Det paradoksale er at varmt vann fryser raskere. Hemmeligheten til raskt å fryse varmt vann har blitt avslørt.

Mange forskere har fremmet og legger frem sine egne versjoner av hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt. Det virker som et paradoks - tross alt, for å fryse, må varmt vann først avkjøles. Imidlertid forblir faktum et faktum, og forskere forklarer det på forskjellige måter.

Hovedversjoner

På dette øyeblikket Det er flere versjoner som forklarer dette faktum:

1. Fordi varmt vann fordamper raskere, reduseres volumet. Og frysing av en mindre mengde vann ved samme temperatur skjer raskere.
2. Frysedelen i kjøleskapet har snøfôr. En beholder med varmt vann smelter snøen under. Dette forbedrer termisk kontakt med fryseren.
3. Frysing av kaldt vann, i motsetning til varmt vann, begynner på toppen. Samtidig forverres konveksjon og varmestråling, og følgelig varmetapet.
4. Kaldt vann inneholder krystalliseringssentre - stoffer oppløst i det. Hvis innholdet i vann er lite, er ising vanskelig, men samtidig er superkjøling mulig - når den har en flytende tilstand ved minusgrader.

Selv om vi i rettferdighet kan si at denne effekten ikke alltid observeres. Svært ofte fryser kaldt vann raskere enn varmt vann.

Ved hvilken temperatur fryser vann

Hvorfor fryser vann i det hele tatt? Den inneholder en viss mengde mineralske eller organiske partikler. Dette kan for eksempel være veldig fine partikler sand, støv eller leire. Når lufttemperaturen synker, er disse partiklene sentrene som iskrystaller dannes rundt.

Rollen til krystalliseringskjerner kan også spilles av luftbobler og sprekker i beholderen som inneholder vann. Hastigheten på prosessen med å gjøre vann om til is påvirkes i stor grad av antall slike sentre - hvis det er mange av dem, fryser væsken raskere. Under normale forhold, med normal atmosfærisk trykk, vannet går inn fast tilstand fra væske ved en temperatur på 0 grader.

Essensen av Mpemba-effekten

Mpemba-effekten er et paradoks, hvis essens er at under visse omstendigheter fryser varmt vann raskere enn kaldt vann. Dette fenomenet ble lagt merke til av Aristoteles og Descartes. Det var imidlertid ikke før i 1963 at den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba bestemte at varm iskrem tok lengre tid å fryse. en kort tid enn kaldt. Han kom med denne konklusjonen mens han fullførte et matlagingsoppdrag.

Han måtte løse opp sukker i kokt melk og etter å ha avkjølt det, sette det i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba spesielt flittig og begynte å fullføre den første delen av oppgaven sent. Derfor ventet han ikke på at melken skulle avkjøles, og la den i kjøleskapet varm. Han ble veldig overrasket da det frøs enda raskere enn klassekameratene hans, som gjorde arbeidet i samsvar med den gitte teknologien.

Dette faktum interesserte den unge mannen veldig, og han begynte å eksperimentere med rent vann. I 1969 publiserte tidsskriftet Physics Education resultatene av forskning av Mpemba og professor Dennis Osborne ved University of Dar Es Salaam. Effekten de beskrev fikk navnet Mpemba. Men selv i dag er det ingen klar forklaring på fenomenet. Alle forskere er enige om at hovedrollen i dette tilhører forskjellene i egenskapene til kjølt og varmt vann, men nøyaktig hva er ukjent.

Singapore versjon

Fysikere fra et av Singapore-universitetene var også interessert i spørsmålet om hvilket vann som fryser raskere - varmt eller kaldt? Et team av forskere ledet av Xi Zhang forklarte dette paradokset nettopp med egenskapene til vannet. Alle kjenner sammensetningen av vann fra skolen - et oksygenatom og to hydrogenatomer. Oksygen trekker til en viss grad elektroner bort fra hydrogen, så molekylet er en viss type "magnet".

