Gorąca woda zamarza w powietrzu. Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda? Efekt Mpemby

21.11.2017 11.10.2018 Aleksander Firtsew

« Która woda zamarza szybciej – zimna czy gorąca?„- spróbuj zadać pytanie znajomym, najprawdopodobniej większość z nich odpowie, że zimna woda zamarza szybciej - i popełnią błąd.

Tak naprawdę, jeśli jednocześnie umieścisz w zamrażarce dwa naczynia o tym samym kształcie i objętości, z których jedno zawiera zimną wodę, a drugie gorącą, to gorąca woda zamarznie szybciej.

Takie stwierdzenie może wydawać się absurdalne i nieuzasadnione. Jeśli kierować się logiką, to gorąca woda musi najpierw ostygnąć do temperatury zimnej wody, a zimna woda powinna już w tym momencie zamienić się w lód.

Dlaczego więc gorąca woda pokonuje zimną wodę w drodze do zamarzania? Spróbujmy to rozgryźć.

Historia obserwacji i badań

Ludzie obserwowali ten paradoksalny efekt od czasów starożytnych, ale nikt nie przywiązywał do niego większej wagi. I tak Arestoteles, a także Rene Descartes i Francis Bacon zauważyli w swoich notatkach niespójności w szybkości zamarzania zimnej i gorącej wody. W życiu codziennym często pojawiało się niezwykłe zjawisko.

Przez długi czas zjawisko to nie było w żaden sposób badane i nie budziło dużego zainteresowania naukowców.

Badania nad tym niezwykłym efektem rozpoczęły się w 1963 roku, kiedy dociekliwy uczeń z Tanzanii, Erasto Mpemba, zauważył, że gorące mleko do lodów zamarza szybciej niż zimne. Mając nadzieję na wyjaśnienie przyczyn niezwykłego efektu, młody człowiek zapytał swojego nauczyciela fizyki w szkole. Jednak nauczyciel tylko się z niego roześmiał.

Później Mpemba powtórzył eksperyment, ale w swoim eksperymencie nie używał już mleka, lecz wodę i paradoksalny efekt powtórzył się ponownie.

6 lat później, w 1969 roku, Mpemba zadał to pytanie profesorowi fizyki Dennisowi Osbornowi, który przyszedł do jego szkoły. Profesora zainteresowały obserwacje młodego człowieka, w wyniku czego przeprowadzono eksperyment, który potwierdził obecność efektu, ale nie ustalono przyczyn tego zjawiska.

Od tego czasu zjawisko to nazwano Efekt Mpemby.

W historii obserwacji naukowych wysunięto wiele hipotez na temat przyczyn tego zjawiska.

Dlatego w 2012 roku Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemii ogłosiło konkurs hipotez wyjaśniających efekt Mpemby. W konkursie wzięli udział naukowcy z całego świata, łącznie zgłoszono 22 000 prac naukowych. Pomimo tak imponującej liczby artykułów, żaden z nich nie wyjaśnił paradoksu Mpemby.

Najpopularniejszą wersją była ta, zgodnie z którą gorąca woda zamarza szybciej, ponieważ po prostu szybciej odparowuje, jej objętość staje się mniejsza, a wraz ze spadkiem objętości wzrasta szybkość jej chłodzenia. Najbardziej popularna wersja została ostatecznie odrzucona, ponieważ przeprowadzono eksperyment, w którym wykluczono parowanie, ale mimo to efekt został potwierdzony.

Inni naukowcy uważali, że przyczyną efektu Mpemby było parowanie gazów rozpuszczonych w wodzie. Ich zdaniem podczas procesu podgrzewania rozpuszczone w wodzie gazy odparowują, dzięki czemu nabiera ona większej gęstości niż zimna woda. Jak wiadomo, wzrost gęstości prowadzi do zmiany właściwości fizycznych wody (wzrost przewodności cieplnej), a co za tym idzie, do wzrostu szybkości chłodzenia.

Ponadto wysunięto szereg hipotez opisujących szybkość cyrkulacji wody w zależności od temperatury. W wielu badaniach podjęto próbę ustalenia zależności pomiędzy materiałem pojemników, w których znajdowała się ciecz. Wiele teorii wydawało się bardzo prawdopodobnych, jednak nie udało się ich potwierdzić naukowo ze względu na brak wstępnych danych, sprzeczności w innych eksperymentach lub dlatego, że zidentyfikowane czynniki po prostu nie były porównywalne z szybkością chłodzenia wody. Niektórzy naukowcy w swoich pracach kwestionowali istnienie efektu.

