น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งในอากาศ ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น? เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา

21.11.2017 11.10.2018 อเล็กซานเดอร์ เฟิร์ตเซฟ

« น้ำใดแข็งตัวเร็วกว่าเย็นหรือร้อน?"- ลองถามคำถามกับเพื่อน ๆ ส่วนใหญ่จะตอบว่าค้างเร็วขึ้น น้ำเย็น- และพวกเขาจะทำผิดพลาด

ในความเป็นจริงหากคุณใส่ภาชนะสองใบที่มีรูปร่างและปริมาตรเท่ากันในช่องแช่แข็งโดยภาชนะหนึ่งมีน้ำเย็นและอีกภาชนะร้อนก็จะแข็งเร็วขึ้น น้ำร้อน.

ข้อความดังกล่าวอาจดูไร้สาระและไม่มีเหตุผล หากคุณทำตามตรรกะ น้ำร้อนจะต้องเย็นลงจนถึงอุณหภูมิน้ำเย็นก่อน และในเวลานี้น้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งแล้ว

แล้วเหตุใดน้ำร้อนจึงเอาชนะน้ำเย็นจนกลายเป็นน้ำแข็ง? ลองคิดดูสิ

ประวัติความเป็นมาของการสังเกตและการวิจัย

ผู้คนสังเกตเห็นผลกระทบที่ขัดแย้งกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ แต่ไม่มีใครสังเกตเห็น ความสำคัญพิเศษ- ดังนั้น Arestotle เช่นเดียวกับ Rene Descartes และ Francis Bacon จึงตั้งข้อสังเกตในบันทึกของพวกเขาถึงความไม่สอดคล้องกันของอัตราการแช่แข็งของน้ำเย็นและน้ำร้อน ปรากฏการณ์ที่ไม่ธรรมดามักปรากฏให้เห็นในชีวิตประจำวัน

เป็นเวลานานแล้วที่ไม่มีการศึกษาปรากฏการณ์นี้ แต่อย่างใดและไม่ได้ก่อให้เกิด ดอกเบี้ยพิเศษในหมู่นักวิทยาศาสตร์

การศึกษาผลกระทบที่ผิดปกตินี้เริ่มต้นขึ้นในปี 1963 เมื่อ Erasto Mpemba เด็กนักเรียนที่อยากรู้อยากเห็นจากแทนซาเนียสังเกตเห็นว่านมร้อนสำหรับไอศกรีมแข็งตัวเร็วกว่านมเย็น ด้วยความหวังที่จะได้รับคำอธิบายถึงสาเหตุของผลกระทบที่ผิดปกติ ชายหนุ่มจึงถามครูฟิสิกส์ที่โรงเรียน อย่างไรก็ตาม ครูเพียงแต่หัวเราะเยาะเขา

ต่อมา Mpemba ทำการทดลองซ้ำ แต่ในการทดลองของเขาเขาไม่ได้ใช้นมอีกต่อไป แต่ใช้น้ำ และผลที่ขัดแย้งกันก็เกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง

6 ปีต่อมาในปี 1969 Mpemba ได้ถามคำถามนี้กับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Dennis Osborn ซึ่งมาโรงเรียนของเขา ศาสตราจารย์สนใจในการสังเกตของชายหนุ่ม และเป็นผลให้มีการทดลองเพื่อยืนยันการมีอยู่ของผลกระทบ แต่ไม่ได้ระบุสาเหตุของปรากฏการณ์นี้

นับแต่นั้นมาก็ได้เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา.

ตลอดประวัติศาสตร์ การสังเกตทางวิทยาศาสตร์มีการเสนอสมมติฐานมากมายเกี่ยวกับสาเหตุของปรากฏการณ์

ดังนั้นในปี 2012 British Royal Society of Chemistry จะประกาศการแข่งขันของสมมติฐานที่อธิบายผลกระทบของ Mpemba นักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลกเข้าร่วมการแข่งขัน มีผู้ลงทะเบียนทั้งสิ้น 22,000 คน งานทางวิทยาศาสตร์- แม้จะมีบทความจำนวนมากที่น่าประทับใจ แต่ก็ไม่มีบทความใดที่ทำให้เกิดความชัดเจนกับความขัดแย้งของ Mpemba

เวอร์ชันที่พบบ่อยที่สุดคือตามที่น้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากระเหยเร็วขึ้น ปริมาตรก็เล็กลง และเมื่อปริมาตรลดลง อัตราการทำความเย็นก็จะเพิ่มขึ้น เวอร์ชันที่พบบ่อยที่สุดถูกข้องแวะในที่สุดเนื่องจากมีการทดลองโดยไม่รวมการระเหย แต่อย่างไรก็ตามผลลัพธ์ก็ได้รับการยืนยัน

นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ เชื่อว่าสาเหตุของปรากฏการณ์ Mpemba คือการระเหยของก๊าซที่ละลายในน้ำ ในความเห็นของพวกเขาในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนก๊าซที่ละลายในน้ำจะระเหยออกไปซึ่งทำให้ได้รับมากขึ้น ความหนาแน่นสูงกว่าความเย็น ดังที่ทราบกันดีว่าการเพิ่มความหนาแน่นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง คุณสมบัติทางกายภาพน้ำ (การนำความร้อนเพิ่มขึ้น) และส่งผลให้อัตราการทำความเย็นเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ยังมีการเสนอสมมติฐานจำนวนหนึ่งที่อธิบายอัตราการไหลเวียนของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การศึกษาจำนวนมากได้พยายามสร้างความสัมพันธ์ระหว่างวัสดุของภาชนะบรรจุซึ่งมีของเหลวอยู่ ทฤษฎีหลายทฤษฎีดูเป็นไปได้มาก แต่ก็ไม่สามารถยืนยันทางวิทยาศาสตร์ได้เนื่องจากขาดข้อมูลเบื้องต้น ความขัดแย้งในการทดลองอื่นๆ หรือเนื่องจากปัจจัยที่ระบุไม่สามารถเทียบเคียงได้กับอัตราการทำความเย็นของน้ำ นักวิทยาศาสตร์บางคนในงานของพวกเขาตั้งคำถามถึงการมีอยู่ของผลกระทบ

