepunktet reguleres av urenheter i vannet - de endrer hastigheten på dannelsen av iskrystaller. Urenheter, som støvpartikler, bakterier og oppløste salter, har en karakteristisk kjernedannelsestemperatur når iskrystaller dannes rundt krystalliseringssentre. Når flere grunnstoffer er tilstede i vann samtidig, bestemmes frysepunktet av den som har høyest kjernedannelsestemperatur.
For eksperimentet tok Brownridge to vannprøver med samme temperatur og plasserte dem i fryseren. Han oppdaget at en av prøvene alltid frøs før den andre, antagelig på grunn av en annen kombinasjon av urenheter.
Brownridge sier at varmt vann avkjøles raskere fordi det er større forskjell mellom temperaturen på vannet og fryseren – dette hjelper det å nå frysepunktet før kaldt vann når det naturlige frysepunktet, som er minst 5°C lavere.
Brownridges resonnement reiser imidlertid mange spørsmål. Derfor har de som kan forklare Mpemba-effekten på sin egen måte en sjanse til å konkurrere om tusen pund sterling fra British Royal Society of Chemistry.
I 1963 stilte en tanzanisk skolegutt ved navn Erasto Mpemba læreren et dumt spørsmål – hvorfor frøs den varme isen i fryseren raskere enn den kalde?
Som elev ved Magambi High School i Tanzania gjorde Erasto Mpemba praktisk arbeid som kokk. Han trengte å lage hjemmelaget iskrem - kok opp melk, løs opp sukker i den, avkjøl den til romtemperatur og legg den deretter i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og forsinket å fullføre den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville klare det innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til den gitte teknologien.
Han henvendte seg til fysikklæreren for å få avklaring, men han lo bare av studenten og sa følgende: "Dette er ikke universell fysikk, men Mpemba-fysikk." Etter dette eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med vanlig vann.
I alle fall, allerede som student ved Mkwava Secondary School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (invitert av skoledirektøren til å holde et foredrag om fysikk for studentene) spesifikt om vann: «Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at i en av dem har vannet en temperatur på 35 °C, og i den andre - 100 °C, og sett dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor?" Osborne ble interessert i denne utgaven, og snart, i 1969, publiserte han og Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet Physics Education. Siden den gang har effekten de oppdaget blitt kalt Mpemba-effekten.
Er du interessert i å vite hvorfor dette skjer? For bare noen få år siden klarte forskere å forklare dette fenomenet...
Mpemba-effekten (Mpemba Paradox) er et paradoks som sier at varmt vann under noen forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann under fryseprosessen. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en mer oppvarmet kropp bruker lengre tid på å avkjøles til en viss temperatur under de samme forholdene enn en mindre oppvarmet kropp å avkjøles til samme temperatur.
Dette fenomenet ble lagt merke til i sin tid av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes. Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer. Paradokset med Mpemba-effekten er at tiden en kropp kjøles ned til omgivelsestemperaturen skal være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og omgivelsene. Denne loven ble etablert av Newton og har siden blitt bekreftet mange ganger i praksis. I denne effekten avkjøles vann med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C raskere enn samme mengde vann med en temperatur på 35°C.
Siden den gang har forskjellige versjoner blitt uttrykt, hvorav den ene var som følger: en del av det varme vannet fordamper først ganske enkelt, og deretter, når mindre av det gjenstår, fryser vannet raskere. Denne versjonen, på grunn av sin enkelhet, ble den mest populære, men tilfredsstilte ikke forskere helt.
Nå sier et team av forskere fra Nanyang Technological University i Singapore, ledet av kjemikeren Xi Zhang, at de har løst det eldgamle mysteriet om hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. Som kinesiske eksperter har funnet ut, ligger hemmeligheten i mengden energi som er lagret i hydrogenbindinger mellom vannmolekyler.
Vannmolekyler består som kjent av ett oksygenatom og to hydrogenatomer holdt sammen av kovalente bindinger, som på partikkelnivå ser ut som en utveksling av elektroner. Et annet velkjent faktum er at hydrogenatomer tiltrekkes av oksygenatomer fra nabomolekyler - hydrogenbindinger dannes.
Samtidig frastøter vannmolekyler hverandre generelt. Forskere fra Singapore la merke til: jo varmere vannet er, jo større er avstanden mellom væskens molekyler på grunn av en økning i frastøtende krefter. Som et resultat blir hydrogenbindinger strukket og lagrer derfor mer energi. Denne energien frigjøres når vannet avkjøles – molekylene beveger seg nærmere hverandre. Og frigjøring av energi betyr som kjent avkjøling.
