Karstais ūdens sasalst ātrāk nekā auksts. Karstais un aukstais ūdens: sasalšanas noslēpumi

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandrs Fircevs

« Kurš ūdens sasalst ātrāk, auksts vai karsts?"- pamēģini uzdot draugiem jautājumu, visticamāk, lielākā daļa atbildēs, ka ātrāk sasalst auksts ūdens- un viņi kļūdīsies.

Faktiski, ja saldētavā vienlaikus ievietojat divus vienādas formas un tilpuma traukus, no kuriem vienā ir auksts ūdens, bet otrā karsts, tad tas sasalst ātrāk karstu ūdeni.

Šāds apgalvojums var šķist absurds un nepamatots. Ja seko loģikai, tad karstajam ūdenim vispirms ir jāatdziest līdz aukstā ūdens temperatūrai, un aukstam ūdenim šajā laikā jau vajadzētu pārvērsties ledū.

Tātad, kāpēc karstais ūdens pārspēj auksto ūdeni ceļā uz sasalšanu? Mēģināsim to izdomāt.

Novērojumu un pētījumu vēsture

Cilvēki paradoksālo efektu ir novērojuši kopš seniem laikiem, taču neviens to nav devis īpaša nozīme. Tādējādi Arestots, kā arī Renē Dekarts un Frensiss Bēkons savās piezīmēs atzīmēja pretrunas aukstā un karstā ūdens sasalšanas ātrumā. Neparasta parādība bieži izpaudās ikdienas dzīvē.

Ilgu laiku šī parādība nekādā veidā netika pētīta un neizraisīja lielu zinātnieku interesi.

Šī neparastā efekta izpēte sākās 1963. gadā, kad zinātkārs skolnieks no Tanzānijas Erasto Mpemba pamanīja, ka karstais piens saldējumam sasalst ātrāk nekā auksts piens. Cerot iegūt skaidrojumu neparastā efekta cēloņiem, jaunietis jautāja skolā savam fizikas skolotājam. Tomēr skolotājs par viņu tikai pasmējās.

Vēlāk Mpemba eksperimentu atkārtoja, taču savā eksperimentā viņš vairs neizmantoja pienu, bet ūdeni, un paradoksālais efekts atkārtojās vēlreiz.

6 gadus vēlāk, 1969. gadā, Mpemba uzdeva šo jautājumu fizikas profesoram Denisam Osbornam, kurš ieradās viņa skolā. Profesoru ieinteresēja jaunā vīrieša novērojums, un rezultātā tika veikts eksperiments, kas apstiprināja efekta esamību, taču šīs parādības cēloņi netika noskaidroti.

Kopš tā laika fenomenu sauc Mpemba efekts.

Visā zinātnisko novērojumu vēsturē ir izvirzītas daudzas hipotēzes par parādības cēloņiem.

Tātad 2012. gadā Lielbritānijas Karaliskā ķīmijas biedrība izsludinās hipotēžu konkursu, kas izskaidro Mpemba efektu. Konkursā piedalījās zinātnieki no visas pasaules, kopā tika reģistrēti 22 000 zinātniskie darbi. Neskatoties uz tik iespaidīgo rakstu skaitu, neviens no tiem neieviesa skaidrību par Mpemba paradoksu.

Visizplatītākā versija bija tāda, ka karstais ūdens sasalst ātrāk, jo tas vienkārši ātrāk iztvaiko, tā tilpums kļūst mazāks, un, tilpumam samazinoties, tā dzesēšanas ātrums palielinās. Visizplatītākā versija galu galā tika atspēkota, jo tika veikts eksperiments, kurā iztvaikošana tika izslēgta, taču efekts tomēr tika apstiprināts.

Citi zinātnieki uzskatīja, ka Mpemba efekta cēlonis ir ūdenī izšķīdušo gāzu iztvaikošana. Viņuprāt, karsēšanas procesā ūdenī izšķīdušās gāzes iztvaiko, kā dēļ tas iegūst lielāku blīvumu nekā auksts ūdens. Kā zināms, blīvuma palielināšanās noved pie izmaiņām fizikālās īpašībasūdens (paaugstināta siltumvadītspēja), un līdz ar to palielinās dzesēšanas ātrums.

Turklāt ir izvirzītas vairākas hipotēzes, kas apraksta ūdens cirkulācijas ātrumu atkarībā no temperatūras. Daudzos pētījumos ir mēģināts noteikt attiecības starp konteineru materiāliem, kuros atradās šķidrums. Daudzas teorijas šķita ļoti ticamas, taču tās nevarēja zinātniski apstiprināt sākotnējo datu trūkuma, citu eksperimentu pretrunu dēļ vai tāpēc, ka identificētie faktori vienkārši nebija salīdzināmi ar ūdens dzesēšanas ātrumu. Daži zinātnieki savos darbos apšaubīja efekta esamību.