W 2013 roku naukowcy z Nanyang Technological University w Singapurze ogłosili, że rozwiązali zagadkę efektu Mpemby. Według ich badań przyczyną tego zjawiska jest fakt, że ilość energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych pomiędzy cząsteczkami zimnej i gorącej wody znacznie się różni.

Metody modelowania komputerowego dały następujące wyniki: im wyższa temperatura wody, tym większa odległość między cząsteczkami ze względu na wzrost sił odpychania. W rezultacie wiązania wodorowe cząsteczek rozciągają się, magazynując więcej energii. Po ochłodzeniu cząsteczki zaczynają zbliżać się do siebie, uwalniając energię z wiązań wodorowych. W tym przypadku uwolnieniu energii towarzyszy spadek temperatury.

W październiku 2017 roku hiszpańscy fizycy w trakcie innego badania odkryli, że główną rolę w powstaniu efektu odgrywa wyprowadzenie substancji ze stanu równowagi (silne ogrzewanie przed mocnym ochłodzeniem). Określili warunki, w których prawdopodobieństwo wystąpienia efektu jest największe. Ponadto naukowcy z Hiszpanii potwierdzili istnienie odwrotnego efektu Mpemby. Odkryli, że po podgrzaniu zimniejsza próbka może osiągnąć wyższą temperaturę szybciej niż cieplejsza.

Pomimo wyczerpujących informacji i licznych eksperymentów naukowcy zamierzają kontynuować badania tego efektu.

Efekt Mpemby w prawdziwym życiu

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego zimą lodowisko jest wypełnione gorącą wodą, a nie zimną? Jak już rozumiesz, robią to, ponieważ lodowisko wypełnione gorącą wodą zamarza szybciej, niż gdyby było napełnione zimną wodą. Z tego samego powodu w zimowych miasteczkach lodowych do zjeżdżalni wlewa się gorącą wodę.

Tym samym wiedza o istnieniu zjawiska pozwala zaoszczędzić czas przy przygotowywaniu miejsc do uprawiania sportów zimowych.

Ponadto efekt Mpemby jest czasami stosowany w przemyśle w celu skrócenia czasu zamrażania produktów, substancji i materiałów zawierających wodę.

Efekt Mpemby(Paradoks Mpemby) – paradoks mówiący, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż zimna woda, choć w procesie zamarzania musi przekroczyć temperaturę zimnej wody. Paradoks ten jest faktem eksperymentalnym, który zaprzecza utartym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach bardziej ogrzane ciało potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie się do określonej temperatury niż mniej ogrzane ciało, aby ochłodzić się do tej samej temperatury.

Zjawisko to zauważyli kiedyś Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, ale dopiero w 1963 roku uczeń z Tanzanii Erasto Mpemba odkrył, że gorąca mieszanka lodów zamarza szybciej niż zimna.

Jako uczeń Magambi High School w Tanzanii Erasto Mpemba wykonywał praktyczną pracę jako kucharz. Musiał zrobić domowe lody - zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, ochłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki, aby zamrozić. Najwyraźniej Mpemba nie był uczniem szczególnie pilnym i zwlekał z wykonaniem pierwszej części zadania. W obawie, że nie zdąży do końca lekcji, włożył do lodówki jeszcze gorące mleko. Ku jego zdziwieniu zamarzło ono nawet wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według podanej technologii.

Następnie Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą. W każdym razie już jako uczeń Liceum Mkwava zapytał profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar Es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły, aby wygłosił dla uczniów wykład z fizyki) konkretnie o wodę: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą objętością wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim 100°C i włóż je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej. Dlaczego?" Osborne zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce, w 1969 roku, wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od tego czasu odkryty przez nich efekt został nazwany Efekt Mpemby.

Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wyjaśnić ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, choć jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji czy wpływie skroplonych gazów na wodę w temperaturze różne temperatury.

Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas schładzania ciała do temperatury otoczenia powinien być proporcjonalny do różnicy temperatur pomiędzy tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W efekcie woda o temperaturze 100°C ochładza się do temperatury o 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Nie oznacza to jednak jeszcze paradoksu, ponieważ efekt Mpemby można wyjaśnić w ramach znanej fizyki. Oto kilka wyjaśnień efektu Mpemby:

Odparowanie

Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym swoją objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej. Woda ogrzana do 100 C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0 C.

Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, temperatura spada, ponieważ zmniejsza się ciepło parowania przejścia z fazy wodnej do fazy parowej.

Różnica temperatur

Ze względu na to, że różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą a zimnym powietrzem jest większa, dlatego wymiana ciepła w tym przypadku jest bardziej intensywna, a gorąca woda szybciej się wychładza.

Hipotermia

Kiedy woda ochładza się poniżej 0 C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulec przechłodzeniu, pozostając płynnym w temperaturach poniżej zera. W niektórych przypadkach woda może pozostać w stanie ciekłym nawet w temperaturze –20 C.

