Šiame straipsnyje mes panagrinėsime klausimą, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas vanduo.

Karštas vanduo užšąla daug greičiau nei šaltas! Ši nuostabi vandens savybė, kuriai mokslininkai iki šiol negali rasti tikslaus paaiškinimo, buvo žinoma nuo senų senovės. Pavyzdžiui, net Aristotelyje yra žieminės žūklės aprašymas: žvejai į ledo skylutes įkišo meškeres ir, kad greičiau užšaltų, ant ledo užpylė šilto vandens. Šio reiškinio vardą XX amžiaus 60-aisiais davė Erasto Mpemba vardas. Ruošdamas ledus Mnemba pastebėjo keistą efektą ir kreipėsi į savo fizikos mokytoją daktarą Denisą Osborne'ą, kad paaiškintų. Mpemba ir dr. Osborne'as eksperimentavo su skirtingos temperatūros vandeniu ir padarė išvadą, kad beveik verdantis vanduo pradeda užšalti daug greičiau nei vanduo kambario temperatūroje. Kiti mokslininkai atliko savo eksperimentus ir kiekvieną kartą gavo panašius rezultatus.

Fizikinio reiškinio paaiškinimas

Nėra visuotinai priimto paaiškinimo, kodėl taip vyksta. Daugelis tyrinėtojų teigia, kad visa tai susiję su skysčio hipotermija, kuri atsiranda, kai jo temperatūra nukrenta žemiau užšalimo taško. Kitaip tariant, jei vanduo užšąla žemesnėje nei 0 ° C temperatūroje, tada aušinamas vanduo gali turėti, pavyzdžiui, -2 ° C temperatūrą ir tuo pačiu metu išlikti skystas, netapdamas ledu. Kai bandome užšaldyti šaltą vandenį, yra tikimybė, kad jis pirmiausia bus per aušinamas ir sukietės tik po kurio laiko. Kiti procesai vyksta pašildytame vandenyje. Greitesnis jo virsmas ledu siejamas su konvekcija.

Konvekcija - tai fizinis reiškinys, kai šilti apatiniai skysčio sluoksniai kyla, o viršutiniai - atvėsę.

Sveiki, mieli įdomių faktų gerbėjai. Šiandien mes kalbėsime apie. Bet aš manau, kad pavadinimas pavadinime gali atrodyti tiesiog absurdiškas - bet ar visada turėtumėte visiškai pasikliauti pagarsėjusiu „sveiku protu“, o ne griežtai suformuluota testavimo patirtimi. Pabandykime išsiaiškinti, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas?

Istorinė nuoroda

Kad šalto ir karšto vandens užšalimo numeryje „ne viskas švaru“ buvo paminėta Aristotelio raštuose, tada panašius užrašus padarė F. Baconas, R. Descartesas ir J. Blackas. Naujausioje istorijoje šis efektas buvo vadinamas „Mpemba paradoksu“ - pavadinus studentą iš Tanganyikos Erasto Mpembą, kuris tą patį klausimą uždavė kviestiniam fizikos profesoriui.

Berniuko klausimas kilo ne nuo nulio, o vien iš asmeninių ledų mišinių aušinimo proceso pastebėjimų virtuvėje. Žinoma, toje pačioje vietoje kartu su mokyklos mokytoja buvę klasės draugai juokėsi iš Mpembos - tačiau po eksperimentinio asmeninio profesoriaus D. Osborno patikrinimo „išgaravo“ jų noras pasijuokti iš Erasto. Be to, Mpemboy kartu su 1969 m. Fizikos švietimo profesoriumi paskelbė išsamų šio poveikio aprašymą - nuo to laiko minėtas vardas įstrigo mokslinėje literatūroje.

Kokia reiškinio esmė?

Eksperimento nustatymas yra gana paprastas: jei visi kiti dalykai yra vienodi, išbandomi tie patys plonasieniai indai, kuriuose yra griežtai vienodi vandens kiekiai, besiskiriantys tik temperatūra. Indai pakraunami į šaldytuvą, po kurio nustatomas laikas, kol kiekviename iš jų susidaro ledas. Paradoksas yra tas, kad inde su iš pradžių karštesniu skysčiu tai įvyksta greičiau.

