آب گرم سریعتر از گرم شدن آب سرد سرد می شود. آب سرد و گرم: رازهای انجماد گازهای حل شده در آب

اثر Mpemba(پارادوکس Mpemba) پارادوکسی است که بیان می کند آب گرم در برخی شرایط سریعتر از آب سرد یخ می زند، اگرچه در طول فرآیند انجماد باید از دمای آب سرد عبور کند. این پارادوکس یک واقعیت تجربی است که با ایده‌های معمولی در تناقض است که بر اساس آن، در شرایط یکسان، جسمی که گرم‌تر شده است، زمان بیشتری برای خنک شدن تا دمای معینی نیاز دارد تا جسمی که حرارت کمتری دارد تا در همان دما خنک شود.

این پدیده زمانی توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت، اما تنها در سال 1963 بود که اراستو امپمبا، دانش‌آموز تانزانیایی متوجه شد که مخلوط بستنی داغ سریع‌تر از بستنی سرد یخ می‌زند.

شاگرد ماگامبینسکایا بودن دبیرستاندر تانزانیا Erasto Mpemba انجام داد کار عملیدر آشپزی او باید بستنی خانگی درست می کرد - شیر را بجوشانید، شکر را در آن حل کنید، آن را تا دمای اتاق خنک کنید و سپس آن را در یخچال قرار دهید تا منجمد شود. ظاهراً امپمبا دانش آموز سخت کوشی خاصی نبود و در تکمیل قسمت اول کار به تأخیر افتاد. از ترس اینکه تا آخر درس درست نشه، شیر داغ رو توی یخچال گذاشت. در کمال تعجب، حتی زودتر از شیر رفقای خود که مطابق با فناوری داده شده تهیه شده بود، یخ زد.

پس از این، Mpemba نه تنها با شیر، بلکه با آب معمولی نیز آزمایش کرد. در هر صورت، قبلاً به عنوان دانش آموز در مدرسه متوسطه Mkwava، از پروفسور دنیس آزبورن از کالج دانشگاهی در دارالسلام (دعوت شده توسط مدیر مدرسه برای ارائه یک سخنرانی در مورد فیزیک برای دانش آموزان) به طور خاص در مورد آب پرسید: «اگر شما در نظر بگیرید. دو ظرف یکسان با حجم آب مساوی به طوری که در یکی از آنها دمای آب 35 درجه سانتیگراد و در دیگری - 100 درجه سانتیگراد باشد و آنها را در فریزر قرار دهید سپس در دومی آب سریعتر یخ بزند. چرا؟ آزبورن به این موضوع علاقه مند شد و به زودی، در سال 1969، او و Mpemba نتایج آزمایش های خود را در مجله Physics Education منتشر کردند. از آن زمان، اثری که آنها کشف کردند نامیده می شود اثر Mpemba.

تا به حال هیچ کس دقیقاً نمی داند چگونه این اثر عجیب را توضیح دهد. دانشمندان یک نسخه واحد ندارند، اگرچه تعداد زیادی وجود دارد. همه چیز در مورد تفاوت در خواص آب سرد و گرم است، اما هنوز مشخص نیست که کدام خواص در این مورد نقش دارند: تفاوت در فوق خنک شدن، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا تأثیر گازهای مایع بر روی آب در دماهای مختلف

پارادوکس اثر Mpemba این است که زمانی که یک جسم تا دمای محیط خنک می شود باید متناسب با اختلاف دمای بین این جسم و محیط باشد. این قانون توسط نیوتن ایجاد شد و از آن زمان تاکنون بارها در عمل تایید شده است. در این اثر، آب با دمای 100 درجه سانتی گراد تا دمای 0 درجه سانتی گراد سریعتر از همان مقدار آب با دمای 35 درجه سانتی گراد سرد می شود.

با این حال، این هنوز به معنای پارادوکس نیست، زیرا اثر Mpemba را می توان در چارچوب فیزیک شناخته شده توضیح داد. در اینجا چند توضیح برای اثر Mpemba آورده شده است:

تبخیر

آب داغ سریعتر از ظرف تبخیر می شود و در نتیجه حجم آن کاهش می یابد و حجم کمتری از آب در همان دما سریعتر یخ می زند. آبی که تا دمای 100 درجه سانتیگراد گرم می شود، با سرد شدن تا دمای 0 درجه سانتیگراد، 16 درصد از جرم خود را از دست می دهد.