2013. gadā pētnieki no Nanjangas Tehnoloģiskās universitātes Singapūrā apgalvoja, ka ir atrisinājuši Mpemba efekta noslēpumu. Saskaņā ar viņu pētījumiem parādības cēlonis ir fakts, ka uzkrātās enerģijas daudzums ūdeņraža saites Pastāv būtiska atšķirība starp aukstā un karstā ūdens molekulām.

Datormodelēšanas metodes uzrādīja šādus rezultātus: jo augstāka ūdens temperatūra, jo lielāks attālums starp molekulām sakarā ar to, ka palielinās atgrūšanas spēki. Un tāpēc molekulu ūdeņraža saites stiepjas, uzglabājot vairāk enerģiju. Atdzesējot, molekulas sāk kustēties tuvāk viena otrai, atbrīvojot enerģiju no ūdeņraža saitēm. Šajā gadījumā enerģijas izdalīšanos pavada temperatūras pazemināšanās.

2017. gada oktobrī spāņu fiziķi cita pētījuma gaitā atklāja, ka liela nozīme efekta veidošanā ir vielas izņemšanai no līdzsvara stāvokļa (spēcīga karsēšana pirms spēcīgas dzesēšanas). Viņi noteica apstākļus, kādos efekta rašanās iespējamība ir maksimāla. Turklāt zinātnieki no Spānijas apstiprināja apgrieztā Mpemba efekta esamību. Viņi atklāja, ka, sildot, aukstāks paraugs var sasniegt augstu temperatūru ātrāk nekā siltāks.

Neskatoties uz visaptverošo informāciju un daudziem eksperimentiem, zinātnieki plāno turpināt pētīt efektu.

Mpemba efekts reālajā dzīvē

Vai esat kādreiz domājuši, kāpēc ziemas laiks slidotava tiek appludināta karstu ūdeni, un nav auksti? Kā jau jūs saprotat, viņi to dara tāpēc, ka slidotava, kas piepildīta ar karstu ūdeni, sasals ātrāk nekā tad, ja tā būtu piepildīta ar aukstu ūdeni. Tā paša iemesla dēļ ziemas ledus pilsētās slidkalniņās tiek ielejams karsts ūdens.

Tādējādi zināšanas par fenomena esamību ļauj cilvēkiem ietaupīt laiku, sagatavojot vietnes ziemas sugas sports

Turklāt Mpemba efektu dažkārt izmanto rūpniecībā, lai samazinātu ūdeni saturošu produktu, vielu un materiālu sasalšanas laiku.

Daudzi pētnieki ir izvirzījuši un izvirza savas versijas, kāpēc karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais ūdens. Šķiet, ka tas ir paradokss - galu galā, lai sasaltu, karstajam ūdenim vispirms ir jāatdziest. Tomēr fakts paliek fakts, un zinātnieki to skaidro dažādi.

Galvenās versijas

Ieslēgts šobrīd Ir vairākas versijas, kas izskaidro šo faktu:

1. Tā kā karstais ūdens iztvaiko ātrāk, tā apjoms samazinās. Un mazāka ūdens daudzuma sasalšana tajā pašā temperatūrā notiek ātrāk.
2. Ledusskapja saldētavas nodalījumā ir sniega oderējums. Tvertne ar karstu ūdeni izkausē sniegu zem tā. Tas uzlabo termisko kontaktu ar saldētavu.
3. Aukstā ūdens sasalšana, atšķirībā no karstā ūdens, sākas augšpusē. Tajā pašā laikā pasliktinās konvekcija un siltuma starojums, un līdz ar to arī siltuma zudumi.
4. Aukstā ūdenī ir kristalizācijas centri – tajā izšķīdušās vielas. Ja to saturs ūdenī ir mazs, apledošana ir apgrūtināta, lai gan tajā pašā laikā iespējama pārdzesēšana - mīnusā temperatūrā tai ir šķidrs stāvoklis.

Lai gan godīgi mēs varam teikt, ka šī ietekme ne vienmēr tiek novērota. Ļoti bieži auksts ūdens sasalst ātrāk nekā karsts ūdens.

Kādā temperatūrā ūdens sasalst

Kāpēc ūdens vispār sasalst? Tas satur noteiktu daudzumu minerālu vai organisko daļiņu. Tas, piemēram, var būt ļoti smalkas daļiņas smiltis, putekļi vai māls. Gaisa temperatūrai pazeminoties, šīs daļiņas ir centri, ap kuriem veidojas ledus kristāli.

Kristalizācijas kodolu lomu var pildīt arī gaisa burbuļi un plaisas traukā, kurā ir ūdens. Ūdens pārtapšanas ledū procesa ātrumu lielā mērā ietekmē šādu centru skaits – ja to ir daudz, šķidrums sasalst ātrāk. Normālos apstākļos, ar normālu atmosfēras spiediens, ūdens no šķidra stāvokļa 0 grādu temperatūrā pārvēršas cietā stāvoklī.