Kaip tai paaiškina šiuolaikinė fizika?

Paradoksas neturi visuotinio paaiškinimo, nes kartu vyksta keli lygiagrečiai vykstantys procesai, kurių indėlis gali skirtis nuo konkrečių pradinių sąlygų, tačiau gaunamas vienodas rezultatas:

• skysčio gebėjimas sukelti hipotermiją - iš pradžių šaltas vanduo yra labiau linkęs į hipotermiją, t. lieka skystas, kai jo temperatūra jau žemesnė už užšalimo tašką
• pagreitintas aušinimas - karšto vandens garai virsta ledo mikrokristalais, kurie, krisdami atgal, pagreitina procesą, dirbdami kaip papildomas „išorinis šilumokaitis“.
• izoliacijos efektas - skirtingai nei karštas vanduo, šaltas vanduo užšąla iš viršaus, dėl to sumažėja šilumos perdavimas konvekcijos ir radiacijos būdu

Yra keletas kitų paaiškinimų (paskutinį kartą Didžiosios Britanijos karališkosios chemijos draugijos konkursas dėl geriausios hipotezės buvo surengtas neseniai, 2012 m.), Tačiau vis dar nėra aiškios teorijos visiems įvesties sąlygų derinių atvejams ...

Mpembos efektas („Mpemba“ paradoksas) yra paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo metu jis turi peržengti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms koncepcijoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įšilusiam kūnui atvėsti iki tam tikros temperatūros reikia daugiau laiko, nei mažiau įkaitusiam kūnui, kad atvėstų iki tos pačios temperatūros.

Šį reiškinį tuo metu pastebėjo Aristotelis, Francisas Baconas ir Rene'as Descartesas, tačiau tik 1963 m. Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba nustatė, kad karštas ledų mišinys užšąla greičiau nei šaltas.

Būdamas mokinys Magambos vidurinėje mokykloje Tanzanijoje, Erasto Mpemba dirbo praktinį maisto gaminimo darbą. Jam reikėjo pasigaminti naminių ledų - užvirinti pieną, jame ištirpinti cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros ir tada įdėti į šaldytuvą, kad sustingtų. Matyt, Mpemba nebuvo ypač kruopštus studentas ir jis atidėjo pirmąją užduoties dalį. Baimindamasis, kad pasibaigus pamokai jis nebus laiku, jis įdėjo karštą pieną į šaldytuvą. Jo nuostabai, jis sustingo dar anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal tam tikrą technologiją.

Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su paprastu vandeniu. Bet kokiu atveju, jau būdamas Mkvavskajos vidurinės mokyklos mokinys, jis uždavė klausimą profesoriui Dennisui Osborne'ui iš Dar es Salamo universiteto koledžo (direktoriaus pakviestas skaityti studentams fizikos paskaitą) būtent apie vandenį: „Jei imtume dvi vienodas talpas su vienodu vandens kiekiu. kad viename iš jų vandens temperatūra būtų 35 ° C, o kitame - 100 ° C, ir padėkite juos į šaldiklį, tada antrame vanduo greičiau užšals. Kodėl? " Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus 1969 m. Jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale "Physics Education". Nuo tada vadinamas jų atrastas poveikis mpembos efektas.

Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą efektą. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Viskas susiję su karšto ir šalto vandens savybių skirtumais, tačiau dar nėra aišku, kurios savybės šiuo atveju vaidina svarbų vaidmenį: peršaldymo, išgarinimo, ledo susidarymo, konvekcijos skirtumas ar suskystintų dujų poveikis vandeniui esant skirtingai temperatūrai.

Mpembos efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atvėsta iki aplinkos temperatūros, turėtų būti proporcingas temperatūros skirtumui tarp šio kūno ir aplinkos. Šį įstatymą nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis buvo daug kartų patvirtintas praktikoje. Tokiu būdu vanduo, kurio temperatūra yra 100 ° C, greičiau atvės iki 0 ° C temperatūros nei tas pats vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 ° C.