ในปี พ.ศ. 2556 นักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง สิงคโปร์ กล่าวว่าพวกเขาได้ไขความลึกลับของปรากฏการณ์ Mpemba แล้ว จากการวิจัยของพวกเขา สาเหตุของปรากฏการณ์นี้อยู่ที่ปริมาณพลังงานที่สะสมอยู่ในนั้น พันธะไฮโดรเจนมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างโมเลกุลของน้ำเย็นและน้ำร้อน

วิธีการ การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นผลลัพธ์ดังต่อไปนี้: ยิ่งอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นเท่าใด ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากแรงผลักดันเพิ่มขึ้น ดังนั้นพันธะไฮโดรเจนของโมเลกุลจึงยืดตัวและกักเก็บ มากกว่าพลังงาน. เมื่อเย็นลง โมเลกุลจะเริ่มเคลื่อนที่เข้าใกล้กัน และปล่อยพลังงานออกจากพันธะไฮโดรเจน ในกรณีนี้การปล่อยพลังงานจะมาพร้อมกับอุณหภูมิที่ลดลง

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2560 นักฟิสิกส์ชาวสเปนในการศึกษาอื่นพบว่า บทบาทใหญ่มันคือการกำจัดสารออกจากสมดุล (การให้ความร้อนสูงก่อนที่จะเย็นตัวลงอย่างแรง) ที่มีบทบาทในการก่อตัวของผลกระทบ พวกเขากำหนดเงื่อนไขที่ความน่าจะเป็นของผลกระทบจะเกิดขึ้นสูงสุด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์จากสเปนยังยืนยันการมีอยู่อีกด้วย ผลย้อนกลับเอ็มเพมบา. พวกเขาพบว่าเมื่อถูกความร้อน ตัวอย่างที่เย็นกว่าจะมีอุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าตัวอย่างที่อุ่นกว่า

แม้จะมีข้อมูลที่ครอบคลุมและการทดลองมากมาย แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ตั้งใจที่จะศึกษาผลกระทบต่อไป

เอฟเฟ็กต์ Mpemba ในชีวิตจริง

คุณเคยสงสัยบ้างไหมว่าทำไม เวลาฤดูหนาวลานสเก็ตเติมน้ำร้อนไม่เย็นหรือเปล่า? อย่างที่คุณเข้าใจแล้ว พวกเขาทำเช่นนี้เพราะลานสเก็ตที่เต็มไปด้วยน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าการเติมน้ำเย็น ด้วยเหตุผลเดียวกัน น้ำร้อนจึงถูกเทลงในสไลเดอร์ในเมืองน้ำแข็งในฤดูหนาว

ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับการมีอยู่ของปรากฏการณ์ทำให้ผู้คนประหยัดเวลาในการเตรียมสถานที่ สายพันธุ์ฤดูหนาวกีฬา

นอกจากนี้ บางครั้งเอฟเฟกต์ Mpemba ยังใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อลดเวลาการแช่แข็งของผลิตภัณฑ์ สาร และวัสดุที่มีน้ำ

เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา(ความขัดแย้งของ Mpemba) - ความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางประการจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ โดยที่ภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดมากกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าเพื่อทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

อริสโตเติล, ฟรานซิส เบคอน และเรเน เดส์การตส์สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ในคราวเดียว แต่ในปี 1963 Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียค้นพบว่าส่วนผสมของไอศกรีมร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าไอศกรีมเย็น

เป็นนักเรียนของ Magambinskaya โรงเรียนมัธยมปลายในแทนซาเนีย Erasto Mpemba ทำ งานภาคปฏิบัติในการปรุงอาหาร เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด - ต้มนม ละลายน้ำตาลลงไป ปล่อยให้เย็นจน อุณหภูมิห้องแล้วนำไปแช่ตู้เย็นให้แข็งตัว เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและล่าช้าในการทำส่วนแรกของงานให้เสร็จล่าช้า ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำธรรมดาด้วย ยังไงก็ตามในฐานะนักเรียนมัธยมศึกษา Mkwawa เขาถามศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์นจาก มหาวิทยาลัยวิทยาลัยในดาร์เอสซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายวิชาฟิสิกส์แก่นักเรียน) โดยเฉพาะเกี่ยวกับน้ำ: “ ถ้าคุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบที่มีปริมาณน้ำเท่ากันเพื่อที่หนึ่งในนั้นน้ำจะมีอุณหภูมิ 35 ° C และอีกอัน - 100 °C แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง จากนั้นช่องที่สองน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม?” ออสบอร์นเริ่มสนใจประเด็นนี้ และในไม่ช้า ในปี 1969 เขาและเอ็มเพมบาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของพวกเขาในวารสาร Physics Education ตั้งแต่นั้นมา ผลกระทบที่พวกเขาค้นพบก็ถูกเรียกว่า เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา.

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีหลายเวอร์ชันก็ตาม ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวบนน้ำเมื่อ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน.

ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba ก็คือช่วงเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิโดยรอบควรเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎนี้ก่อตั้งขึ้นโดยนิวตันและได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติหลายครั้งตั้งแต่นั้นมา ด้วยเหตุนี้ น้ำที่มีอุณหภูมิ 100°C จะเย็นลงถึงอุณหภูมิ 0°C เร็วกว่าน้ำที่มีอุณหภูมิ 35°C ในปริมาณเท่ากัน

อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ได้หมายความถึงความขัดแย้ง เนื่องจากสามารถอธิบายเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ภายในกรอบของฟิสิกส์ที่รู้จัก ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายบางส่วนเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ Mpemba:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ จึงทำให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำน้อยลงที่อุณหภูมิเดียวกันก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนที่อุณหภูมิ 100 C จะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงเหลือ 0 C

ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองอุณหภูมิลดลงเนื่องจากความร้อนของการระเหยของการเปลี่ยนจากเฟสน้ำไปเป็นเฟสไอน้ำลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและอากาศเย็นมีมากกว่า ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงมีความรุนแรงมากขึ้นและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิต่ำ

เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0 C น้ำจะไม่แข็งตัวเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อุปกรณ์สามารถผ่านการทำความเย็นแบบซูเปอร์คูลลิ่งได้ โดยยังคงเป็นของเหลวต่อไปที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำสามารถยังคงเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ –20 C

สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัว จำเป็นต้องมีจุดศูนย์กลางการก่อตัวของคริสตัล หากไม่มีอยู่ในน้ำของเหลว ซูเปอร์คูลลิ่งจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่มีความเย็นยิ่งยวด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น กลายเป็นน้ำแข็งโคลน ซึ่งจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง

น้ำร้อนจะไวต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติมากที่สุดเนื่องจากการให้ความร้อนจะขจัดก๊าซและฟองที่ละลายในน้ำ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งได้

เหตุใดภาวะอุณหภูมิต่ำจึงทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น ในกรณีของ น้ำเย็นซึ่งไม่ได้ทำความเย็นเป็นพิเศษ จะเกิดสิ่งต่อไปนี้ ในกรณีนี้ จะมีชั้นน้ำแข็งบางๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของภาชนะ ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และป้องกันการระเหยออกไปอีก อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะลดลง ในกรณีของน้ำร้อนที่ต้องทำความเย็นแบบพิเศษ น้ำที่เย็นเป็นพิเศษนั้นจะไม่มีชั้นผิวป้องกันเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนได้เร็วกว่ามากเมื่อผ่านหลังคาแบบเปิด

เมื่อกระบวนการทำความเย็นยิ่งยวดสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะสูญเสียไปมากขึ้นและก่อตัวขึ้น น้ำแข็งมากขึ้น.

นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิร่างกายเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba

การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง ส่งผลให้สูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง

ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติของความหนาแน่นของน้ำ น้ำก็มี ความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4 C หากน้ำเย็นลงถึง 4 C แล้วตั้งไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ชั้นผิวน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4 C น้ำจึงยังคงอยู่บนพื้นผิวจนเกิดเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำภายในระยะเวลาอันสั้น แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันชั้นล่างของน้ำซึ่งจะคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4 C ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นต่อจะช้าลง

ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและ ความแตกต่างที่ใหญ่กว่าอุณหภูมิ นอกจากนี้ชั้นน้ำเย็นยังมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลงทำให้ชั้นสูงขึ้น น้ำอุ่นสู่พื้นผิว การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว

แต่เหตุใดกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน จำเป็นต้องถือว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากนั้น อุณหภูมิเฉลี่ยน้ำจะลดลงต่ำกว่า 4 C

อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานการทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกันโดยกระบวนการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำประกอบด้วยก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นเสมอ - ออกซิเจนและ คาร์บอนไดออกไซด์- ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากมีความสามารถในการละลายน้ำได้ อุณหภูมิสูงด้านล่าง. ดังนั้น เมื่อน้ำร้อนเย็นลง ก็จะมีก๊าซที่ละลายน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่อุ่นเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำร้อนจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น บางครั้งปัจจัยนี้ถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ยืนยันข้อเท็จจริงนี้ก็ตาม

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญในการใส่น้ำลงในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้สภาวะเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะบรรจุน้ำร้อนละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสความร้อนกับผนังช่องแช่แข็งและการนำความร้อน ส่งผลให้ความร้อนถูกดึงออกจากภาชนะน้ำร้อนได้เร็วกว่าภาชนะที่เย็น ในทางกลับกัน ภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ทำให้หิมะที่อยู่ด้านล่างละลาย

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงเงื่อนไขอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ไม่เคยได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามใดที่ให้การสร้างเอฟเฟกต์ Mpemba ได้ร้อยเปอร์เซ็นต์

ตัวอย่างเช่นในปี 1995 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน David Auerbach ศึกษาอิทธิพลของน้ำที่มีความเย็นยิ่งยวดต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนซึ่งมีอุณหภูมิเย็นจัดเป็นพิเศษ จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และเร็วกว่าน้ำเย็นอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะเย็นยิ่งยวดเร็วกว่าน้ำร้อน จึงชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ที่ว่าน้ำร้อนสามารถให้ความเย็นยิ่งยวดได้มากขึ้นเนื่องจากมีศูนย์การตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อน ก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นจะถูกกำจัดออกไป และเมื่อถูกต้ม เกลือบางส่วนที่ละลายอยู่ในนั้นก็จะตกตะกอน

ในตอนนี้มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถระบุได้ - การสร้างเอฟเฟกต์นี้อย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลอง แม่นยำเพราะมันไม่ได้ทำซ้ำเสมอไป

โอ.วี. โมซิน

วรรณกรรมแหล่งที่มา:

"น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น เหตุใดจึงทำเช่นนั้น?" เจียร์ล วอล์คเกอร์ ใน The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237 เลขที่ 3, หน้า 246-257; กันยายน พ.ศ. 2520

"การแช่แข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", G.ส. เคลล์ใน American Journal of Physics, Vol. 37, เลขที่. 5, หน้า 564-565; พฤษภาคม 1969.

“ซุปเปอร์คูลลิ่ง และ Mpemba effect", David Auerbach ใน American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, หน้า 882-885; ต.ค. 1995

"ผลกระทบของ Mpemba: เวลาเยือกแข็งของน้ำร้อนและน้ำเย็น", Charles A. Knight, ใน American Journal of Physics, Vol. 64, เลขที่. 5, หน้า 524; พฤษภาคม 1996

British Royal Society of Chemistry เสนอรางวัล 1,000 ปอนด์แก่ใครก็ตามที่สามารถอธิบายได้ จุดทางวิทยาศาสตร์ทำความเข้าใจว่าทำไมในบางกรณีน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

“วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ยังคงไม่สามารถตอบคำถามที่ดูเหมือนเรียบง่ายนี้ได้ ผู้ผลิตไอศกรีมและบาร์เทนเดอร์ใช้เอฟเฟกต์นี้ในการทำงานประจำวัน แต่ไม่มีใครรู้ว่าทำไมมันถึงได้ผล ปัญหานี้ทราบกันมานานนับพันปี โดยนักปรัชญาเช่นอริสโตเติลและเดส์การตส์ก็คิดเรื่องนี้อยู่” ศาสตราจารย์เดวิด ฟิลลิปส์ ประธาน British Royal Society of Chemistry กล่าวในข่าวประชาสัมพันธ์ของ Society

พ่อครัวจากแอฟริกาเอาชนะศาสตราจารย์ฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้อย่างไร

