विरोधाभास यह है कि गर्म पानी तेजी से जमता है। गर्म पानी के जल्दी जमने का रहस्य खुल गया है।

कई शोधकर्ताओं ने इस बारे में अपने संस्करण सामने रखे हैं और रख रहे हैं कि ऐसा क्यों है गर्म पानीठंड की तुलना में तेजी से जम जाता है। यह एक विरोधाभास जैसा प्रतीत होगा - आख़िरकार, जमने के लिए गर्म पानी को पहले ठंडा करना पड़ता है। हालाँकि, तथ्य एक तथ्य ही है, और वैज्ञानिक इसे अलग-अलग तरीकों से समझाते हैं।

प्रमुख संस्करण

पर इस पलऐसे कई संस्करण हैं जो इस तथ्य को समझाते हैं:

1. क्योंकि गर्म पानी तेजी से वाष्पित हो जाता है, इसकी मात्रा कम हो जाती है। और एक ही तापमान पर कम मात्रा में पानी का जमना तेजी से होता है।
2. रेफ्रिजरेटर के फ्रीजर डिब्बे में एक स्नो लाइनर है। गर्म पानी वाला एक कंटेनर नीचे की बर्फ को पिघला देता है। इससे फ्रीजर के साथ थर्मल संपर्क में सुधार होता है।
3. गर्म पानी के विपरीत, ठंडे पानी का जमना शीर्ष पर शुरू होता है। इसी समय, संवहन और ऊष्मा विकिरण, और, परिणामस्वरूप, ऊष्मा हानि बिगड़ जाती है।
4. ठंडे पानी में क्रिस्टलीकरण केंद्र होते हैं - इसमें घुले हुए पदार्थ। यदि पानी में उनकी सामग्री कम है, तो आइसिंग करना मुश्किल है, हालांकि एक ही समय में, सुपरकूलिंग संभव है - जब उप-शून्य तापमान पर यह तरल अवस्था में होता है।

हालाँकि निष्पक्षता में हम कह सकते हैं कि यह प्रभाव हमेशा नहीं देखा जाता है। अक्सर, ठंडा पानी गर्म पानी की तुलना में तेजी से जमता है।

पानी किस तापमान पर जमता है

आखिर पानी जम क्यों जाता है? इसमें एक निश्चित मात्रा में खनिज या कार्बनिक कण होते हैं। उदाहरण के लिए, यह बहुत हो सकता है बहुत छोटे कणरेत, धूल या मिट्टी. जैसे ही हवा का तापमान गिरता है, ये कण केंद्र होते हैं जिनके चारों ओर बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं।

क्रिस्टलीकरण नाभिक की भूमिका पानी वाले कंटेनर में हवा के बुलबुले और दरारें भी निभा सकती हैं। पानी को बर्फ में बदलने की प्रक्रिया की गति काफी हद तक ऐसे केंद्रों की संख्या से प्रभावित होती है - यदि उनमें से कई हैं, तो तरल तेजी से जम जाता है। सामान्य परिस्थितियों में, सामान्य के साथ वायु - दाब, पानी अंदर चला जाता है ठोस अवस्था 0 डिग्री के तापमान पर तरल से।

म्पेम्बा प्रभाव का सार

एमपेम्बा प्रभाव एक विरोधाभास है, जिसका सार यह है कि कुछ परिस्थितियों में, गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जम जाता है। इस घटना को अरस्तू और डेसकार्टेस ने देखा था। हालाँकि, 1963 तक तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा ने यह निर्धारित नहीं किया था कि गर्म आइसक्रीम को जमने में अधिक समय लगता है। छोटी अवधिठंड से भी ज्यादा. खाना पकाने का एक कार्य पूरा करते समय उन्होंने यह निष्कर्ष निकाला।

उन्हें उबले हुए दूध में चीनी घोलनी थी और उसे ठंडा करके फ्रिज में जमने के लिए रखना था। जाहिरा तौर पर, एमपेम्बा विशेष रूप से मेहनती नहीं था और उसने कार्य का पहला भाग देर से पूरा करना शुरू किया। इसलिए उन्होंने दूध के ठंडा होने का इंतजार नहीं किया और उसे गर्म ही फ्रिज में रख दिया. उन्हें बहुत आश्चर्य हुआ जब यह उनके सहपाठियों की तुलना में भी तेजी से जम गया, जो दी गई तकनीक के अनुसार काम कर रहे थे।

इस तथ्य में युवक को बहुत दिलचस्पी हुई और उसने सादे पानी के साथ प्रयोग शुरू कर दिया। 1969 में, जर्नल फिजिक्स एजुकेशन ने एमपेम्बा और दार एस सलाम विश्वविद्यालय के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न के शोध के परिणाम प्रकाशित किए। उनके द्वारा वर्णित प्रभाव को एमपेम्बा नाम दिया गया। हालाँकि, आज भी इस घटना की कोई स्पष्ट व्याख्या नहीं है। सभी वैज्ञानिक इस बात से सहमत हैं कि इसमें मुख्य भूमिका ठंडे और गर्म पानी के गुणों में अंतर की है, लेकिन वास्तव में क्या है यह अज्ञात है।

सिंगापुर संस्करण

सिंगापुर के एक विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी भी इस सवाल में रुचि रखते थे कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा? शी झांग के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने पानी के गुणों द्वारा इस विरोधाभास को सटीक रूप से समझाया। हर कोई स्कूल से पानी की संरचना जानता है - एक ऑक्सीजन परमाणु और दो हाइड्रोजन परमाणु। ऑक्सीजन कुछ हद तक इलेक्ट्रॉनों को हाइड्रोजन से दूर खींचती है, इसलिए अणु एक निश्चित प्रकार का "चुंबक" है।