Tačiau tai dar nereiškia paradokso, nes Mpemba efektą galima paaiškinti gerai žinomos fizikos rėmuose. Čia yra keletas Mpemba efekto paaiškinimų:

Garinimas

Karštas vanduo iš konteinerio išgaruoja greičiau, tuo sumažindamas jo tūrį, o mažesnis vandens kiekis su ta pačia temperatūra greičiau užšąla. Iki 100 C įkaitęs vanduo atvėsęs iki 0 C praranda 16% savo masės.

Garavimo efektas - dvigubas efektas. Pirma, sumažinamas aušinimui reikalingo vandens kiekis. Antra, temperatūra sumažėja dėl to, kad perėjimo iš vandens fazės į garų fazę garavimo šiluma mažėja.

Temperatūros skirtumas

Dėl to, kad temperatūros skirtumas tarp karšto vandens ir šalto oro yra didesnis - todėl šilumos mainai šiuo atveju yra intensyvesni, o karštas vanduo greičiau atvėsta.

Hipotermija

Kai vanduo atvėsinamas žemiau 0 C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali patirti hipotermiją ir toliau likti skystas žemesnėje užšalimo temperatūroje. Kai kuriais atvejais vanduo gali likti skystas net esant -20 C temperatūrai.

Šio efekto priežastis yra ta, kad norint pradėti formuotis pirmiesiems ledo kristalams reikalingi kristalų susidarymo centrai. Jei jų nėra skystame vandenyje, hipotermija tęsis tol, kol temperatūra taip nukris, kad kristalai pradės savaime formuotis. Kai jie pradės formuotis per aušintame skystyje, jie pradės augti greičiau, formuodami ledo dumblą, kuris, sustingęs, suformuos ledą.

Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali tarnauti kaip ledo kristalų susidarymo centrai.

Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo užšąla greičiau? Šalto vandens, kuris nėra per aušinamas, atveju: Tokiu atveju indo paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis. Šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius tarp vandens ir šalto oro ir užkirs kelią tolesniam garavimui. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Jei karštas vanduo yra per aušinamas, per aušinamas vanduo neturi apsauginio ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų šilumą praranda daug greičiau.

Kai hipotermijos procesas baigiasi ir vanduo užšąla, prarandama daug daugiau šilumos, todėl susidaro daugiau ledo.

Daugelis šio efekto tyrinėtojų hipotermiją laiko pagrindiniu Mpemba efekto veiksniu.

Konvekcija

Šaltas vanduo pradeda užšaldyti iš viršaus, taip pablogindamas šilumos spinduliuotės ir konvekcijos procesus, taigi ir šilumos praradimą, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios.

Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 ° C. Jei vandenį atvėsinsite iki 4 ° C ir pakelsite žemesnėje temperatūroje, paviršinis vandens sluoksnis greičiau užšals. Kadangi šis vanduo yra mažiau tankus nei vanduo esant 4 ° C temperatūrai, jis liks ant paviršiaus, formuodamas ploną, šaltą sluoksnį. Esant tokioms sąlygoms, vandens paviršiuje trumpam susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis tarnaus kaip apatinius vandens sluoksnius apsaugantis izoliatorius, kuris išliks 4 C temperatūroje. Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis.

Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės. Be to, šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis nuskęs žemyn, iškeldamas šilto vandens sluoksnį į paviršių. Ši vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą.

Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą šiuo konvekcijos požiūriu, reikia manyti, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi po to, kai vidutinė vandens temperatūra nukrenta žemiau 4 C.

Tačiau nėra jokių eksperimentinių duomenų, kurie patvirtintų šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti konvekcijos būdu.

Vandenyje ištirpusios dujos

Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų - deguonies ir anglies dioksido. Šios dujos gali sumažinti vandens užšalimo tašką. Kaitinant vandenį šios dujos išsiskiria iš vandens, nes jų tirpumas vandenyje esant aukštai temperatūrai yra mažesnis. Todėl aušinant karštą vandenį jame ištirpusių dujų visada būna mažiau nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis faktorius kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra.