Mpemba efekta būtība

Mpemba efekts ir paradokss, kura būtība ir tāda, ka noteiktos apstākļos karstais ūdens sasalst ātrāk nekā auksts. Šo parādību pamanīja Aristotelis un Dekarts. Tomēr tikai 1963. gadā Tanzānijas skolnieks Erasto Mpemba noteica, ka karstā saldējuma sasalšana prasa ilgāku laiku. īss laiks nekā auksts. Šo secinājumu viņš izdarīja, pildot gatavošanas uzdevumu.

Viņam nācās izšķīdināt cukuru vārītajā pienā un, to atdzesējis, ievietot ledusskapī, lai sasalst. Acīmredzot Mpemba nebija īpaši uzcītīgs un pirmo uzdevuma daļu sāka izpildīt vēlu. Tāpēc viņš negaidīja, kad piens atdziest, un ielika to ledusskapī karstu. Viņam bija liels pārsteigums, kad tas sasala vēl ātrāk nekā klasesbiedriem, kuri darbus veica atbilstoši dotajai tehnoloģijai.

Šis fakts jaunekli ļoti ieinteresēja, un viņš sāka eksperimentus ar tīru ūdeni. 1969. gadā žurnāls Physics Education publicēja Mpembas un Dāresalāmas universitātes profesora Denisa Osborna pētījumu rezultātus. Viņu aprakstītajam efektam tika dots nosaukums Mpemba. Tomēr pat šodien šai parādībai nav skaidra izskaidrojuma. Visi zinātnieki ir vienisprātis, ka galvenā loma tajā ir atdzesēta un karstā ūdens īpašību atšķirībām, bet kas tieši, nav zināms.

Singapūras versija

Arī fiziķus no vienas no Singapūras universitātēm interesēja jautājums, kurš ūdens sasalst ātrāk – karsts vai auksts? Sji Džana vadītā pētnieku komanda šo paradoksu izskaidroja tieši ar ūdens īpašībām. Ikviens zina ūdens sastāvu no skolas laikiem – skābekļa atoms un divi ūdeņraža atomi. Skābeklis zināmā mērā atvelk elektronus no ūdeņraža, tāpēc molekula ir noteikta veida "magnēts".

Rezultātā noteiktas molekulas ūdenī nedaudz pievelkas viena otrai un tās vieno ūdeņraža saite. Tās stiprums ir daudzkārt mazāks par kovalento saiti. Singapūras pētnieki uzskata, ka Mpemba paradoksa izskaidrojums slēpjas tieši ūdeņraža saitēs. Ja ūdens molekulas ir novietotas ļoti cieši kopā, tad tik spēcīga mijiedarbība starp molekulām var deformēt kovalento saiti pašas molekulas vidū.

Bet, kad ūdens tiek uzkarsēts, saistītās molekulas nedaudz attālinās viena no otras. Tā rezultātā molekulu vidū notiek relaksācija kovalentās saites ar liekās enerģijas atbrīvošanu un pāreju uz zemāku enerģijas līmeni. Tas noved pie tā, ka karstais ūdens sāk ātri atdzist. Vismaz tā liecina Singapūras zinātnieku veiktie teorētiskie aprēķini.

Tūlītēji sasalstošs ūdens — 5 neticami triki: Video

Mpemba efekts(Mpembas paradokss) ir paradokss, kas nosaka, ka karstais ūdens noteiktos apstākļos sasalst ātrāk nekā auksts, lai gan sasalšanas procesā tam ir jāiztur aukstā ūdens temperatūra. Šis paradokss ir eksperimentāls fakts, kas ir pretrunā ar parastajiem priekšstatiem, saskaņā ar kuriem tādos pašos apstākļos vairāk sakarsētam ķermenim ir nepieciešams vairāk laika, lai atdziestu līdz noteiktai temperatūrai, nekā mazāk sakarsētam ķermenim, lai tas atdziestu līdz tādai pašai temperatūrai.

Šo parādību savulaik pamanīja Aristotelis, Frensiss Bēkons un Renē Dekarts, taču tikai 1963. gadā Tanzānijas skolnieks Erasto Mpemba atklāja, ka karsts saldējuma maisījums sasalst ātrāk nekā auksts.

Būdams Magambinskajas students vidusskola Tanzānijā to izdarīja Erasto Mpemba praktiskais darbs kulinārijā. Viņam vajadzēja pagatavot paštaisītu saldējumu - uzvāra pienu, izšķīdina tajā cukuru, atdzesē līdz istabas temperatūra un tad liek ledusskapī sasalt. Acīmredzot Mpemba nebija īpaši čakls skolnieks un kavējās ar uzdevuma pirmās daļas izpildi. Baidīdamies, ka līdz nodarbības beigām nepaspēs, viņš ledusskapī ielika vēl karstu pienu. Viņam par pārsteigumu tas sasala pat agrāk nekā viņa biedru piens, kas pagatavots pēc dotās tehnoloģijas.