परिणामस्वरूप, पानी में कुछ अणु एक दूसरे के प्रति थोड़ा आकर्षित होते हैं और हाइड्रोजन बंधन द्वारा एकजुट होते हैं। इसकी ताकत सहसंयोजक बंधन से कई गुना कम होती है। सिंगापुर के शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि एमपेम्बा के विरोधाभास की व्याख्या सटीक है हाइड्रोजन बांड. यदि पानी के अणुओं को एक साथ बहुत कसकर रखा जाता है, तो अणुओं के बीच इतनी मजबूत बातचीत अणु के बीच में सहसंयोजक बंधन को विकृत कर सकती है।

लेकिन जब पानी को गर्म किया जाता है, तो बंधे हुए अणु एक-दूसरे से थोड़ा दूर चले जाते हैं। परिणामस्वरूप, अणुओं के बीच में सहसंयोजक बंधनों में शिथिलता आती है, जिससे अतिरिक्त ऊर्जा निकलती है और निम्न ऊर्जा स्तर पर संक्रमण होता है। इससे यह तथ्य सामने आता है कि गर्म पानी जल्दी ठंडा होने लगता है। कम से कम, सिंगापुर के वैज्ञानिकों द्वारा की गई सैद्धांतिक गणना तो यही दर्शाती है।

तुरंत जमा देने वाला पानी - 5 अविश्वसनीय तरकीबें: वीडियो

ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी के अधिक तेजी से जमने की घटना को विज्ञान में एमपेम्बा प्रभाव के नाम से जाना जाता है। अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस जैसे महान दिमागों ने इस विरोधाभासी घटना पर विचार किया, लेकिन हजारों वर्षों से कोई भी इस घटना के लिए उचित स्पष्टीकरण देने में सक्षम नहीं हुआ है।

केवल 1963 में, तांगानिका गणराज्य के एक स्कूली छात्र, एरास्टो मपेम्बा ने आइसक्रीम के उदाहरण का उपयोग करके इस प्रभाव को देखा, लेकिन किसी भी वयस्क ने उसे स्पष्टीकरण नहीं दिया। फिर भी, भौतिकविदों और रसायनज्ञों ने इतनी सरल, लेकिन इतनी समझ से बाहर की घटना के बारे में गंभीरता से सोचा है।

तब से वे खुलकर बोले हैं विभिन्न संस्करण, जिनमें से एक ध्वनि इस प्रकार थी: गर्म पानी का एक भाग पहले तो वाष्पित हो जाता है, और फिर, जब इसकी मात्रा कम रह जाती है, तो पानी तेजी से जम जाता है। यह संस्करण, अपनी सादगी के कारण, सबसे लोकप्रिय हो गया, लेकिन वैज्ञानिकों को पूरी तरह से संतुष्ट नहीं कर सका।

अब रसायनज्ञ शी झांग के नेतृत्व में सिंगापुर में नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम का कहना है कि उन्होंने सदियों पुराने रहस्य को सुलझा लिया है कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है। जैसा कि चीनी विशेषज्ञों ने पता लगाया है, रहस्य पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा में निहित है।

जैसा कि आप जानते हैं, पानी के अणुओं में एक ऑक्सीजन परमाणु और दो हाइड्रोजन परमाणु होते हैं जो सहसंयोजक बंधों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं, जो कण स्तर पर इलेक्ट्रॉनों के आदान-प्रदान जैसा दिखता है। एक और ज्ञात तथ्यइस तथ्य में निहित है कि हाइड्रोजन परमाणु पड़ोसी अणुओं से ऑक्सीजन परमाणुओं की ओर आकर्षित होते हैं - और हाइड्रोजन बांड बनते हैं।

साथ ही, पानी के अणु आम तौर पर एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। सिंगापुर के वैज्ञानिकों ने देखा: पानी जितना गर्म होगा, प्रतिकारक शक्तियों में वृद्धि के कारण तरल के अणुओं के बीच की दूरी उतनी ही अधिक होगी। परिणामस्वरूप, हाइड्रोजन बांड खिंचते हैं और इसलिए अधिक ऊर्जा संग्रहीत करते हैं। यह ऊर्जा तब निकलती है जब पानी ठंडा होता है - अणु एक दूसरे के करीब आते हैं। और ऊर्जा की रिहाई, जैसा कि ज्ञात है, का अर्थ है शीतलन।

जैसा कि रसायनज्ञ अपने लेख में लिखते हैं, जो प्रीप्रिंट वेबसाइट arXiv.org पर पाया जा सकता है, गर्म पानी में हाइड्रोजन बांड ठंडे पानी की तुलना में अधिक मजबूत होते हैं। इस प्रकार, यह पता चलता है कि गर्म पानी के हाइड्रोजन बांड में अधिक ऊर्जा संग्रहीत होती है, जिसका अर्थ है कि उप-शून्य तापमान तक ठंडा होने पर इसका अधिक हिस्सा निकलता है। इस कारण से सख्तीकरण तेजी से होता है।

आज तक वैज्ञानिक इस रहस्य को केवल सैद्धांतिक तौर पर ही सुलझा पाए हैं। जब वे अपने संस्करण के पुख्ता सबूत पेश करते हैं, तो यह सवाल कि ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी तेजी से क्यों जमता है, बंद माना जा सकता है।