Šilumos laidumas

Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldiklį šaldytuvo skyriuje mažose talpyklose. Šiomis sąlygomis pastebėta, kad indas su karštu vandeniu ištirpdo po juo esančio šaldiklio ledą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Todėl šiluma iš indo su karštu vandeniu pašalinama greičiau nei iš šalto vandens. Savo ruožtu konteineris su šaltu vandeniu sniego po juo netirpdo.

Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo ištirtos daugelio eksperimentų metu, tačiau vienareikšmiško atsakymo į klausimą - kuris iš jų suteikia šimtaprocentinį Mpemba efekto atkūrimą - nebuvo gautas.

Pavyzdžiui, 1995 m. Vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė vandens peršaldymo poveikį šiam poveikiui. Jis nustatė, kad karštas vanduo, pasiekęs pervėsintą būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas vanduo, o tai reiškia greičiau nei pastarasis. Tačiau šaltas vanduo peršaldytą būklę pasiekia greičiau nei karštas vanduo, taip kompensuodamas ankstesnį atsilikimą.

Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesnėms išvadoms, kad karštas vanduo gali pasiekti didesnį aušinimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pašalinamos jame ištirpusios dujos, o užvirus dalis nuosėdų ištirpusių druskų nusėda.

Kol kas galima teigti tik viena - šio efekto atkūrimas iš esmės priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atkuriamas.

Yra daug veiksnių, lemiančių, kuris vanduo užšąla greičiau, karštas ar šaltas, tačiau pats klausimas atrodo šiek tiek keistas. Numanoma ir iš fizikos žinoma, kad karštam vandeniui dar reikia laiko, kad jis atvėstų iki panašaus šalto vandens temperatūros, kad virstų ledu. Šaltame vandenyje šį etapą galima praleisti ir, atitinkamai, jis laimi laiku.

Tačiau atsakymas į klausimą, kuris vanduo greičiau užšąla - šaltas ar karštas - lauke per šalnas, žino bet kurį šiaurinių platumų gyventoją. Tiesą sakant, moksliškai paaiškėja, kad bet kuriuo atveju šaltas vanduo tiesiog turi greičiau užšalti.

Fizikos mokytojas, į kurį 1963 metais kreipėsi moksleivis Erasto Mpemba su prašymu paaiškinti, kodėl šaltas būsimų ledų mišinys užšąla ilgiau nei tas pats, bet karštas, mąstė taip pat.

"Tai ne pasaulio fizika, o kažkokia Mpemba fizika"

Tuo metu mokytojas iš to tik juokėsi, tačiau fizikos profesorius Denisas Osborne'as, kuris vienu metu važiavo į tą pačią mokyklą, kurioje mokėsi Erasto, eksperimentiškai patvirtino tokio efekto egzistavimą, nors tada to paaiškinti nebuvo. 1969 m. Populiariame mokslo žurnale buvo paskelbtas bendras šių dviejų žmonių straipsnis, apibūdinantis šį savitą poveikį.

Nuo to laiko, beje, klausimas, kuris vanduo užšąla greičiau - karštas ar šaltas - turi savo pavadinimą - Mpembos poveikį arba paradoksą.

Klausimas kilo ilgai

Natūralu, kad toks reiškinys vyko anksčiau, ir jis buvo paminėtas kitų mokslininkų darbuose. Šiuo klausimu domėjosi ne tik moksleivis, bet Rene Descartesas ir net Aristotelis apie tai galvojo savo laiku.

Čia yra tik šio paradokso sprendimo būdai, pradėti ieškoti tik XX a. Pabaigoje.

Sąlygos paradoksui atsirasti

Kaip ir ledų atveju, eksperimento metu užšąla ne tik įprastas vanduo. Tam, kad būtų galima ginčytis, kuris vanduo užšąla greičiau - šaltas ar karštas, turi būti tam tikros sąlygos. Kas daro įtaką šio proceso eigai?

Dabar, XXI amžiuje, buvo pateikti keli variantai, galintys paaiškinti šį paradoksą. Kuris vanduo užšąla greičiau, karštas ar šaltas, gali priklausyti nuo to, kad jo garavimo greitis yra didesnis nei šalto vandens. Taigi, jo tūris mažėja, o mažėjant tūriui, užšalimo laikas tampa trumpesnis, nei paėmus panašų pradinį šalto vandens tūrį.