Pēc tam Mpemba eksperimentēja ne tikai ar pienu, bet arī ar tīrs ūdens. Jebkurā gadījumā, jau būdams Mkvavas vidusskolas skolēns, viņš profesoram Denisam Osbornam no Dāresalāmas Universitātes koledžas (ko skolas direktors uzaicināja nolasīt lekciju par fiziku) konkrēti par ūdeni: “Ja jūs ņemtu divi identiski konteineri ar vienādos apjomosūdeni tā, lai vienā ūdens temperatūra būtu 35°C, bet otrā - 100°C, un likt saldētavā, tad otrajā ūdens sasalst ātrāk. Kāpēc?" Osborns sāka interesēties par šo jautājumu, un drīz, 1969. gadā, viņš un Mpemba publicēja savu eksperimentu rezultātus žurnālā Physics Education. Kopš tā laika viņu atklātais efekts tiek saukts par Mpemba efekts.

Līdz šim neviens precīzi nezina, kā izskaidrot šo dīvaino efektu. Zinātniekiem nav vienas versijas, lai gan to ir daudz. Tas viss ir saistīts ar karstā un aukstā ūdens īpašību atšķirību, taču vēl nav skaidrs, kurām īpašībām šajā gadījumā ir nozīme: pārdzesēšanas, iztvaikošanas, ledus veidošanās, konvekcijas atšķirības vai sašķidrināto gāzu ietekme uz ūdeni plkst. dažādas temperatūras.

Mpemba efekta paradokss ir tāds, ka laiks, kurā ķermenis atdziest līdz temperatūrai vidi, jābūt proporcionālam temperatūras starpībai starp šo ķermeni un vidi. Šo likumu noteica Ņūtons, un kopš tā laika tas ir daudzkārt apstiprināts praksē. Šajā efektā ūdens ar temperatūru 100°C atdziest līdz 0°C ātrāk nekā tāds pats ūdens daudzums, kura temperatūra ir 35°C.

Tomēr tas vēl nenozīmē paradoksu, jo Mpemba efektu var izskaidrot zināmās fizikas ietvaros. Šeit ir daži Mpemba efekta skaidrojumi:

Iztvaikošana

Karstais ūdens no tvertnes iztvaiko ātrāk, tādējādi samazinot tā tilpumu, un mazāks ūdens daudzums tajā pašā temperatūrā ātrāk sasalst. Līdz 100 C uzkarsēts ūdens zaudē 16% no savas masas, atdzesējot līdz 0 C.

Iztvaikošanas efekts ir divkāršs efekts. Pirmkārt, samazinās dzesēšanai nepieciešamā ūdens masa. Un, otrkārt, temperatūra samazinās, jo samazinās iztvaikošanas siltums pārejā no ūdens fāzes uz tvaika fāzi.

Temperatūras starpība

Sakarā ar to, ka temperatūras starpība starp karsto ūdeni un auksto gaisu ir lielāka, līdz ar to siltuma apmaiņa šajā gadījumā ir intensīvāka un karstais ūdens atdziest ātrāk.

Hipotermija

Kad ūdens atdziest zem 0 C, tas ne vienmēr sasalst. Dažos apstākļos tas var tikt pārdzesēts, turpinot palikt šķidrs temperatūrā, kas zemāka par sasalšanu. Dažos gadījumos ūdens var palikt šķidrs pat –20 C temperatūrā.

Šī efekta iemesls ir tāds, ka, lai sāktu veidoties pirmie ledus kristāli, ir nepieciešami kristālu veidošanās centri. Ja tie nav klāt šķidrā ūdenī, tad pārdzesēšana turpināsies, līdz temperatūra pazemināsies pietiekami, lai kristāli varētu veidoties spontāni. Kad tie sāks veidoties pārdzesētajā šķidrumā, tie sāks augt ātrāk, veidojot slāņu ledu, kas sasalst, veidojot ledu.

Karsts ūdens ir visvairāk pakļauts hipotermijai, jo to karsējot, tiek noņemtas izšķīdušās gāzes un burbuļi, kas savukārt var kalpot par ledus kristālu veidošanās centriem.

Kāpēc hipotermija izraisa karstā ūdens ātrāku sasalšanu? Aukstā ūdens gadījumā, kas nav pārdzesēts, notiek šādi. Šajā gadījumā uz trauka virsmas izveidosies plāns ledus slānis. Šis ledus slānis darbosies kā izolators starp ūdeni un auksto gaisu un novērsīs turpmāku iztvaikošanu. Ledus kristālu veidošanās ātrums šajā gadījumā būs mazāks. Karstā ūdens gadījumā, kas pakļauts pārdzesēšanai, pārdzesētajam ūdenim nav aizsargājoša virsmas ledus slāņa. Tāpēc caur atvērto augšpusi tas zaudē siltumu daudz ātrāk.

Kad pārdzesēšanas process beidzas un ūdens sasalst, tiek zaudēts daudz vairāk siltuma un līdz ar to veidojas vairāk ledus.

Daudzi šī efekta pētnieki uzskata hipotermiju par galveno faktoru Mpemba efekta gadījumā.

Konvekcija

Aukstais ūdens sāk sasalt no augšas, tādējādi pasliktinot siltuma starojuma un konvekcijas procesus un līdz ar to siltuma zudumus, savukārt karstais ūdens sāk sasalt no apakšas.