एमपेम्बा प्रभाव या गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जम जाता है? एमपेम्बा प्रभाव (एमपेम्बा विरोधाभास) एक विरोधाभास है जो बताता है कि कुछ परिस्थितियों में गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जम जाता है, हालांकि जमने की प्रक्रिया के दौरान इसे ठंडे पानी के तापमान को पार करना होगा। यह विरोधाभास एक प्रायोगिक तथ्य है जो सामान्य विचारों का खंडन करता है, जिसके अनुसार, समान परिस्थितियों में, अधिक गर्म शरीर को एक निश्चित तापमान तक ठंडा होने में अधिक समय लगता है, जबकि कम गर्म शरीर को उसी तापमान तक ठंडा होने में अधिक समय लगता है। इस घटना को एक समय में अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने देखा था, लेकिन 1963 में ही तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा ने पाया कि गर्म आइसक्रीम का मिश्रण ठंडे की तुलना में तेजी से जम जाता है। मगम्बिंस्काया का छात्र होना हाई स्कूलतंजानिया में एरास्टो एमपेम्बा ने किया व्यावहारिक कार्यखाना पकाने में. उसे घर का बना आइसक्रीम बनाने की ज़रूरत थी - दूध उबालें, उसमें चीनी घोलें, ठंडा होने तक कमरे का तापमानऔर फिर जमने के लिए फ्रिज में रख दें। जाहिरा तौर पर, एमपेम्बा विशेष रूप से मेहनती छात्र नहीं था और उसने कार्य के पहले भाग को पूरा करने में देरी की। इस डर से कि वह पाठ के अंत तक नहीं पहुँच पाएगा, उसने ठंडा दूध फ्रिज में रख दिया। उन्हें आश्चर्य हुआ कि यह दी गई तकनीक के अनुसार तैयार किए गए उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया। इसके बाद एमपेम्बा ने न सिर्फ दूध के साथ, बल्कि इसके साथ भी प्रयोग किया सादा पानी. किसी भी मामले में, पहले से ही मक्वावा सेकेंडरी स्कूल में एक छात्र के रूप में, उन्होंने दार एस सलाम में यूनिवर्सिटी कॉलेज के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न (छात्रों को भौतिकी पर व्याख्यान देने के लिए स्कूल निदेशक द्वारा आमंत्रित) से विशेष रूप से पानी के बारे में पूछा: "यदि आप लेते हैं दो समान कंटेनर समान मात्रापानी ताकि उनमें से एक में पानी का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस हो, और दूसरे में - 100 डिग्री सेल्सियस, और उन्हें फ्रीजर में रखें, फिर दूसरे में पानी तेजी से जम जाएगा। क्यों?" ओसबोर्न को इस प्रश्न में दिलचस्पी हो गई और जल्द ही, 1969 में, उन्होंने और एमपेम्बा ने अपने प्रयोगों के परिणामों को फिजिक्स एजुकेशन पत्रिका में प्रकाशित किया। तब से, उनके द्वारा खोजे गए प्रभाव को एमपेम्बा प्रभाव कहा जाता है। आज तक, कोई भी नहीं इस अजीब प्रभाव की सटीक व्याख्या कैसे की जाए, वैज्ञानिकों के पास इसका एक भी संस्करण नहीं है, हालांकि कई हैं, यह सब गर्म और ठंडे पानी के गुणों में अंतर के बारे में है, लेकिन यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि इस मामले में कौन से गुण भूमिका निभाते हैं: विभिन्न तापमानों पर पानी पर सुपरकूलिंग, वाष्पीकरण, बर्फ निर्माण, संवहन या तरलीकृत गैसों के प्रभाव में अंतर वह समय है जिसके दौरान शरीर तापमान तक ठंडा हो जाता है पर्यावरण, इस शरीर और पर्यावरण के बीच तापमान के अंतर के समानुपाती होना चाहिए। यह नियम न्यूटन द्वारा स्थापित किया गया था और तब से व्यवहार में इसकी कई बार पुष्टि की गई है। इस प्रभाव में, 100°C तापमान वाला पानी 35°C तापमान वाले समान मात्रा के पानी की तुलना में 0°C तापमान तक तेजी से ठंडा होता है। हालाँकि, यह अभी तक कोई विरोधाभास नहीं दर्शाता है, क्योंकि एमपीईएमबीए प्रभाव को ज्ञात भौतिकी के ढांचे के भीतर समझाया जा सकता है। यहां एमपेम्बा प्रभाव के लिए कुछ स्पष्टीकरण दिए गए हैं: वाष्पीकरण गर्म पानी एक कंटेनर से तेजी से वाष्पित हो जाता है, जिससे इसकी मात्रा कम हो जाती है, और उसी तापमान पर पानी की एक छोटी मात्रा तेजी से जम जाती है। 100 C तक गर्म किया गया पानी 0 C तक ठंडा होने पर अपने द्रव्यमान का 16% खो देता है। वाष्पीकरण का प्रभाव दोहरा प्रभाव होता है। सबसे पहले, ठंडा करने के लिए आवश्यक पानी का द्रव्यमान कम हो जाता है। और दूसरी बात, तापमान इस तथ्य के कारण कम हो जाता है कि जल चरण से भाप चरण में संक्रमण के वाष्पीकरण की गर्मी कम हो जाती है। तापमान में अंतर इस तथ्य के कारण है कि तापमान में अंतर है गर्म पानीऔर अधिक ठंडी हवा है - इसलिए, इस मामले में गर्मी विनिमय अधिक तीव्र है और गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है। हाइपोथर्मिया जब पानी 0 C से नीचे ठंडा हो जाता है, तो यह हमेशा जमता नहीं है। कुछ परिस्थितियों में, यह सुपरकूलिंग से गुजर सकता है और शून्य से नीचे के तापमान पर भी तरल बना रह सकता है। कुछ मामलों में, पानी -20 C के तापमान पर भी तरल रह सकता है। इस प्रभाव का कारण यह है कि पहले बर्फ के क्रिस्टल बनने के लिए, क्रिस्टल निर्माण केंद्रों की आवश्यकता होती है। यदि वे तरल पानी में मौजूद नहीं हैं, तो सुपरकूलिंग तब तक जारी रहेगी जब तक कि तापमान अपने आप क्रिस्टल बनने के लिए पर्याप्त न गिर जाए। जब वे सुपरकूल्ड तरल में बनना शुरू हो जाएंगे, तो वे तेजी से बढ़ने लगेंगे, जिससे स्लश बर्फ बनेगी, जो जम कर बर्फ बन जाएगी। गर्म पानी हाइपोथर्मिया के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होता है क्योंकि इसे गर्म करने से घुली हुई गैसें और बुलबुले निकल जाते हैं, जो बदले में बर्फ के क्रिस्टल के