Šaldiklį atitirpinkite ilgą laiką

Kuris vanduo užšąla greičiau ir kodėl tai vyksta, gali turėti įtakos sniego danga, kurią galima rasti eksperimentui naudojamo šaldytuvo šaldiklyje. Jei paimsite du indus, kurių tūris yra identiškas, tačiau viename iš jų yra karšto vandens, o kitame - šalto vandens, indas su karštu vandeniu ištirps po juo sniegą, taip pagerindamas šilumos lygio kontaktą su šaldytuvo sienele. Šalto vandens indas to padaryti negali. Jei šaldytuvo skyriuje nėra tokio pamušalo su sniegu, šaltas vanduo turėtų greičiau užšalti.

Viršuje - apačioje

Taip pat reiškinys, kurio metu vanduo užšąla greičiau - karštas ar šaltas, paaiškinamas taip. Laikantis tam tikrų dėsnių, šaltas vanduo pradeda užšalti iš viršutinių sluoksnių, kai karštas vanduo daro atvirkščiai - jis pradeda užšalti iš apačios į viršų. Pasirodo, kad šaltas vanduo, kurio viršuje yra šaltas sluoksnis su vietomis jau susidariusiu ledu, taip pablogina konvekcijos ir šiluminės spinduliuotės procesus, tuo paaiškindamas, kuris vanduo užšąla greičiau - šaltas ar karštas. Pridedama mėgėjiškų eksperimentų nuotrauka, ir čia ji aiškiai matoma.

Šiluma užgęsta, linksta į viršų, ir ten susiduria su labai atvėsusiu sluoksniu. Šilumos spinduliavimui nėra laisvo kelio, todėl aušinimo procesas tampa sunkus. Karštas vanduo neturi tokių kliūčių. Kuris užšąla greičiau - šaltas ar karštas, nuo kurio priklauso tikėtinas rezultatas, galite išplėsti atsakymą tuo, kad bet kuriame vandenyje yra ištirpusios tam tikros medžiagos.

Priemaišos vandenyje kaip veiksnys, turintis įtakos rezultatui

Jei neapgaudinėjate ir naudojate tos pačios sudėties vandenį, kuriame tam tikrų medžiagų koncentracijos yra vienodos, šaltas vanduo turėtų greičiau užšalti. Bet jei įvyksta situacija, kai ištirpusių cheminių elementų yra tik karštame vandenyje, o šaltas vanduo jų neturi, tai yra galimybė karštam vandeniui užšalti anksčiau. Tai paaiškinama tuo, kad ištirpusios vandenyje medžiagos sukuria kristalizacijos centrus, o esant nedaugeliui šių centrų, vandenį sunku paversti kieta būsena. Netgi galima per daug atvėsinti vandenį ta prasme, kad esant minusinei temperatūrai jis bus skystas.

Tačiau visos šios versijos, matyt, visiškai netiko mokslininkams ir jie toliau dirbo šiuo klausimu. 2013 m. Singapūro tyrėjų grupė teigė, kad jie išsprendė seną paslaptį.

Kinijos mokslininkų grupė teigia, kad šio efekto paslaptis slypi energijos kiekyje, kuris yra susikaupęs tarp vandens molekulių jos ryšiuose, vadinamuose vandenilio ryšiais.

Kinijos mokslininkų atsakymas

Po to pateikiama informacija, kurios supratimui būtina turėti tam tikrų chemijos žinių, kad būtų galima išsiaiškinti, kuris vanduo užšąla greičiau - karštas ar šaltas. Kaip žinote, jis susideda iš dviejų H (vandenilio) atomų ir vieno O (deguonies) atomo, kuriuos laiko kovalentiniai ryšiai.

Taip pat vienos molekulės vandenilio atomus traukia kaimyninės molekulės, jų deguonies komponentas. Būtent šios jungtys vadinamos vandenilio jungtimis.