اثر تبخیر یک اثر دوگانه است. در مرحله اول، جرم آب مورد نیاز برای خنک سازی کاهش می یابد. و ثانیاً به دلیل کاهش گرمای تبخیر انتقال از فاز آب به فاز بخار، دما کاهش می یابد.

اختلاف دما

با توجه به اینکه اختلاف دمای آب گرم و هوای سرد بیشتر است بنابراین تبادل حرارت در این حالت شدیدتر بوده و آب گرم سریعتر سرد می شود.

هیپوترمی

وقتی آب زیر صفر درجه سانتیگراد سرد می شود، همیشه یخ نمی زند. تحت برخی شرایط، می تواند تحت سرد شدن فوق العاده قرار گیرد و در دماهای زیر انجماد به مایع باقی بماند. در برخی موارد، آب حتی در دمای 20- درجه سانتیگراد می تواند مایع باقی بماند.

دلیل این اثر این است که برای اینکه اولین بلورهای یخ شروع به تشکیل شدن کنند، به مراکز تشکیل کریستال نیاز است. اگر آنها در آب مایع وجود نداشته باشند، ابرسرد شدن تا زمانی که دما به اندازه کافی کاهش یابد تا کریستال ها به طور خود به خود تشکیل شوند، ادامه می یابد. هنگامی که آنها در مایع فوق سرد شده شروع به تشکیل می کنند، سریعتر رشد می کنند و یخ لجن تشکیل می دهند که یخ می زند و یخ را تشکیل می دهد.

آب داغ بیشتر مستعد هیپوترمی است زیرا حرارت دادن آن گازها و حباب های محلول را حذف می کند که به نوبه خود می توانند به عنوان مراکز تشکیل بلورهای یخ عمل کنند.

چرا هیپوترمی باعث یخ زدن سریعتر آب گرم می شود؟ در مورد آب سرد، که فوق خنک نیست، موارد زیر رخ می دهد. در این صورت لایه نازکی از یخ روی سطح ظرف تشکیل می شود. این لایه یخ به عنوان عایق بین آب و هوای سرد عمل می کند و از تبخیر بیشتر جلوگیری می کند. سرعت تشکیل کریستال های یخ در این حالت کمتر خواهد بود. در مورد آب گرمی که در معرض فوق خنک سازی قرار می گیرد، آب فوق خنک شده دارای لایه سطحی محافظ یخ نیست. بنابراین، گرما را از طریق قسمت باز بسیار سریعتر از دست می دهد.

هنگامی که فرآیند فوق خنک کننده به پایان می رسد و آب یخ می زند، گرمای بسیار بیشتری از دست می رود و بنابراین یخ بیشتری تشکیل می شود.

بسیاری از محققان این اثر هیپوترمی را عامل اصلی در مورد اثر Mpemba می دانند.

همرفت

آب سرد از بالا شروع به یخ زدن می کند، در نتیجه فرآیندهای تابش گرما و همرفت و در نتیجه از دست دادن گرما بدتر می شود، در حالی که آب گرم از پایین شروع به یخ زدن می کند.

این اثر با یک ناهنجاری در چگالی آب توضیح داده می شود. حداکثر چگالی آب در 4 درجه سانتیگراد است. اگر آب را تا 4 درجه سانتیگراد خنک کنید و در دمای کمتری قرار دهید، لایه سطحی آب سریعتر یخ میزند. از آنجایی که این آب در دمای 4 درجه سانتیگراد چگالی کمتری نسبت به آب دارد، روی سطح باقی می ماند و یک لایه نازک سرد تشکیل می دهد. در این شرایط، در مدت زمان کوتاهی یک لایه نازک یخ روی سطح آب تشکیل می شود، اما این لایه یخ به عنوان عایق عمل می کند و از لایه های پایینی آب محافظت می کند که در دمای 4 درجه سانتی گراد باقی می مانند. بنابراین، فرآیند خنک‌سازی بیشتر کندتر خواهد بود.