Powodem tego efektu jest to, że aby zaczęły tworzyć się pierwsze kryształki lodu, potrzebne są centra ich tworzenia. Jeśli nie są one obecne w wodzie w stanie ciekłym, wówczas przechłodzenie będzie kontynuowane, aż temperatura spadnie na tyle, aby kryształy utworzyły się spontanicznie. Kiedy zaczną się tworzyć w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lód pośniegowy, który zamarznie, tworząc lód.

Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie usuwa rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako ośrodki tworzenia się kryształków lodu.

Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, dzieje się co następuje. W takim przypadku na powierzchni naczynia utworzy się cienka warstwa lodu. Ta warstwa lodu będzie działać jako izolator między wodą a zimnym powietrzem i zapobiegnie dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia się kryształków lodu w tym przypadku będzie niższa. W przypadku gorącej wody poddanej przechłodzeniu, przechłodzona woda nie posiada ochronnej warstwy powierzchniowej lodu. Dlatego przez otwarty dach traci ciepło znacznie szybciej.

Kiedy proces przechłodzenia kończy się i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, w związku z czym tworzy się więcej lodu.

Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.

Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając w ten sposób procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu.

Efekt ten tłumaczy się anomalią w gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4 C. Jeśli schłodzisz wodę do 4 C i ustawisz ją na niższą temperaturę, powierzchniowa warstwa wody zamarznie szybciej. Ponieważ woda ta ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 4 C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką, zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody w krótkim czasie utworzy się cienka warstwa lodu, która jednak będzie pełnić funkcję izolatora, chroniąc dolne warstwy wody, które utrzymają temperaturę 4°C. Dlatego dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy.

W przypadku ciepłej wody sytuacja jest zupełnie inna. Powierzchniowa warstwa wody schładza się szybciej w wyniku parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, podnosząc warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury.

Ale dlaczego proces ten nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z tego punktu widzenia konwekcji, należałoby założyć, że zimna i gorąca warstwa wody oddzielają się, a sam proces konwekcji trwa dalej, gdy średnia temperatura wody spadnie poniżej 4 C.

Nie ma jednak dowodów eksperymentalnych potwierdzających tę hipotezę, że zimne i gorące warstwy wody oddzielają się w procesie konwekcji.

Gazy rozpuszczone w wodzie

Woda zawsze zawiera rozpuszczone w niej gazy – tlen i dwutlenek węgla. Gazy te mają zdolność obniżania temperatury zamarzania wody. Podczas podgrzewania wody gazy te są uwalniane z wody, ponieważ ich rozpuszczalność w wodzie jest mniejsza w wysokich temperaturach. Dlatego też, gdy gorąca woda się ochładza, zawsze zawiera mniej rozpuszczonych gazów niż nieogrzewana zimna woda. Dlatego temperatura zamarzania podgrzanej wody jest wyższa i szybciej zamarza. Czynnik ten jest czasami uważany za główny czynnik wyjaśniający efekt Mpemby, chociaż nie ma danych eksperymentalnych potwierdzających ten fakt.

Przewodność cieplna

Wszystkie te (i inne) warunki badano w wielu eksperymentach, ale nigdy nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają stuprocentowe odtworzenie efektu Mpemby.

Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzony, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a zatem szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzony szybciej niż gorąca woda, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie.

Ponadto wyniki Auerbacha zaprzeczyły wcześniejszym danym, że gorąca woda była w stanie osiągnąć większe przechłodzenie ze względu na mniejszą liczbę ośrodków krystalizacji. Po podgrzaniu wody usuwa się z niej rozpuszczone w niej gazy, a po zagotowaniu wytrąca się część rozpuszczonych w niej soli.

Na razie można stwierdzić tylko jedno – reprodukcja tego efektu w istotny sposób zależy od warunków, w jakich przeprowadzany jest eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest powielana.

O. V. Mosin

Literackiźródła:

„Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda. Dlaczego tak się dzieje?”, Jearl Walker w The Amateur Scientist, Scientific American, tom. 237, Nie. 3, s. 246-257; Wrzesień 1977.

„Zamarzanie ciepłej i zimnej wody”, G.S. Kell w American Journal of Physics, tom. 37, Nie. 5, s. 564-565; Maj 1969.

„Przechłodzenie i efekt Mpemby”, David Auerbach, w American Journal of Physics, tom. 63, Nie. 10, s. 882-885; Październik 1995.

„Efekt Mpemby: czasy zamarzania gorącej i zimnej wody”, Charles A. Knight, w American Journal of Physics, tom. 64, Nie. 5, s. 524; Maj 1996.

Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemiczne oferuje nagrodę w wysokości 1000 funtów każdemu, kto w naukowy sposób wyjaśni, dlaczego w niektórych przypadkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna.

„Współczesna nauka wciąż nie jest w stanie odpowiedzieć na to pozornie proste pytanie. Producenci lodów i barmani wykorzystują ten efekt w swojej codziennej pracy, ale nikt tak naprawdę nie wie, dlaczego to działa. Problem ten jest znany od tysiącleci i zastanawiali się nad nim filozofowie tacy jak Arystoteles i Kartezjusz” – powiedział profesor David Phillips, prezes Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemii, cytowany w komunikacie prasowym Towarzystwa.

Jak kucharz z Afryki pokonał brytyjskiego profesora fizyki

To nie jest żart primaaprilisowy, ale brutalna rzeczywistość fizyczna. Współczesna nauka, która z łatwością operuje galaktykami i czarnymi dziurami oraz buduje gigantyczne akceleratory do poszukiwania kwarków i bozonów, nie jest w stanie wyjaśnić, jak „działa” woda elementarna. W podręczniku szkolnym wyraźnie jest napisane, że schłodzenie ciała cieplejszego zajmuje więcej czasu niż schłodzenie ciała zimnego. Ale w przypadku wody to prawo nie zawsze jest przestrzegane. Na ten paradoks zwrócił uwagę Arystoteles już w IV wieku p.n.e. mi. Oto, co starożytny Grek napisał w swojej książce Meteorologica I: „Podgrzanie wody powoduje jej zamarznięcie. Dlatego wiele osób, chcąc szybciej schłodzić ciepłą wodę, najpierw wystawia ją na słońce...” W średniowieczu Francis Bacon i Rene Descartes próbowali wyjaśnić to zjawisko. Niestety, nie udało się to ani wielkim filozofom, ani licznym naukowcom, którzy rozwinęli klasyczną termofizykę, dlatego tak niewygodny fakt został „zapomniany” na długi czas.

I dopiero w 1968 roku „przypomnieli sobie” dzięki uczniowi Erasto Mpembe z Tanzanii, dalekiej od jakiejkolwiek nauki. Podczas nauki w szkole sztuk kulinarnych w 1963 roku 13-letniemu Mpembe powierzono zadanie zrobienia lodów. Zgodnie z technologią należało zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, schłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był pilnym uczniem i zawahał się. W obawie, że nie zdąży do końca lekcji, włożył do lodówki jeszcze gorące mleko. Ku jego zaskoczeniu zamarzło jeszcze wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według wszelkich zasad.

Kiedy Mpemba podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten wyśmiał go przed całą klasą. Mpemba przypomniał sobie tę zniewagę. Pięć lat później, już jako student uniwersytetu w Dar es Salaam, wziął udział w wykładzie słynnego fizyka Denisa G. Osborne'a. Po wykładzie zadał naukowcowi pytanie: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą ilością wody, jeden o temperaturze 35°C (95°F), a drugi o temperaturze 100°C (212°F) i umieścicie je w zamrażarce, wówczas Woda w gorącym pojemniku zamarznie szybciej. Dlaczego?" Można sobie wyobrazić reakcję brytyjskiego profesora na pytanie młodego mężczyzny z zapomnianej przez Boga Tanzanii. Naśmiewał się ze studenta. Jednak Mpemba był gotowy na taką odpowiedź i rzucił naukowcowi wyzwanie. Ich spór zakończył się eksperymentalnym testem, który potwierdził, że Mpemba miał rację, a Osborne pokonał. W ten sposób praktykant kucharz zapisał się w historii nauki i odtąd zjawisko to nazywane jest „efektem Mpemby”. Nie da się go odrzucić, uznać za „nieistniejący”. Zjawisko istnieje i – jak napisał poeta – „nie boli”.

Czy winne są cząsteczki kurzu i substancje rozpuszczone?

Przez lata wielu próbowało rozwikłać tajemnicę zamarzania wody. Zaproponowano całą masę wyjaśnień tego zjawiska: parowanie, konwekcja, wpływ substancji rozpuszczonych – żadnego z tych czynników nie można jednak uznać za ostateczne. Wielu naukowców poświęciło całe swoje życie efektowi Mpemby. James Brownridge, członek Wydziału Bezpieczeństwa Radiacyjnego na Uniwersytecie Stanowym w Nowym Jorku, od dziesięciu lat w wolnym czasie bada ten paradoks. Po przeprowadzeniu setek eksperymentów naukowiec twierdzi, że ma dowody na „winę” hipotermii. Brownridge wyjaśnia, że w temperaturze 0°C woda ulega jedynie przechłodzeniu i zaczyna zamarzać, gdy temperatura spadnie poniżej. Temperatura zamarzania jest regulowana przez zanieczyszczenia znajdujące się w wodzie - zmieniają one szybkość tworzenia się kryształków lodu. Zanieczyszczenia, takie jak cząsteczki kurzu, bakterie i rozpuszczone sole, mają charakterystyczną temperaturę zarodkowania, gdy wokół ośrodków krystalizacji tworzą się kryształki lodu. Gdy w wodzie występuje jednocześnie kilka pierwiastków, o temperaturze zamarzania decyduje ten, który ma najwyższą temperaturę zarodkowania.