Verta prisiminti, kad tuo pačiu metu vandens molekulės yra atstumiančios viena kitą. Mokslininkai pažymėjo, kad kaitinant vandenį atstumas tarp jo molekulių padidėja, o tai palengvina tiesiog atstumiančios jėgos. Pasirodo, kad užimdami vieną atstumą tarp šaltoje būsenoje esančių molekulių, galima sakyti, jie išsitempia ir turi didesnę energijos atsargą. Būtent ši energijos atsarga išsiskiria, kai vandens molekulės pradeda artėti viena prie kitos, tai yra, įvyksta aušinimas. Pasirodo, kad didesnis energijos tiekimas karštame vandenyje ir didesnis jo išsiskyrimas atvėsus iki nulio temperatūros vyksta greičiau nei šaltame vandenyje, kuriame tokios energijos yra mažiau. Taigi kuris vanduo užšąla greičiau - šaltas ar karštas? Gatvėje ir laboratorijoje turėtų įvykti Mpemba paradoksas, o karštas vanduo greičiau virs ledu.

Bet klausimas vis dar atviras

Yra tik teorinis šio užuominos patvirtinimas - visa tai parašyta gražiomis formulėmis ir atrodo tikėtina. Bet kai eksperimentiniai duomenys, kuris vanduo užšąla greičiau - karštas ar šaltas, pateikiami praktine prasme ir pateikiami jų rezultatai, tada „Mpemba“ paradokso klausimą galima laikyti uždaru.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandras Firtsevas

« Kuris vanduo užšąla greičiau šaltas ar karštas?"- pabandykite užduoti klausimą savo draugams, greičiausiai dauguma jų atsakys, kad šaltas vanduo greičiau užšąla - ir suklys.

Tiesą sakant, jei vienu metu į šaldiklį įdėsite du tos pačios formos ir tūrio indus, iš kurių vienas turės šalto vandens, o kitas karšto, tada karštas vanduo užšals greičiau.

Toks teiginys gali atrodyti absurdiškas ir nepagrįstas. Jei laikysitės logikos, karštas vanduo pirmiausia turėtų atvėsti iki šaltos temperatūros, o šaltas šiuo metu jau turėtų virsti ledu.

Taigi kodėl karštas vanduo užšąla aplenkdamas šaltą vandenį? Pabandykime tai išsiaiškinti.

Stebėjimų ir tyrimų istorija

Žmonės nuo senų senovės stebėjo paradoksalų efektą, tačiau niekas jam neteikė didelės reikšmės. Štai kaip „Arrestotel“, taip pat René Descartesas ir Francisas Baconas savo užrašuose pažymėjo, kad šalto ir karšto vandens užšalimo tempas nesutampa. Neįprastas reiškinys dažnai pasireiškia kasdieniame gyvenime.

Ilgą laiką šis reiškinys nebuvo tiriamas jokiu būdu ir nesukėlė didelio mokslininkų susidomėjimo.

Neįprasto efekto tyrimas buvo pradėtas 1963 m., Kai žingeidus studentas iš Tanzanijos Erasto Mpemba pastebėjo, kad karšti ledai užšąla greičiau nei šaltas pienas. Tikėdamasis paaiškinti neįprasto efekto priežastis, jaunas vyras uždavė klausimą savo fizikos mokytojui mokykloje. Tačiau mokytojas tik juokėsi iš jo.

Vėliau Mpemba pakartojo eksperimentą, tačiau savo eksperimente jis naudojo nebe pieną, o vandenį, ir paradoksalus poveikis vėl pasikartojo.

Po 6 metų - 1969 m., Mpemba uždavė šį klausimą fizikos profesoriui Dennisui Osborne'ui, kuris atėjo į jo mokyklą. Profesorius domėjosi jaunuolio stebėjimu, todėl buvo atliktas eksperimentas, kuris patvirtino efekto buvimą, tačiau šio reiškinio priežastys nebuvo nustatytos.

Nuo to laiko šis reiškinys vadinamas mpembos efektas.

Per visą mokslinio stebėjimo istoriją buvo pateikta daug hipotezių apie šio reiškinio priežastis.

Taigi 2012 m. Britanijos karališkoji chemijos draugija būtų paskelbusi konkursą dėl hipotezių, paaiškinančių Mpemba efektą. Konkurse dalyvavo mokslininkai iš viso pasaulio, iš viso buvo užregistruota 22 000 mokslinių straipsnių. Nepaisant tokio įspūdingo straipsnių skaičiaus, nė vienas iš jų neišaiškino „Mpemba“ paradokso.

