У дома Градина на перваза на прозореца Топлата вода е по-лека от студената. Ефектът Мпемба или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената вода

Градина на перваза на прозореца

Топлата вода е по-лека от студената. Ефектът Мпемба или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената вода

Коя вода замръзва по-бързо, топла или студена, се влияе от много фактори, но самият въпрос изглежда малко странен. Разбираемо е и е известно от физиката, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на сравнима студена вода, за да се превърне в лед. Студената вода може да прескочи този етап и съответно печели във времето.

Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - на улицата в замръзване, знае всеки жител северни ширини. Всъщност научно се оказва, че във всеки случай студената вода просто трябва да замръзне по-бързо.

Така направи и учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г. с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва по-дълго от подобна, но гореща.

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

По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осборн, професор по физика, който по едно време отиде в същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди съществуването на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това . През 1969 г. в популярн научно списаниепубликува съвместна статия на тези двама души, които описват този особен ефект.

Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, има свое име - ефектът или парадоксът Mpemba.

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 мислеха за това по едно време.

Ето само подходите за разрешаване на този парадокс започнаха да се търсят 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 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, а с намаляване на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем подобен първоначален обем студена вода.

Фризерът отдавна е размразен

Коя вода замръзва по-бързо и защо го прави, може да бъде повлияно от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземем два контейнера, които са еднакви по обем, но единият от тях ще съдържа топла вода, а в другата - студена, съд с топла водатопи снега под него, като по този начин подобрява контакта на термичното ниво със стената на хладилника. контейнер с студена водане може да направи това. Ако в хладилника няма такава подплата 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 топлата го прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. В същото време се оказва, 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. Приложена е снимка от любителски опити и тук се вижда ясно.

Топлината излиза навън, като се стреми 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 такива бариери по пътя си. Кое замръзва по-бързо - студено или горещо, от което зависи вероятният резултат, можете да разширите отговора, като кажете, че всяка вода има определени вещества, разтворени в нея.

Примесите в състава на водата като фактор, влияещ върху резултата

Ако не мамите 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 елементиналични само в топла вода, докато при студена ги няма, тогава има възможност топлата вода да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените във водата вещества създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори преохлаждане на водата, в смисъл, че при минусови температури тя ще бъде в течно състояние.

Но всички тези версии, очевидно, не отговарят на учените до края и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековната 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 допълнителна информация, за чието разбиране е необходимо да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както знаете, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), държани заедно чрез ковалентни връзки.

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

В същото време си струва да запомните, че в същото време водните молекули действат отблъскващо една на друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че заемайки едно разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, че те се разтягат и имат по-голям запас от енергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започнат да се приближават една към 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 става 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 Mpemba и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.

Но въпросът все още е отворен

Има само теоретично потвърждение на тази следа - всичко това е написано в красиви формули и изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни, коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, бъдат поставени в практически смисъл и резултатите от тях бъдат представени, тогава ще бъде възможно да се счита въпросът за парадокса на Мпемба за приключен.

В добрата стара формула H 2 O изглежда, че няма тайни. Но всъщност водата - източникът на живот и най-известната течност в света - е изпълнена с много мистерии, които понякога дори учените не могат да разрешат.

Ето 5 най-много интересни фактиотносно водата:

1. Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода

Вземете два съда с вода: налейте гореща вода в единия и студена в другия 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 студена температура и след това да се превърне в лед, докато студената вода не трябва да се охлажда. Защо се случва това?

През 1963 г. Ерасто Б. Мпемба, гимназист гимназияв Танзания при замразяване на готова смес за сладолед забелязах, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учител по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът беше упорит и убеди учителя да проведе експеримент, който потвърди откритието му: в определени условияТоплата вода всъщност замръзва по-бързо от студената вода.

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

Забележка от Х.RU към темата "Топлата вода замръзва по-бързо от студената".

Тъй като въпросите за охлаждането са по-близки до нас, хладилниците, ще си позволим да навлезем по-дълбоко в същността на този проблем и да дадем две мнения за същността на такъв мистериозен феномен.

1. Учен от Вашингтонския университет предложи обяснение за мистериозен феномен, известен още от времето на Аристотел: защо горещата вода замръзва по-бързо от студената.

Феноменът, наречен ефект на Мпемба, се използва широко в практиката. Например, експертите съветват шофьорите да наливат студена, а не топла вода в резервоара на пералнята през зимата. Но какво стои в основата на този феномен? за дълго времеостана неизвестен.

Д-р Джонатан Кац от Университета на Вашингтон изследва този феномен и заключава, че важна роляиграе се от вещества, разтворени във вода, които се утаяват при нагряване, според EurekAlert.