در مورد آب گرم وضعیت کاملا متفاوت است. لایه سطحی آب به دلیل تبخیر و اختلاف دما بیشتر سریعتر خنک می شود. علاوه بر این، لایه‌های آب سرد متراکم‌تر از لایه‌های آب گرم هستند، بنابراین لایه آب سرد فرو می‌رود و لایه را بالا می‌برد. آب گرمبه سطح. این گردش آب کاهش سریع دما را تضمین می کند.

اما چرا این فرآیند به نقطه تعادل نمی رسد؟ برای توضیح اثر Mpemba از این دیدگاه همرفت، لازم است فرض کنیم که لایه‌های سرد و گرم آب از هم جدا شده‌اند و فرآیند همرفت پس از کاهش متوسط ​​دمای آب به زیر 4 درجه سانتی‌گراد ادامه می‌یابد.

با این حال، هیچ مدرک تجربی برای حمایت از این فرضیه وجود ندارد که لایه‌های سرد و گرم آب توسط فرآیند همرفت از هم جدا می‌شوند.

گازهای حل شده در آب

آب همیشه حاوی گازهای محلول در آن است - اکسیژن و دی اکسید کربن. این گازها توانایی کاهش نقطه انجماد آب را دارند. هنگامی که آب گرم می شود، این گازها از آب خارج می شوند زیرا حلالیت آنها در آب است دمای بالازیر بنابراین، هنگامی که آب گرم سرد می شود، همیشه حاوی گازهای محلول کمتری نسبت به آب سرد گرم نشده است. بنابراین نقطه انجماد آب گرم شده بیشتر است و سریعتر یخ می زند. این عامل گاهی اوقات به عنوان اصلی ترین عامل در توضیح اثر Mpemba در نظر گرفته می شود، اگرچه هیچ داده تجربی تأیید کننده این واقعیت وجود ندارد.

هدایت حرارتی

زمانی که آب در ظروف کوچک در فریزر محفظه یخچال قرار می گیرد، این مکانیسم می تواند نقش بسزایی داشته باشد. در این شرایط مشاهده شده است که یک ظرف آب داغ یخ فریزر زیر آن را ذوب می کند و در نتیجه تماس حرارتی با دیواره فریزر و هدایت حرارتی را بهبود می بخشد. در نتیجه گرما از ظرف آب گرم سریعتر از ظرف سرد خارج می شود. به نوبه خود، یک ظرف با آب سرد، برف زیر را آب نمی کند.

همه این شرایط (و همچنین سایر شرایط) در بسیاری از آزمایش‌ها مورد مطالعه قرار گرفتند، اما پاسخ روشنی برای این سؤال - که کدام یک از آنها صد در صد بازتولید اثر Mpemba را فراهم می‌کنند - هرگز به دست نیامد.

بنابراین، برای مثال، در سال 1995 فیزیکدان آلمانیدیوید اورباخ تأثیر آب فوق خنک کننده را بر این اثر مطالعه کرد. او کشف کرد که آب داغ، با رسیدن به حالت فوق سرد، در دمای بالاتر از آب سرد و در نتیجه سریعتر از دومی یخ می‌زند. اما آب سرد سریعتر از آب گرم به حالت فوق خنک می رسد و در نتیجه تاخیر قبلی را جبران می کند.

علاوه بر این، نتایج Auerbach با داده‌های قبلی که آب داغ به دلیل مراکز کریستالیزاسیون کمتر می‌توانست به ابرسرد شدن بیشتری دست یابد، در تضاد بود. وقتی آب گرم می شود گازهای محلول در آن از آن خارج می شود و وقتی آب می جوشد مقداری املاح حل شده در آن رسوب می کند.

در حال حاضر، تنها یک چیز را می توان بیان کرد - بازتولید این اثر به طور قابل توجهی بستگی به شرایطی دارد که در آن آزمایش انجام می شود. دقیقاً به این دلیل که همیشه بازتولید نمی شود.