Labiausiai paplitusi buvo versija, pagal kurią karštas vanduo užšąla greičiau, nes jis paprasčiausiai greičiau išgaruoja, jo tūris tampa mažesnis, o kiekiui mažėjant, aušinimo greitis padidėja. Galiausiai plačiausiai paplitusi versija buvo paneigta, nes buvo atliktas eksperimentas, kurio metu garavimas buvo pašalintas, tačiau poveikis vis dėlto buvo patvirtintas.

Kiti mokslininkai manė, kad Mpemba efekto priežastis yra vandenyje ištirpusių dujų garavimas. Jų nuomone, vandenyje ištirpusios dujos garuoja kaitinant, dėl to jos įgauna didesnį tankį nei šaltas vanduo. Kaip žinote, tankio padidėjimas lemia vandens fizinių savybių pasikeitimą (šilumos laidumo padidėjimą), taigi ir aušinimo greičio padidėjimą.

Be to, buvo pateikta keletas hipotezių, apibūdinančių vandens cirkuliacijos greitį kaip temperatūros funkciją. Daugeliu tyrimų bandyta nustatyti santykį tarp talpyklų, kuriose buvo skystis, medžiagos. Daugelis teorijų atrodė labai tikėtinos, tačiau jų nebuvo galima moksliškai patvirtinti dėl pradinių duomenų trūkumo, prieštaravimų kituose eksperimentuose arba dėl to, kad atskleisti veiksniai paprasčiausiai nebuvo lyginami su vandens aušinimo greičiu. Kai kurie mokslininkai savo darbuose suabejojo \u200b\u200befekto egzistavimu.

2013 m. Nanyango technologijos universiteto Singapūre tyrėjai teigė išsprendę Mpemba efekto paslaptį. Remiantis jų tyrimais, šio reiškinio priežastis slypi tame, kad vandenilio ryšiuose tarp šalto ir karšto vandens molekulių sukauptas energijos kiekis yra žymiai skirtingas.

Kompiuterinio modeliavimo metodai parodė šiuos rezultatus: kuo aukštesnė vandens temperatūra, tuo didesnis atstumas tarp molekulių dėl to, kad atstumia jėgos. Vadinasi, molekulių vandenilio jungtys yra ištemptos, sukaupdamos daugiau energijos. Atvėsusios molekulės pradeda artėti viena prie kitos, išskirdamos vandenilio jungčių energiją. Šiuo atveju energijos išsiskyrimą lydi temperatūros sumažėjimas.

2017 m. Spalio mėn. Ispanijos fizikai, atlikdami kitą tyrimą, nustatė, kad materijos pašalinimas iš pusiausvyros (stiprus kaitinimas prieš stiprų aušinimą) vaidina didelį vaidmenį formuojant efektą. Jie nustatė sąlygas, kuriomis poveikio tikimybė yra didžiausia. Be to, mokslininkai iš Ispanijos patvirtino priešingo Mpemba efekto egzistavimą. Jie nustatė, kad kaitinant šaltesnis mėginys aukštą temperatūrą gali pasiekti greičiau nei šiltas.

Nepaisant išsamios informacijos ir daugybės eksperimentų, mokslininkai ketina toliau tirti poveikį.

Mpembos efektas realiame gyvenime

Ar kada susimąstėte, kodėl žiemą ledo aikštelė užpildyta karštu, o ne šaltu vandeniu? Kaip jau supratote, jie tai daro, nes ledo čiuožykla, pripildyta karšto vandens, užšals greičiau, nei užpildžius šaltu vandeniu. Dėl tos pačios priežasties žiemos ledo miesteliuose į stiklelius pilamas karštas vanduo.

Taigi žinios apie šio reiškinio egzistavimą leidžia žmonėms sutaupyti laiko ruošiant žiemos sporto vietas.

Be to, pramonėje kartais naudojamas Mpemba efektas - siekiant sumažinti produktų, medžiagų ir medžiagų, kuriose yra vandens, užšalimo laiką.