Под разтворени вещества д-р Katz се отнася до калциевите и магнезиевите бикарбонати, открити в твърдата вода. Когато водата се нагрява, тези вещества се утаяват, образувайки котлен камък по стените на чайника. Водата, която никога не е била нагрявана, съдържа тези примеси. При замръзване и образуване на ледени кристали концентрацията на примеси във водата се увеличава 50 пъти. Това понижава точката на замръзване на водата. „И сега водата трябва да се охлади, за да замръзне“, обяснява д-р Кац.

Има и втора причина, която предотвратява замръзването на незагрята вода. Понижаването на точката на замръзване на водата намалява температурната разлика между твърдата и течната фаза. „Тъй като скоростта, с която водата губи топлина, зависи от тази температурна разлика, водата, която не е била нагрята, е по-малко вероятно да се охлади“, казва д-р Кац.

Според учения неговата теория може да бъде проверена експериментално, т.к. ефектът Mpemba става по-изразен при по-твърда вода.

2. Кислород плюс водород плюс студ създават лед. На пръв поглед това прозрачно вещество изглежда много просто. Всъщност ледът е изпълнен с много мистерии. Ледът, създаден от африканеца Ерасто Мпемба, не мислеше за слава. Дните бяха горещи. Той искаше плодов лед. Той взе кашон със сок и го сложи във фризера. Той направи това повече от веднъж и затова забеляза, че сокът замръзва особено бързо, ако го държите на слънце преди това - просто го загрейте! Това е странно, помисли си ученикът от Танзания, който постъпи противно на светската мъдрост. Възможно ли е, за да може течността да се превърне по-бързо в лед, първо трябва да се... загрее? Младият мъж бил толкова изненадан, че споделил предположението си с учителя. Той съобщи за това любопитство в пресата.

Тази история се случи през 60-те години на миналия век. Сега "ефектът на Мпемба" е добре известен на учените. Но дълго време това на пръв поглед просто явление остава загадка. Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?

Едва през 1996 г. физикът Дейвид Ауербах намира решение. За да отговори на този въпрос, той провежда експеримент в продължение на цяла година: загрява вода в чаша и я охлажда отново. И така, какво разбра? При нагряване въздушните мехурчета, разтворени във вода, се изпаряват. Лишената от газове вода замръзва по-лесно по стените на съда. „Разбира се, вода с високо съдържание на въздух също ще замръзне“, казва Ауербах, „но не при нула градуса по Целзий, а само при минус четири до шест градуса.“ Разбира се, ще трябва да почакате повече. И така, горещата вода замръзва преди студената, това е научен факт.

Едва ли има вещество, което да се появи пред очите ни със същата лекота като леда. Състои се само от водни молекули - тоест елементарни молекули, съдържащи два водородни атома и един кислород. Ледът обаче е може би най-мистериозното вещество във Вселената. Учените не са успели да обяснят някои от свойствата му досега.

2. Преохлаждане и замръзване "светкавично".

Всеки знае, че водата винаги се превръща в лед, когато се охлади до 0 °C... освен в някои случаи! Такъв случай например е "преохлаждането", което е свойство на много чиста водаостават течни дори когато са охладени под точката на замръзване. Това явление е възможно благодарение на факта, че околен святне съдържа центрове или ядра на кристализация, които биха могли да провокират образуването на ледени кристали. И така водата остава в течна форма, дори когато се охлади до температури под нула градуса по Целзий. Процесът на кристализация може да бъде предизвикан например от газови мехурчета, примеси (замърсяване), неравна повърхност на контейнера. Без тях водата ще остане в течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как суперохладената вода моментално се превръща в лед.

Гледайте видеоклипа (2 901 Kb, 60 c) от Фил Медина (www.mrsciguy.com) и се уверете сами >>

Коментирайте.Прегрятата вода също остава течна, дори когато се нагрее над точката на кипене.

3. "Стъклена" вода

Бързо и без колебание назовете колко различни състоянияима ли водата?

Ако сте отговорили три (твърдо, течно, газообразно), тогава грешите. Учените разграничават най-малко 5 различни състояния на водата в течна форма и 14 състояния на лед.

Помните ли разговора за супер охладената вода? Така че, каквото и да правите, при -38 ° C дори най-чистата свръхохладена вода внезапно се превръща в лед. Какво се случва при по-нататъшно намаляване

температура? При -120 °C с водата започва да се случва нещо странно: тя става свръхвискозна или вискозна, като меласата, а при температури под -135 °C се превръща в "стъклена" или "стъклена" вода - твърдо вещество, в което няма кристална структура.

4. Квантови свойства на водата

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

Оказа се, че със скорост от една атосекунда (10 -18 секунди) възниква необичаен квантов ефект, а химична формулавода вместо обичайната - H 2 O, става H 1,5 O!