Na potrzeby eksperymentu Brownridge pobrał dwie próbki wody o tej samej temperaturze i umieścił je w zamrażarce. Odkrył, że jeden z okazów zawsze zamarzał przed drugim, prawdopodobnie z powodu innej kombinacji zanieczyszczeń.

Brownridge twierdzi, że gorąca woda schładza się szybciej, ponieważ istnieje większa różnica między temperaturą wody a temperaturą zamrażarki – pomaga to osiągnąć punkt zamarzania, zanim zimna woda osiągnie swój naturalny punkt zamarzania, który jest co najmniej o 5°C niższy.

Jednakże rozumowanie Brownridge’a rodzi wiele pytań. Dlatego ci, którzy na swój sposób potrafią wyjaśnić efekt Mpemby, mają szansę powalczyć o tysiąc funtów szterlingów od Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemii.

W 1963 roku uczeń z Tanzanii, Erasto Mpemba, zadał swojemu nauczycielowi głupie pytanie: dlaczego ciepłe lody w jego zamrażarce zamarzały szybciej niż zimne?

Zwrócił się do nauczyciela fizyki o wyjaśnienia, ale on tylko zaśmiał się i powiedział do ucznia, co następuje: „To nie jest fizyka uniwersalna, ale fizyka Mpemby”. Następnie Mpemba eksperymentował nie tylko z mlekiem, ale także ze zwykłą wodą.

W każdym razie już jako uczeń Liceum Mkwava zapytał profesora Dennisa Osborne'a z University College w Dar Es Salaam (zaproszonego przez dyrektora szkoły, aby wygłosił dla uczniów wykład z fizyki) konkretnie o wodę: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą objętością wody tak, aby w jednym z nich woda miała temperaturę 35°C, a w drugim 100°C i włóż je do zamrażarki, wtedy w drugim woda zamarznie szybciej. Dlaczego?" Osborne zainteresował się tym zagadnieniem i wkrótce, w 1969 roku, wraz z Mpembą opublikowali wyniki swoich eksperymentów w czasopiśmie Physics Education. Od tego czasu odkryty przez nich efekt nazwano efektem Mpemby.

Czy chcesz wiedzieć, dlaczego tak się dzieje? Jeszcze kilka lat temu naukowcom udało się wyjaśnić to zjawisko...

Efekt Mpemby (paradoks Mpemby) to paradoks, który stwierdza, że gorąca woda w pewnych warunkach zamarza szybciej niż zimna woda, chociaż w procesie zamrażania musi przekroczyć temperaturę zimnej wody. Paradoks ten jest faktem eksperymentalnym, który zaprzecza utartym poglądom, zgodnie z którymi w tych samych warunkach bardziej ogrzane ciało potrzebuje więcej czasu na ochłodzenie się do określonej temperatury niż mniej ogrzane ciało, aby ochłodzić się do tej samej temperatury.

Zjawisko to zauważyli w swoich czasach Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes. Do tej pory nikt nie wie dokładnie, jak wyjaśnić ten dziwny efekt. Naukowcy nie mają jednej wersji, choć jest ich wiele. Chodzi o różnicę we właściwościach ciepłej i zimnej wody, ale nie jest jeszcze jasne, które właściwości odgrywają w tym przypadku rolę: różnica w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji czy wpływie skroplonych gazów na wodę w temperaturze różne temperatury. Paradoks efektu Mpemby polega na tym, że czas schładzania ciała do temperatury otoczenia powinien być proporcjonalny do różnicy temperatur pomiędzy tym ciałem a otoczeniem. Prawo to zostało ustanowione przez Newtona i od tego czasu zostało wielokrotnie potwierdzone w praktyce. W efekcie woda o temperaturze 100°C ochładza się do temperatury o 0°C szybciej niż taka sama ilość wody o temperaturze 35°C.

Od tego czasu wyrażano różne wersje, z których jedna była następująca: część gorącej wody najpierw po prostu odparowuje, a następnie, gdy zostaje jej mniej, woda zamarza szybciej. Ta wersja, dzięki swojej prostocie, stała się najpopularniejsza, ale nie do końca zadowoliła naukowców.

Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze, kierowany przez chemika Xi Zhanga, twierdzi, że rozwiązał odwieczną zagadkę, dlaczego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna woda. Jak przekonali się chińscy eksperci, tajemnica tkwi w ilości energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody.

Jak wiadomo, cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru, połączonych ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, co na poziomie cząstek wygląda jak wymiana elektronów. Innym dobrze znanym faktem jest to, że atomy wodoru przyciągają się do atomów tlenu z sąsiednich cząsteczek - powstają wiązania wodorowe.

Jednocześnie cząsteczki wody na ogół odpychają się od siebie. Naukowcy z Singapuru zauważyli: im cieplejsza woda, tym większa odległość między cząsteczkami cieczy ze względu na wzrost sił odpychania. W rezultacie wiązania wodorowe ulegają rozciągnięciu i dlatego magazynują więcej energii. Energia ta jest uwalniana, gdy woda się ochładza – cząsteczki zbliżają się do siebie. A uwolnienie energii, jak wiadomo, oznacza chłodzenie.

Oto założenia wysunięte przez naukowców:

Odparowanie

Gorąca woda szybciej odparowuje z pojemnika, zmniejszając tym samym swoją objętość, a mniejsza objętość wody o tej samej temperaturze zamarza szybciej. Woda ogrzana do 100°C traci 16% swojej masy po schłodzeniu do 0°C. Efekt parowania jest efektem podwójnym. Po pierwsze, zmniejsza się masa wody potrzebnej do chłodzenia. Po drugie, z powodu parowania jego temperatura spada.

Różnica temperatur

Hipotermia
Kiedy woda ochładza się poniżej 0°C, nie zawsze zamarza. W pewnych warunkach może ulec przechłodzeniu, pozostając płynnym w temperaturach poniżej zera. W niektórych przypadkach woda może pozostać w stanie ciekłym nawet w temperaturze -20°C. Powodem tego efektu jest to, że aby zaczęły tworzyć się pierwsze kryształki lodu, potrzebne są centra ich tworzenia. Jeśli nie są one obecne w wodzie w stanie ciekłym, wówczas przechłodzenie będzie kontynuowane, aż temperatura spadnie na tyle, aby kryształy utworzyły się spontanicznie. Kiedy zaczną się tworzyć w przechłodzonej cieczy, zaczną rosnąć szybciej, tworząc lód pośniegowy, który zamarznie, tworząc lód. Gorąca woda jest najbardziej podatna na hipotermię, ponieważ jej podgrzanie usuwa rozpuszczone gazy i pęcherzyki, które z kolei mogą służyć jako ośrodki tworzenia się kryształków lodu. Dlaczego hipotermia powoduje szybsze zamarzanie gorącej wody? W przypadku zimnej wody, która nie jest przechłodzona, dzieje się tak: na jej powierzchni tworzy się cienka warstwa lodu, która działa jak izolator pomiędzy wodą a zimnym powietrzem, zapobiegając w ten sposób dalszemu parowaniu. Szybkość tworzenia się kryształków lodu w tym przypadku będzie niższa. W przypadku gorącej wody poddanej przechłodzeniu, przechłodzona woda nie posiada ochronnej warstwy powierzchniowej lodu. Dlatego przez otwarty dach traci ciepło znacznie szybciej. Kiedy proces przechłodzenia kończy się i woda zamarza, traci się znacznie więcej ciepła, w związku z czym tworzy się więcej lodu. Wielu badaczy tego efektu uważa hipotermię za główny czynnik w przypadku efektu Mpemby.
Konwekcja

Zimna woda zaczyna zamarzać od góry, pogarszając w ten sposób procesy promieniowania cieplnego i konwekcji, a co za tym idzie utratę ciepła, natomiast gorąca woda zaczyna zamarzać od dołu. Efekt ten tłumaczy się anomalią w gęstości wody. Woda ma maksymalną gęstość w temperaturze 4°C. Jeśli schłodzimy wodę do 4°C i umieścimy ją w środowisku o niższej temperaturze, powierzchniowa warstwa wody zamarznie szybciej. Ponieważ woda ta ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 4°C, pozostanie na powierzchni, tworząc cienką, zimną warstwę. W tych warunkach na powierzchni wody w krótkim czasie utworzy się cienka warstwa lodu, która jednak będzie pełnić funkcję izolatora, chroniąc dolne warstwy wody, która pozostanie w temperaturze 4°C . Dlatego dalszy proces chłodzenia będzie wolniejszy. W przypadku ciepłej wody sytuacja jest zupełnie inna. Powierzchniowa warstwa wody schładza się szybciej w wyniku parowania i większej różnicy temperatur. Ponadto warstwy zimnej wody są gęstsze niż warstwy gorącej wody, więc warstwa zimnej wody opadnie, wyciągając warstwę ciepłej wody na powierzchnię. Ta cyrkulacja wody zapewnia szybki spadek temperatury. Ale dlaczego proces ten nie osiąga punktu równowagi? Aby wyjaśnić efekt Mpemby z punktu widzenia konwekcji, należałoby założyć, że zimna i gorąca warstwa wody oddzielają się, a sam proces konwekcji trwa dalej, gdy średnia temperatura wody spadnie poniżej 4°C. Nie ma jednak dowodów eksperymentalnych potwierdzających tę hipotezę, że zimne i gorące warstwy wody oddzielają się w procesie konwekcji.

