Топлата вода се охлажда по-бързо, отколкото студената се загрява. Топла и студена вода: тайните на замразяването. Газове, разтворени във вода

Мпемба ефект(Парадоксът на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода по време на процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. ученикът от Танзания Ерасто Мпемба открива, че гореща смес за сладолед замръзва по-бързо от студена.

Като ученик на Магамбинская гимназияв Танзания Ерасто Мпемба го направи практическа работав кулинарията. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология.

След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо? Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича Мпемба ефект.

Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури.

Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което едно тяло се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект водата с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C.

Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да бъде обяснен в рамките на известната физика. Ето някои обяснения за ефекта Мпемба:

Изпарение

Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C.

Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, намалява се масата на водата, необходима за охлаждане. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява.

Температурна разлика

Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо.

Хипотермия

Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от –20 C.

Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне и ще образува лед.

Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали.

Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? В случай на студена вода, който не е преохладен, се получава следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх.

Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед.

Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.

Конвекция

Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу.

Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите при по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е с по-малка плътност от водата при температура 4 C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен.

При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. В допълнение, слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, повдигайки слоя топла водана повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата.

Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C.

Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция.

Газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден двуокис. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е висока температураПо-долу. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.

Топлопроводимост

Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу.

Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но ясен отговор на въпроса кои от тях осигуряват стопроцентово възпроизвеждане на ефекта Мпемба, така и не е получен.

Така например през 1995г немски физикДейвид Ауербах изследва влиянието на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне.

В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват.

Засега може да се каже само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

Чудили ли сте се защо водата, загрята до 82 градуса C, замръзва по-бързо от студената вода? Най-вероятно не, дори съм повече от сигурен, че никога не ви е хрумвал въпросът коя вода замръзва по-бързо, топла или студена?

Това невероятно откритие обаче е направено от обикновен африкански ученик Ерасто Мпемба през 1963 г. Това беше обичайното преживяване на едно любопитно момче, разбира се, то не можеше да тълкува правилно значението на неговото и освен това учени от цял ​​свят до 1966 г. не можеха да дадат ясна и обоснована отговор на въпроса - защо топла водазамръзва по-бързо от студа.

Защо топлата вода замръзва при 4 градуса по Целзий, а студената вода при 0?

В студената вода има много разтворен кислород, именно той поддържа температурата на замръзване на водата при 0 градуса. Ако кислородът се отстрани от водата, а това се случва при нагряване на водата, разтворените във водата въздушни мехурчета, както е модерно да се казва сега, се срутват, водата се превръща в лед не при нула градуса, както обикновено, и вече при 4 °C. Кислородът, разтворен във вода, разрушава връзките между водните молекули, предотвратявайки преминаването на водата от течно в твърдо състояние и просто ще се превърне в

Свойствата на водата не спират да учудват учените. Водата е доста просто вещество от химическа гледна точка, но има редица необичайни свойства, които не спират да учудват учените. По-долу са няколко факта, за които малко хора знаят.

1. Коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща?

Нека вземем два съда с вода: в единия налейте гореща вода, а в другия - студена вода и ги поставете във фризера. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената вода, въпреки че логично студената вода трябва първо да се превърне в лед: в крайна сметка горещата вода трябва първо да се охлади до студената температура и след това да се превърне в лед, докато студената вода не трябва да се охлажда. Защо се случва това?

През 1963 г. танзанийски студент на име Ерасто Б. Мпемба, докато замразява смес за сладолед, забелязва, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учителя си по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът бил упорит и убедил учителя да проведе експеримент, който потвърдил откритието му: при определени условия топлата вода действително замръзва по-бързо от студената.

Сега този феномен на гореща вода, която замръзва по-бързо от студена вода, се нарича „ефект на Мпемба“. Вярно, много преди това уникален имотводата е отбелязана от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт.

Учените все още не разбират напълно природата на това явление, обяснявайки го или с разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или с ефекта на втечнените газове върху гореща и студена вода.

2. Може да замръзне моментално

Всеки знае, че водата винаги се превръща в лед, когато се охлади до 0°C... освен в някои случаи! Пример за такъв случай е свръхохлаждането, което е свойството на много чистата вода да остава течна дори когато е охладена до температура под нулата. Това явление става възможно поради факта, че заобикаляща средане съдържа центрове или ядра на кристализация, които биха могли да предизвикат образуването на ледени кристали. И така водата остава в течна форма дори когато се охлади до под нула градуса по Целзий.

Процесът на кристализация може да се задейства, например, от газови мехурчета, примеси (замърсители) или неравна повърхност на контейнера. Без тях водата ще остане вътре течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как свръхохладената вода моментално се превръща в лед.

Обърнете внимание, че „прегрятата“ вода също остава течна дори когато се нагрее над точката на кипене.

3. 19 състояния на водата

Без колебание назовете колко различни състояния има водата? Ако сте отговорили на три: твърдо, течно, газообразно, значи грешите. Учените разграничават най-малко 5 различни състояния на водата в течна форма и 14 състояния в замразена форма.

Помните ли разговора за супер охладената вода? Така че, каквото и да правите, при -38 °C дори най-чистата супер охладена вода внезапно ще се превърне в лед. Какво ще се случи, когато температурата спадне още повече? При -120 °C нещо странно започва да се случва с водата: тя става супер вискозна или вискозна, като меласа, а при температури под -135 °C се превръща в "стъклена" или "стъклообразна" вода - твърдо, в които няма кристална структура.

4. Водата изненадва физиците

На молекулярно ниво водата е още по-изненадваща. През 1995 г. експеримент за разсейване на неутрони, проведен от учени, даде неочакван резултат: физиците откриха, че неутроните, насочени към водните молекули, „виждат“ 25% по-малко водородни протони от очакваното.

Оказа се, че при скорост от една атосекунда (10 -18 секунди) се получава необичаен квантов ефект, а химична формулаводата вместо H2O, става H1.5O!

5. Водна памет

Алтернатива на официалната медицина, хомеопатията твърди, че разреден разтвор лекарствен продуктможе да има лечебен ефект върху тялото, дори ако факторът на разреждане е толкова висок, че в разтвора не е останало нищо освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепцията, наречена „памет на водата“, според която водата на молекулярно ниво има „памет“ за веществото, веднъж разтворено в нея, и запазва свойствата на разтвора с първоначалната концентрация след нито един път. молекула от съставката остава в него.

Международен екип от учени, ръководен от професор Маделин Енис от Кралския университет в Белфаст, който беше критикувал принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае концепцията веднъж завинаги. Резултатът беше обратният. След което учените заявиха, че са успели да докажат реалността на ефекта на „паметта на водата“. Експериментите, проведени под наблюдението на независими експерти, обаче не доведоха до резултати. Дебатът за съществуването на феномена „памет на водата“ продължава.

Водата има много други необичайни свойства, за които не говорихме в тази статия. Например, плътността на водата се променя в зависимост от температурата (плътността на леда е по-малка от плътността на водата)

водата има доста високо повърхностно напрежение

в течно състояние водата е сложна и динамично променяща се мрежа от водни клъстери и поведението на клъстерите влияе върху структурата на водата и т.н.

Можете да прочетете за тези и много други неочаквани характеристики на водата в статията “ Аномални свойствавода”, чийто автор е Мартин Чаплин, професор в Лондонския университет.

Здравейте скъпи влюбени интересни факти. Днес ще говорим с вас за. Но мисля, че въпросът, поставен в заглавието, може да изглежда просто абсурден - но трябва ли винаги да се доверявате безразделно на прословутия „здрав разум“, а не на строго установен тестов експеримент. Нека се опитаме да разберем защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?

Историческа справка

Че по въпроса за замразяването на студена и гореща вода „не всичко е чисто“ се споменава в трудовете на Аристотел, след това подобни бележки са направени от Ф. Бейкън, Р. Декарт и Дж. Блек. IN съвременна историяТози ефект беше наречен „парадоксът на Мпемба“ - на името на ученика от Танганайка Ерасто Мпемба, който зададе същия въпрос на гостуващ професор по физика.

Въпросът на момчето не възникна от нищото, а от чисто лични наблюдения върху процеса на охлаждане на сладоледените смеси в кухнята. Разбира се, съучениците, които присъстваха там, заедно с учител в училищесе засмя на Мпемба - обаче, след експериментален тест лично от професор Д. Осбърн, желанието да се подиграваш на Ерасто „се изпари“. Освен това Мпемба, заедно с професор, публикува във Physics Education през 1969 г Подробно описаниетози ефект - и оттогава гореспоменатото име е фиксирано в научната литература.

Каква е същността на явлението?

Постановката на експеримента е доста проста: при равни други условия се изпитват еднакви тънкостенни съдове, съдържащи абсолютно равни количества вода, различаващи се само по температура. Съдовете се зареждат в хладилника, след което се записва времето до образуването на лед във всеки от тях. Парадоксът е, че в съд с първоначално по-гореща течност това става по-бързо.

Как съвременната физика обяснява това?

Парадоксът няма универсално обяснение, тъй като няколко паралелни процеса протичат заедно, чийто принос може да варира в зависимост от конкретните начални условия - но с еднакъв резултат:

• способността на течността да преохлажда - първоначално студената вода е по-податлива на преохлаждане, т.е. остава течен, когато температурата му е вече под точката на замръзване
• ускорено охлаждане - парата от гореща вода се трансформира в ледени микрокристали, които при падане обратно ускоряват процеса, работейки като допълнителен „външен топлообменник“
• изолационен ефект - за разлика от топлата вода, студената вода замръзва отгоре, което води до намаляване на топлопредаването чрез конвекция и радиация

Има и редица други обяснения ( последен пътБританското Кралско дружество по химия проведе конкурс за най-добра хипотеза наскоро, през 2012 г.) - но все още няма недвусмислена теория за всички случаи на комбинации от входни условия...

Има много фактори, които влияят коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, но самият въпрос изглежда малко странен. Изводът, и това е известно от физиката, е, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на студената вода, която се сравнява, за да се превърне в лед. Този етап може да бъде пропуснат и съответно тя печели във времето.

Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - навън в студа, знае всеки жител на северните ширини. Всъщност, от научна гледна точка се оказва, че във всеки случай студената вода просто е длъжна да замръзне по-бързо.

Учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г., помисли същото с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва повече от подобна, но гореща.

„Това не е универсална физика, а някакъв вид физика на Мпемба“

По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осбърн, професор по физика, който по едно време посети същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди наличието на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това. През 1969 г. в популярн научно списаниебеше публикувана съвместна статия от тези двама души, които описаха този особен ефект.

Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - има свое име - ефектът на Мпемба или парадокс.

Въпросът стои отдавна

Естествено, подобно явление се е случвало и преди и е споменато в трудовете на други учени. Не само ученикът се интересуваше от този въпрос, но Рене Декарт и дори Аристотел също мислеха за това по едно време.

Но те започнаха да търсят подходи за разрешаване на този парадокс едва в края на ХХ век.

Условия за възникване на парадокс

Както при сладоледа, по време на експеримента не замръзва обикновена вода. Трябва да са налице определени условия, за да започнем да спорим коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща. Какво влияе върху хода на този процес?

Сега, в 21-ви век, бяха представени няколко варианта, които могат да обяснят този парадокс. Коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, може да зависи от факта, че има по-висока скорост на изпарение от студената вода. Така нейният обем намалява и с намаляването на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем същия първоначален обем студена вода.

Мина известно време, откакто размразихте фризера.

Коя вода замръзва по-бързо и защо това се случва може да се повлияе от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземете два еднакви по обем контейнера, но единият съдържа топла вода, а другият студена, съдът с гореща вода ще разтопи снега отдолу, като по този начин ще подобри контакта на термичното ниво със стената на хладилника. Съд със студена вода не може да направи това. Ако в хладилното отделение няма такава облицовка със сняг, студената вода трябва да замръзне по-бързо.

Горе долу

Също така, феноменът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, се обяснява по следния начин. Следвайки определени закони, студената вода започва да замръзва от горните слоеве, когато горещата вода прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. Оказва се, че студената вода, имайки студен слой отгоре с вече образуван на места лед, по този начин влошава процесите на конвекция и топлинно излъчване, като по този начин обяснява коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща. Приложени са снимки от любителски експерименти, като това се вижда ясно тук.

Топлината излиза, бърза нагоре и там среща много хладен слой. Няма свободен път за топлинно излъчване, така че процесът на охлаждане става труден. Топлата вода няма абсолютно никакви препятствия по пътя си. Кое замръзва по-бързо - студено или горещо, какво определя вероятния резултат? Можете да разширите отговора, като кажете, че във всяка вода има разтворени определени вещества.

Примесите във водата като фактор, влияещ върху резултата

Ако не изневерите и използвате вода със същия състав, където концентрациите на определени вещества са идентични, тогава студената вода трябва да замръзне по-бързо. Но ако възникне ситуация, когато се разтвори химически елементисе предлагат само в топла вода, а при студена ги няма, тогава има възможност топлата вода да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените вещества във водата създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори водата да е преохладена, в смисъл при минусови температури да е в течно състояние.

Но всички тези версии очевидно не отговарят напълно на учените и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековна мистерия.

Група китайски учени твърдят, че тайната на този ефект се крие в количеството енергия, което се съхранява между водните молекули в нейните връзки, наречени водородни връзки.

Отговорът на китайски учени

Следва информация, за да разберете, че трябва да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както е известно, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), свързани заедно чрез ковалентни връзки.

Но също така водородните атоми на една молекула се привличат към съседните молекули, към техния кислороден компонент. Тези връзки се наричат ​​водородни връзки.

Струва си да се помни, че в същото време водните молекули имат отблъскващ ефект една върху друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че като заемат еднакво разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, те се разтягат и се появяват по-голям запасенергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започват да се приближават една до друга, тоест настъпва охлаждане. Оказва се, че по-големият запас от енергия в горещата вода и по-голямото й освобождаване при охлаждане до минусови температури се случва по-бързо, отколкото в студената вода, която има по-малък запас от такава енергия. И така, коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща? На улицата и в лабораторията трябва да се случи парадоксът на Мпемба и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.

Но въпросът все още е отворен

Има само теоретично потвърждение на това решение - всичко това е написано в красиви формули и изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни за това коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - се използват на практика и резултатите от тях се представят, тогава въпросът за парадокса на Мпемба може да се счита за приключен.