Šis efekts ir izskaidrojams ar ūdens blīvuma anomāliju. Ūdenim maksimālais blīvums ir 4 C. Ja jūs atdzesējat ūdeni līdz 4 C un novietojat to zemākā temperatūrā, ūdens virsmas slānis sasalst ātrāk. Tā kā šis ūdens ir mazāk blīvs nekā ūdens 4 C temperatūrā, tas paliks uz virsmas, veidojot plānu aukstu slāni. Šādos apstākļos uz ūdens virsmas īsā laikā izveidosies plāna ledus kārtiņa, bet šī ledus kārta kalpos kā izolators, aizsargājot apakšējos ūdens slāņus, kas saglabāsies 4 C temperatūrā. Tāpēc turpmākais process atdzišana notiks lēnāk.

Karstā ūdens gadījumā situācija ir pavisam cita. Ūdens virsmas slānis ātrāk atdzisīs iztvaikošanas un lielāka atšķirība temperatūras Turklāt aukstā ūdens slāņi ir blīvāki nekā karstā ūdens slāņi, tāpēc aukstā ūdens slānis nogrims, paceļot slāni silts ūdens uz virsmu. Šāda ūdens cirkulācija nodrošina strauju temperatūras pazemināšanos.

Bet kāpēc šis process nesasniedz līdzsvara punktu? Lai izskaidrotu Mpemba efektu no šī konvekcijas viedokļa, būtu jāpieņem, ka aukstais un karstais ūdens slānis tiek atdalīts un pats konvekcijas process turpinās pēc vidējā temperatūraūdens temperatūra pazemināsies zem 4 C.

Tomēr nav eksperimentālu pierādījumu, kas apstiprinātu šo hipotēzi, ka aukstais un karstais ūdens slānis tiek atdalīts konvekcijas procesā.

Ūdenī izšķīdinātas gāzes

Ūdens vienmēr satur tajā izšķīdušās gāzes – skābekli un oglekļa dioksīds. Šīm gāzēm ir spēja samazināt ūdens sasalšanas punktu. Sildot ūdeni, šīs gāzes izdalās no ūdens, jo augstās temperatūrās to šķīdība ūdenī ir zemāka. Tāpēc karstajam ūdenim atdziestot, tajā vienmēr ir mazāk izšķīdušo gāzu nekā neapsildītā aukstā ūdenī. Tāpēc uzkarsētam ūdenim sasalšanas temperatūra ir augstāka un tas ātrāk sasalst. Šis faktors dažkārt tiek uzskatīts par galveno Mpemba efekta izskaidrošanā, lai gan nav eksperimentālu datu, kas apstiprinātu šo faktu.

Siltumvadītspēja

Šim mehānismam var būt nozīmīga loma, ja ūdens tiek ievietots ledusskapja nodalījuma saldētavā mazos traukos. Šādos apstākļos tika pamanīts, ka trauks ar karstu ūdeni izkausē zem tā ledu saldētava, tādējādi uzlabojot termisko kontaktu ar saldētavas sienu un siltuma vadītspēju. Rezultātā siltums no karstā ūdens tvertnes tiek noņemts ātrāk nekā no aukstā. Savukārt trauks ar aukstu ūdeni nekausē sniegu zem tā.

Visi šie (kā arī citi) apstākļi tika pētīti daudzos eksperimentos, taču skaidra atbilde uz jautājumu – kurš no tiem nodrošina simtprocentīgu Mpemba efekta atveidojumu – tā arī netika iegūts.

Piemēram, 1995. gadā vācu fiziķis Dāvids Auerbahs pētīja ūdens pārdzesēšanas ietekmi uz šo efektu. Viņš atklāja, ka karstais ūdens, sasniedzot pārdzesētu stāvokli, sasalst augstākā temperatūrā nekā aukstais ūdens un līdz ar to ātrāk nekā pēdējais. Bet auksts ūdens sasniedz pārdzesētu stāvokli ātrāk nekā karstais ūdens, tādējādi kompensējot iepriekšējo kavēšanos.

Turklāt Auerbaha rezultāti bija pretrunā iepriekšējiem datiem, ka karstais ūdens spēja panākt lielāku pārdzesēšanu, jo bija mazāk kristalizācijas centru. Karsējot ūdeni, no tā tiek izvadītas tajā izšķīdušās gāzes, un, to vārot, izgulsnējas daži tajā izšķīdinātie sāļi.

Pagaidām var apgalvot tikai vienu - šī efekta atkārtošanās būtiski atkarīga no apstākļiem, kādos tiek veikts eksperiments. Tieši tāpēc, ka tas ne vienmēr tiek reproducēts.

Ir daudzi faktori, kas ietekmē to, kurš ūdens sasalst ātrāk, karsts vai auksts, taču pats jautājums šķiet nedaudz dīvains. No fizikas izriet, ka karstajam ūdenim joprojām ir nepieciešams laiks, lai tas atdziest līdz salīdzināmā aukstā ūdens temperatūrai, lai tas pārvērstos ledū. Auksts ūdens var izlaist šo posmu, un attiecīgi tas iegūst laiku.