निर्माण के लिए केंद्र के रूप में काम कर सकते हैं। हाइपोथर्मिया के कारण गर्म पानी तेजी से क्यों जम जाता है? के मामले में ठंडा पानी, जो अतिशीतित नहीं है, निम्नलिखित घटित होता है। ऐसे में बर्तन की सतह पर बर्फ की एक पतली परत बन जाएगी। बर्फ की यह परत पानी और ठंडी हवा के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करेगी और आगे वाष्पीकरण को रोकेगी। इस मामले में बर्फ के क्रिस्टल बनने की दर कम होगी। सुपरकूलिंग के अधीन गर्म पानी के मामले में, सुपरकूल्ड पानी में बर्फ की सुरक्षात्मक सतह परत नहीं होती है। इसलिए, खुले शीर्ष के माध्यम से यह बहुत तेजी से गर्मी खो देता है। जब सुपरकूलिंग प्रक्रिया समाप्त हो जाती है और पानी जम जाता है, तो बहुत अधिक गर्मी नष्ट हो जाती है और इसलिए अधिक बर्फ बनती है। इस आशय के कई शोधकर्ता एमपेम्बा प्रभाव के मामले में हाइपोथर्मिया को मुख्य कारक मानते हैं। संवहन ठंडा पानी ऊपर से जमना शुरू हो जाता है, जिससे ऊष्मा विकिरण और संवहन की प्रक्रिया बिगड़ जाती है, और इसलिए गर्मी का नुकसान होता है, जबकि गर्म पानी नीचे से जमना शुरू हो जाता है। इस प्रभाव को जल घनत्व में विसंगति द्वारा समझाया गया है। पानी का अधिकतम घनत्व 4 C पर होता है। यदि आप पानी को 4 C तक ठंडा करते हैं और इसे कम तापमान पर रखते हैं, तो पानी की सतह की परत तेजी से जम जाएगी। चूँकि यह पानी 4 C के तापमान वाले पानी की तुलना में कम घना है, यह सतह पर बना रहेगा, जिससे एक पतली ठंडी परत बन जाएगी। इन परिस्थितियों में, कुछ ही समय में पानी की सतह पर बर्फ की एक पतली परत बन जाएगी, लेकिन बर्फ की यह परत एक इन्सुलेटर के रूप में काम करेगी, जो पानी की निचली परतों की रक्षा करेगी, जो 4 C के तापमान पर रहेगी। इसलिए आगे की प्रक्रियाशीतलन अधिक धीरे-धीरे घटित होगा। गर्म पानी के मामले में स्थिति बिल्कुल अलग है। वाष्पीकरण के कारण पानी की सतह परत अधिक तेजी से ठंडी होगी बड़ा अंतरतापमान इसके अलावा, ठंडे पानी की परतें गर्म पानी की परतों की तुलना में सघन होती हैं, इसलिए ठंडे पानी की परत नीचे डूब जाएगी, जिससे परत ऊपर उठ जाएगी गर्म पानीज़मीनी स्तर पर। पानी का यह संचलन तापमान में तेजी से गिरावट सुनिश्चित करता है। लेकिन यह प्रक्रिया संतुलन बिंदु तक क्यों नहीं पहुंचती? संवहन के इस दृष्टिकोण से म्पेम्बा प्रभाव को समझाने के लिए, यह मानना ​​आवश्यक होगा कि पानी की ठंडी और गर्म परतें अलग हो जाती हैं और संवहन प्रक्रिया स्वयं जारी रहती है औसत तापमानपानी 4 डिग्री सेल्सियस से नीचे गिर जाएगा। हालाँकि, ऐसा कोई प्रायोगिक डेटा नहीं है जो इस परिकल्पना की पुष्टि करेगा कि संवहन की प्रक्रिया के दौरान पानी की ठंडी और गर्म परतें अलग हो जाती हैं। पानी में घुली गैसें पानी में हमेशा गैसें घुली रहती हैं - ऑक्सीजन और कार्बन डाईऑक्साइड. इन गैसों में पानी के हिमांक को कम करने की क्षमता होती है। जब पानी को गर्म किया जाता है तो ये गैसें पानी से बाहर निकल जाती हैं क्योंकि ये पानी में घुलनशील होती हैं उच्च तापमाननीचे। इसलिए, जब गर्म पानी ठंडा होता है, तो उसमें हमेशा बिना गर्म किए ठंडे पानी की तुलना में कम घुली हुई गैसें होती हैं। इसलिए, गर्म पानी का हिमांक अधिक होता है और वह तेजी से जम जाता है। इस कारक को कभी-कभी एमपीईएमबीए प्रभाव को समझाने में मुख्य माना जाता है, हालांकि इस तथ्य की पुष्टि करने वाला कोई प्रयोगात्मक डेटा नहीं है। तापीय चालकता यह तंत्र तब महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है जब पानी को छोटे कंटेनरों में रेफ्रिजरेटर डिब्बे के फ्रीजर में रखा जाता है। इन परिस्थितियों में, यह देखा गया कि गर्म पानी वाला एक कंटेनर अपने नीचे की बर्फ को पिघला देता है फ्रीजर, जिससे फ्रीजर की दीवार के साथ थर्मल संपर्क और थर्मल चालकता में सुधार होता है। परिणामस्वरूप, ठंडे पानी के कंटेनर की तुलना में गर्म पानी के कंटेनर से गर्मी तेजी से निकल जाती है। बदले में, ठंडे पानी वाला एक कंटेनर नीचे की बर्फ को नहीं पिघलाता है। इन सभी (साथ ही अन्य) स्थितियों का अध्ययन कई प्रयोगों में किया गया था, लेकिन इस सवाल का स्पष्ट उत्तर - उनमें से कौन सा एमपीईएमबीए प्रभाव का एक सौ प्रतिशत पुनरुत्पादन प्रदान करता है - कभी प्राप्त नहीं हुआ। उदाहरण के लिए, 1995 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी डेविड ऑरबैक ने इस प्रभाव पर सुपरकूलिंग पानी के प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि गर्म पानी, अतिशीतित अवस्था में पहुंचकर, ठंडे पानी की तुलना में अधिक तापमान पर जम जाता है, और इसलिए ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है। लेकिन ठंडा पानीगर्म अवस्था की तुलना में अतिशीतित अवस्था में तेजी से पहुंचता है, जिससे पिछले अंतराल की भरपाई हो जाती है। इसके अलावा, एउरबैक के परिणामों ने पिछले आंकड़ों का खंडन किया कि गर्म पानी कम क्रिस्टलीकरण केंद्रों के कारण अधिक सुपरकूलिंग प्राप्त करने में सक्षम था। जब पानी को गर्म किया जाता है तो उसमें घुली गैसें उसमें से निकल जाती हैं और जब उसे उबाला जाता है तो उसमें घुले कुछ लवण अवक्षेपित हो जाते हैं। अभी के लिए, केवल एक ही बात कही जा सकती है - इस प्रभाव का पुनरुत्पादन उन परिस्थितियों पर काफी हद तक निर्भर करता है जिनके तहत प्रयोग किया जाता है। सटीक रूप से क्योंकि इसे हमेशा पुन: प्रस्तुत नहीं किया जाता है। ओ. वी. मोसिन