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چرا آبی که تا 82 درجه سانتیگراد گرم می شود سریعتر از آب سرد یخ می زند؟ به احتمال زیاد نه، من حتی بیش از حد مطمئن هستم که این سوال هرگز برای شما پیش نیامده است: کدام آب سریعتر یخ می زند، گرم یا سرد؟

با این حال این کشف شگفت انگیزساخته شده توسط یک دانش آموز آفریقایی معمولی Erasto Mpemba در سال 1963. این تجربه معمول یک پسر کنجکاو بود، البته او نمی توانست معنای خود را به درستی تفسیر کند و علاوه بر این، دانشمندان از سراسر جهان تا سال 1966 نتوانستند به طور واضح و مستدل توضیح دهند. پاسخ به این سوال - چرا آب گرمسریعتر از سرما یخ می زند

چرا آب گرم در دمای 4 درجه سانتیگراد و آب سرد در دمای 0 یخ می زند؟

آب سرد دارای مقدار زیادی اکسیژن محلول است، اوست که دمای انجماد آب را در 0 درجه حفظ می کند. اگر اکسیژن از آب خارج شود و این اتفاقی می افتد که آب گرم می شود، حباب های هوا در آب حل می شوند، همانطور که امروزه مد شده است، فرو می ریزد، آب تبدیل به یخ می شود نه مثل همیشه در صفر درجه، و در حال حاضر در 4 درجه سانتیگراد. این اکسیژن محلول در آب است که پیوندهای بین مولکول های آب را می شکند و از رفتن آب از حالت مایع به جامد جلوگیری می کند و به سادگی به حالت جامد تبدیل می شود.

خواص آب هرگز دانشمندان را شگفت زده نمی کند. آب از نظر شیمیایی یک ماده نسبتاً ساده است، اما دارای تعدادی خواص غیرعادی است که هرگز دانشمندان را شگفت زده نمی کند. در زیر چند واقعیت است که کمتر کسی در مورد آنها می داند.

1. کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم؟

دو ظرف آب برداریم: در یکی آب داغ و در دیگری آب سرد بریزید و در فریزر قرار دهید. آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند، اگرچه طبق منطق چیزها ابتدا آب سرد باید به یخ تبدیل می شد: بالاخره آب گرم ابتدا باید تا دمای سرد خنک شود و سپس تبدیل به یخ شود در حالی که آب سرد اینطور نیست. نیاز به خنک شدن چرا این اتفاق می افتد؟

در سال 1963، یک دانش آموز تانزانیایی به نام Erasto B. Mpemba، در حالی که مخلوط بستنی را منجمد می کرد، متوجه شد که مخلوط داغ در فریزر سریعتر از یخچال سرد جامد می شود. وقتی مرد جوان کشف خود را با معلم فیزیک خود در میان گذاشت، فقط به او خندید. خوشبختانه، دانش آموز پافشاری کرد و معلم را متقاعد کرد که آزمایشی انجام دهد، که کشف او را تأیید کرد: در شرایط خاص، آب گرم در واقع سریعتر از آب سرد یخ می زند.

اکنون این پدیده یخ زدن آب گرم سریعتر از آب سرد "اثر Mpemba" نامیده می شود. درست است، خیلی قبل از آن دارایی منحصر به فردآب توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت.

دانشمندان هنوز به طور کامل ماهیت این پدیده را درک نکرده اند و آن را با تفاوت در ابرسرد کردن، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا با تأثیر گازهای مایع بر آب سرد و گرم توضیح می دهند.

2. می تواند فورا یخ بزند

همه می دانند که آب همیشه با سرد شدن تا 0 درجه به یخ تبدیل می شود... مگر در مواردی! نمونه ای از چنین حالتی فوق خنک سازی است که خاصیت آب بسیار خالص برای مایع ماندن حتی زمانی که تا زیر نقطه انجماد سرد می شود، است. این پدیده با توجه به اینکه محیط زیستشامل مراکز یا هسته‌های تبلور که می‌تواند باعث تشکیل بلورهای یخ شود، نیست. و بنابراین آب حتی زمانی که تا زیر صفر درجه سانتیگراد سرد شود به شکل مایع باقی می ماند.