Bet atbildi uz jautājumu, kurš ūdens sasalst ātrāk – auksts vai karsts – ārā aukstumā, zina jebkurš iedzīvotājs ziemeļu platuma grādos. Faktiski zinātniski izrādās, ka jebkurā gadījumā auksts ūdens vienkārši sasalst ātrāk.

Fizikas skolotājs, pie kura 1963. gadā vērsās skolnieks Erasto Mpemba, ar lūgumu paskaidrot, kāpēc topošā saldējuma aukstā maisījuma sasalšana prasa ilgāku laiku nekā līdzīgam, bet karstam, domāja tāpat.

"Tā nav universāla fizika, bet gan sava veida Mpemba fizika"

Toreiz skolotājs par to tikai pasmējās, bet fizikas profesors Deniss Osborns, kurš savulaik viesojies tajā pašā skolā, kurā mācījies Erasto, eksperimentāli apstiprināja šāda efekta esamību, lai gan toreiz tam nebija izskaidrojuma. 1969. gadā populārzinātniskā žurnālā tika publicēts šo divu cilvēku kopīgs raksts, kurā aprakstīts šis savdabīgais efekts.

Kopš tā laika, starp citu, jautājumam par to, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts, ir savs nosaukums - Mpemba efekts jeb paradokss.

Jautājums pastāv jau ilgu laiku

Dabiski, ka šāda parādība notika jau iepriekš, un tā tika pieminēta citu zinātnieku darbos. Šis jautājums interesēja ne tikai skolnieku, bet savulaik par to domāja arī Renē Dekarts un pat Aristotelis.

Bet viņi sāka meklēt pieejas šī paradoksa risināšanai tikai divdesmitā gadsimta beigās.

Nosacījumi paradoksa rašanās gadījumam

Tāpat kā saldējuma gadījumā, eksperimenta laikā sasalst ne tikai vienkāršs ūdens. Lai sāktu strīdēties par to, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts, ir jābūt noteiktiem apstākļiem. Kas ietekmē šī procesa gaitu?

Tagad, 21. gadsimtā, ir izvirzīti vairāki varianti, kas var izskaidrot šo paradoksu. Kurš ūdens sasalst ātrāk, karsts vai auksts, var būt atkarīgs no tā, ka tam ir augstāks iztvaikošanas ātrums nekā aukstam ūdenim. Tādējādi tā apjoms samazinās, un, tilpumam samazinoties, sasalšanas laiks kļūst īsāks nekā tad, ja ņemam tādu pašu aukstā ūdens sākotnējo tilpumu.

Ir pagājis kāds laiciņš kopš saldētavas atkausēšanas.

Kurš ūdens sasalst ātrāk un kāpēc tas notiek, var ietekmēt sniega oderējums, kas var būt eksperimentam izmantotā ledusskapja saldētavā. Ja ņemat divus vienāda tilpuma konteinerus, bet vienā no tiem ir karsts, bet otrā auksts, trauks ar karstu ūdeni izkausēs zem tā esošo sniegu, tādējādi uzlabojot termiskā līmeņa kontaktu ar ledusskapja sienu. Tvertne ar aukstu ūdeni to nevar izdarīt. Ja ledusskapja nodalījumā šādas oderes ar sniegu nav, aukstam ūdenim vajadzētu ātrāk sasalst.

Augšā - apakšā

Tāpat parādība, ka ūdens sasalst ātrāk – karsts vai auksts – tiek skaidrota šādi. Ievērojot noteiktus likumus, aukstais ūdens sāk sasalt plkst augšējie slāņi, karstā tas dara pretējo - sāk salst no apakšas uz augšu. Izrādās, ka aukstais ūdens, kam virsū ir auksta kārta ar jau vietām izveidojušos ledu, tādējādi pasliktina konvekcijas un termiskā starojuma procesus, tādējādi izskaidrojot, kurš ūdens sasalst ātrāk – auksts vai karsts. Ir pievienoti fotoattēli no amatieru eksperimentiem, un tas ir skaidri redzams šeit.

Siltums izdziest, steidzoties uz augšu, un tur tas sastopas ar ļoti atdzesētu slāni. Siltuma starojumam nav brīva ceļa, tāpēc dzesēšanas process kļūst sarežģīts. Karstā ūdens ceļā nav absolūti nekādu šķēršļu. Kurš sasalst ātrāk – auksts vai karsts, no kura atkarīgs iespējamais iznākums, atbildi vari paplašināt, sakot, ka jebkurā ūdenī ir izšķīdušas noteiktas vielas.

