21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev
« Ni maji gani huganda haraka, baridi au moto?"- jaribu kuwauliza marafiki wako swali, uwezekano mkubwa wengi wao watajibu kuwa maji baridi huganda haraka - na watafanya makosa.
Kwa kweli, ikiwa wakati huo huo unaweka vyombo viwili vya sura sawa na kiasi kwenye friji, moja ambayo ina maji baridi na nyingine ya moto, basi ni maji ya moto ambayo yatafungia kwa kasi zaidi.
Kauli kama hiyo inaweza kuonekana kuwa ya kipuuzi na isiyo na maana. Ukifuata mantiki, basi maji ya moto lazima kwanza baridi chini ya joto la maji baridi, na maji baridi lazima tayari kugeuka katika barafu kwa wakati huu.
Kwa hivyo kwa nini maji ya moto hupiga maji baridi kwenye njia ya kuganda? Hebu jaribu kufikiri.
Historia ya uchunguzi na utafiti
Watu wamekuwa wakiangalia athari hii ya kushangaza tangu nyakati za zamani, lakini hakuna mtu aliyeiweka umuhimu sana. Kwa hiyo, Arestotle, pamoja na Rene Descartes na Francis Bacon, walibainisha katika maelezo yao kutofautiana kwa kiwango cha kufungia kwa maji baridi na ya moto. Jambo lisilo la kawaida mara nyingi lilionekana katika maisha ya kila siku.
Kwa muda mrefu, jambo hilo halijasomwa kwa njia yoyote na halikuamsha shauku kubwa kati ya wanasayansi.
Utafiti wa athari hii isiyo ya kawaida ulianza mwaka wa 1963, wakati mvulana wa shule mdadisi kutoka Tanzania, Erasto Mpemba, aligundua kuwa maziwa ya moto ya aiskrimu yaliganda haraka kuliko ya baridi. Akiwa na matumaini ya kupata maelezo ya sababu za athari hiyo isiyo ya kawaida, kijana huyo alimuuliza mwalimu wake wa fizikia shuleni. Hata hivyo, mwalimu alimcheka tu.
Baadaye, Mpemba alirudia jaribio hilo, lakini katika majaribio yake hakutumia tena maziwa, bali maji, na athari ya kitendawili ilirudiwa tena.
Miaka 6 baadaye, mwaka wa 1969, Mpemba aliuliza swali hili kwa profesa wa fizikia Dennis Osborn, ambaye alikuja shuleni kwake. Profesa alipendezwa na uchunguzi wa kijana huyo, na kwa sababu hiyo, jaribio lilifanyika ambalo lilithibitisha uwepo wa athari, lakini sababu za jambo hili hazijaanzishwa.
Tangu wakati huo jambo hilo limeitwa Mpemba athari.
Katika historia yote ya uchunguzi wa kisayansi, nadharia nyingi zimewekwa mbele juu ya sababu za jambo hilo.
Kwa hivyo mnamo 2012, Jumuiya ya Kifalme ya Kemia ya Uingereza ingetangaza shindano la nadharia zinazoelezea athari ya Mpemba. Wanasayansi kutoka kote ulimwenguni walishiriki katika shindano hilo; jumla ya karatasi 22,000 za kisayansi zilisajiliwa. Licha ya idadi hiyo ya kuvutia ya makala, hakuna hata moja iliyoleta ufafanuzi wa kitendawili cha Mpemba.
Toleo la kawaida lilikuwa kulingana na ambayo maji ya moto hufungia kwa kasi, kwa kuwa hupuka kwa kasi, kiasi chake kinakuwa kidogo, na kama kiasi kinapungua, kiwango cha baridi huongezeka. Toleo la kawaida zaidi hatimaye lilikanushwa kwa sababu jaribio lilifanyika ambapo uvukizi haukujumuishwa, lakini athari ilithibitishwa.
Wanasayansi wengine waliamini kuwa chanzo cha athari ya Mpemba ni uvukizi wa gesi zinazoyeyushwa kwenye maji. Kwa maoni yao, wakati wa mchakato wa joto, gesi kufutwa katika maji hupuka, kutokana na ambayo hupata wiani mkubwa zaidi kuliko maji baridi. Kama inavyojulikana, ongezeko la wiani husababisha mabadiliko katika mali ya kimwili ya maji (kuongezeka kwa conductivity ya mafuta), na kwa hiyo kuongezeka kwa kiwango cha baridi.