นี่ไม่ใช่เรื่องตลกในวัน April Fool แต่เป็นเรื่องตลกที่รุนแรง ความเป็นจริงทางกายภาพ- วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ซึ่งดำเนินการได้ง่ายกับกาแลคซีและหลุมดำ และสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์เพื่อค้นหาควาร์กและโบซอน ไม่สามารถอธิบายได้ว่า "ทำงาน" ของน้ำเบื้องต้นได้อย่างไร หนังสือเรียนของโรงเรียนระบุไว้อย่างชัดเจนว่าต้องใช้เวลาในการทำให้ร่างกายที่ร้อนเย็นลงมากกว่าการทำให้ร่างกายที่เย็นเย็นลง แต่สำหรับน้ำ กฎหมายฉบับนี้ไม่ได้สังเกตเสมอไป อริสโตเติลดึงความสนใจไปที่ความขัดแย้งนี้ในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช จ. นี่คือสิ่งที่ฉันเขียน กรีกโบราณในหนังสือ Meteorologica I: “การที่น้ำถูกอุ่นมีส่วนทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ดังนั้น หลายๆ คนเมื่อต้องการให้น้ำร้อนเย็นเร็วขึ้น ให้นำไปตากแดดก่อน…” ในยุคกลาง ฟรานซิส เบคอน และเรอเน เดการ์ต พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้ อนิจจาทั้งนักปรัชญาผู้ยิ่งใหญ่และนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่พัฒนาเทอร์โมฟิสิกส์แบบคลาสสิกไม่ประสบความสำเร็จในเรื่องนี้ดังนั้นข้อเท็จจริงที่ไม่สะดวกดังกล่าวจึงถูก "ลืม" มาเป็นเวลานาน

และในปี 1968 เท่านั้นที่พวกเขา "จำได้" ต้องขอบคุณเด็กนักเรียน Erasto Mpembe จากแทนซาเนียซึ่งห่างไกลจากวิทยาศาสตร์ใด ๆ ขณะที่เรียนที่โรงเรียนศิลปะการทำอาหารในปี 2506 Mpembe วัย 13 ปีได้รับมอบหมายให้ทำไอศกรีม ตามเทคโนโลยีจำเป็นต้องต้มนมละลายน้ำตาลแล้วทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องแล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันและลังเล ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมไว้ตามกฎทั้งหมด

เมื่อ Mpemba แบ่งปันการค้นพบของเขากับครูฟิสิกส์ เขาก็หัวเราะเยาะเขาต่อหน้าทั้งชั้น Mpemba จำคำดูถูกนั้นได้ ห้าปีต่อมา ในฐานะนักศึกษามหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลาม เขาพบว่าตัวเองกำลังฟังบรรยาย นักฟิสิกส์ชื่อดังเดนิส จี. ออสบอร์น. หลังจากการบรรยาย เขาถามคำถามนักวิทยาศาสตร์ว่า “ถ้าคุณนำภาชนะที่เหมือนกันสองใบไปด้วย จำนวนเท่ากันน้ำหนึ่งที่อุณหภูมิ 35 °C (95 °F) และอีกน้ำหนึ่งที่อุณหภูมิ 100 °C (212 °F) แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง น้ำในภาชนะที่ร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม?" คุณคงจินตนาการถึงปฏิกิริยาของอาจารย์ชาวอังกฤษต่อคำถามของชายหนุ่มจากแทนซาเนียผู้ละทิ้งพระเจ้า เขาล้อนักเรียน อย่างไรก็ตาม Mpemba พร้อมสำหรับคำตอบดังกล่าวและท้าทายนักวิทยาศาสตร์ให้เดิมพัน ข้อโต้แย้งของพวกเขาจบลงแล้ว การตรวจสอบการทดลองซึ่งยืนยันว่า Mpemba พูดถูกและ Osborne ก็พ่ายแพ้ ดังนั้น พ่อครัวฝึกหัดจึงได้เขียนชื่อของเขาไว้ในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ และจากนี้ไปปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" เป็นไปไม่ได้ที่จะทิ้งมันไปเพื่อประกาศว่า "ไม่มีอยู่จริง" ปรากฏการณ์นี้มีอยู่จริง และดังที่กวีเขียนไว้ว่า “มันไม่เจ็บเลย”

อนุภาคฝุ่นและตัวถูกละลายเป็นโทษหรือไม่?

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา หลายคนพยายามไขปริศนาของน้ำที่กลายเป็นน้ำแข็ง มีการเสนอคำอธิบายมากมายสำหรับปรากฏการณ์นี้: การระเหย การพาความร้อน อิทธิพลของสารที่ละลาย - แต่ไม่มีปัจจัยใดที่สามารถพิจารณาว่าเป็นที่แน่ชัดได้ นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งอุทิศทั้งชีวิตให้กับปรากฏการณ์ Mpemba พนักงานแผนก ความปลอดภัยของรังสี มหาวิทยาลัยของรัฐนิวยอร์ก – เจมส์ บราวน์ริดจ์ – อิน เวลาว่างได้ศึกษาเรื่องความขัดแย้งมานานกว่าทศวรรษแล้ว หลังจากทำการทดลองหลายร้อยครั้ง นักวิทยาศาสตร์อ้างว่ามีหลักฐานของ "ความผิด" ของภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติ บราวน์ริดจ์อธิบายว่าที่อุณหภูมิ 0°C น้ำจะมีความเย็นยิ่งยวดเท่านั้น และเริ่มแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า จุดเยือกแข็งถูกควบคุมโดยสิ่งสกปรกในน้ำ - พวกมันเปลี่ยนอัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง สิ่งเจือปน เช่น อนุภาคฝุ่น แบคทีเรีย และเกลือที่ละลายอยู่ มีอุณหภูมินิวเคลียสที่เป็นลักษณะเฉพาะเมื่อผลึกน้ำแข็งก่อตัวรอบๆ จุดศูนย์กลางการตกผลึก เมื่อมีองค์ประกอบหลายอย่างอยู่ในน้ำพร้อมกัน จุดเยือกแข็งจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบที่มีอุณหภูมินิวเคลียสสูงที่สุด

สำหรับการทดลอง บราวน์ริดจ์ได้นำตัวอย่างน้ำ 2 ตัวอย่างที่มีอุณหภูมิเท่ากันแล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง เขาค้นพบว่าตัวอย่างชิ้นหนึ่งมักจะแข็งตัวก่อนชิ้นอื่นเสมอ อาจเป็นเพราะส่วนผสมของสิ่งเจือปนต่างกัน

Brownridge อ้างว่าน้ำร้อนจะเย็นเร็วขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิของน้ำและช่องแช่แข็งมีความแตกต่างกันมากขึ้น ซึ่งจะช่วยให้น้ำร้อนถึงจุดเยือกแข็งก่อนที่น้ำเย็นจะถึงจุดเยือกแข็ง จุดธรรมชาติจุดเยือกแข็งซึ่งต่ำกว่าอย่างน้อย 5°C

อย่างไรก็ตาม การให้เหตุผลของ Brownridge ทำให้เกิดคำถามมากมาย ดังนั้นผู้ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ Mpemba ในแบบของตนเองได้มีโอกาสแข่งขันเพื่อเงินหนึ่งพันปอนด์จาก British Royal Society of Chemistry

ในปี 1963 นักเรียนชาวแทนซาเนียชื่อ Erasto Mpemba ถามคำถามโง่ๆ กับครูของเขา - ทำไมไอศกรีมอุ่นๆ ในช่องแช่แข็งถึงแข็งเร็วกว่าไอศกรีมเย็น?