ब्रिटिश रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री उस व्यक्ति को £1,000 का इनाम दे रही है जो वैज्ञानिक रूप से यह बता सकता है कि कुछ मामलों में गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है।

“आधुनिक विज्ञान अभी भी इस सरल प्रतीत होने वाले प्रश्न का उत्तर नहीं दे सकता है। आइसक्रीम निर्माता और बारटेंडर अपने दैनिक कार्यों में इस प्रभाव का उपयोग करते हैं, लेकिन वास्तव में कोई नहीं जानता कि यह क्यों काम करता है। यह समस्या सहस्राब्दियों से ज्ञात है, अरस्तू और डेसकार्टेस जैसे दार्शनिक इसके बारे में सोचते रहे हैं, ”ब्रिटिश रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री के अध्यक्ष प्रोफेसर डेविड फिलिप्स ने सोसायटी की एक प्रेस विज्ञप्ति में उद्धृत किया।

कैसे अफ़्रीका के एक रसोइये ने ब्रिटिश भौतिकी के प्रोफेसर को हरा दिया

यह कोई अप्रैल फूल का मज़ाक नहीं, बल्कि एक कड़वी भौतिक सच्चाई है। आधुनिक विज्ञान, जो आसानी से आकाशगंगाओं और ब्लैक होल के साथ काम करता है, और क्वार्क और बोसॉन की खोज के लिए विशाल त्वरक बनाता है, यह नहीं समझा सकता कि प्राथमिक पानी "कैसे काम करता है।" स्कूल की पाठ्यपुस्तक में स्पष्ट रूप से कहा गया है कि ठंडे शरीर को ठंडा करने की तुलना में गर्म शरीर को ठंडा करने में अधिक समय लगता है। लेकिन पानी के लिए इस नियम का हमेशा पालन नहीं किया जाता है। चौथी शताब्दी ईसा पूर्व में अरस्तू ने इस विरोधाभास की ओर ध्यान आकर्षित किया था। इ। यहाँ प्राचीन यूनानी ने अपनी पुस्तक मेटियोरोलॉजिका I में लिखा है: “तथ्य यह है कि पानी पहले से गरम किया जाता है, जिससे यह जम जाता है। इसलिए, बहुत से लोग, जब गर्म पानी को तेजी से ठंडा करना चाहते हैं, तो पहले उसे धूप में रखते हैं..." मध्य युग में, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने इस घटना को समझाने की कोशिश की। अफसोस, न तो महान दार्शनिक और न ही शास्त्रीय थर्मोफिजिक्स विकसित करने वाले कई वैज्ञानिक इसमें सफल हुए, और इसलिए ऐसा असुविधाजनक तथ्य लंबे समय तक "भूल" गया।

और केवल 1968 में उन्हें तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बे की बदौलत "याद" आया, जो किसी भी विज्ञान से बहुत दूर था। 1963 में पाक कला विद्यालय में पढ़ते समय, 13 वर्षीय एमपेम्बे को आइसक्रीम बनाने का काम दिया गया था। तकनीक के मुताबिक, दूध को उबालना, उसमें चीनी घोलना, कमरे के तापमान तक ठंडा करना और फिर उसे जमने के लिए फ्रिज में रखना जरूरी था। जाहिर तौर पर, एमपेम्बा एक मेहनती छात्र नहीं था और झिझकता था। इस डर से कि वह पाठ के अंत तक नहीं पहुँच पाएगा, उसने ठंडा दूध फ्रिज में रख दिया। उन्हें आश्चर्य हुआ कि यह उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया, जो सभी नियमों के अनुसार तैयार किया गया था।

जब एमपेम्बा ने अपनी खोज को अपने भौतिकी शिक्षक के साथ साझा किया, तो उन्होंने पूरी कक्षा के सामने उस पर हँसे। म्पेम्बा को अपमान याद आया। पांच साल बाद, वह पहले से ही दार एस सलाम विश्वविद्यालय में छात्र थे, उन्होंने प्रसिद्ध भौतिक विज्ञानी डेनिस जी. ओसबोर्न के एक व्याख्यान में भाग लिया। व्याख्यान के बाद, उन्होंने वैज्ञानिक से एक प्रश्न पूछा: "यदि आप समान मात्रा में पानी के साथ दो समान कंटेनर लेते हैं, एक 35 डिग्री सेल्सियस (95 डिग्री फ़ारेनहाइट) और दूसरा 100 डिग्री सेल्सियस (212 डिग्री फ़ारेनहाइट) पर, और उन्हें रखें फ्रीजर में, तो गर्म कंटेनर में पानी तेजी से जम जाएगा। क्यों?" आप गॉडफॉरसेन्ड तंजानिया के एक युवा व्यक्ति के सवाल पर एक ब्रिटिश प्रोफेसर की प्रतिक्रिया की कल्पना कर सकते हैं। उन्होंने छात्र का मजाक उड़ाया. हालाँकि, म्पेम्बा इस तरह के उत्तर के लिए तैयार था और उसने वैज्ञानिक को शर्त लगाने की चुनौती दी। उनका विवाद एक प्रायोगिक परीक्षण के साथ समाप्त हुआ जिसने पुष्टि की कि एम्पेम्बा सही था और ओसबोर्न हार गया। इस प्रकार, प्रशिक्षु रसोइये ने विज्ञान के इतिहास में अपना नाम लिखा, और अब से इस घटना को "एमपेम्बा प्रभाव" कहा जाता है। इसे त्यागना, इसे "अस्तित्वहीन" घोषित करना असंभव है। घटना मौजूद है, और, जैसा कि कवि ने लिखा है, "यह चोट नहीं पहुँचाता है।"