Piemaisījumi ūdenī kā rezultātu ietekmējošs faktors

Ja nekrāpjas un lieto ūdens ar vienādu sastāvu, kur atsevišķu vielu koncentrācijas ir identiskas, tad aukstam ūdenim vajadzētu ātrāk sasalst. Bet, ja rodas situācija, ka izšķīdušie ķīmiskie elementi ir tikai karstā ūdenī, un aukstā ūdenī to nav, tad karstajam ūdenim ir iespēja sasalt agrāk. Tas izskaidrojams ar to, ka ūdenī izšķīdušās vielas rada kristalizācijas centrus, un ar nelielu skaitu šo centru ūdens pārvēršas par cietā stāvoklī grūti. Ir pat iespējams, ka ūdens būs pārdzesēts tādā nozīmē, ka mīnusā temperatūrā tas būs šķidrā stāvoklī.

Bet visas šīs versijas, acīmredzot, pilnībā neatbilst zinātniekiem, un viņi turpināja strādāt pie šī jautājuma. 2013. gadā pētnieku komanda Singapūrā paziņoja, ka ir atrisinājusi mūžsenu noslēpumu.

Ķīnas zinātnieku grupa apgalvo, ka šī efekta noslēpums slēpjas enerģijas daudzumā, kas tiek uzkrāts starp ūdens molekulām tās saitēs, ko sauc par ūdeņraža saitēm.

Ķīnas zinātnieku atbilde

Tālāk seko informācija, kuras izpratnei ir jābūt zināmām ķīmijas zināšanām, lai saprastu, kurš ūdens sasalst ātrāk – karsts vai auksts. Kā zināms, tas sastāv no diviem H (ūdeņraža) atomiem un viena O (skābekļa) atoma, ko satur kovalentās saites.

Bet arī vienas molekulas ūdeņraža atomi tiek piesaistīti blakus esošajām molekulām, to skābekļa sastāvdaļai. Šīs saites sauc par ūdeņraža saitēm.

Der atcerēties, ka tajā pašā laikā ūdens molekulām ir viena uz otru atbaidoša iedarbība. Zinātnieki atzīmēja, ka, sildot ūdeni, attālums starp tā molekulām palielinās, un to veicina atgrūdošie spēki. Izrādās, ka, aizņemot vienādu attālumu starp molekulām aukstā stāvoklī, var teikt, ka tās stiepjas, un tām ir lielāka enerģijas pieplūde. Tieši šī enerģijas rezerve tiek atbrīvota, kad ūdens molekulas sāk tuvināties viena otrai, tas ir, notiek dzesēšana. Izrādās, ka karstajā ūdenī lielāka enerģijas rezerve un lielāka tās izdalīšanās, atdziestot līdz mīnus temperatūrai, notiek ātrāk nekā aukstā ūdenī, kuram ir mazāka šādas enerģijas rezerve. Tātad, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts? Uz ielas un laboratorijā vajadzētu notikt Mpembas paradoksam, un karstajam ūdenim vajadzētu ātrāk pārvērsties ledū.

Bet jautājums joprojām ir atklāts

Šim risinājumam ir tikai teorētisks apstiprinājums - tas viss ir rakstīts skaistas formulas un tas šķiet ticami. Bet, kad praktiski tiek izmantoti eksperimentālie dati, par kuriem ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts, un tiek prezentēti to rezultāti, tad jautājumu par Mpemba paradoksu var uzskatīt par slēgtu.

Britu Karaliskā ķīmijas biedrība piedāvā 1000 mārciņu atlīdzību ikvienam, kurš var zinātniski izskaidrot, kāpēc dažos gadījumos karstais ūdens sasalst ātrāk nekā aukstais ūdens.

"Mūsdienu zinātne joprojām nevar atbildēt uz šo šķietami vienkāršo jautājumu. Saldējuma ražotāji un bārmeņi izmanto šo efektu savā ikdienas darbā, taču neviens īsti nezina, kāpēc tas darbojas. Šī problēma ir zināma tūkstošiem gadu, par to domājot tādiem filozofiem kā Aristotelis un Dekarts,” sacīja Lielbritānijas Karaliskās ķīmijas biedrības prezidents profesors Deivids Filipss, kā citēts biedrības paziņojumā presei.

Kā pavārs no Āfrikas uzvarēja britu fizikas profesoru

Tas nav 1.aprīļa joks, bet gan skarba fiziskā realitāte. Mūsdienu zinātne, kas viegli darbojas ar galaktikām un melnajiem caurumiem un būvē milzīgus paātrinātājus, lai meklētu kvarkus un bozonus, nevar izskaidrot, kā “darbojas” elementārais ūdens. Skolas mācību grāmatā ir skaidri norādīts, ka karstāka ķermeņa atdzesēšana prasa vairāk laika nekā auksta ķermeņa atdzesēšana. Bet attiecībā uz ūdeni šis likums ne vienmēr tiek ievērots. Aristotelis pievērsa uzmanību šim paradoksam 4. gadsimtā pirms mūsu ēras. e. Lūk, ko senais grieķis rakstīja savā grāmatā Meteorologica I: “Fakts, ka ūdens ir iepriekš uzkarsēts, izraisa tā sasalšanu. Tāpēc daudzi cilvēki, kad vēlas ātrāk atdzesēt karsto ūdeni, vispirms liek to saulītē...” Viduslaikos šo fenomenu mēģināja izskaidrot Frānsiss Bēkons un Renē Dekarts. Diemžēl ne lielajiem filozofiem, ne daudziem zinātniekiem, kas izstrādāja klasisko termofiziku, tas neizdevās, un tāpēc šāds neērts fakts ilgu laiku tika “aizmirsts”.

Un tikai 1968. gadā viņi “atcerējās”, pateicoties skolēnam Erasto Mpembe no Tanzānijas, tālu no jebkuras zinātnes. Mācoties kulinārijas mākslas skolā 1963. gadā, 13 gadus vecais Mpembe saņēma uzdevumu pagatavot saldējumu. Pēc tehnoloģijas bija nepieciešams uzvārīt pienu, izšķīdināt tajā cukuru, atdzesēt līdz istabas temperatūrai un pēc tam likt ledusskapī sasalst. Acīmredzot Mpemba nebija čakls students un vilcinājās. Baidīdamies, ka līdz nodarbības beigām nepaspēs, viņš ledusskapī ielika vēl karstu pienu. Viņam par pārsteigumu tas sasala pat agrāk nekā viņa biedru piens, kas sagatavots pēc visiem noteikumiem.

Kad Mpemba dalījās savā atklājumā ar savu fizikas skolotāju, viņš par viņu pasmējās visas klases priekšā. Mpemba atcerējās apvainojumu. Piecus gadus vēlāk, būdams Dāresalāmas universitātes students, viņš apmeklēja slavenā fiziķa Denisa G. Osborna lekciju. Pēc lekcijas viņš zinātniekam uzdeva jautājumu: “Ja paņem divus identiskus traukus ar vienādu ūdens daudzumu, vienu 35 °C (95 °F) un otru 100 °C (212 °F) un novieto tos. saldētavā, tad Ūdens karstā traukā ātrāk sasals. Kāpēc?" Varat iedomāties kāda britu profesora reakciju uz jauna vīrieša no Dieva pamestās Tanzānijas jautājumu. Viņš pasmējās par studentu. Tomēr Mpemba bija gatavs šādai atbildei un izaicināja zinātnieku uz derībām. Viņu strīds beidzās ar eksperimentālu testu, kas apstiprināja, ka Mpembai bija taisnība, un Osborns uzvarēja. Tādējādi pavārs māceklis ierakstīja savu vārdu zinātnes vēsturē, un no šī brīža šo parādību sauc par "Mpemba efektu". To nav iespējams izmest, pasludināt par “neesošu”. Šī parādība pastāv, un, kā rakstīja dzejnieks, "tas nesāp".

Vai pie vainas ir putekļu daļiņas un izšķīdušās vielas?

Gadu gaitā daudzi ir mēģinājuši atšķetināt ūdens sasalšanas noslēpumu. Šim fenomenam ir ierosināts vesels virkne skaidrojumu: iztvaikošana, konvekcija, izšķīdušo vielu ietekme, taču nevienu no šiem faktoriem nevar uzskatīt par galīgu. Vairāki zinātnieki visu savu dzīvi ir veltījuši Mpemba efektam. Radiācijas drošības departamenta darbinieks Valsts universitāteŅujorka — Džeimss Braunridžs — iekšā brīvais laiks ir pētījis paradoksu jau vairāk nekā desmit gadus. Pēc simtiem eksperimentu zinātnieks apgalvo, ka viņam ir pierādījumi par hipotermijas “vainu”. Braunridžs skaidro, ka pie 0°C ūdens tikai pārdzesē un sāk sasalt, kad temperatūra nokrītas zemāk. Sasalšanas temperatūru regulē ūdenī esošie piemaisījumi – tie maina ledus kristālu veidošanās ātrumu. Piemaisījumiem, piemēram, putekļu daļiņām, baktērijām un izšķīdušiem sāļiem, ir raksturīga kodēšanas temperatūra, kad ap kristalizācijas centriem veidojas ledus kristāli. Ja ūdenī vienlaikus ir vairāki elementi, sasalšanas punktu nosaka tas, kuram ir visvairāk augsta temperatūra nukleācija.

Eksperimentam Braunridžs paņēma divus vienādas temperatūras ūdens paraugus un ievietoja tos saldētavā. Viņš atklāja, ka viens no īpatņiem vienmēr sasala pirms otra, iespējams, atšķirīgu piemaisījumu kombinācijas dēļ.

Braunridžs saka, ka karstais ūdens atdziest ātrāk, jo pastāv lielāka atšķirība starp ūdens un saldētavas temperatūru – tas palīdz tai sasniegt sasalšanas punktu, pirms aukstais ūdens sasniedz savu dabisko sasalšanas punktu, kas ir vismaz par 5°C zemāks.

Tomēr Braunridža argumentācija rada daudz jautājumu. Tāpēc tiem, kuri var izskaidrot Mpemba efektu savā veidā, ir iespēja sacensties par tūkstoš sterliņu mārciņām no Lielbritānijas Karaliskās ķīmijas biedrības.