Erasto Mpemba เป็นนักเรียนที่ Magambi High School ในประเทศแทนซาเนีย โดยทำงานภาคปฏิบัติเป็นพ่อครัว เขาต้องทำไอศกรีมโฮมเมด โดยต้มนม ละลายน้ำตาลในนั้น ปล่อยให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง แล้วนำไปแช่ในตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันเป็นพิเศษและล่าช้าในการทำส่วนแรกของงานให้เสร็จล่าช้า ด้วยกลัวว่าเรียนไม่ทันจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น เขาประหลาดใจที่มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขาที่เตรียมตามเทคโนโลยีที่กำหนด

เขาหันไปหาครูฟิสิกส์เพื่อชี้แจง แต่เขาเพียงแต่หัวเราะเยาะนักเรียนคนนั้น โดยพูดว่า: "นี่ไม่ใช่ฟิสิกส์สากล แต่เป็นฟิสิกส์ Mpemba" หลังจากนั้น Mpemba ไม่เพียงทดลองกับนมเท่านั้น แต่ยังทดลองกับน้ำธรรมดาด้วย

ไม่ว่าในกรณีใด ในฐานะนักเรียนที่โรงเรียนมัธยม Mkwava เขาขอให้ศาสตราจารย์เดนนิส ออสบอร์น จากวิทยาลัยมหาวิทยาลัยในดาร์ เอส ซาลาม (ได้รับเชิญจากผู้อำนวยการโรงเรียนให้บรรยายเรื่องฟิสิกส์แก่นักเรียน) โดยเฉพาะเกี่ยวกับน้ำ: “ถ้าคุณเรียน สองภาชนะที่เหมือนกันด้วย ปริมาณเท่ากันน้ำเพื่อให้หนึ่งในนั้นน้ำมีอุณหภูมิ 35°C และอีกอัน - 100°C แล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็งจากนั้นในวินาทีนั้นน้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น ทำไม?" ออสบอร์นเริ่มสนใจประเด็นนี้ และในไม่ช้า ในปี 1969 เขาและเอ็มเพมบาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของพวกเขาในวารสาร Physics Education ตั้งแต่นั้นมา ผลกระทบที่พวกเขาค้นพบก็ถูกเรียกว่าเอฟเฟกต์ Mpemba

คุณสนใจที่จะรู้ว่าเหตุใดจึงเกิดเหตุการณ์เช่นนี้? เมื่อไม่กี่ปีก่อน นักวิทยาศาสตร์สามารถอธิบายได้ ปรากฏการณ์นี้ …

Mpemba Effect (Mpemba Paradox) เป็นความขัดแย้งที่ระบุว่าน้ำร้อนภายใต้เงื่อนไขบางประการจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าจะต้องผ่านอุณหภูมิของน้ำเย็นในระหว่างกระบวนการแช่แข็งก็ตาม ความขัดแย้งนี้เป็นข้อเท็จจริงเชิงทดลองที่ขัดแย้งกับแนวคิดปกติ โดยที่ภายใต้สภาวะเดียวกัน วัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดมากกว่าวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าเพื่อทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเดียวกัน

ปรากฏการณ์นี้สังเกตเห็นได้ในสมัยนั้นโดยอริสโตเติล, ฟรานซิส เบคอน และเรอเน เดการ์ต จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าจะอธิบายผลกระทบประหลาดนี้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ไม่มีเวอร์ชันเดียวแม้ว่าจะมีหลายเวอร์ชันก็ตาม ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับความแตกต่างในคุณสมบัติของน้ำร้อนและน้ำเย็น แต่ยังไม่ชัดเจนว่าคุณสมบัติใดมีบทบาทในกรณีนี้: ความแตกต่างในการทำความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือผลกระทบของก๊าซเหลวที่มีต่อน้ำที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกัน ความขัดแย้งของเอฟเฟกต์ Mpemba ก็คือช่วงเวลาที่ร่างกายเย็นลงจนถึงอุณหภูมิโดยรอบควรเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายนี้กับสิ่งแวดล้อม กฎนี้ก่อตั้งขึ้นโดยนิวตันและได้รับการยืนยันในทางปฏิบัติหลายครั้งตั้งแต่นั้นมา ด้วยเหตุนี้ น้ำที่มีอุณหภูมิ 100°C จะเย็นลงถึงอุณหภูมิ 0°C เร็วกว่าน้ำที่มีอุณหภูมิ 35°C ในปริมาณเท่ากัน

ตั้งแต่นั้นมาพวกเขาก็พูดออกมา รุ่นที่แตกต่างกันซึ่งหนึ่งในนั้นก็ดังขึ้น ดังต่อไปนี้: น้ำร้อนบางส่วนระเหยไปในตอนแรก จากนั้นเมื่อเหลือน้อย น้ำก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น เวอร์ชันนี้เนื่องจากความเรียบง่ายจึงกลายเป็นเวอร์ชันที่ได้รับความนิยมมากที่สุด แต่ไม่เป็นที่พอใจของนักวิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์

ขณะนี้ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยางในสิงคโปร์ นำโดยนักเคมี สี จาง กล่าวว่า พวกเขาได้ไขปริศนาเก่าแก่ว่าทำไมน้ำอุ่นถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น คุณทราบได้อย่างไร? ผู้เชี่ยวชาญชาวจีนความลับอยู่ที่ปริมาณพลังงานที่เก็บอยู่ในพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ

ดังที่คุณทราบ โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมและอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมที่ยึดติดกัน พันธะโควาเลนต์ซึ่งในระดับอนุภาคจะมีลักษณะเหมือนการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน อื่น ความจริงที่รู้อยู่ที่ความจริงที่ว่าอะตอมไฮโดรเจนถูกดึงดูดเข้ากับอะตอมออกซิเจนจากโมเลกุลข้างเคียง - และเกิดพันธะไฮโดรเจนขึ้น

ในเวลาเดียวกัน โดยทั่วไปโมเลกุลของน้ำจะผลักกัน นักวิทยาศาสตร์จากสิงคโปร์สังเกตเห็นว่า ยิ่งน้ำอุ่น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของของเหลวก็จะยิ่งมากขึ้นเนื่องจากแรงผลักที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้พันธะไฮโดรเจนยืดออกและกักเก็บพลังงานได้มากขึ้น พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาเมื่อน้ำเย็นลง - โมเลกุลจะเคลื่อนที่เข้ามาใกล้กันมากขึ้น และการปล่อยพลังงานดังที่ทราบกันดีหมายถึงความเย็น

ต่อไปนี้เป็นข้อสันนิษฐานที่นักวิทยาศาสตร์เสนอ:

การระเหย

น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นจากภาชนะ จึงทำให้ปริมาตรลดลง และปริมาณน้ำน้อยลงที่อุณหภูมิเดียวกันก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น น้ำร้อนที่อุณหภูมิ 100°C จะสูญเสียมวล 16% เมื่อเย็นลงเหลือ 0°C ผลการระเหยเป็นผลสองเท่า ประการแรก มวลน้ำที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นจะลดลง และประการที่สองเนื่องจากการระเหยทำให้อุณหภูมิลดลง

ความแตกต่างของอุณหภูมิ

เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำร้อนและอากาศเย็นมีมากกว่า ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนในกรณีนี้จึงมีความรุนแรงมากขึ้นและน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้น

อุณหภูมิต่ำ
เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 0°C น้ำจะไม่แข็งตัวเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อุปกรณ์สามารถผ่านการทำความเย็นแบบซูเปอร์คูลลิ่งได้ โดยยังคงเป็นของเหลวต่อไปที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ในบางกรณี น้ำสามารถยังคงเป็นของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิ -20°C สาเหตุของผลกระทบนี้คือเพื่อให้ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกเริ่มก่อตัว จำเป็นต้องมีจุดศูนย์กลางการก่อตัวของคริสตัล หากไม่มีอยู่ในน้ำของเหลว ซูเปอร์คูลลิ่งจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิจะลดลงมากพอที่ผลึกจะเริ่มก่อตัวตามธรรมชาติ เมื่อพวกมันเริ่มก่อตัวในของเหลวที่มีความเย็นยิ่งยวด พวกมันจะเริ่มเติบโตเร็วขึ้น กลายเป็นน้ำแข็งโคลน ซึ่งจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง น้ำร้อนจะไวต่อภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติมากที่สุดเนื่องจากการให้ความร้อนจะขจัดก๊าซและฟองที่ละลายในน้ำ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งได้ เหตุใดภาวะอุณหภูมิต่ำจึงทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วขึ้น ในกรณีของน้ำเย็นที่ไม่ได้ทำความเย็นยิ่งยวด จะเกิดสิ่งต่อไปนี้: ชั้นน้ำแข็งบาง ๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างน้ำกับอากาศเย็น และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันการระเหยออกไปอีก อัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งในกรณีนี้จะลดลง ในกรณีของน้ำร้อนที่ต้องทำความเย็นแบบพิเศษ น้ำที่เย็นเป็นพิเศษนั้นจะไม่มีชั้นผิวป้องกันเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นจึงสูญเสียความร้อนได้เร็วกว่ามากเมื่อผ่านหลังคาแบบเปิด เมื่อกระบวนการทำความเย็นยิ่งยวดสิ้นสุดลงและน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ความร้อนจะสูญเสียไปอย่างมาก และทำให้เกิดน้ำแข็งมากขึ้น นักวิจัยหลายคนเกี่ยวกับผลกระทบนี้ถือว่าภาวะอุณหภูมิร่างกายเป็นปัจจัยหลักในกรณีของผลกระทบ Mpemba
การพาความร้อน

น้ำเย็นเริ่มแข็งตัวจากด้านบน ส่งผลให้กระบวนการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแย่ลง ส่งผลให้สูญเสียความร้อน ในขณะที่น้ำร้อนเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง ผลกระทบนี้อธิบายได้จากความผิดปกติของความหนาแน่นของน้ำ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4°C หากคุณทำให้น้ำเย็นลงถึง 4°C และวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ชั้นผิวน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น เนื่องจากน้ำนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4°C น้ำจึงยังคงอยู่บนพื้นผิวและก่อตัวเป็นชั้นเย็นบางๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ชั้นน้ำแข็งบางๆ จะก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำภายในระยะเวลาอันสั้น แต่ชั้นน้ำแข็งนี้จะทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันชั้นล่างของน้ำซึ่งจะยังคงอยู่ที่อุณหภูมิ 4°C . ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นต่อไปจะช้าลง ในกรณีของน้ำร้อน สถานการณ์จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ชั้นผิวของน้ำจะเย็นตัวเร็วขึ้นเนื่องจากการระเหยและความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้น นอกจากนี้ชั้นน้ำเย็นยังมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นน้ำร้อน ดังนั้นชั้นน้ำเย็นจะจมลงและนำชั้นน้ำอุ่นขึ้นสู่ผิวน้ำ การไหลเวียนของน้ำนี้ทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว แต่เหตุใดกระบวนการนี้จึงไม่ถึงจุดสมดุล? เพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba จากมุมมองของการพาความร้อน จำเป็นต้องถือว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการพาความร้อนจะดำเนินต่อไปหลังจากที่อุณหภูมิของน้ำเฉลี่ยลดลงต่ำกว่า 4 ° C อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานการทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ว่าชั้นน้ำเย็นและร้อนถูกแยกออกจากกันโดยกระบวนการพาความร้อน