Kwa kuongezea, nadharia kadhaa zimewekwa mbele zinazoelezea kasi ya mzunguko wa maji kulingana na hali ya joto. Masomo mengi yamejaribu kuanzisha uhusiano kati ya nyenzo za vyombo ambazo kioevu kilikuwa iko. Nadharia nyingi zilionekana kusadikika sana, lakini hazikuweza kuthibitishwa kisayansi kwa sababu ya ukosefu wa data ya awali, ukinzani katika majaribio mengine, au kwa sababu sababu zilizotambuliwa hazikulinganishwa na kiwango cha kupozwa kwa maji. Wanasayansi fulani katika kazi zao walitilia shaka kuwepo kwa athari hiyo.
Mnamo 2013, watafiti katika Chuo Kikuu cha Teknolojia cha Nanyang huko Singapore walidai kuwa walitatua fumbo la athari ya Mpemba. Kulingana na utafiti wao, sababu ya jambo hilo liko katika ukweli kwamba kiasi cha nishati iliyohifadhiwa katika vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli za baridi na za moto ni tofauti sana.
Mbinu za modeli za kompyuta zilionyesha matokeo yafuatayo: juu ya joto la maji, umbali mkubwa kati ya molekuli kutokana na ukweli kwamba nguvu za kukataa huongezeka. Kwa hivyo, vifungo vya hidrojeni vya molekuli hunyoosha, na kuhifadhi nishati zaidi. Wakati kilichopozwa, molekuli huanza kusonga karibu na kila mmoja, ikitoa nishati kutoka kwa vifungo vya hidrojeni. Katika kesi hiyo, kutolewa kwa nishati kunafuatana na kupungua kwa joto.
Mnamo Oktoba 2017, wanafizikia wa Kihispania, wakati wa utafiti mwingine, waligundua kuwa jukumu kubwa katika malezi ya athari inachezwa na kuondolewa kwa dutu kutoka kwa usawa (inapokanzwa kali kabla ya baridi kali). Waliamua hali ambazo uwezekano wa athari kutokea ni wa juu. Aidha, wanasayansi kutoka Hispania walithibitisha kuwepo kwa athari ya kinyume cha Mpemba. Waligundua kuwa inapokanzwa, sampuli ya baridi inaweza kufikia joto la juu kwa kasi zaidi kuliko joto.
Licha ya habari kamili na majaribio mengi, wanasayansi wanakusudia kuendelea kusoma athari.
Mpemba athari katika maisha halisi
Umewahi kujiuliza kwa nini wakati wa baridi rink ya skating imejaa maji ya moto na sio baridi? Kama unavyoelewa tayari, hufanya hivyo kwa sababu rink ya skating iliyojaa maji ya moto itafungia haraka kuliko ikiwa imejaa maji baridi. Kwa sababu hiyo hiyo, maji ya moto hutiwa ndani ya slaidi katika miji ya barafu ya msimu wa baridi.
Kwa hivyo, ujuzi wa kuwepo kwa jambo hilo huwawezesha watu kuokoa muda wakati wa kuandaa maeneo ya michezo ya majira ya baridi.
Kwa kuongeza, athari ya Mpemba wakati mwingine hutumiwa katika viwanda ili kupunguza muda wa kufungia wa bidhaa, vitu na nyenzo zenye maji.