Som et resultat blir visse molekyler i vann litt tiltrukket av hverandre og forenes av en hydrogenbinding. Styrken er mange ganger lavere enn en kovalent binding. Singaporeanske forskere mener at forklaringen på Mpembas paradoks er nettopp hydrogenbindinger. Hvis vannmolekyler er plassert veldig tett sammen, så kan en så sterk interaksjon mellom molekylene deformere den kovalente bindingen i midten av selve molekylet.

Men når vann varmes opp, beveger de bundne molekylene seg litt bort fra hverandre. Som et resultat oppstår avslapning av kovalente bindinger i midten av molekylene med frigjøring av overflødig energi og en overgang til et lavere energinivå. Dette fører til at varmt vann begynner å avkjøles raskt. Dette er i hvert fall hva teoretiske beregninger utført av singaporske forskere viser.

Umiddelbart frysende vann - 5 utrolige triks: Video

Fenomenet med at varmt vann fryser raskere enn kaldt vann er kjent i vitenskapen som Mpemba-effekten. Store hoder som Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes grublet over dette paradoksale fenomenet, men i tusenvis av år har ingen ennå vært i stand til å gi en fornuftig forklaring på dette fenomenet.

Først i 1963 la en skolegutt fra republikken Tanganyika, Erasto Mpemba, merke til denne effekten ved å bruke eksemplet med iskrem, men ingen voksen ga ham en forklaring. Likevel har fysikere og kjemikere seriøst tenkt på et så enkelt, men så uforståelig fenomen.

Siden har de uttalt seg forskjellige versjoner, hvorav den ene lød som følger: en del av det varme vannet fordamper først ganske enkelt, og deretter, når mindre av det gjenstår, fryser vannet raskere. Denne versjonen, på grunn av sin enkelhet, ble den mest populære, men tilfredsstilte ikke forskere helt.

Nå sier et team av forskere fra Nanyang Technological University i Singapore, ledet av kjemikeren Xi Zhang, at de har løst det eldgamle mysteriet om hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. Som kinesiske eksperter har funnet ut, ligger hemmeligheten i mengden energi som er lagret i hydrogenbindinger mellom vannmolekyler.

Vannmolekyler består som kjent av ett oksygenatom og to hydrogenatomer holdt sammen av kovalente bindinger, som på partikkelnivå ser ut som en utveksling av elektroner. En annen kjent faktum ligger i at hydrogenatomer tiltrekkes av oksygenatomer fra nabomolekyler - og det dannes hydrogenbindinger.

Samtidig frastøter vannmolekyler hverandre generelt. Forskere fra Singapore la merke til: jo varmere vannet er, jo større er avstanden mellom væskens molekyler på grunn av en økning i frastøtende krefter. Som et resultat blir hydrogenbindinger strukket og lagrer derfor mer energi. Denne energien frigjøres når vannet avkjøles – molekylene beveger seg nærmere hverandre. Og frigjøring av energi betyr som kjent avkjøling.

Som kjemikere skriver i sin artikkel, som kan finnes på preprint-nettstedet arXiv.org, i varmt vann er hydrogenbindinger sterkere enn i kaldt vann. Dermed viser det seg at det lagres mer energi i hydrogenbindingene til varmtvann, noe som gjør at mer av det frigjøres ved avkjøling til minusgrader. Av denne grunn skjer herding raskere.

Til dags dato har forskere løst dette mysteriet bare teoretisk. Når de presenterer overbevisende bevis for sin versjon, kan spørsmålet om hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann anses som lukket.