क्या धूल के कण और विलेय इसके लिए दोषी हैं?

वर्षों से, कई लोगों ने जमने वाले पानी के रहस्य को जानने की कोशिश की है। इस घटना के लिए स्पष्टीकरणों का एक पूरा समूह प्रस्तावित किया गया है: वाष्पीकरण, संवहन, विघटित पदार्थों का प्रभाव - लेकिन इनमें से किसी भी कारक को निश्चित नहीं माना जा सकता है। कई वैज्ञानिकों ने अपना पूरा जीवन एमपेम्बा प्रभाव के लिए समर्पित कर दिया है। विकिरण सुरक्षा विभाग के कर्मचारी स्टेट यूनिवर्सिटीन्यूयॉर्क - जेम्स ब्राउन्रिज - में खाली समयपिछले एक दशक से अधिक समय से विरोधाभास का अध्ययन कर रहा है। सैकड़ों प्रयोग करने के बाद, वैज्ञानिक ने हाइपोथर्मिया के "अपराध" के सबूत होने का दावा किया है। ब्राउन्रिज बताते हैं कि 0°C पर पानी केवल सुपरकूल हो जाता है, और तापमान नीचे जाने पर जमना शुरू हो जाता है। हिमांक बिंदु को पानी में अशुद्धियों द्वारा नियंत्रित किया जाता है - वे बर्फ के क्रिस्टल के गठन की दर को बदलते हैं। जब क्रिस्टलीकरण केंद्रों के आसपास बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं तो धूल के कण, बैक्टीरिया और घुले हुए नमक जैसी अशुद्धियों में एक विशिष्ट न्यूक्लियेशन तापमान होता है। जब पानी में एक साथ कई तत्व मौजूद होते हैं, तो हिमांक बिंदु उस तत्व से निर्धारित होता है जिसका न्यूक्लियेशन तापमान सबसे अधिक होता है।

प्रयोग के लिए, ब्राउन्रिज ने समान तापमान के दो पानी के नमूने लिए और उन्हें फ्रीजर में रख दिया। उन्होंने पाया कि एक नमूना हमेशा दूसरे से पहले जम जाता है, संभवतः अशुद्धियों के एक अलग संयोजन के कारण।

ब्राउनरिज का कहना है कि गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है क्योंकि पानी और फ्रीजर के तापमान के बीच अधिक अंतर होता है - इससे ठंडे पानी को उसके प्राकृतिक हिमांक तक पहुंचने से पहले उसके हिमांक तक पहुंचने में मदद मिलती है, जो कि कम से कम 5 डिग्री सेल्सियस कम होता है।

हालाँकि, ब्राउन्रिज का तर्क कई सवाल खड़े करता है। इसलिए, जो लोग एमपीईएमबीए प्रभाव को अपने तरीके से समझा सकते हैं, उनके पास ब्रिटिश रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री से एक हजार पाउंड स्टर्लिंग के लिए प्रतिस्पर्धा करने का मौका है।

म्पेम्बा प्रभाव(एमपेम्बा का विरोधाभास) - एक विरोधाभास जो बताता है कि कुछ परिस्थितियों में गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जम जाता है, हालांकि जमने की प्रक्रिया में इसे ठंडे पानी के तापमान को पार करना होगा। यह विरोधाभास एक प्रायोगिक तथ्य है जो सामान्य विचारों का खंडन करता है, जिसके अनुसार, समान परिस्थितियों में, अधिक गर्म शरीर को एक निश्चित तापमान तक ठंडा होने में अधिक समय लगता है, जबकि कम गर्म शरीर को उसी तापमान तक ठंडा होने में अधिक समय लगता है।

इस घटना को एक समय में अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने देखा था, लेकिन 1963 में ही तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा ने पाया कि गर्म आइसक्रीम का मिश्रण ठंडे की तुलना में तेजी से जम जाता है।

तंजानिया के मगंबी हाई स्कूल में एक छात्र के रूप में, एरास्टो मपेम्बा ने रसोइया के रूप में व्यावहारिक काम किया। उसे घर पर आइसक्रीम बनाने की ज़रूरत थी - दूध उबालें, उसमें चीनी घोलें, उसे कमरे के तापमान तक ठंडा करें, और फिर उसे जमने के लिए फ्रिज में रख दें। जाहिरा तौर पर, एमपेम्बा विशेष रूप से मेहनती छात्र नहीं था और उसने कार्य के पहले भाग को पूरा करने में देरी की। इस डर से कि वह पाठ के अंत तक नहीं पहुँच पाएगा, उसने ठंडा दूध फ्रिज में रख दिया। उन्हें आश्चर्य हुआ कि यह दी गई तकनीक के अनुसार तैयार किए गए उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया।

इसके बाद एमपेम्बा ने न सिर्फ दूध के साथ, बल्कि साधारण पानी के साथ भी प्रयोग किया। किसी भी मामले में, पहले से ही मक्वावा सेकेंडरी स्कूल में एक छात्र के रूप में, उन्होंने दार एस सलाम में यूनिवर्सिटी कॉलेज के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न (छात्रों को भौतिकी पर व्याख्यान देने के लिए स्कूल निदेशक द्वारा आमंत्रित) से विशेष रूप से पानी के बारे में पूछा: "यदि आप लेते हैं पानी की समान मात्रा वाले दो समान कंटेनर ताकि उनमें से एक में पानी का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस हो, और दूसरे में - 100 डिग्री सेल्सियस, और उन्हें फ्रीजर में रखें, फिर दूसरे में पानी तेजी से जम जाएगा। क्यों? ओसबोर्न को इस मुद्दे में रुचि हो गई और जल्द ही, 1969 में, उन्होंने और एम्पेम्बा ने अपने प्रयोगों के परिणामों को फिजिक्स एजुकेशन पत्रिका में प्रकाशित किया। तब से, उनके द्वारा खोजे गए प्रभाव को कहा जाने लगा म्पेम्बा प्रभाव.