Gazy rozpuszczone w wodzie

Przewodność cieplna

Mechanizm ten może odegrać znaczącą rolę, gdy woda zostanie umieszczona w komorze chłodziarki i zamrażarce w małych pojemnikach. Zaobserwowano, że w tych warunkach pojemnik z gorącą wodą topi lód w zamrażarce znajdującej się pod nią, poprawiając w ten sposób kontakt termiczny ze ścianami zamrażarki i przewodność cieplną. Dzięki temu ciepło jest usuwane ze zbiornika z gorącą wodą szybciej niż z zimnego. Z kolei pojemnik z zimną wodą nie roztapia znajdującego się pod nim śniegu. Wszystkie te (i inne) warunki badano w wielu eksperymentach, jednak nigdy nie uzyskano jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, które z nich zapewniają 100% odtworzenie efektu Mpemby. Na przykład w 1995 roku niemiecki fizyk David Auerbach badał wpływ przechłodzenia wody na ten efekt. Odkrył, że gorąca woda, osiągając stan przechłodzony, zamarza w wyższej temperaturze niż zimna woda, a zatem szybciej niż ta druga. Ale zimna woda osiąga stan przechłodzony szybciej niż gorąca woda, kompensując w ten sposób poprzednie opóźnienie. Ponadto wyniki Auerbacha zaprzeczyły wcześniejszym danym, że gorąca woda była w stanie osiągnąć większe przechłodzenie ze względu na mniejszą liczbę ośrodków krystalizacji. Po podgrzaniu wody usuwa się z niej rozpuszczone w niej gazy, a po zagotowaniu wytrąca się część rozpuszczonych w niej soli. Na razie można stwierdzić tylko jedno: reprodukcja tego efektu w znacznym stopniu zależy od warunków, w jakich przeprowadzany jest eksperyment. Właśnie dlatego, że nie zawsze jest powielana.

Ale jak mówią, najbardziej prawdopodobny powód.

Jak piszą chemicy w swoim artykule, który można znaleźć na stronie preprint arXiv.org, wiązania wodorowe są silniejsze w gorącej wodzie niż w zimnej wodzie. Okazuje się zatem, że więcej energii magazynuje się w wiązaniach wodorowych gorącej wody, co oznacza, że więcej jej jest uwalniane po schłodzeniu do ujemnych temperatur. Z tego powodu utwardzanie następuje szybciej.

Do tej pory naukowcy rozwiązali tę zagadkę tylko teoretycznie. Kiedy przedstawią przekonujące dowody na swoją wersję, kwestię, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, można uznać za zamkniętą.

Woda- substancja dość prosta z chemicznego punktu widzenia, jednak ma wiele niezwykłych właściwości, które nie przestają zadziwiać naukowców. Poniżej kilka faktów, o których wie niewiele osób.

1. Która woda zamarza szybciej – zimna czy gorąca?

Weźmy dwa pojemniki z wodą: do jednego wlej gorącą wodę, do drugiego zimną wodę i włóż je do zamrażarki. Gorąca woda zamarznie szybciej niż zimna woda, chociaż logicznie rzecz biorąc, zimna woda powinna najpierw zamienić się w lód: w końcu gorąca woda musi najpierw ostygnąć do zimnej temperatury, a następnie zamienić się w lód, podczas gdy zimna woda nie musi się ochładzać. Dlaczego to się dzieje?

W 1963 roku student z Tanzanii, Erasto B. Mpemba, zamrażając mieszankę lodową, zauważył, że gorąca mieszanka krzepnie w zamrażarce szybciej niż zimna. Kiedy młody człowiek podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten tylko się wyśmiał. Na szczęście uczeń był wytrwały i namówił nauczyciela do przeprowadzenia eksperymentu, który potwierdził jego odkrycie: w pewnych warunkach gorąca woda faktycznie zamarza szybciej niż zimna woda.