Athari ya Mpemba au kwa nini maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi? Athari ya Mpemba (Mpemba Paradox) ni kitendawili kinachosema kuwa maji ya moto katika hali fulani huganda haraka kuliko maji baridi, ingawa lazima yapitishe joto la maji baridi wakati wa kuganda. Kitendawili hiki ni ukweli wa majaribio ambao unapingana na mawazo ya kawaida, kulingana na ambayo, chini ya hali sawa, mwili wenye joto zaidi huchukua muda zaidi wa kupoa kwa joto fulani kuliko mwili wenye joto kidogo na baridi kwa joto sawa. Jambo hili liligunduliwa wakati mmoja na Aristotle, Francis Bacon na Rene Descartes, lakini ilikuwa mwaka wa 1963 tu kwamba mtoto wa shule wa Kitanzania Erasto Mpemba aligundua kuwa mchanganyiko wa ice cream ya moto huganda haraka kuliko baridi. Akiwa mwanafunzi katika Shule ya Upili ya Magambi nchini Tanzania, Erasto Mpemba alifanya kazi ya vitendo kama mpishi. Alihitaji kufanya ice cream ya nyumbani - kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi kwa joto la kawaida, na kisha kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii sana na alichelewa kukamilisha sehemu ya kwanza ya kazi hiyo. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema kuliko maziwa ya wenzi wake, yaliyotayarishwa kulingana na teknolojia aliyopewa. Baada ya hayo, Mpemba alijaribu sio tu kwa maziwa, bali pia na maji ya kawaida. Kwa vyovyote vile, tayari akiwa mwanafunzi wa Shule ya Sekondari Mkwava, alimwomba Profesa Dennis Osborne kutoka Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam (aliyealikwa na mkurugenzi wa shule hiyo kutoa somo la fizikia kwa wanafunzi) hasa kuhusu maji: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana na kiasi sawa cha maji ili katika moja yao maji yana joto la 35 ° C, na kwa nyingine - 100 ° C, na kuziweka kwenye friji, kisha kwa pili maji yatafungia kwa kasi zaidi. Kwa nini?" Osborne alipendezwa na suala hili na punde, mwaka wa 1969, yeye na Mpemba walichapisha matokeo ya majaribio yao katika jarida la Elimu ya Fizikia. Tangu wakati huo, athari waliyogundua imekuwa ikiitwa athari ya Mpemba. Hadi sasa, hakuna mtu anayejua jinsi ya kuelezea athari hii ya ajabu. Wanasayansi hawana toleo moja, ingawa kuna mengi. Yote ni juu ya tofauti katika mali ya maji ya moto na baridi, lakini bado haijulikani wazi ni mali gani ina jukumu katika kesi hii: tofauti ya baridi kali, uvukizi, uundaji wa barafu, convection, au athari za gesi kioevu kwenye maji. joto tofauti. Kitendawili cha athari ya Mpemba ni kwamba wakati ambao mwili hupoa hadi joto iliyoko unapaswa kuwa sawia na tofauti ya joto kati ya mwili huu na mazingira. Sheria hii ilianzishwa na Newton na tangu wakati huo imethibitishwa mara nyingi katika mazoezi. Katika athari hii, maji yenye joto la 100 ° C hupoa hadi joto la 0 ° C kwa kasi zaidi kuliko kiasi sawa cha maji na joto la 35 ° C. Hata hivyo, hii bado haimaanishi kitendawili, kwani athari ya Mpemba inaweza kuelezwa ndani ya mfumo wa fizikia inayojulikana. Hapa kuna baadhi ya maelezo ya athari ya Mpemba: Uvukizi Maji ya moto huvukiza haraka kutoka kwa chombo, na hivyo kupunguza ujazo wake, na ujazo mdogo wa maji kwa joto sawa huganda haraka. Maji yenye joto hadi 100 C hupoteza 16% ya wingi wake wakati kilichopozwa hadi 0 C. Athari ya uvukizi ni athari mbili. Kwanza, wingi wa maji unaohitajika kwa baridi hupungua. Na pili, joto hupungua kutokana na ukweli kwamba joto la uvukizi wa mpito kutoka awamu ya maji hadi awamu ya mvuke hupungua. Tofauti ya joto Kutokana na ukweli kwamba tofauti ya joto kati ya maji ya moto na hewa baridi ni kubwa zaidi, kwa hiyo kubadilishana joto katika kesi hii ni kali zaidi na maji ya moto