Her er forutsetningene fremsatt av forskere:
Fordampning
Varmt vann fordamper raskere fra beholderen, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann ved samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 °C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 °C. Fordampningseffekten er en dobbel effekt. For det første reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre, på grunn av fordampning, synker temperaturen.
Temperaturforskjell
På grunn av det faktum at temperaturforskjellen mellom varmt vann og kald luft er større, er derfor varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og varmtvannet avkjøles raskere.
Hypotermi
Når vannet avkjøles under 0°C fryser det ikke alltid. Under noen forhold kan den gjennomgå superkjøling, og fortsette å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved en temperatur på -20°C. Årsaken til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs krystalldannelsessentre. Hvis de ikke er tilstede i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller kan dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere og danne slush ice, som vil fryse til is. Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det fjerner oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller. Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? Ved kaldt vann som ikke er superkjølt skjer følgende: Det dannes et tynt lag is på overflaten som fungerer som en isolator mellom vannet og den kalde luften, og dermed hindrer ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller vil i dette tilfellet være lavere. Når det gjelder varmt vann som er utsatt for underkjøling, har ikke det underkjølte vannet et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen. Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is. Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten.
Konveksjon
Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed varmetapet, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra. Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har sin maksimale tetthet ved 4°C. Hvis du avkjøler vann til 4°C og plasserer det i et miljø med lavere temperatur, vil overflatelaget med vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved 4°C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av vannet i løpet av kort tid, men dette islaget vil fungere som en isolator og beskytte de nedre vannlagene, som forblir ved en temperatur på 4°C . Derfor vil den videre kjøleprosessen gå langsommere. Når det gjelder varmt vann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. Kaldtvannslag er også tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og bringe varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen. Men hvorfor når ikke denne prosessen et likevektspunkt? For å forklare Mpemba-effekten fra konveksjonssynspunktet, ville det være nødvendig å anta at de kalde og varme lagene av vann er separert og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at den gjennomsnittlige vanntemperaturen faller under 4 ° C. Imidlertid er det ingen eksperimentelle bevis som støtter denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles ved konveksjonsprosessen.
Gasser oppløst i vann
Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å redusere frysepunktet til vann. Når vann varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann er lavere ved høye temperaturer. Derfor, når varmt vann avkjøles, inneholder det alltid mindre oppløste gasser enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum.
Termisk ledningsevne
Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i kjølerommet fryseren i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at en beholder med varmt vann smelter isen i fryseren under, og derved forbedrer termisk kontakt med fryserveggen og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra en varmtvannsbeholder raskere enn fra en kald. På sin side smelter ikke en beholder med kaldt vann snøen under. Alle disse (så vel som andre) tilstander ble studert i mange eksperimenter, men et entydig svar på spørsmålet – hvilken av dem som sikrer 100 % reproduksjon av Mpemba-effekten – ble aldri oppnådd. For eksempel, i 1995, studerte den tyske fysikeren David Auerbach effekten av superkjølende vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en superkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når en superkjølt tilstand raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep. I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann var i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gasser som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det. Foreløpig kan bare én ting sies: reproduksjonen av denne effekten avhenger betydelig av forholdene eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis.
Men som de sier, den mest sannsynlige grunnen.
Som kjemikerne skriver i artikkelen sin, som finnes på preprint-nettstedet arXiv.org, er hydrogenbindinger sterkere i varmt vann enn i kaldt vann. Dermed viser det seg at det lagres mer energi i hydrogenbindingene til varmtvann, noe som gjør at mer av det frigjøres ved avkjøling til minusgrader. Av denne grunn skjer herding raskere.
Til dags dato har forskere løst dette mysteriet bare teoretisk. Når de presenterer overbevisende bevis for sin versjon, kan spørsmålet om hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann anses som lukket.
Vann- et ganske enkelt stoff fra et kjemisk synspunkt, men det har en rekke uvanlige egenskaper som aldri slutter å forbløffe forskere. Nedenfor er noen få fakta som få mennesker vet om.
1. Hvilket vann fryser raskere - kaldt eller varmt?
La oss ta to beholdere med vann: hell varmt vann i den ene og kaldt vann i den andre, og sett dem i fryseren. Varmt vann vil fryse raskere enn kaldt vann, selv om kaldt vann logisk sett burde ha blitt til is først: varmt vann må tross alt først avkjøles til den kalde temperaturen, og deretter bli til is, mens kaldt vann ikke trenger å avkjøles. Hvorfor skjer dette?