अब तक, कोई नहीं जानता कि इस अजीब प्रभाव को कैसे समझाया जाए। वैज्ञानिकों के पास एक भी संस्करण नहीं है, हालाँकि कई हैं। यह सब गर्म और ठंडे पानी के गुणों में अंतर के बारे में है, लेकिन यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि इस मामले में कौन से गुण भूमिका निभाते हैं: सुपरकूलिंग, वाष्पीकरण, बर्फ गठन, संवहन, या पानी पर तरलीकृत गैसों के प्रभाव में अंतर अलग-अलग तापमान.

एमपेम्बा प्रभाव का विरोधाभास यह है कि जिस समय के दौरान कोई शरीर परिवेश के तापमान तक ठंडा हो जाता है वह इस शरीर और पर्यावरण के बीच तापमान के अंतर के समानुपाती होना चाहिए। यह नियम न्यूटन द्वारा स्थापित किया गया था और तब से व्यवहार में इसकी कई बार पुष्टि की गई है। इस प्रभाव में, 100°C तापमान वाला पानी 35°C तापमान वाले समान मात्रा के पानी की तुलना में 0°C तापमान तक तेजी से ठंडा होता है।

हालाँकि, यह अभी तक कोई विरोधाभास नहीं दर्शाता है, क्योंकि एमपीईएमबीए प्रभाव को ज्ञात भौतिकी के ढांचे के भीतर समझाया जा सकता है। यहां एमपीईएमबीए प्रभाव के लिए कुछ स्पष्टीकरण दिए गए हैं:

वाष्पीकरण

गर्म पानी कंटेनर से तेजी से वाष्पित हो जाता है, जिससे इसकी मात्रा कम हो जाती है, और समान तापमान पर पानी की छोटी मात्रा तेजी से जम जाती है। 100 C तक गर्म किया गया पानी 0 C तक ठंडा होने पर अपने द्रव्यमान का 16% खो देता है।

वाष्पीकरण प्रभाव दोहरा प्रभाव है। सबसे पहले, ठंडा करने के लिए आवश्यक पानी का द्रव्यमान कम हो जाता है। और दूसरी बात, तापमान इस तथ्य के कारण कम हो जाता है कि जल चरण से भाप चरण में संक्रमण के वाष्पीकरण की गर्मी कम हो जाती है।

तापमान अंतराल

इस तथ्य के कारण कि गर्म पानी और ठंडी हवा के बीच तापमान का अंतर अधिक होता है, इसलिए इस मामले में गर्मी विनिमय अधिक तीव्र होता है और गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है।

अल्प तपावस्था

जब पानी 0 C से नीचे ठंडा होता है, तो वह हमेशा जमता नहीं है। कुछ परिस्थितियों में, यह सुपरकूलिंग से गुजर सकता है और शून्य से नीचे के तापमान पर भी तरल बना रह सकता है। कुछ मामलों में, पानी -20 C के तापमान पर भी तरल रह सकता है।

इस प्रभाव का कारण यह है कि पहले बर्फ के क्रिस्टल बनने के लिए क्रिस्टल निर्माण केंद्रों की आवश्यकता होती है। यदि वे तरल पानी में मौजूद नहीं हैं, तो सुपरकूलिंग तब तक जारी रहेगी जब तक कि तापमान अपने आप क्रिस्टल बनने के लिए पर्याप्त न गिर जाए। जब वे सुपरकूल्ड तरल में बनना शुरू हो जाएंगे, तो वे तेजी से बढ़ने लगेंगे, जिससे स्लश बर्फ बनेगी, जो जम कर बर्फ बन जाएगी।

गर्म पानी हाइपोथर्मिया के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होता है क्योंकि इसे गर्म करने से घुली हुई गैसें और बुलबुले निकल जाते हैं, जो बदले में बर्फ के क्रिस्टल के निर्माण के लिए केंद्र के रूप में काम कर सकते हैं।

हाइपोथर्मिया के कारण गर्म पानी तेजी से क्यों जम जाता है? ठंडे पानी के मामले में जो सुपरकूल्ड नहीं है, निम्नलिखित होता है। ऐसे में बर्तन की सतह पर बर्फ की एक पतली परत बन जाएगी। बर्फ की यह परत पानी और ठंडी हवा के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करेगी और आगे वाष्पीकरण को रोकेगी। इस मामले में बर्फ के क्रिस्टल बनने की दर कम होगी। सुपरकूलिंग के अधीन गर्म पानी के मामले में, सुपरकूल्ड पानी में बर्फ की सुरक्षात्मक सतह परत नहीं होती है। इसलिए, खुले शीर्ष के माध्यम से यह बहुत तेजी से गर्मी खो देता है।

जब सुपरकूलिंग प्रक्रिया समाप्त हो जाती है और पानी जम जाता है, तो बहुत अधिक गर्मी नष्ट हो जाती है और इसलिए अधिक बर्फ बनती है।

इस आशय के कई शोधकर्ता एमपेम्बा प्रभाव के मामले में हाइपोथर्मिया को मुख्य कारक मानते हैं।