Mpemba-effekten eller hvorfor fryser varmt vann raskere enn kaldt vann? Mpemba-effekten (Mpemba Paradox) er et paradoks som sier at varmt vann under noen forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann under fryseprosessen. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en mer oppvarmet kropp bruker lengre tid på å avkjøles til en viss temperatur under de samme forholdene enn en mindre oppvarmet kropp å avkjøles til samme temperatur. Dette fenomenet ble lagt merke til en gang av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men det var først i 1963 at den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba oppdaget at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald. Å være student av Magambinskaya videregående skole i Tanzania gjorde Erasto Mpemba praktisk jobb i matlaging. Han trengte å lage hjemmelaget iskrem - kok opp melk, oppløs sukker i den, avkjøl den til romtemperatur og sett deretter i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og forsinket å fullføre den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville klare seg innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til den gitte teknologien. Etter dette eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med vanlig vann. I alle fall, allerede som student ved Mkwava Secondary School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (invitert av skoledirektøren til å holde en forelesning om fysikk for studentene) spesifikt om vann: «Hvis du tar to identiske beholdere med like volumer vann slik at i en av dem har vannet en temperatur på 35°C, og i den andre - 100°C, og legg dem i fryseren, så i det andre fryser vannet raskere. Hvorfor?" Osborne ble interessert i dette spørsmålet og snart, i 1969, publiserte han og Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet Physics Education. Siden den gang har effekten de oppdaget blitt kalt Mpemba-effekten. Til i dag har ingen vært vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten Forskere har ikke en enkelt versjon, selv om det er mange Det handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i superkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon, eller effekten av flytende gasser på vannet ved forskjellige temperaturer miljø, må være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og miljøet. Denne loven ble etablert av Newton og har siden blitt bekreftet mange ganger i praksis. I denne effekten avkjøles vann med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C raskere enn samme mengde vann med en temperatur på 35°C. Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten kan forklares innenfor rammen av kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten: Fordampning Varmt vann fordamper raskere fra en beholder, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann ved samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C. Effekten av fordampning er en dobbel effekt. For det første reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar. Temperaturforskjell På grunn av at temperaturforskjellen mellom varmt vann og det er mer kald luft - derfor er varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og det varme vannet avkjøles raskere. Hypotermi Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under noen forhold kan den gjennomgå superkjøling, og fortsette å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved en temperatur på -20 C. Årsaken til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs det krystalldannelsessentre. Hvis de ikke er tilstede i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller kan dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere, og danner slush ice, som vil fryse til is. Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det fjerner oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller. Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? I tilfelle kaldt vann, som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og den kalde luften og vil hindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller vil i dette tilfellet være lavere. Når det gjelder varmt vann som er utsatt for underkjøling, har det underkjølte vannet ikke et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen. Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is. Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten. Konveksjon Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed varmetapet, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra. Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget av vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved en temperatur på 4 C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av vannet i løpet av kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator og beskytte de nedre vannlagene, som forblir ved en temperatur på 4 C. Derfor videre prosess avkjøling vil skje langsommere. Når det gjelder varmtvann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større forskjell temperaturer I tillegg er kaldtvannslag tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og heve laget varmt vann til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen. Men hvorfor når ikke denne prosessen et likevektspunkt? For å forklare Mpemba-effekten fra dette konveksjonssynspunktet, ville det være nødvendig å anta at de kalde og varme vannlagene separeres og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter gjennomsnittstemperatur vann vil falle under 4 C. Imidlertid er det ingen eksperimentelle data som kan bekrefte denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles fra hverandre under konveksjonsprosessen. Gasser oppløst i vann Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å redusere frysepunktet til vann. Når vann varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann er høy temperatur under. Derfor, når varmt vann avkjøles, inneholder det alltid mindre oppløste gasser enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum. Termisk ledningsevne Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i kjøleseksjonens fryser i små beholdere. Under disse forholdene ble det lagt merke til at en beholder med varmt vann smelter is under seg fryseboks, og forbedrer derved termisk kontakt med fryserveggen og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra en varmtvannsbeholder raskere enn fra en kald. På sin side smelter ikke en beholder med kaldt vann snøen under. Alle disse (så vel som andre) tilstander ble studert i mange eksperimenter, men et klart svar på spørsmålet – hvilken av dem som gir hundre prosent reproduksjon av Mpemba-effekten – ble aldri oppnådd. For eksempel, i 1995, studerte den tyske fysikeren David Auerbach effekten av superkjølende vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en underkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når en underkjølt tilstand raskere enn en varm, og kompenserer derved for forrige etterslep. I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann var i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gasser som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det. Foreløpig kan bare én ting sies - reproduksjonen av denne effekten avhenger betydelig av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis. O.V. Mosin

British Royal Society of Chemistry tilbyr en belønning på £1000 til alle som vitenskapelig kan forklare hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt vann i noen tilfeller.