I 1963 la en tanzanisk student ved navn Erasto B. Mpemba, mens han fryser en iskremblanding, merke til at den varme blandingen størknet raskere i fryseren enn den kalde. Da den unge mannen delte oppdagelsen sin med fysiklæreren sin, lo han bare av ham. Heldigvis var studenten utholdende og overbeviste læreren om å gjennomføre et eksperiment, som bekreftet oppdagelsen hans: under visse forhold fryser varmt vann faktisk raskere enn kaldt vann.
Nå kalles dette fenomenet med varmt vann som fryser raskere enn kaldt vann " Mpemba-effekt" Sant nok, lenge før ham ble denne unike egenskapen til vann bemerket av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes.
Forskere forstår fortsatt ikke helt naturen til dette fenomenet, og forklarer det enten med forskjellen i superkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller ved effekten av flytende gasser på varmt og kaldt vann.
2. Den kan fryse umiddelbart
Det vet alle vann blir alltid til is når den avkjøles til 0°C... med noen unntak! Et eksempel på et slikt tilfelle er superkjøling, som er egenskapen til svært rent vann for å forbli flytende selv når det er avkjølt til under frysepunktet. Dette fenomenet er gjort mulig på grunn av det faktum at miljøet ikke inneholder sentre eller krystallisasjonskjerner som kan utløse dannelsen av iskrystaller. Så vann forblir i flytende form selv når det avkjøles til under null grader Celsius.
Krystalliseringsprosess kan for eksempel være forårsaket av gassbobler, urenheter (forurensninger) eller en ujevn overflate på beholderen. Uten dem vil vannet forbli i flytende tilstand. Når krystalliseringsprosessen starter, kan du se det superkjølte vannet umiddelbart bli til is.
Merk at "overopphetet" vann også forblir flytende selv når det varmes opp over kokepunktet.
3. 19 vanntilstander
Nevn uten å nøle hvor mange forskjellige tilstander vann har? Hvis du svarte tre: fast, flytende, gass, så tok du feil. Forskere skiller minst 5 forskjellige tilstander av vann i flytende form og 14 tilstander i frossen form.
Husker du samtalen om superkjølt vann? Så uansett hva du gjør, ved -38 °C vil selv det reneste superkjølte vannet plutselig bli til is. Hva vil skje når temperaturen synker ytterligere? Ved -120 °C begynner noe rart å skje med vann: det blir superviskøst eller viskøst, som melasse, og ved temperaturer under -135 °C blir det til "glasaktig" eller "glasaktig" vann - et fast stoff som mangler krystallinsk struktur.
4. Vann overrasker fysikere
På molekylært nivå er vann enda mer overraskende. I 1995 ga et nøytronspredningseksperiment utført av forskere et uventet resultat: fysikere oppdaget at nøytroner rettet mot vannmolekyler "ser" 25 % færre hydrogenprotoner enn forventet.
Det viste seg at med en hastighet på ett attosekund (10 -18 sekunder) finner en uvanlig kvanteeffekt sted, og den kjemiske formelen til vann i stedet H2O, blir H1,5O!
5. Vannminne
Alternativ til offisiell medisin homeopati sier at en fortynnet løsning av et medikament kan ha en terapeutisk effekt på kroppen, selv om fortynningsfaktoren er så stor at det ikke er noe igjen i løsningen bortsett fra vannmolekyler. Tilhengere av homeopati forklarer dette paradokset med et konsept kalt " vannminne", ifølge hvilket vann på molekylært nivå har et "minne" av stoffet som en gang ble oppløst i det og beholder egenskapene til løsningen av den opprinnelige konsentrasjonen etter at ikke et eneste molekyl av ingrediensen er igjen i det.
Et internasjonalt team av forskere ledet av professor Madeleine Ennis fra Queen's University of Belfast, som hadde kritisert prinsippene for homeopati, gjennomførte et eksperiment i 2002 for å motbevise konseptet en gang for alle. Resultatet ble det motsatte. Deretter uttalte forskere at de var i stand til å bevise virkeligheten av effekten " vannminne" Eksperimenter utført under tilsyn av uavhengige eksperter ga imidlertid ikke resultater. Tvister om eksistensen av fenomenet " vannminne"fortsetter.
Vann har mange andre uvanlige egenskaper som vi ikke snakket om i denne artikkelen. For eksempel endres tettheten av vann avhengig av temperatur (tettheten av is er mindre enn tettheten til vann); vann har en ganske høy overflatespenning; i flytende tilstand er vann et komplekst og dynamisk skiftende nettverk av vannklynger, og det er oppførselen til klyngene som påvirker strukturen til vannet osv.
Om disse og mange andre uventede funksjoner vann kan leses i artikkelen " Unormale egenskaper til vann", forfattet av Martin Chaplin, professor ved University of London.