ก๊าซที่ละลายในน้ำ

น้ำมักจะมีก๊าซที่ละลายอยู่ - ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเหล่านี้มีความสามารถในการลดจุดเยือกแข็งของน้ำ เมื่อน้ำร้อน ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากน้ำเนื่องจากความสามารถในการละลายในน้ำจะลดลงที่อุณหภูมิสูง ดังนั้น เมื่อน้ำร้อนเย็นลง ก็จะมีก๊าซที่ละลายน้อยกว่าในน้ำเย็นที่ไม่อุ่นเสมอ ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำร้อนจึงสูงขึ้นและแข็งตัวเร็วขึ้น บางครั้งปัจจัยนี้ถือเป็นปัจจัยหลักในการอธิบายผลกระทบของ Mpemba แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองที่ยืนยันข้อเท็จจริงนี้ก็ตาม

การนำความร้อน

กลไกนี้สามารถมีบทบาทสำคัญในการใส่น้ำลงในช่องแช่แข็งของตู้เย็นในภาชนะขนาดเล็ก ภายใต้สภาวะเหล่านี้ สังเกตได้ว่าภาชนะบรรจุน้ำร้อนละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสความร้อนกับผนังช่องแช่แข็งและการนำความร้อน ส่งผลให้ความร้อนถูกดึงออกจากภาชนะน้ำร้อนได้เร็วกว่าภาชนะที่เย็น ในทางกลับกัน ภาชนะที่มีน้ำเย็นจะไม่ทำให้หิมะที่อยู่ด้านล่างละลาย เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ (รวมถึงเงื่อนไขอื่น ๆ ) ได้รับการศึกษาในการทดลองหลายครั้ง แต่ไม่เคยได้รับคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถาม - ซึ่งหนึ่งในนั้นที่รับประกันการสร้างเอฟเฟกต์ Mpemba 100% - ไม่เคยได้รับ ตัวอย่างเช่น ในปี 1995 David Auerbach นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ศึกษาผลกระทบของน้ำที่มีความเย็นยิ่งยวดต่อผลกระทบนี้ เขาค้นพบว่าน้ำร้อนซึ่งมีอุณหภูมิเย็นจัดเป็นพิเศษ จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเย็น และเร็วกว่าน้ำเย็นอย่างหลัง แต่น้ำเย็นจะเข้าสู่สถานะเย็นยิ่งยวดเร็วกว่าน้ำร้อน จึงชดเชยความล่าช้าก่อนหน้านี้ นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ Auerbach ยังขัดแย้งกับข้อมูลก่อนหน้านี้ที่ว่าน้ำร้อนสามารถให้ความเย็นยิ่งยวดได้มากขึ้นเนื่องจากมีศูนย์การตกผลึกน้อยลง เมื่อน้ำร้อน ก๊าซที่ละลายอยู่ในนั้นจะถูกกำจัดออกไป และเมื่อถูกต้ม เกลือบางส่วนที่ละลายอยู่ในนั้นก็จะตกตะกอน ในตอนนี้มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถระบุได้: การสร้างเอฟเฟกต์นี้อย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ทำการทดลอง แม่นยำเพราะมันไม่ได้ทำซ้ำเสมอไป

แต่อย่างที่พวกเขาพูดกัน เหตุผลที่เป็นไปได้มากที่สุด

ตามที่นักเคมีเขียนไว้ในบทความของพวกเขา ซึ่งสามารถพบได้บนเว็บไซต์ preprint arXiv.org พันธะไฮโดรเจนในน้ำร้อนจะแข็งแกร่งกว่าในน้ำเย็น ดังนั้นปรากฎว่ามีพลังงานมากขึ้นถูกกักเก็บไว้ในพันธะไฮโดรเจนของน้ำร้อน ซึ่งหมายความว่าพลังงานจะถูกปล่อยออกมามากขึ้นเมื่อถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ ด้วยเหตุนี้การชุบแข็งจึงเกิดขึ้นเร็วขึ้น

จนถึงปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้ไขปริศนานี้ตามหลักทฤษฎีเท่านั้น เมื่อพวกเขาแสดงหลักฐานที่น่าเชื่อถือเกี่ยวกับเวอร์ชันของพวกเขา คำถามที่ว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นจึงถือเป็นเรื่องปิดได้

น้ำ- เป็นสารที่ค่อนข้างง่ายจากมุมมองทางเคมี แต่ก็มีอยู่หลายชนิด คุณสมบัติที่ผิดปกติซึ่งไม่เคยหยุดทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจ ด้านล่างนี้เป็นข้อเท็จจริงบางประการที่น้อยคนจะรู้

1. น้ำใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน?

ให้เรานำน้ำสองภาชนะมาใส่: เทน้ำร้อนใส่อันหนึ่งและน้ำเย็นใส่อีกอันแล้วใส่ในช่องแช่แข็ง น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น แม้ว่าตามตรรกะแล้ว น้ำเย็นควรจะกลายเป็นน้ำแข็งก่อน หลังจากนั้น น้ำร้อนจะต้องทำให้เย็นลงเป็นอุณหภูมิเย็นก่อน แล้วจึงกลายเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่น้ำเย็นไม่แข็งตัว จำเป็นต้องเย็น ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

ในปี 1963 นักเรียนชาวแทนซาเนียชื่อ Erasto B. Mpemba ขณะแช่แข็งส่วนผสมไอศกรีม สังเกตว่าส่วนผสมที่ร้อนจะแข็งตัวในช่องแช่แข็งได้เร็วกว่าส่วนผสมที่เย็น เมื่อชายหนุ่มแบ่งปันการค้นพบของเขากับครูฟิสิกส์ เขาก็เพียงหัวเราะเยาะเขาเท่านั้น โชคดีที่นักเรียนคนนั้นยืนหยัดและโน้มน้าวให้ครูทำการทดลอง ซึ่งยืนยันการค้นพบของเขา: ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นจริงๆ

ตอนนี้ปรากฏการณ์น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็นนี้เรียกว่า “ เอฟเฟ็กต์เอ็มเพมบา- จริงอยู่ ก่อนหน้านั้นอีกนาน คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์น้ำถูกสังเกตโดยอริสโตเติล ฟรานซิส เบคอน และเรอเน เดการ์ต

นักวิทยาศาสตร์ยังคงไม่เข้าใจธรรมชาติของปรากฏการณ์นี้อย่างถ่องแท้ โดยอธิบายได้จากความแตกต่างในด้านความเย็นยิ่งยวด การระเหย การก่อตัวของน้ำแข็ง การพาความร้อน หรือโดยผลกระทบของก๊าซเหลวต่อน้ำร้อนและน้ำเย็น