Teraz to zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej wody nazywa się „ Efekt Mpemby" To prawda, że na długo przed nim tę wyjątkową właściwość wody zauważyli Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes.

Naukowcy wciąż nie do końca rozumieją naturę tego zjawiska, tłumacząc je różnicą w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji lub wpływem skroplonych gazów na gorącą i zimną wodę.

2. Może natychmiast zamarznąć

Wszyscy to wiedzą woda zawsze zamienia się w lód po schłodzeniu do 0°C... z pewnymi wyjątkami! Przykładem takiego przypadku jest przechłodzenie, które charakteryzuje się tym, że bardzo czysta woda pozostaje płynna nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera. Zjawisko to jest możliwe dzięki temu, że w środowisku nie występują centra ani jądra krystalizacji, które mogłyby wywołać powstawanie kryształków lodu. Dlatego woda pozostaje w postaci płynnej nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera stopni Celsjusza.

Proces krystalizacji może być spowodowane np. pęcherzykami gazu, zanieczyszczeniami (zanieczyszczeniami) lub nierówną powierzchnią pojemnika. Bez nich woda pozostanie w stanie ciekłym. Kiedy rozpocznie się proces krystalizacji, możesz obserwować, jak przechłodzona woda natychmiast zamienia się w lód.

Należy pamiętać, że „przegrzana” woda również pozostaje płynna nawet po podgrzaniu powyżej temperatury wrzenia.

3. 19 stanów wody

Bez wahania wymień, ile różnych stanów ma woda? Jeśli odpowiedziałeś na trzy: ciało stałe, ciecz, gaz, to się myliłeś. Naukowcy wyróżniają co najmniej 5 różnych stanów wody w postaci płynnej i 14 stanów w postaci zamrożonej.

Pamiętasz rozmowę o super-schłodzonej wodzie? Zatem niezależnie od tego, co zrobisz, w temperaturze -38°C nawet najczystsza przechłodzona woda nagle zamieni się w lód. Co się stanie, gdy temperatura będzie dalej spadać? W temperaturze -120°C z wodą zaczyna dziać się coś dziwnego: staje się super lepka lub lepka jak melasa, a w temperaturach poniżej -135°C zamienia się w wodę „szklistą” lub „szklistą” – substancję stałą, która nie ma struktury krystalicznej .

4. Woda zaskakuje fizyków

Na poziomie molekularnym woda jest jeszcze bardziej zaskakująca. W 1995 roku przeprowadzony przez naukowców eksperyment rozpraszania neutronów przyniósł nieoczekiwany wynik: fizycy odkryli, że neutrony skierowane na cząsteczki wody „widzą” o 25% mniej protonów wodoru, niż oczekiwano.

Okazało się, że przy prędkości jednej attosekundy (10 -18 sekund) zachodzi niezwykły efekt kwantowy, a zamiast niego wzór chemiczny wody H2O, staje się H1,5O!

5. Pamięć wody

Alternatywa dla medycyny oficjalnej homeopatia stwierdza, że rozcieńczony roztwór leku może mieć działanie lecznicze na organizm, nawet jeśli współczynnik rozcieńczenia jest tak duży, że w roztworze nie pozostaje nic poza cząsteczkami wody. Zwolennicy homeopatii wyjaśniają ten paradoks koncepcją zwaną „ pamięć wody„, zgodnie z którym woda na poziomie molekularnym posiada „pamięć” substancji, która została w niej kiedyś rozpuszczona i zachowuje właściwości roztworu o pierwotnym stężeniu, gdy nie pozostaje w niej ani jedna cząsteczka składnika.

Międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem profesor Madeleine Ennis z Queen's University w Belfaście, która krytykowała zasady homeopatii, przeprowadził w 2002 roku eksperyment, aby raz na zawsze obalić tę koncepcję. Rezultat był odwrotny. Następnie naukowcy oświadczyli, że byli w stanie udowodnić realność efektu „ pamięć wody" Eksperymenty prowadzone pod okiem niezależnych ekspertów nie przyniosły jednak rezultatów. Spory o istnienie zjawiska” pamięć wody"Kontynuować.

Woda ma wiele innych niezwykłych właściwości, o których nie mówiliśmy w tym artykule. Na przykład gęstość wody zmienia się w zależności od temperatury (gęstość lodu jest mniejsza niż gęstość wody); woda ma dość wysokie napięcie powierzchniowe; w stanie ciekłym woda jest złożoną i dynamicznie zmieniającą się siecią skupisk wodnych i to zachowanie skupień wpływa na strukturę wody itp.

O tych i wielu innych nieoczekiwanych funkcjach woda można przeczytać w artykule „ Anomalne właściwości wody”, którego autorem jest Martin Chaplin, profesor na Uniwersytecie Londyńskim.