hupungua kwa kasi. Hypothermia Maji yanapopoa chini ya 0 C, huwa haigandi kila wakati. Chini ya hali fulani, inaweza kupitia supercooling, kuendelea kubaki kioevu kwenye joto chini ya kufungia. Katika baadhi ya matukio, maji yanaweza kubaki kioevu hata kwa joto la -20 C. Sababu ya athari hii ni kwamba ili fuwele za kwanza za barafu kuanza kuunda, vituo vya malezi ya kioo vinahitajika. Ikiwa hazipo katika maji ya kioevu, basi supercooling itaendelea mpaka joto linapungua kutosha kwa fuwele kuunda kwa hiari. Wanapoanza kuunda kwenye kioevu kilichopozwa sana, wataanza kukua kwa kasi zaidi, na kutengeneza barafu iliyotiwa maji, ambayo itaganda na kuunda barafu. Maji ya moto huathirika zaidi na hypothermia kwa sababu inapokanzwa huondoa gesi na Bubbles zilizoyeyushwa, ambazo zinaweza kutumika kama vituo vya kuunda fuwele za barafu. Kwa nini hypothermia husababisha maji ya moto kuganda haraka? Katika kesi ya maji baridi ambayo si supercooled, zifuatazo hutokea. Katika kesi hii, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa chombo. Safu hii ya barafu itafanya kazi kama kizio kati ya maji na hewa baridi na itazuia uvukizi zaidi. Kiwango cha malezi ya fuwele za barafu katika kesi hii itakuwa chini. Katika kesi ya maji ya moto chini ya supercooling, maji supercooled haina safu ya uso ya kinga ya barafu. Kwa hiyo, inapoteza joto kwa kasi zaidi kupitia juu ya wazi. Wakati mchakato wa supercooling unapoisha na maji kufungia, joto zaidi hupotea na kwa hiyo barafu zaidi huundwa. Watafiti wengi wa athari hii wanaona hypothermia kuwa sababu kuu katika kesi ya athari ya Mpemba. Convection Maji baridi huanza kufungia kutoka juu, na hivyo kuzidisha michakato ya mionzi ya joto na convection, na hivyo kupoteza joto, wakati maji ya moto huanza kufungia kutoka chini. Athari hii inaelezewa na anomaly katika wiani wa maji. Maji yana wiani wa juu saa 4 C. Ikiwa unapunguza maji hadi 4 C na kuiweka kwenye joto la chini, safu ya uso wa maji itafungia kwa kasi. Kwa sababu maji haya ni mnene kidogo kuliko maji kwa joto la 4 C, itabaki juu ya uso, na kutengeneza safu nyembamba ya baridi. Chini ya hali hizi, safu nyembamba ya barafu itaunda juu ya uso wa maji ndani ya muda mfupi, lakini safu hii ya barafu itatumika kama insulator, kulinda tabaka za chini za maji, ambazo zitabaki kwenye joto la 4 C. Kwa hivyo, mchakato wa baridi zaidi utakuwa polepole. Katika kesi ya maji ya moto, hali ni tofauti kabisa. Safu ya uso ya maji itapoa haraka zaidi kutokana na uvukizi na tofauti kubwa ya joto. Kwa kuongeza, tabaka za maji baridi ni mnene zaidi kuliko tabaka za maji ya moto, hivyo safu ya maji baridi itazama chini, na kuinua safu ya maji ya joto kwenye uso. Mzunguko huu wa maji huhakikisha kushuka kwa kasi kwa joto. Lakini kwa nini mchakato huu haufikii hatua ya usawa? Ili kuelezea athari ya Mpemba kutoka kwa mtazamo huu wa convection, itakuwa muhimu kudhani kuwa tabaka za baridi na za moto za maji zinatenganishwa na mchakato wa convection yenyewe unaendelea baada ya joto la wastani la maji kushuka chini ya 4 C. Hata hivyo, hakuna data ya majaribio ambayo ingethibitisha dhana hii kwamba tabaka za maji baridi na moto hutenganishwa na mchakato wa kupitisha. Gesi kufutwa katika maji Maji daima ina gesi kufutwa ndani yake - oksijeni na dioksidi kaboni. Gesi hizi zina uwezo wa kupunguza kiwango cha kuganda cha maji. Maji yanapokanzwa, gesi hizi hutolewa kutoka kwa maji kwa sababu umumunyifu wao katika maji ni wa chini kwa joto la juu. Kwa hiyo, wakati maji ya moto yanapopoa, daima huwa na gesi zilizopunguzwa kidogo kuliko katika maji baridi yasiyo na joto. Kwa hiyo, hatua ya kufungia ya maji yenye joto ni ya juu na inafungia kwa kasi zaidi. Sababu hii wakati mwingine inachukuliwa kuwa ndiyo kuu katika kuelezea athari ya Mpemba, ingawa hakuna data ya majaribio inayothibitisha ukweli huu. Uendeshaji wa joto Utaratibu huu unaweza kuwa na jukumu kubwa wakati maji yanawekwa kwenye friji ya compartment ya friji katika vyombo vidogo. Chini ya hali hizi, imeonekana kwamba chombo cha maji ya moto huyeyusha barafu kwenye friji chini, na hivyo kuboresha mawasiliano ya joto na ukuta wa friji na conductivity ya mafuta. Matokeo yake, joto huondolewa kwenye chombo cha maji ya moto kwa kasi zaidi kuliko kutoka kwa baridi. Kwa upande wake, chombo kilicho na maji baridi hakiyeyushi theluji chini. Masharti haya yote (pamoja na mengine) yalichunguzwa katika majaribio mengi, lakini jibu la wazi kwa swali - ni nani kati yao hutoa uzazi wa asilimia mia moja ya athari ya Mpemba - haikupatikana kamwe. Kwa mfano, mwaka wa 1995, mwanafizikia wa Ujerumani David Auerbach alisoma athari za maji ya supercooling juu ya athari hii. Aligundua kwamba maji ya moto, kufikia hali ya supercooled, kufungia kwa joto la juu kuliko maji baridi, na kwa hiyo kwa kasi zaidi kuliko mwisho. Lakini maji baridi hufikia hali ya supercooled kwa kasi zaidi kuliko maji ya moto, na hivyo kulipa fidia kwa lag ya awali. Kwa kuongeza, matokeo ya Auerbach yalipingana na data ya awali kwamba maji ya moto yaliweza kufikia upoaji mkubwa zaidi kutokana na vituo vichache vya fuwele. Wakati maji yanapokanzwa, gesi zilizoyeyushwa ndani yake huondolewa kutoka kwake, na inapochemshwa, chumvi zingine huyeyuka ndani yake. Kwa sasa, jambo moja tu linaweza kusemwa - uzazi wa athari hii kwa kiasi kikubwa inategemea hali ambayo jaribio linafanywa. Hasa kwa sababu haijatolewa kila wakati. O. V. Mosin
Watafiti wengi wameweka mbele na wanatoa matoleo yao wenyewe kwa nini maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi. Inaweza kuonekana kama kitendawili - baada ya yote, ili kufungia, maji ya moto yanahitaji kwanza kupoa. Hata hivyo, ukweli unabaki kuwa ukweli, na wanasayansi wanaelezea kwa njia tofauti.
Matoleo makuu
Kwa sasa, kuna matoleo kadhaa ambayo yanaelezea ukweli huu:
- Kwa sababu maji ya moto huvukiza kwa kasi, kiasi chake hupungua. Na kufungia kwa kiasi kidogo cha maji kwa joto sawa hutokea kwa kasi zaidi.
- Sehemu ya friji ya friji ina mstari wa theluji. Chombo kilicho na maji ya moto huyeyusha theluji chini yake. Hii inaboresha mawasiliano ya joto na friji.
- Kufungia kwa maji baridi, tofauti na maji ya moto, huanza juu. Wakati huo huo, convection na mionzi ya joto, na, kwa hiyo, kupoteza joto kunazidi kuwa mbaya.
- Maji baridi yana vituo vya crystallization - dutu kufutwa ndani yake. Ikiwa maudhui yao katika maji ni ndogo, icing ni vigumu, ingawa wakati huo huo, supercooling inawezekana - wakati kwa joto la chini ya sifuri ina hali ya kioevu.
Ingawa kwa haki tunaweza kusema kuwa athari hii haizingatiwi kila wakati. Mara nyingi, maji baridi huganda haraka kuliko maji ya moto.
Maji huganda kwa joto gani
Kwa nini maji huganda kabisa? Ina kiasi fulani cha madini au chembe za kikaboni. Hizi zinaweza kuwa, kwa mfano, chembe ndogo sana za mchanga, vumbi au udongo. Joto la hewa linapopungua, chembe hizi ni vituo vinavyozunguka fuwele za barafu.
Jukumu la viini vya crystallization pia linaweza kuchezwa na Bubbles za hewa na nyufa kwenye chombo kilicho na maji. Kasi ya mchakato wa kugeuza maji kuwa barafu huathiriwa sana na idadi ya vituo kama hivyo - ikiwa kuna mengi yao, kioevu hufungia haraka. Chini ya hali ya kawaida, na shinikizo la kawaida la anga, maji hugeuka kuwa hali imara kutoka kioevu kwenye joto la digrii 0.
Kiini cha athari ya Mpemba
Athari ya Mpemba ni kitendawili, kiini chake ni kwamba chini ya hali fulani, maji ya moto huganda haraka kuliko maji baridi. Jambo hili liligunduliwa na Aristotle na Descartes. Hata hivyo, hadi mwaka wa 1963 ndipo mvulana wa shule ya Kitanzania Erasto Mpemba aliamua kwamba aiskrimu ya moto hugandishwa kwa muda mfupi zaidi kuliko aiskrimu baridi. Alifanya hitimisho hili wakati akikamilisha kazi ya kupika.
Ilibidi kufuta sukari katika maziwa ya kuchemsha na, baada ya kuipoza, kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa na bidii sana na alianza kumaliza sehemu ya kwanza ya kazi hiyo kwa kuchelewa. Kwa hiyo, hakusubiri maziwa yapoe, na kuiweka kwenye jokofu ya moto. Alishangaa sana pale ilipoganda kwa kasi zaidi kuliko ile ya wanafunzi wenzake, waliokuwa wakifanya kazi hiyo kwa kufuata teknolojia aliyopewa.
Ukweli huu ulimvutia sana kijana huyo, na akaanza majaribio na maji ya kawaida. Mnamo 1969, jarida la Physics Education lilichapisha matokeo ya utafiti wa Mpemba na Profesa Dennis Osborne wa Chuo Kikuu cha Dar Es Salaam. Athari waliyoieleza ilipewa jina la Mpemba. Hata hivyo, hata leo hakuna maelezo wazi ya jambo hilo. Wanasayansi wote wanakubali kwamba jukumu kuu katika hili ni la tofauti katika mali ya maji baridi na ya moto, lakini ni nini hasa haijulikani.
Toleo la Singapore
Wanafizikia kutoka kwa moja ya vyuo vikuu vya Singapore pia walipendezwa na swali ambalo maji hufungia haraka - moto au baridi? Timu ya watafiti wakiongozwa na Xi Zhang walielezea kitendawili hiki kwa usahihi na sifa za maji. Kila mtu anajua muundo wa maji kutoka shuleni - atomi ya oksijeni na atomi mbili za hidrojeni. Oksijeni kwa kiasi fulani huvuta elektroni kutoka kwa hidrojeni, hivyo molekuli ni aina fulani ya "sumaku".
Matokeo yake, molekuli fulani katika maji huvutia kidogo kwa kila mmoja na huunganishwa na dhamana ya hidrojeni. Nguvu yake ni mara nyingi chini kuliko dhamana ya ushirikiano. Watafiti wa Singapore wanaamini kwamba maelezo ya kitendawili cha Mpemba yapo katika vifungo vya hidrojeni. Ikiwa molekuli za maji zimewekwa pamoja sana, basi mwingiliano mkali kama huo kati ya molekuli unaweza kuharibu kifungo cha ushirikiano katikati ya molekuli yenyewe.
Lakini wakati maji yanapokanzwa, molekuli zilizofungwa husogea kidogo kutoka kwa kila mmoja. Matokeo yake, utulivu wa vifungo vya covalent hutokea katikati ya molekuli na kutolewa kwa nishati ya ziada na mpito kwa kiwango cha chini cha nishati. Hii inaongoza kwa ukweli kwamba maji ya moto huanza kupungua haraka. Angalau, hivi ndivyo hesabu za kinadharia zinazofanywa na wanasayansi wa Singapore zinaonyesha.
Maji ya kufungia mara moja - hila 5 za ajabu: Video
Jumuiya ya Kifalme ya Kemia ya Uingereza inatoa zawadi ya £1,000 kwa mtu yeyote ambaye anaweza kueleza kisayansi kwa nini maji moto huganda haraka kuliko maji baridi katika baadhi ya matukio.
"Sayansi ya kisasa bado haiwezi kujibu swali hili linaloonekana kuwa rahisi. Watengenezaji aiskrimu na wahudumu wa baa hutumia athari hii katika kazi zao za kila siku, lakini hakuna anayejua kwa nini inafanya kazi. Tatizo hili limejulikana kwa milenia nyingi, huku wanafalsafa kama vile Aristotle na Descartes wakifikiria kulihusu,” akasema Profesa David Phillips, msimamizi wa Jumuiya ya Kifalme ya Kemia ya Uingereza, kama ilivyonukuliwa katika taarifa ya vyombo vya habari ya Sosaiti.
Jinsi mpishi kutoka Afrika alivyomshinda profesa wa fizikia wa Uingereza
Huu sio utani wa Aprili Fool, lakini ukweli mkali wa kimwili. Sayansi ya kisasa, ambayo hufanya kazi kwa urahisi na galaksi na mashimo meusi, na hutengeneza vichapuzi vikubwa vya kutafuta quarks na bosons, haiwezi kueleza jinsi maji ya msingi "hufanya kazi." Kitabu cha kiada cha shule kinasema wazi kwamba inachukua muda zaidi kupoza mwili wa moto zaidi kuliko kupoza mwili wa baridi. Lakini kwa maji, sheria hii haizingatiwi kila wakati. Aristotle aliangazia kitendawili hiki katika karne ya 4 KK. e. Haya ndiyo yale ambayo Mgiriki wa kale aliandika katika kitabu chake Meteorologicala I: “Uhakika wa kwamba maji hupashwa joto huyafanya kuganda. Kwa hiyo, watu wengi, wanapotaka kupoza maji ya moto kwa kasi, kwanza huiweka kwenye jua ... "Katika Zama za Kati, Francis Bacon na Rene Descartes walijaribu kuelezea jambo hili. Ole, sio wanafalsafa wakuu au wanasayansi wengi ambao walitengeneza thermofizikia ya classical walifanikiwa katika hili, na kwa hivyo ukweli kama huo usiofaa "ulisahaulika" kwa muda mrefu.
Na tu mnamo 1968 "walikumbuka" shukrani kwa mtoto wa shule Erasto Mpembe kutoka Tanzania, mbali na sayansi yoyote. Akiwa anasoma katika shule ya sanaa ya upishi mwaka 1963, Mpembe mwenye umri wa miaka 13 alipewa kazi ya kutengeneza aiskrimu. Kwa mujibu wa teknolojia, ilikuwa ni lazima kuchemsha maziwa, kufuta sukari ndani yake, baridi kwa joto la kawaida, na kisha kuiweka kwenye jokofu ili kufungia. Inavyoonekana, Mpemba hakuwa mwanafunzi mwenye bidii na alisitasita. Kwa kuogopa kwamba hatafika mwisho wa somo, aliweka maziwa ya moto kwenye jokofu. Kwa mshangao wake, iliganda hata mapema zaidi kuliko maziwa ya wandugu wake, iliyoandaliwa kulingana na sheria zote.
Mpemba aliposhiriki ugunduzi wake na mwalimu wake wa fizikia, alimcheka mbele ya darasa zima. Mpemba akakumbuka tusi lile. Miaka mitano baadaye, tayari akiwa mwanafunzi katika chuo kikuu cha Dar es Salaam, alihudhuria mhadhara wa mwanafizikia maarufu Denis G. Osborne. Baada ya mhadhara huo, alimuuliza mwanasayansi huyo swali: “Ukichukua vyombo viwili vinavyofanana vyenye kiasi sawa cha maji, kimoja 35 °C (95 °F) na kingine 100 °C (212 °F), na kuviweka. kwenye jokofu, kisha Maji kwenye chombo cha moto yataganda haraka. Kwa nini?" Unaweza kufikiria jinsi profesa wa Uingereza alivyojibu swali la kijana kutoka Godforsaken Tanzania. Alimdhihaki mwanafunzi. Hata hivyo, Mpemba alikuwa tayari kwa jibu hilo na akampa changamoto mwanasayansi huyo kwa dau. Mzozo wao uliisha kwa jaribio la majaribio ambalo lilithibitisha Mpemba alikuwa sahihi na Osborne akashindwa. Hivyo, mpishi mwanafunzi aliandika jina lake katika historia ya sayansi, na kuanzia sasa jambo hili linaitwa "athari ya Mpemba." Haiwezekani kuitupa, kuitangaza kuwa "haipo". Jambo hilo lipo, na, kama mshairi aliandika, "haidhuru."
Je, chembe za vumbi na vimumunyisho vinalaumiwa?
Kwa miaka mingi, wengi wamejaribu kufunua fumbo la maji ya kuganda. Kundi zima la maelezo ya jambo hili limependekezwa: uvukizi, convection, ushawishi wa dutu zilizoyeyushwa - lakini hakuna hata moja ya mambo haya inaweza kuchukuliwa kuwa ya uhakika. Wanasayansi kadhaa wamejitolea maisha yao yote kwa athari ya Mpemba. James Brownridge, mwanachama wa Idara ya Usalama wa Mionzi katika Chuo Kikuu cha Jimbo la New York, amekuwa akisoma kitendawili hicho katika muda wake wa ziada kwa muongo mmoja. Baada ya kufanya mamia ya majaribio, mwanasayansi anadai kuwa na ushahidi wa "hatia" ya hypothermia. Brownridge anaelezea kuwa saa 0 ° C, maji huwa supercooled tu, na huanza kufungia wakati joto linapungua chini. Sehemu ya kufungia inadhibitiwa na uchafu ndani ya maji - hubadilisha kiwango cha malezi ya fuwele za barafu. Uchafu, kama vile chembe za vumbi, bakteria na chumvi iliyoyeyushwa, huwa na halijoto ya viini vya hali ya juu wakati fuwele za barafu huunda karibu na vituo vya uangazaji. Wakati vipengele kadhaa vilivyopo katika maji mara moja, hatua ya kufungia imedhamiriwa na moja ambayo ina joto la juu la nucleation.
Kwa jaribio, Brownridge alichukua sampuli mbili za maji za halijoto sawa na kuziweka kwenye friji. Aligundua kuwa moja ya vielelezo kila mara iliganda kabla ya nyingine, labda kwa sababu ya mchanganyiko tofauti wa uchafu.
Brownridge anasema maji ya moto hupoa haraka kwa sababu kuna tofauti kubwa kati ya halijoto ya maji na friza - hii husaidia kufikia kiwango chake cha kuganda kabla ya maji baridi kufikia kiwango chake cha asili cha kuganda, ambacho ni angalau 5°C chini.
Walakini, mawazo ya Brownridge yanazua maswali mengi. Kwa hivyo, wale wanaoweza kuelezea athari ya Mpemba kwa njia yao wenyewe wana nafasi ya kushindana kwa pauni elfu moja kutoka Jumuiya ya Kifalme ya Kemia ya Uingereza.
Katika makala hii tutaangalia swali la kwa nini maji ya moto hufungia kwa kasi zaidi kuliko maji baridi.
Maji yenye joto huganda haraka kuliko maji baridi! Mali hii ya ajabu ya maji, ambayo wanasayansi bado hawawezi kupata maelezo halisi, imejulikana tangu nyakati za kale. Kwa mfano, hata katika Aristotle kuna maelezo ya uvuvi wa majira ya baridi: wavuvi waliingiza viboko vya uvuvi kwenye mashimo kwenye barafu, na ili waweze kufungia kwa kasi, wakamwaga maji ya joto kwenye barafu. Jambo hili lilipewa jina la Erasto Mpemba katika miaka ya 60 ya karne ya 20. Mnemba aliona athari ya ajabu wakati akitengeneza ice cream na kumgeukia mwalimu wake wa fizikia, Dk.Denis Osborne, ili apate maelezo. Mpemba na Dk. Osborne walifanya majaribio ya maji kwa viwango tofauti vya joto na kuhitimisha kuwa karibu maji yanayochemka huanza kuganda kwa kasi zaidi kuliko maji kwenye joto la kawaida. Wanasayansi wengine walifanya majaribio yao wenyewe na kila wakati walipata matokeo sawa.
Ufafanuzi wa jambo la kimwili
Hakuna maelezo yanayokubalika kwa ujumla kwa nini hii inatokea. Watafiti wengi wanapendekeza kwamba hatua nzima iko kwenye baridi kali ya kioevu, ambayo hutokea wakati joto lake linapungua chini ya kiwango cha kufungia. Kwa maneno mengine, ikiwa maji hufungia kwa joto la chini ya 0 ° C, basi maji ya supercooled yanaweza kuwa na joto la, kwa mfano, -2 ° C na bado kubaki kioevu bila kugeuka kwenye barafu. Tunapojaribu kufungia maji baridi, kuna nafasi kwamba itakuwa ya kwanza kuwa supercooled na ngumu tu baada ya muda fulani. Michakato mingine hutokea katika maji yenye joto. Mabadiliko yake ya haraka katika barafu yanahusishwa na convection.
Convection- hii ni jambo la kimwili ambalo tabaka za chini za joto za kupanda kwa kioevu, na za juu, zilizopozwa, huanguka.