कंवेक्शन

ठंडा पानी ऊपर से जमना शुरू हो जाता है, जिससे ऊष्मा विकिरण और संवहन की प्रक्रिया ख़राब हो जाती है, और परिणामस्वरूप गर्मी का नुकसान होता है, जबकि गर्म पानी नीचे से जमना शुरू हो जाता है।

इस प्रभाव को जल घनत्व में विसंगति द्वारा समझाया गया है। पानी का अधिकतम घनत्व 4 C पर होता है। यदि आप पानी को 4 C तक ठंडा करते हैं और इसे कम तापमान पर रखते हैं, तो पानी की सतह की परत तेजी से जम जाएगी। चूँकि यह पानी 4 C के तापमान वाले पानी की तुलना में कम घना है, यह सतह पर बना रहेगा, जिससे एक पतली ठंडी परत बन जाएगी। इन परिस्थितियों में, कुछ ही समय में पानी की सतह पर बर्फ की एक पतली परत बन जाएगी, लेकिन बर्फ की यह परत एक इन्सुलेटर के रूप में काम करेगी, जो पानी की निचली परतों की रक्षा करेगी, जो 4 C के तापमान पर रहेगी। इसलिए, आगे शीतलन प्रक्रिया धीमी होगी।

गर्म पानी के मामले में स्थिति बिल्कुल अलग है। वाष्पीकरण और अधिक तापमान अंतर के कारण पानी की सतह परत अधिक तेज़ी से ठंडी हो जाएगी। इसके अलावा, ठंडे पानी की परतें गर्म पानी की परतों की तुलना में सघन होती हैं, इसलिए ठंडे पानी की परत नीचे डूब जाएगी, जिससे गर्म पानी की परत सतह पर आ जाएगी। पानी का यह संचलन तापमान में तेजी से गिरावट सुनिश्चित करता है।

लेकिन यह प्रक्रिया संतुलन बिंदु तक क्यों नहीं पहुंचती? संवहन के इस दृष्टिकोण से म्पेम्बा प्रभाव को समझाने के लिए, यह मानना ​​आवश्यक होगा कि पानी की ठंडी और गर्म परतें अलग हो जाती हैं और औसत पानी का तापमान 4 C से नीचे जाने के बाद भी संवहन प्रक्रिया जारी रहती है।

हालाँकि, इस परिकल्पना का समर्थन करने के लिए कोई प्रायोगिक साक्ष्य नहीं है कि पानी की ठंडी और गर्म परतें संवहन की प्रक्रिया द्वारा अलग हो जाती हैं।

गैसें पानी में घुल गईं

पानी में हमेशा गैसें घुली रहती हैं - ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड। इन गैसों में पानी के हिमांक को कम करने की क्षमता होती है। जब पानी को गर्म किया जाता है, तो ये गैसें पानी से बाहर निकल जाती हैं क्योंकि उच्च तापमान पर पानी में उनकी घुलनशीलता कम होती है। इसलिए, जब गर्म पानी ठंडा होता है, तो उसमें हमेशा बिना गर्म किए ठंडे पानी की तुलना में कम घुली हुई गैसें होती हैं। इसलिए, गर्म पानी का हिमांक अधिक होता है और वह तेजी से जम जाता है। इस कारक को कभी-कभी एमपीईएमबीए प्रभाव को समझाने में मुख्य माना जाता है, हालांकि इस तथ्य की पुष्टि करने वाला कोई प्रयोगात्मक डेटा नहीं है।

ऊष्मीय चालकता

जब पानी को छोटे कंटेनरों में रेफ्रिजरेटर डिब्बे के फ्रीजर में रखा जाता है तो यह तंत्र महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। इन परिस्थितियों में, यह देखा गया है कि गर्म पानी का एक कंटेनर फ्रीजर के नीचे बर्फ को पिघला देता है, जिससे फ्रीजर की दीवार के साथ थर्मल संपर्क और तापीय चालकता में सुधार होता है। परिणामस्वरूप, ठंडे पानी के कंटेनर की तुलना में गर्म पानी के कंटेनर से गर्मी तेजी से निकल जाती है। बदले में, ठंडे पानी वाला एक कंटेनर नीचे की बर्फ को नहीं पिघलाता है।

इन सभी (साथ ही अन्य) स्थितियों का अध्ययन कई प्रयोगों में किया गया था, लेकिन इस सवाल का स्पष्ट उत्तर - उनमें से कौन सा एमपीईएमबीए प्रभाव का एक सौ प्रतिशत पुनरुत्पादन प्रदान करता है - कभी प्राप्त नहीं हुआ।

उदाहरण के लिए, 1995 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी डेविड ऑरबैक ने इस प्रभाव पर सुपरकूलिंग पानी के प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि गर्म पानी, अतिशीतित अवस्था में पहुंचकर, ठंडे पानी की तुलना में अधिक तापमान पर जम जाता है, और इसलिए ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है। लेकिन ठंडा पानी गर्म पानी की तुलना में तेजी से अतिशीतित अवस्था में पहुंचता है, जिससे पिछले अंतराल की भरपाई हो जाती है।

इसके अलावा, एउरबैक के परिणामों ने पिछले आंकड़ों का खंडन किया कि गर्म पानी कम क्रिस्टलीकरण केंद्रों के कारण अधिक सुपरकूलिंग प्राप्त करने में सक्षम था। जब पानी को गर्म किया जाता है तो उसमें घुली गैसें उसमें से निकल जाती हैं और जब उसे उबाला जाता है तो उसमें घुले कुछ लवण अवक्षेपित हो जाते हैं।

अभी के लिए, केवल एक ही बात कही जा सकती है - इस प्रभाव का पुनरुत्पादन उन परिस्थितियों पर काफी हद तक निर्भर करता है जिनके तहत प्रयोग किया जाता है। सटीक रूप से क्योंकि इसे हमेशा पुन: प्रस्तुत नहीं किया जाता है।

ओ. वी. मोसिन

साहित्यिकसूत्रों का कहना है:

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