2.สามารถแช่แข็งได้ทันที

ทุกคนรู้เรื่องนี้ น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งเสมอเมื่อเย็นลงถึง 0°C... โดยมีข้อยกเว้นบางประการ! ตัวอย่างเช่นกรณีดังกล่าวเป็นการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูลลิ่งซึ่งเป็นคุณสมบัติของอย่างมาก น้ำสะอาดยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าจะเย็นลงถึงจุดเยือกแข็งก็ตาม ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่า สิ่งแวดล้อมไม่มีจุดศูนย์กลางหรือนิวเคลียสของการตกผลึกที่สามารถกระตุ้นการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งได้ ดังนั้นน้ำจึงยังคงอยู่ในสถานะของเหลวแม้ว่าจะเย็นลงจนต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียสก็ตาม

กระบวนการตกผลึกอาจเกิดจากฟองก๊าซ สิ่งเจือปน (สารปนเปื้อน) หรือพื้นผิวภาชนะไม่เรียบ หากไม่มีพวกมัน น้ำก็จะคงอยู่ สถานะของเหลว- เมื่อกระบวนการตกผลึกเริ่มต้นขึ้น คุณสามารถชมน้ำเย็นจัดที่เย็นจัดจนกลายเป็นน้ำแข็งได้ในทันที

โปรดทราบว่าน้ำที่ "ร้อนยวดยิ่ง" ยังคงเป็นของเหลวอยู่แม้ว่าจะได้รับความร้อนเหนือจุดเดือดก็ตาม

3. 19 สถานะของน้ำ

ตั้งชื่อเท่าไหร่ก็ไม่ลังเล เงื่อนไขต่างๆอยู่ใกล้น้ำไหม? ถ้าคุณตอบสามข้อ: ของแข็ง ของเหลว แก๊ส แสดงว่าคุณคิดผิด นักวิทยาศาสตร์แยกแยะสถานะของน้ำได้อย่างน้อย 5 สถานะในรูปของเหลว และ 14 สถานะในรูปแบบแช่แข็ง

จำบทสนทนาเกี่ยวกับน้ำเย็นจัดได้ไหม? ดังนั้นไม่ว่าคุณจะทำอะไร ที่อุณหภูมิ -38 °C แม้แต่น้ำที่เย็นจัดที่สุดที่บริสุทธิ์ที่สุดก็จะกลายเป็นน้ำแข็งทันที จะเกิดอะไรขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงอีก? ที่อุณหภูมิ -120 °C สิ่งแปลกประหลาดเริ่มเกิดขึ้นกับน้ำ น้ำจะมีความหนืดสูงหรือมีความหนืดสูง เช่น กากน้ำตาล และที่อุณหภูมิต่ำกว่า -135 °C น้ำจะกลายเป็นน้ำ "แก้ว" หรือ "น้ำคล้ายแก้ว" - แข็งซึ่งไม่มีโครงสร้างผลึก

4. น้ำทำให้นักฟิสิกส์ประหลาดใจ

บน ระดับโมเลกุลน้ำยิ่งน่าประหลาดใจมากขึ้นไปอีก ในปี 1995 การทดลองการกระเจิงนิวตรอนโดยนักวิทยาศาสตร์ให้ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด: นักฟิสิกส์ค้นพบว่านิวตรอนที่มุ่งเป้าไปที่โมเลกุลของน้ำ "เห็น" โปรตอนไฮโดรเจนน้อยกว่าที่คาดไว้ 25%

ปรากฎว่าด้วยความเร็วหนึ่งอัตโตวินาที (10 -18 วินาที) ถือว่าผิดปกติ ผลควอนตัม, และ สูตรเคมีน้ำแทน น้ำกลายเป็น H1.5O!

5. หน่วยความจำน้ำ

ทางเลือก ยาอย่างเป็นทางการ โฮมีโอพาธีย์ระบุว่าเป็นสารละลายเจือจาง ผลิตภัณฑ์ยาสามารถมีผลการรักษาต่อร่างกายได้แม้ว่าปัจจัยการเจือจางจะสูงจนไม่เหลืออะไรเลยในสารละลายยกเว้นโมเลกุลของน้ำ ผู้เสนอ homeopathy อธิบายความขัดแย้งนี้ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า " หน่วยความจำน้ำ“ตามที่น้ำในระดับโมเลกุลมี “ความทรงจำ” ของสารซึ่งครั้งหนึ่งเคยละลายอยู่ในน้ำและยังคงรักษาคุณสมบัติของสารละลายของความเข้มข้นดั้งเดิมไว้ หลังจากที่ไม่มีส่วนผสมเหลือโมเลกุลเดียวอยู่ในนั้น

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยศาสตราจารย์แมดเดอลีน เอนนิส แห่งมหาวิทยาลัยควีนส์แห่งเบลฟัสต์ ซึ่งวิพากษ์วิจารณ์หลักการของโฮมีโอพาธีย์ ได้ทำการทดลองในปี 2545 เพื่อหักล้างแนวคิดนี้ทันทีและตลอดไป ผลลัพธ์ก็ตรงกันข้าม หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ระบุว่าสามารถพิสูจน์ความเป็นจริงของผลกระทบได้” หน่วยความจำน้ำ- อย่างไรก็ตาม การทดลองที่ดำเนินการภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญอิสระไม่ได้ผลลัพธ์ ข้อพิพาทเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของปรากฏการณ์ " หน่วยความจำน้ำ"ดำเนินการต่อ.

น้ำมีคุณสมบัติที่ผิดปกติอื่นๆ อีกมากมายที่เราไม่ได้พูดถึงในบทความนี้ ตัวอย่างเช่น ความหนาแน่นของน้ำเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ (ความหนาแน่นของน้ำแข็ง ความหนาแน่นน้อยลงน้ำ); น้ำค่อนข้างมี ขนาดใหญ่ แรงตึงผิว- ในสถานะของเหลว น้ำเป็นเครือข่ายของกลุ่มน้ำที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก และเป็นพฤติกรรมของกลุ่มน้ำที่ส่งผลต่อโครงสร้างของน้ำ เป็นต้น

เกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้และคุณสมบัติที่คาดไม่ถึงอื่น ๆ อีกมากมาย น้ำสามารถอ่านได้ในบทความ “ คุณสมบัติผิดปกติของน้ำ” ประพันธ์โดย Martin Chaplin ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยลอนดอน