Kateri bo hitreje zmrznil? Vprašanje je prisotno že dolgo časa

Mnogi raziskovalci so predlagali in postavljajo svoje različice, zakaj topla voda zmrzne hitreje kot mraz. Zdi se kot paradoks - navsezadnje se mora vroča voda najprej ohladiti, da bi zmrznila. Vendar dejstvo ostaja dejstvo, znanstveniki pa ga razlagajo na različne načine.

Glavne različice

Vklopljeno v tem trenutku Obstaja več različic, ki pojasnjujejo to dejstvo:

1. Ker topla voda hitreje izhlapeva, se njena prostornina zmanjša. In zmrzovanje manjše količine vode pri isti temperaturi se zgodi hitreje.
2. Zamrzovalni del hladilnika ima snežno oblogo. Posoda z vročo vodo topi sneg pod seboj. To izboljša toplotni stik z zamrzovalnikom.
3. Zamrzovanje hladne vode se za razliko od tople vode začne na vrhu. Hkrati se poslabšata konvekcija in toplotno sevanje ter posledično toplotne izgube.
4. Hladna voda vsebuje kristalizacijske centre – v njej raztopljene snovi. Če je njihova vsebnost v vodi majhna, je zaledenitev težka, hkrati pa je možno superhlajenje - ko je pri temperaturah pod ničlo v tekočem stanju.

Čeprav po pravici lahko rečemo, da ta učinek ni vedno opazen. Zelo pogosto hladna voda zmrzne hitreje kot topla voda.

Pri kateri temperaturi voda zmrzne

Zakaj voda sploh zmrzne? Vsebuje določeno količino mineralnih ali organskih delcev. To je na primer lahko zelo drobni delci pesek, prah ali glina. Ko se temperatura zraka zniža, so ti delci središča, okoli katerih nastajajo ledeni kristali.

Vlogo kristalizacijskih jeder lahko igrajo tudi zračni mehurčki in razpoke v posodi z vodo. Na hitrost procesa spreminjanja vode v led v veliki meri vpliva število takšnih središč – če jih je veliko, tekočina hitreje zamrzne. pri normalne razmere, pri normalnem atmosferskem tlaku gre voda v trdno stanje iz tekočine pri temperaturi 0 stopinj.

Bistvo efekta Mpemba

Učinek Mpemba je paradoks, katerega bistvo je, da v določenih okoliščinah topla voda zmrzne hitreje kot hladna voda. Ta pojav sta opazila že Aristotel in Descartes. Vendar pa je šele leta 1963 tanzanijski šolar Erasto Mpemba ugotovil, da vroč sladoled zamrzne dlje. kratek čas kot hladno. To je ugotovil, ko je opravljal kuharsko nalogo.

V kuhanem mleku je moral raztopiti sladkor in ga ohladiti postaviti v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil posebno marljiv in je prvi del naloge začel opravljati pozno. Zato ni čakal, da se mleko ohladi, ampak ga je dal še vročega v hladilnik. Bil je zelo presenečen, ko je zmrznila še hitreje kot pri njegovih sošolcih, ki so delo opravljali v skladu z dano tehnologijo.

To dejstvo je mladeniča zelo zanimalo in začel je eksperimentirati z navadno vodo. Leta 1969 je revija Physics Education objavila rezultate raziskav Mpembe in profesorja Dennisa Osborna z Univerze v Dar Es Salaamu. Učinek, ki so ga opisali, je dobil ime Mpemba. Vendar še danes ni jasne razlage za pojav. Vsi znanstveniki se strinjajo, da glavno vlogo pri tem igrajo razlike v lastnostih ohlajene in tople vode, kaj natančno pa ni znano.

Singapurska različica

Fizike z ene od singapurskih univerz je zanimalo tudi vprašanje, katera voda hitreje zmrzne – topla ali hladna? Skupina raziskovalcev pod vodstvom Xija Zhanga je ta paradoks pojasnila prav z lastnostmi vode. Vsi drugi z šolskih dni Sestava vode je znana – atom kisika in dva atoma vodika. Kisik do neke mere vleče elektrone stran od vodika, zato je molekula neke vrste "magnet".

Posledično se določene molekule v vodi rahlo privlačijo med seboj in so združene z vodikovo vezjo. Njegova moč je mnogokrat manjša od kovalentne vezi. Singapurski raziskovalci menijo, da je razlaga za Mpembin paradoks natančna vodikove vezi. Če so molekule vode zelo tesno skupaj, potem to močna interakcija med molekulami je sposoben deformirati kovalentno vez v sredini same molekule.

Toda ko se voda segreje, se vezane molekule nekoliko odmaknejo druga od druge. Posledično pride do sprostitve v sredini molekul kovalentne vezi s sproščanjem odvečne energije in prehodom na nižjo raven energije. To vodi do dejstva, da se vroča voda hitro ohladi. Vsaj tako kažejo teoretični izračuni singapurskih znanstvenikov.

Voda v trenutku zmrzne - 5 neverjetnih trikov: Video

V tem članku bomo preučili vprašanje, zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda.

Ogrevana voda zmrzne veliko hitreje kot hladna voda! to neverjetna lastnina voda, natančne razlage, za katero znanstveniki še vedno ne najdejo, je znana že v pradavnini. Na primer, že pri Aristotelu je opis zimskega ribolova: ribiči so vtaknili ribiške palice v luknje v ledu in da bi te hitreje zmrznile, so na led polivali toplo vodo. Ta pojav je dobil ime po Erastu Mpembi v 60. letih 20. stoletja. Mnemba je med pripravo sladoleda opazil nenavaden učinek in se za razlago obrnil na svojega učitelja fizike, dr. Denisa Osborna. Mpemba in dr. Osborne sta eksperimentirala z vodo različne temperature in zaključil: skoraj vrela voda začne zmrzovati veliko hitreje kot voda pri sobni temperaturi. Drugi znanstveniki so izvedli lastne poskuse in vsakič dobili podobne rezultate.

Razlaga fizikalnega pojava

Splošno sprejete razlage, zakaj do tega pride, ni. Mnogi raziskovalci menijo, da je celoten smisel v podhladitvi tekočine, ki se pojavi, ko njena temperatura pade pod ledišče. Z drugimi besedami, če voda zmrzne pri temperaturi pod 0 °C, ima lahko preohlajena voda temperaturo na primer -2 °C in še vedno ostane tekoča, ne da bi se spremenila v led. Ko poskušamo zamrzniti mrzlo vodo, obstaja možnost, da se najprej prehladi in šele čez nekaj časa strdi. Drugi procesi se odvijajo v segreti vodi. Njegovo hitrejše preoblikovanje v led je povezano s konvekcijo.

Konvekcija- To fizikalni pojav, v katerem se tople spodnje plasti tekočine dvigajo, zgornje, ohlajene pa padajo.

Pozdravljeni dragi ljubitelji zanimiva dejstva. Danes se bomo z vami pogovarjali o. Mislim pa, da se vprašanje, zastavljeno v naslovu, morda zdi preprosto absurdno - vendar je treba vedno popolnoma zaupati razvpitemu " zdrav razum", namesto strogo definiranega testnega eksperimenta. Poskusimo ugotoviti, zakaj vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda?

Zgodovinsko ozadje

Da pri zmrzovanju mrzle in tople vode »ni vse čisto« je omenil že Aristotel, nato so podobne opombe zapisali F. Bacon, R. Descartes in J. Black. IN moderna zgodovina Ta učinek je dobil ime "Mpembin paradoks" - po tanganjiškem šolarju Erastu Mpembi, ki je isto vprašanje zastavil gostujočemu profesorju fizike.

Fantovo vprašanje ni nastalo iz prazen prostor, ampak iz čisto osebnega opazovanja procesa hlajenja sladolednih mešanic v kuhinji. Seveda tudi sošolke, ki so bile tam prisotne, poleg šolski učitelj se je smejal Mpembi - vendar je po eksperimentalnem testu, ki ga je osebno izvedel profesor D. Osborne, želja po norčevanju iz Erasta "izhlapela." Poleg tega je Mpemba skupaj s profesorjem leta 1969 objavil v Physics Education podroben opis ta učinek - in od takrat je bilo zgoraj omenjeno ime določeno v znanstveni literaturi.

Kaj je bistvo pojava?

Postavitev poskusa je povsem preprosta: ob vseh drugih pogojih se testirajo enake posode s tankimi stenami, ki vsebujejo popolnoma enake količine vode, razlikujejo pa se le po temperaturi. Posode se naložijo v hladilnik, nato pa se zabeleži čas do nastanka ledu v vsaki od njih. Paradoks je, da se v posodi s prvotno bolj vročo tekočino to zgodi hitreje.

Kako to razlaga sodobna fizika?

Paradoks nima univerzalne razlage, saj se skupaj pojavlja več vzporednih procesov, katerih prispevek je lahko različen od posameznega začetni pogoji- vendar z enakim rezultatom:

• sposobnost tekočine za prehladitev - sprva hladna voda je bolj nagnjena k prehladitvi, tj. ostane tekoč, ko je njegova temperatura že pod lediščem
• pospešeno hlajenje - para iz vroče vode se pretvori v ledene mikrokristale, ki ob povratku pospešijo proces in delujejo kot dodatni "zunanji izmenjevalec toplote"
• izolacijski učinek - za razliko od tople vode hladna voda zamrzne od zgoraj, kar vodi do zmanjšanja prenosa toplote s konvekcijo in sevanjem

Obstaja še vrsta drugih razlag (Britansko kraljevo kemijsko združenje je zadnjič razpisalo tekmovanje za najboljšo hipotezo pred kratkim, leta 2012) – vendar še vedno ni nedvoumne teorije za vse primere kombinacij vhodnih pogojev ...

Mpemba učinek(Mpemba's Paradox) - paradoks, ki pravi, da vroča voda pod nekaterimi pogoji zmrzne hitreje kot hladna voda, čeprav mora v procesu zmrzovanja preseči temperaturo hladne vode. Ta paradoks je eksperimentalno dejstvo, kar je v nasprotju z običajnimi idejami, po katerih se pri enakih pogojih bolj segreto telo ohladi na določeno temperaturo dlje časa kot manj segreto telo, da se ohladi na isto temperaturo.

Ta pojav so nekoč opazili že Aristotel, Francis Bacon in Rene Descartes, šele leta 1963 pa je tanzanijski šolar Erasto Mpemba ugotovil, da vroča sladoledna zmes zamrzne hitreje kot hladna.

Biti študent Magambinskaya srednja šola v Tanzaniji Erasto Mpemba storil praktično delo pri kuhanju. Moral je pripraviti domač sladoled - mleko zavreti, v njem raztopiti sladkor, ohladiti na sobno temperaturo in nato dati v hladilnik, da zamrzne. Očitno Mpemba ni bil posebno priden učenec in je s prvim delom naloge odlašal. V strahu, da ne bo zdržal do konca pouka, je še vroče mleko postavil v hladilnik. Na njegovo presenečenje je zmrznilo celo prej kot mleko njegovih tovarišev, pripravljeno po dani tehnologiji.

Po tem je Mpemba eksperimentiral ne le z mlekom, ampak tudi z navadna voda. Kakor koli že, že kot dijak na srednji šoli Mkwawa je profesorja Dennisa Osborna z univerze v Dar Es Salaamu (ki ga je direktor šole povabil, da bi študentom predaval o fiziki) vprašal prav o vodi: »Če vzamete dve enaki posodi z enake količine vodo, tako da ima v enem od njih voda temperaturo 35 ° C, v drugem pa 100 ° C, in jih postavite v zamrzovalnik, potem bo v drugem voda hitreje zamrznila. Zakaj?" Osborne se je začel zanimati za to vprašanje in kmalu, leta 1969, sta on in Mpemba objavila rezultate svojih poskusov v reviji Physics Education. Od takrat se učinek, ki sta ga odkrila, imenuje Mpemba učinek.

Do zdaj nihče ne ve natančno, kako razložiti ta nenavaden učinek. Znanstveniki nimajo ene same različice, čeprav jih je veliko. Gre za razliko v lastnostih tople in hladne vode, vendar še ni jasno, katere lastnosti igrajo vlogo v tem primeru: razlika v podhlajevanju, izhlapevanju, nastajanju ledu, konvekciji ali vplivu utekočinjenih plinov na vodo pri različne temperature.

Paradoks efekta Mpemba je, da se čas, v katerem se telo ohladi na temperaturo okolju, mora biti sorazmerna temperaturni razliki med tem telesom in okoljem. Ta zakon je postavil Newton in je bil od takrat večkrat potrjen v praksi. Pri tem učinku se voda s temperaturo 100 °C ohladi na temperaturo 0 °C hitreje kot enaka količina vode s temperaturo 35 °C.

Vendar to še ne pomeni paradoksa, saj je Mpemba učinek mogoče razložiti tudi v okviru slavni fizik. Tukaj je nekaj razlag za učinek Mpemba:

Izhlapevanje

Vroča voda hitreje izhlapi iz posode, s čimer se zmanjša njena prostornina, manjša količina vode pri enaki temperaturi pa hitreje zmrzne. Voda, segreta na 100 C, pri ohlajanju na 0 C izgubi 16% svoje mase.

Učinek izhlapevanja je dvojni učinek. Prvič, zmanjša se masa vode, ki je potrebna za hlajenje. In drugič, temperatura se zmanjša zaradi dejstva, da se toplota izhlapevanja pri prehodu iz vodne faze v parno fazo zmanjša.

Temperaturna razlika

Zaradi temperaturne razlike med topla voda in tam je več hladnega zraka - zato je izmenjava toplote v tem primeru intenzivnejša in topla voda se hitreje ohladi.

hipotermija

Ko se voda ohladi pod 0 C, ne zmrzne vedno. Pod nekaterimi pogoji se lahko podvrže prehladitvi in ​​ostane tekoča tudi pri temperaturah pod lediščem. V nekaterih primerih lahko voda ostane tekoča tudi pri temperaturi –20 C.

Razlog za ta učinek je, da so potrebni centri za tvorbo kristalov, da se začnejo oblikovati prvi ledeni kristali. Če jih ni v tekoči vodi, se bo podhlajevanje nadaljevalo, dokler temperatura ne pade dovolj, da se začnejo spontano tvoriti kristali. Ko se začnejo oblikovati v preohlajeni tekočini, bodo začele hitreje rasti in tvoriti ledeno brozgo, ki bo zmrznila v led.

Vroča voda je najbolj dovzetna za hipotermijo, saj se pri njenem segrevanju odstranijo raztopljeni plini in mehurčki, ki lahko služijo kot središča za nastanek ledenih kristalov.

Zakaj podhladitev povzroči hitrejše zmrzovanje tople vode? V primeru hladno vodo, ki ni prehlajen, se zgodi naslednje. V tem primeru bo na površini plovila nastala tanka plast ledu. Ta plast ledu bo delovala kot izolator med vodo in hladnim zrakom ter bo preprečila nadaljnje izhlapevanje. Hitrost nastajanja ledenih kristalov bo v tem primeru manjša. V primeru vroče vode, izpostavljene podhlajevanju, prehlajena voda nima zaščitne površinske plasti ledu. Zato skozi odprt vrh veliko hitreje izgublja toploto.

Ko se proces podhlajevanja konča in voda zmrzne, se izgubi veliko več toplote in zato nastane več ledu.

Številni raziskovalci tega učinka menijo, da je hipotermija glavni dejavnik v primeru učinka Mpemba.

Konvekcija

Hladna voda začne zmrzovati od zgoraj, s čimer se poslabšajo procesi toplotnega sevanja in konvekcije ter s tem izgube toplote, vroča voda pa začne zmrzovati od spodaj.

Ta učinek je razložen z anomalijo v gostoti vode. Voda ima največja gostota na 4 C. Če vodo ohladite na 4 C in jo postavite na nižjo temperaturo, bo površinska plast vode hitreje zmrznila. Ker je ta voda manj gosta kot voda pri temperaturi 4 C, bo ostala na površini in tvorila tanko hladno plast. V teh pogojih bo v kratkem času na površini vode nastala tanka plast ledu, vendar bo ta plast ledu služila kot izolator in ščitila spodnje plasti vode, ki bodo ostale pri temperaturi 4 C. Zato bo nadaljnji proces ohlajanja počasnejši.

Pri topli vodi je situacija popolnoma drugačna. Površinski sloj vode se bo hitreje ohladil zaradi izhlapevanja in večja razlika temperature Poleg tega so plasti hladne vode gostejše od plasti vroče vode, zato se bo plast hladne vode pogreznila in dvignila plast tople vode na površje. To kroženje vode zagotavlja hiter padec temperature.

Toda zakaj ta proces ne doseže ravnotežne točke? Da bi razložili učinek Mpemba s tega vidika konvekcije, bi bilo treba predpostaviti, da sta hladna in vroča plast vode ločeni in se sam proces konvekcije nadaljuje po povprečna temperatura voda bo padla pod 4 C.

Vendar pa ni nobenih eksperimentalnih dokazov, ki bi podpirali to hipotezo, da so hladne in vroče plasti vode ločene s procesom konvekcije.

Plini, raztopljeni v vodi

Voda vedno vsebuje v njej raztopljene pline - kisik in ogljikov dioksid. Ti plini lahko znižajo zmrzišče vode. Pri segrevanju vode se ti plini sprostijo iz vode, ker je njihova topnost v vodi visoka temperatura spodaj. Ko se vroča voda ohlaja, je v njej vedno manj raztopljenih plinov kot v neogrevani hladni vodi. Zato je zmrzišče segrete vode višje in hitreje zmrzne. Ta dejavnik se včasih obravnava kot glavni pri razlagi učinka Mpemba, čeprav ni nobenih eksperimentalnih podatkov, ki bi to dejstvo potrdili.

Toplotna prevodnost

Ta mehanizem lahko igra pomembno vlogo ko vodo postavite v zamrzovalnik hladilnega dela v majhnih posodah. Pod temi pogoji je bilo opaženo, da posoda z vročo vodo stopi led v zamrzovalniku pod njim, s čimer se izboljša toplotni stik s steno zamrzovalnika in toplotna prevodnost. Posledično se toplota iz posode za vročo vodo odvaja hitreje kot iz hladne. Posoda s hladno vodo pa ne topi snega pod seboj.

Vse te (pa tudi druge) pogoje so preučevali v številnih poskusih, vendar jasnega odgovora na vprašanje - kateri od njih zagotavljajo stoodstotno reprodukcijo Mpemba efekta - nikoli niso dobili.

Na primer, leta 1995 je nemški fizik David Auerbach proučeval vpliv podhlajene vode na ta učinek. Odkril je, da vroča voda, ko doseže preohlajeno stanje, zamrzne pri višji temperaturi kot hladna voda in zato hitreje kot slednja. Toda hladna voda doseže prehlajeno stanje hitreje kot vroča voda in s tem kompenzira prejšnji zaostanek.

Poleg tega so bili Auerbachovi rezultati v nasprotju s prejšnjimi podatki, da je vroča voda lahko dosegla večje podhlajevanje zaradi manj kristalizacijskih centrov. Pri segrevanju vode se iz nje odstranijo v njej raztopljeni plini, pri vrenju pa se oborijo nekatere v njej raztopljene soli.

Zaenkrat je mogoče trditi le eno - reprodukcija tega učinka je bistveno odvisna od pogojev, pod katerimi se izvaja poskus. Ravno zato, ker ni vedno reproducirana.

O. V. Mosin

Literarniviri:

"Vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda. Zakaj je tako?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, št. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zamrzovanje tople in hladne vode", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, št. 5, str. 564-565; maj, 1969.

"Superhlajenje in Mpemba učinek", David Auerbach, v American Journal of Physics, letnik 63, št. 10, str. 882-885; oktober 1995.

"Učinek Mpemba: Časi zmrzovanja tople in hladne vode", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, št. 5, str. 524; maj, 1996.