"Moderne vitenskap kan fortsatt ikke svare på dette tilsynelatende enkle spørsmålet. Iskremmakere og bartendere bruker denne effekten i sitt daglige arbeid, men ingen vet egentlig hvorfor det fungerer. Dette problemet har vært kjent i årtusener, med filosofer som Aristoteles og Descartes som har tenkt på det, sier professor David Phillips, president for British Royal Society of Chemistry, sitert i en pressemelding fra Society.

Hvordan en kokk fra Afrika beseiret en britisk fysikkprofessor

Dette er ikke en aprilsnarr, men en hard fysisk virkelighet. Moderne vitenskap, som enkelt opererer med galakser og sorte hull, og bygger gigantiske akseleratorer for å søke etter kvarker og bosoner, kan ikke forklare hvordan elementært vann «fungerer». Skoleboka sier tydelig at det tar mer tid å avkjøle en varmere kropp enn å avkjøle en kald kropp. Men for vann overholdes ikke alltid denne loven. Aristoteles trakk oppmerksomheten til dette paradokset på 400-tallet f.Kr. e. Her er hva den gamle grekeren skrev i sin bok Meteorologica I: «Det faktum at vann er forvarmet får det til å fryse. Derfor er det mange mennesker, når de ønsker å avkjøle varmt vann raskere, først setter det i solen...» I middelalderen forsøkte Francis Bacon og Rene Descartes å forklare dette fenomenet. Dessverre, verken de store filosofene eller de mange forskerne som utviklet klassisk termofysikk lyktes med dette, og derfor ble et så ubeleilig faktum "glemt" i lang tid.

Og først i 1968 "husket" de takket være skolegutten Erasto Mpembe fra Tanzania, langt fra noen vitenskap. Mens han studerte ved kulinarisk kunstskole i 1963, fikk 13 år gamle Mpembe i oppgave å lage is. I følge teknologien var det nødvendig å koke melk, oppløse sukker i den, avkjøle den til romtemperatur og deretter sette den i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en flittig student og nølte. I frykt for at han ikke ville klare seg innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til alle reglene.

Da Mpemba delte oppdagelsen sin med fysiklæreren sin, lo han av ham foran hele klassen. Mpemba husket fornærmelsen. Fem år senere, allerede student ved universitetet i Dar es Salaam, deltok han på et foredrag av den kjente fysikeren Denis G. Osborne. Etter forelesningen stilte han forskeren et spørsmål: «Hvis du tar to identiske beholdere med like mengder vann, en ved 35 °C (95 °F) og den andre ved 100 °C (212 °F), og plasserer dem i fryseren, da vil Vann i en varm beholder fryse raskere. Hvorfor?" Du kan forestille deg reaksjonen til en britisk professor på et spørsmål fra en ung mann fra Gudforlatt Tanzania. Han gjorde narr av studenten. Mpemba var imidlertid klar for et slikt svar og utfordret forskeren til et veddemål. Tvisten deres endte med en eksperimentell test som bekreftet at Mpemba hadde rett og Osborne beseiret. Dermed skrev kokkelærlingen navnet sitt i vitenskapens historie, og fra nå av kalles dette fenomenet "Mpemba-effekten." Det er umulig å forkaste det, å erklære det som "ikke-eksisterende". Fenomenet eksisterer, og, som dikteren skrev, "det gjør ikke vondt."

Har støvpartikler og oppløste stoffer skylden?

Gjennom årene har mange forsøkt å løse mysteriet med iskaldt vann. En hel haug med forklaringer på dette fenomenet har blitt foreslått: fordampning, konveksjon, påvirkning av oppløste stoffer - men ingen av disse faktorene kan betraktes som definitive. En rekke forskere har viet hele livet til Mpemba-effekten. Ansatt i Institutt for strålesikkerhet State University New York - James Brownridge - inn fritid har studert paradokset i over et tiår nå. Etter å ha utført hundrevis av eksperimenter, hevder forskeren å ha bevis på "skylden" til hypotermi. Brownridge forklarer at ved 0°C blir vann bare superkjølt, og begynner å fryse når temperaturen synker under. Frysepunktet reguleres av urenheter i vannet - de endrer hastigheten på dannelsen av iskrystaller. Urenheter, som støvpartikler, bakterier og oppløste salter, har en karakteristisk kjernedannelsestemperatur når iskrystaller dannes rundt krystalliseringssentre. Når flere grunnstoffer er tilstede i vann samtidig, bestemmes frysepunktet av den som har høyest kjernedannelsestemperatur.

For eksperimentet tok Brownridge to vannprøver med samme temperatur og plasserte dem i fryseren. Han oppdaget at en av prøvene alltid frøs før den andre, antagelig på grunn av en annen kombinasjon av urenheter.

Brownridge sier at varmt vann avkjøles raskere fordi det er større forskjell mellom temperaturen på vannet og fryseren – dette hjelper det å nå frysepunktet før kaldt vann når det naturlige frysepunktet, som er minst 5°C lavere.

Brownridges resonnement reiser imidlertid mange spørsmål. Derfor har de som kan forklare Mpemba-effekten på sin egen måte en sjanse til å konkurrere om tusen pund sterling fra British Royal Society of Chemistry.

Mpemba-effekt(Mpembas paradoks) - et paradoks som sier at varmt vann under noen forhold fryser raskere enn kaldt vann, selv om det må passere temperaturen til kaldt vann i ferd med å fryse. Dette paradokset er et eksperimentelt faktum som motsier de vanlige ideene, ifølge hvilke en mer oppvarmet kropp bruker lengre tid på å avkjøles til en viss temperatur under de samme forholdene enn en mindre oppvarmet kropp å avkjøles til samme temperatur.

Dette fenomenet ble lagt merke til en gang av Aristoteles, Francis Bacon og Rene Descartes, men det var først i 1963 at den tanzaniske skolegutten Erasto Mpemba oppdaget at en varm iskremblanding fryser raskere enn en kald.

Som elev ved Magambi High School i Tanzania gjorde Erasto Mpemba praktisk arbeid som kokk. Han trengte å lage hjemmelaget iskrem - kok opp melk, løs opp sukker i den, avkjøl den til romtemperatur og legg den deretter i kjøleskapet for å fryse. Tilsynelatende var ikke Mpemba en spesielt flittig student og forsinket å fullføre den første delen av oppgaven. I frykt for at han ikke ville klare seg innen slutten av leksjonen, la han fortsatt varm melk i kjøleskapet. Til hans overraskelse frøs det enda tidligere enn melken til kameratene, tilberedt i henhold til den gitte teknologien.

Etter dette eksperimenterte Mpemba ikke bare med melk, men også med vanlig vann. I alle fall, allerede som student ved Mkwava Secondary School, spurte han professor Dennis Osborne fra University College i Dar Es Salaam (invitert av skoledirektøren til å holde en forelesning om fysikk for studentene) spesifikt om vann: «Hvis du tar to identiske beholdere med like store mengder vann slik at i en av dem har vannet en temperatur på 35 °C, og i den andre - 100 °C, og sett dem i fryseren, så i den andre fryser vannet raskere. Hvorfor? Osborne ble interessert i denne utgaven, og snart, i 1969, publiserte han og Mpemba resultatene av eksperimentene deres i tidsskriftet Physics Education. Siden den gang har effekten de oppdaget blitt kalt Mpemba-effekt.

Til nå er det ingen som vet nøyaktig hvordan de skal forklare denne merkelige effekten. Forskere har ikke en eneste versjon, selv om det er mange. Alt handler om forskjellen i egenskapene til varmt og kaldt vann, men det er ennå ikke klart hvilke egenskaper som spiller en rolle i dette tilfellet: forskjellen i underkjøling, fordampning, isdannelse, konveksjon eller effekten av flytende gasser på vann kl. forskjellige temperaturer.

Paradokset med Mpemba-effekten er at tiden en kropp kjøles ned til omgivelsestemperaturen skal være proporsjonal med temperaturforskjellen mellom denne kroppen og omgivelsene. Denne loven ble etablert av Newton og har siden blitt bekreftet mange ganger i praksis. I denne effekten avkjøles vann med en temperatur på 100°C til en temperatur på 0°C raskere enn samme mengde vann med en temperatur på 35°C.

Dette innebærer imidlertid ennå ikke et paradoks, siden Mpemba-effekten kan forklares innenfor rammen av kjent fysikk. Her er noen forklaringer på Mpemba-effekten:

Fordampning

Varmt vann fordamper raskere fra beholderen, og reduserer dermed volumet, og et mindre volum vann ved samme temperatur fryser raskere. Vann oppvarmet til 100 C mister 16 % av massen når det avkjøles til 0 C.

Fordampningseffekten er en dobbel effekt. For det første reduseres vannmassen som kreves for kjøling. Og for det andre synker temperaturen på grunn av det faktum at fordampningsvarmen ved overgangen fra vannfasen til dampfasen avtar.

Temperaturforskjell

På grunn av det faktum at temperaturforskjellen mellom varmt vann og kald luft er større, er derfor varmevekslingen i dette tilfellet mer intens og varmtvannet avkjøles raskere.

Hypotermi

Når vann avkjøles under 0 C, fryser det ikke alltid. Under noen forhold kan den gjennomgå superkjøling, og fortsette å forbli flytende ved temperaturer under frysepunktet. I noen tilfeller kan vann forbli flytende selv ved en temperatur på –20 C.

Årsaken til denne effekten er at for at de første iskrystallene skal begynne å dannes, trengs krystalldannelsessentre. Hvis de ikke er tilstede i flytende vann, vil superkjølingen fortsette til temperaturen synker nok til at krystaller kan dannes spontant. Når de begynner å dannes i den superkjølte væsken, vil de begynne å vokse raskere, og danner slush ice, som vil fryse til is.

Varmt vann er mest utsatt for hypotermi fordi oppvarming av det fjerner oppløste gasser og bobler, som igjen kan tjene som sentre for dannelse av iskrystaller.

Hvorfor fører hypotermi til at varmt vann fryser raskere? Ved kaldt vann som ikke er superkjølt, skjer følgende. I dette tilfellet vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av fartøyet. Dette islaget vil fungere som en isolator mellom vannet og den kalde luften og vil hindre ytterligere fordampning. Hastigheten for dannelse av iskrystaller vil i dette tilfellet være lavere. Når det gjelder varmt vann som er utsatt for underkjøling, har det underkjølte vannet ikke et beskyttende overflatelag av is. Derfor mister den varmen mye raskere gjennom den åpne toppen.

Når superkjølingsprosessen avsluttes og vannet fryser, går mye mer varme tapt og det dannes derfor mer is.

Mange forskere av denne effekten anser hypotermi som hovedfaktoren når det gjelder Mpemba-effekten.

Konveksjon

Kaldt vann begynner å fryse ovenfra, og forverrer dermed prosessene med varmestråling og konveksjon, og dermed varmetapet, mens varmt vann begynner å fryse nedenfra.

Denne effekten forklares av en anomali i vanntettheten. Vann har en maksimal tetthet ved 4 C. Hvis du avkjøler vann til 4 C og setter det på lavere temperatur, vil overflatelaget av vann fryse raskere. Fordi dette vannet er mindre tett enn vann ved en temperatur på 4 C, vil det forbli på overflaten og danne et tynt kaldt lag. Under disse forholdene vil det dannes et tynt lag med is på overflaten av vannet i løpet av kort tid, men dette islaget vil tjene som en isolator og beskytte de nedre vannlagene, som forblir ved en temperatur på 4 C. Derfor vil videre kjøleprosess gå langsommere.

Når det gjelder varmtvann er situasjonen en helt annen. Overflatelaget av vann vil avkjøles raskere på grunn av fordampning og større temperaturforskjell. I tillegg er kaldtvannslag tettere enn varmtvannslag, så kaldtvannslaget vil synke ned og heve varmtvannslaget til overflaten. Denne sirkulasjonen av vann sikrer et raskt fall i temperaturen.

Men hvorfor når ikke denne prosessen et likevektspunkt? For å forklare Mpemba-effekten fra dette synspunktet til konveksjon, ville det være nødvendig å anta at de kalde og varme vannlagene er separert og selve konveksjonsprosessen fortsetter etter at den gjennomsnittlige vanntemperaturen faller under 4 C.

Imidlertid er det ingen eksperimentelle bevis som støtter denne hypotesen om at kalde og varme lag av vann skilles ved konveksjonsprosessen.

Gasser oppløst i vann

Vann inneholder alltid gasser oppløst i det - oksygen og karbondioksid. Disse gassene har evnen til å redusere frysepunktet til vann. Når vann varmes opp, frigjøres disse gassene fra vannet fordi deres løselighet i vann er lavere ved høye temperaturer. Derfor, når varmt vann avkjøles, inneholder det alltid mindre oppløste gasser enn i uoppvarmet kaldt vann. Derfor er frysepunktet for oppvarmet vann høyere og det fryser raskere. Denne faktoren blir noen ganger betraktet som den viktigste for å forklare Mpemba-effekten, selv om det ikke er noen eksperimentelle data som bekrefter dette faktum.

Termisk ledningsevne

Denne mekanismen kan spille en betydelig rolle når vann plasseres i kjølerommet fryseren i små beholdere. Under disse forholdene har det blitt observert at en beholder med varmt vann smelter isen i fryseren under, og derved forbedrer termisk kontakt med fryserveggen og termisk ledningsevne. Som et resultat fjernes varme fra en varmtvannsbeholder raskere enn fra en kald. På sin side smelter ikke en beholder med kaldt vann snøen under.

Alle disse (så vel som andre) tilstander ble studert i mange eksperimenter, men et klart svar på spørsmålet – hvilken av dem som gir hundre prosent reproduksjon av Mpemba-effekten – ble aldri oppnådd.

For eksempel, i 1995, studerte den tyske fysikeren David Auerbach effekten av superkjølende vann på denne effekten. Han oppdaget at varmt vann, når en underkjølt tilstand, fryser ved en høyere temperatur enn kaldt vann, og derfor raskere enn sistnevnte. Men kaldt vann når en underkjølt tilstand raskere enn varmt vann, og kompenserer derved for forrige etterslep.

I tillegg motsier Auerbachs resultater tidligere data om at varmt vann var i stand til å oppnå større underkjøling på grunn av færre krystalliseringssentre. Når vann varmes opp, fjernes gasser som er oppløst i det, og når det kokes, utfelles noen salter som er oppløst i det.

Foreløpig kan bare én ting sies - reproduksjonen av denne effekten avhenger betydelig av forholdene som eksperimentet utføres under. Nettopp fordi det ikke alltid gjengis.

O.V. Mosin

Litterærkilder:

"Varmt vann fryser raskere enn kaldt vann. Hvorfor gjør det det?", Jearl Walker i The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, s. 246-257; september, 1977.

"Frysingen av varmt og kaldt vann", G.S. Kell i American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, s. 564-565; mai, 1969.

"Superkjøling og Mpemba-effekten", David Auerbach, i American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, s. 882-885; oktober 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, i American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, s 524; mai, 1996.