فرآیند کریستالیزاسیون می‌تواند به‌عنوان مثال توسط حباب‌های گاز، ناخالصی‌ها (آلودگی‌ها) یا سطح ناهموار ظرف آغاز شود. بدون آنها، آب در آن باقی خواهد ماند حالت مایع. هنگامی که فرآیند کریستالیزاسیون شروع می شود، می توانید مشاهده کنید که آب فوق العاده خنک شده بلافاصله به یخ تبدیل می شود.

توجه داشته باشید که آب "بسیار گرم" حتی زمانی که بالاتر از نقطه جوش گرم شود نیز مایع باقی می ماند.

3. 19 حالت آب

بدون تردید نام آب چند حالت مختلف دارد؟ اگر به سه پاسخ دادید: جامد، مایع، گاز، پس در اشتباه بودید. دانشمندان حداقل 5 حالت مختلف آب را به صورت مایع و 14 حالت را در حالت منجمد تشخیص می دهند.

صحبت در مورد آب فوق سرد را به خاطر دارید؟ بنابراین، مهم نیست که چه کاری انجام می دهید، در دمای -38 درجه سانتی گراد حتی خالص ترین آب فوق سرد به طور ناگهانی به یخ تبدیل می شود. با کاهش بیشتر دما چه اتفاقی خواهد افتاد؟ در دمای 120- درجه سانتیگراد اتفاق عجیبی برای آب رخ می دهد: مانند ملاس فوق چسبناک یا چسبناک می شود و در دمای زیر 135- درجه سانتیگراد به آب شیشه ای یا شیشه ای تبدیل می شود. جامد، که در آن ساختار کریستالی وجود ندارد.

4. آب فیزیکدانان را شگفت زده می کند

روشن سطح مولکولیآب حتی تعجب آورتر است. در سال 1995، یک آزمایش پراکندگی نوترون که توسط دانشمندان انجام شد، نتیجه غیرمنتظره ای به همراه داشت: فیزیکدانان کشف کردند که نوترون هایی که به سمت مولکول های آب هدف قرار می گیرند، 25 درصد کمتر از حد انتظار پروتون های هیدروژن را می بینند.

معلوم شد که با سرعت یک آتوثانیه (10 تا 18 ثانیه) یک اثر کوانتومی غیرمعمول رخ می دهد، و فرمول شیمیاییآب به جای H2O، تبدیل به H1.5O می شود!

5. حافظه آب

جایگزینی برای پزشکی رسمی، هومیوپاتی ادعا می کند که یک محلول رقیق شده است محصول داروییمی تواند اثر شفابخشی بر بدن داشته باشد، حتی اگر فاکتور رقت آنقدر زیاد باشد که چیزی جز مولکول های آب در محلول باقی نماند. طرفداران هومیوپاتی این پارادوکس را با مفهومی به نام «حافظه آب» توضیح می‌دهند که بر اساس آن آب در سطح مولکولی دارای «حافظه» از ماده‌ای است که پس از حل شدن در آن حل شده است و خواص محلول با غلظت اولیه را پس از یک بار حفظ می‌کند. مولکول ماده در آن باقی می ماند.

یک تیم بین المللی از دانشمندان به رهبری پروفسور مادلین انیس از دانشگاه کوئینز بلفاست که اصول هومیوپاتی را مورد انتقاد قرار داده بودند، در سال 2002 آزمایشی را انجام دادند تا یک بار برای همیشه این مفهوم را رد کنند. نتیجه برعکس شد. پس از آن، دانشمندان اظهار داشتند که آنها قادر به اثبات واقعیت اثر "حافظه آب" هستند. با این حال، آزمایش هایی که تحت نظارت کارشناسان مستقل انجام شد، نتیجه ای نداشت. بحث در مورد وجود پدیده "حافظه آب" همچنان ادامه دارد.

آب بسیاری از خواص غیر معمول دیگری نیز دارد که در این مقاله در مورد آنها صحبت نکردیم. به عنوان مثال، چگالی آب بسته به دما تغییر می کند (چگالی یخ کمتر از چگالی آب است)

آب کشش سطحی نسبتاً بالایی دارد

در حالت مایع، آب یک شبکه پیچیده و در حال تغییر پویا از خوشه‌های آب است و این رفتار خوشه‌ها است که بر ساختار آب و غیره تأثیر می‌گذارد.

می توانید در مورد این و بسیاری دیگر از ویژگی های غیرمنتظره آب در مقاله بخوانید. خواص غیرعادیآب» نوشته مارتین چاپلین، استاد دانشگاه لندن.

سلام دوستداران عزیز حقایق جالب. امروز در مورد آن با شما صحبت خواهیم کرد. اما من فکر می کنم که سؤال مطرح شده در عنوان ممکن است به سادگی پوچ به نظر برسد - اما آیا باید همیشه به "عقل سلیم" بدنام اعتماد کرد و نه یک آزمایش آزمایشی کاملاً ثابت. بیایید سعی کنیم بفهمیم چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند؟

پیشینه تاریخی

این که در موضوع یخ زدن آب سرد و گرم، «همه چیز پاک نیست» در آثار ارسطو ذکر شد، سپس یادداشت های مشابهی توسط F. Bacon، R. Descartes و J. Black بیان شد. در تاریخ مدرناین اثر به نام «پارادوکس مپمبا» - پس از دانش‌آموز تانگانیکا، اراستو امپمبا، که همان سؤال را از یک استاد فیزیک مدعو پرسید، نامگذاری شد.

سوال پسر از هیچ جا ناشی نشد، بلکه از مشاهدات شخصی صرفاً از روند خنک کردن مخلوط بستنی در آشپزخانه ناشی شد. البته همکلاسی هایی که آنجا حضور داشتند به همراه معلم مدرسهبه Mpemba خندید - با این حال، پس از یک آزمایش آزمایشی شخصاً توسط پروفسور D. Osborne، میل به تمسخر اراستو "تبخیر" شد. علاوه بر این، Mpemba، همراه با یک استاد، در آموزش فیزیک در سال 1969 منتشر شد توضیحات مفصلاین اثر - و از آن زمان نام فوق الذکر در ادبیات علمی تثبیت شده است.

ماهیت پدیده چیست؟

تنظیم آزمایش بسیار ساده است: همه چیزهای دیگر برابر هستند، ظروف با دیواره نازک یکسان آزمایش می شوند که حاوی مقادیر کاملاً مساوی آب هستند که فقط در دما متفاوت هستند. ظروف داخل یخچال قرار می گیرند و پس از آن زمان تشکیل یخ در هر یک از آنها ثبت می شود. تناقض این است که در ظرفی با مایع اولیه داغتر، این سریعتر اتفاق می افتد.

فیزیک مدرن چگونه این را توضیح می دهد؟

این پارادوکس توضیح جهانی ندارد، زیرا چندین فرآیند موازی با هم اتفاق می‌افتند، که سهم آنها ممکن است بسته به شرایط اولیه خاص متفاوت باشد - اما با یک نتیجه یکسان:

• توانایی یک مایع برای خنک شدن فوق العاده - در ابتدا آب سرد بیشتر مستعد خنک شدن فوق العاده است، به عنوان مثال. زمانی که دمای آن زیر نقطه انجماد باشد مایع باقی می ماند
• خنک کننده تسریع شده - بخار آب داغ به میکروکریستال های یخ تبدیل می شود که در هنگام برگشت، روند را تسریع می کنند و به عنوان یک "مبدل حرارت خارجی" اضافی کار می کنند.
• اثر عایق - برخلاف آب گرم، آب سرد از بالا یخ می زند، که منجر به کاهش انتقال حرارت توسط همرفت و تابش می شود.

توضیحات دیگری نیز وجود دارد ( آخرین بارانجمن سلطنتی شیمی بریتانیا اخیراً در سال 2012 مسابقه ای را برای بهترین فرضیه برگزار کرد - اما هنوز هیچ نظریه روشنی برای همه موارد ترکیب شرایط ورودی وجود ندارد ...

عوامل زیادی وجود دارند که بر یخ زدن سریعتر آب تأثیر می گذارند، گرم یا سرد، اما خود این سؤال کمی عجیب به نظر می رسد. مفهوم، و این از فیزیک شناخته شده است، این است که آب گرم برای تبدیل شدن به یخ هنوز به زمان نیاز دارد تا با دمای آب سرد مقایسه شود. این مرحله را می توان نادیده گرفت و بر این اساس، او به موقع برنده می شود.

اما پاسخ به این سوال که کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم - در بیرون در سرما، هر ساکن در عرض های جغرافیایی شمالی می داند. در واقع، از نظر علمی، معلوم می شود که در هر صورت، آب سرد به سادگی سریعتر یخ می زند.

معلم فیزیک، که در سال 1963 توسط یک دانش آموز Erasto Mpemba به او مراجعه کرد، همین موضوع را با درخواست توضیح داد که چرا مخلوط سرد بستنی آینده نسبت به بستنی مشابه، اما داغ، زمان بیشتری برای یخ زدن دارد.

"این فیزیک جهانی نیست، بلکه نوعی فیزیک Mpemba است"

در آن زمان معلم فقط به این موضوع خندید، اما دنیس آزبورن، استاد فیزیک، که زمانی از همان مدرسه ای که اراستو در آن تحصیل می کرد بازدید کرد، به طور تجربی وجود چنین تأثیری را تأیید کرد، اگرچه در آن زمان هیچ توضیحی برای آن وجود نداشت. در سال 1969، در محبوب مجله علمیمقاله مشترکی توسط این دو نفر منتشر شد که این اثر عجیب و غریب را توصیف کرد.

از آن زمان، به هر حال، این سوال که کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - نام خاص خود را دارد - اثر Mpemba یا پارادوکس.

این سوال برای مدت طولانی مطرح بوده است

طبیعتاً چنین پدیده ای قبلاً رخ داده است و در آثار دانشمندان دیگر نیز به آن اشاره شده است. نه تنها دانش آموز به این موضوع علاقه مند بود، بلکه رنه دکارت و حتی ارسطو نیز زمانی به آن فکر می کردند.

اما آنها فقط در پایان قرن بیستم به دنبال رویکردهایی برای حل این پارادوکس بودند.

شرایط برای وقوع یک پارادوکس

مانند بستنی، فقط آب ساده نیست که در طول آزمایش یخ می‌زند. باید حضور داشته باشد شرایط خاصبرای اینکه شروع به بحث کنید که کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم. چه چیزی بر روند این فرآیند تأثیر می گذارد؟

اکنون در قرن بیست و یکم گزینه های متعددی مطرح شده است که می تواند این تناقض را توضیح دهد. اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند، گرم یا سرد، ممکن است به این واقعیت بستگی داشته باشد که میزان تبخیر آن بیشتر از آب سرد است. بنابراین حجم آن کاهش می یابد و با کاهش حجم، زمان انجماد کمتر از زمانی می شود که همان حجم اولیه آب سرد را بگیریم.

مدتی است که فریزر را یخ زدایی کرده اید.

اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند و چرا این اتفاق می افتد می تواند تحت تأثیر پوشش برفی باشد که ممکن است در فریزر یخچال مورد استفاده برای آزمایش وجود داشته باشد. اگر دو ظرف را بردارید که از نظر حجم یکسان هستند، اما یکی از آنها حاوی آب گرم و دیگری سرد است، ظرف حاوی آب گرم، برف زیر را آب می کند و در نتیجه تماس سطح حرارتی با دیواره یخچال بهبود می یابد. یک ظرف آب سرد نمی تواند این کار را انجام دهد. اگر چنین پوششی با برف در محفظه یخچال وجود نداشته باشد، آب سرد باید سریعتر یخ بزند.

بالا - پایین

همچنین پدیده ای که آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - به شرح زیر توضیح داده شده است. با پیروی از قوانین خاصی، آب سرد از لایه های بالایی شروع به یخ زدن می کند، زمانی که آب گرم برعکس عمل می کند - از پایین به بالا شروع به یخ زدن می کند. به نظر می رسد که آب سرد، داشتن یک لایه سرد در بالای آن با یخ که قبلاً در مکان هایی تشکیل شده است، بنابراین فرآیندهای همرفت و تابش حرارتی را بدتر می کند، در نتیجه توضیح می دهد که کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم. عکس‌هایی از آزمایش‌های آماتور پیوست شده‌اند و این به وضوح در اینجا قابل مشاهده است.

گرما خاموش می شود، با عجله به سمت بالا می رود و در آنجا با یک لایه بسیار خنک برخورد می کند. هیچ مسیر آزاد برای تشعشع گرما وجود ندارد، بنابراین فرآیند خنک سازی دشوار می شود. آب گرم مطلقاً چنین مانعی در مسیر خود ندارد. کدامیک سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم، که نتیجه احتمالی به آن بستگی دارد، می توانید پاسخ را با گفتن اینکه هر آب دارای مواد خاصی در آن حل شده است، گسترش دهید.

ناخالصی های موجود در آب به عنوان یک عامل موثر بر نتیجه

اگر تقلب نکنید و از آب با همان ترکیب استفاده نکنید، جایی که غلظت برخی از مواد یکسان است، آب سرد باید سریعتر یخ بزند. اما اگر موقعیتی در هنگام منحل شدن رخ دهد عناصر شیمیاییفقط در آب گرم موجود هستند و آب سرد آنها را ندارد، پس امکان یخ زدن زودتر آب گرم وجود دارد. این امر با این واقعیت توضیح داده می شود که مواد محلول در آب، مراکز تبلور ایجاد می کنند و با تعداد کمی از این مراکز، تبدیل آب به حالت جامد دشوار است. حتی ممکن است آب فوق خنک شود، به این معنا که در دمای زیر صفر در حالت مایع باشد.

اما ظاهراً همه این نسخه ها کاملاً مناسب دانشمندان نبود و آنها به کار روی این موضوع ادامه دادند. در سال 2013، تیمی از محققان در سنگاپور گفتند که یک معمای قدیمی را حل کرده اند.

گروهی از دانشمندان چینی ادعا می کنند که راز این اثر در مقدار انرژی است که بین مولکول های آب در پیوندهای آن ذخیره می شود که پیوند هیدروژنی نامیده می شود.

پاسخ دانشمندان چینی

آنچه در ادامه می آید اطلاعاتی است که برای درک آن ها باید دانش شیمی داشته باشید تا بفهمید کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد. همانطور که مشخص است، از دو اتم H (هیدروژن) و یک اتم O (اکسیژن) تشکیل شده است که توسط پیوندهای کووالانسی در کنار هم نگه داشته می شوند.

اما همچنین اتم های هیدروژن یک مولکول به مولکول های مجاور، به جزء اکسیژن آنها جذب می شوند. به این پیوندها پیوند هیدروژنی می گویند.

شایان ذکر است که در عین حال، مولکول های آب بر یکدیگر اثر دافعه دارند. دانشمندان خاطرنشان کردند که وقتی آب گرم می شود، فاصله بین مولکول های آن افزایش می یابد و این توسط نیروهای دافعه تسهیل می شود. معلوم می شود که با اشغال همان فاصله بین مولکول ها در حالت سرد، می توان گفت که کشیده می شوند و ظاهر می شوند. سهام بزرگترانرژی این ذخیره انرژی است که زمانی آزاد می شود که مولکول های آب شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند، یعنی خنک شدن اتفاق می افتد. معلوم شد که ذخیره بیشتر انرژی در آب گرم و آزاد شدن بیشتر آن هنگام خنک شدن تا دمای زیر صفر سریعتر از آب سرد اتفاق می افتد که ذخیره کمتری از چنین انرژی دارد. بنابراین کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم؟ در خیابان و آزمایشگاه، پارادوکس Mpemba باید رخ دهد و آب داغ باید سریعتر به یخ تبدیل شود.

اما سوال هنوز باز است

تنها تأیید نظری این راه حل وجود دارد - همه اینها در فرمول های زیبا نوشته شده است و قابل قبول به نظر می رسد. اما زمانی که داده های تجربی که در آن آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - مورد استفاده عملی قرار گیرد و نتایج آنها ارائه شود، آنگاه می توان سؤال پارادوکس Mpemba را بسته در نظر گرفت.