5. Водата има ли памет?

Хомеопатията, алтернатива на конвенционалната медицина, твърди, че разреден разтвор лекарствен продуктможе да има терапевтичен ефект върху тялото, дори ако факторът на разреждане е толкова голям, че в разтвора не е останало нищо освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепцията, наречена „паметта 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 като не се една единствена молекула от съставката остава в него.

Международен екип от учени, ръководен от професор Маделин Енис от Кралския университет в Белфаст, който критикува принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае тази концепция веднъж завинаги. Резултатът беше обратният. След което учените казаха, че успяха да докажат реалността на ефекта на "паметта на водата". Въпреки това експериментите, проведени под наблюдението на независими експерти, не доведоха до резултати. Споровете за съществуването на феномена "памет на водата" продължават.

Водата има много други необичайни свойствакоито не сме разгледали в тази статия.

Литература.

1. 5 наистина странни неща за водата / http://www.neatorama.com.
2. Мистерията на водата: създадена е теорията за ефекта на Аристотел-Мпемба / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Тайните на неживата природа. Най-мистериозното вещество във Вселената / http://www.bibliotekar.ru.

Много изследователи са излагали и излагат свои версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Изглежда парадоксално - в крайна сметка, за да замръзне, горещата вода първо трябва да се охлади. Фактът обаче си остава факт и учените го обясняват по различни начини.

Основни версии

На този моментИма няколко версии, които обясняват този факт:

Тъй като изпарението в гореща вода е по-бързо, нейният обем намалява. По-малко количество вода със същата температура замръзва по-бързо.
Фризерната част на хладилника е със снежна подплата. Съд с гореща вода топи снега отдолу. Това подобрява термичния контакт с фризера.
Замразяването на студена вода, за разлика от горещата, започва отгоре. В този случай конвекцията и топлинното излъчване и следователно загубата на топлина се влошават.
В студената вода има центрове на кристализация - вещества, разтворени в нея. При малко съдържание на тях във вода обледеняването е трудно, но в същото време е възможна нейната хипотермия - когато е в течно състояние при минусови температури.

Въпреки че е честно да се каже, че този ефектне винаги се наблюдава. Студената вода често замръзва по-бързо от горещата вода.

При каква температура замръзва водата

Защо водата изобщо замръзва? Съдържа определено количество минерални или органични частици. Това например могат да бъдат много фини частици пясък, прах или глина. Когато температурата на въздуха спадне, тези частици се превръщат в центрове, около които се образуват ледени кристали.

Ролята на кристализационни ядра могат да изпълняват и въздушни мехурчета и пукнатини в контейнер, съдържащ вода. Скоростта на процеса на превръщане на водата в лед до голяма степен се влияе от броя на такива центрове - ако има много от тях, течността замръзва по-бързо. При нормални условия, при нормални атмосферно налягане, водата отива в в твърдо състояниетечност при 0 градуса.

Същността на ефекта Мпемба

Ефектът на Мпемба се разбира като парадокс, чиято същност е, че при определени обстоятелства горещата вода замръзва по-бързо от студената. Това явление е забелязано от Аристотел и Декарт. Въпреки това, едва през 1963 г. Ерасто Мпемба, ученик от Танзания, установи, че горещият сладолед замръзва за повече от кратко времеотколкото студено. Той направи такова заключение, докато изпълняваше задачата за готвене.

Той трябваше да разтвори захар в сварено мляко и след като го охлади, да го постави в хладилника да замръзне. Очевидно Мпемба не се отличаваше със специално усърдие и започна да изпълнява първата част от задачата късно. Затова той не изчака млякото да изстине, а го постави в хладилника горещо. Той беше много изненадан, когато замръзна дори по-бързо от това на съучениците му, които свършиха работата по зададената технология.

Този факт много заинтересува младежа и той започна експерименти с обикновена вода. През 1969 г. списанието Physics Education публикува резултатите от изследването на Mpemba и професор Dennis Osborn от университета в Дар ес Салаам. Ефектът, който описват, е наречен Mpemba. И до днес обаче няма ясно обяснение на феномена. Всички учени са съгласни, че основната роля за това играят разликите в свойствата на охладената и топлата вода, но какво точно е неизвестно.

Сингапурска версия

Физиците от един от сингапурските университети също се интересуваха от въпроса коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена? Екип от изследователи, ръководен от Си Джан, обясни този парадокс именно със свойствата на водата. Всички все още знаят състава на водата от училище - един атом кислород и два атома водород. Кислородът до известна степен извлича електрони от водорода, така че молекулата е определен вид "магнит".

В резултат на това някои молекули във водата са леко привлечени една към друга и са обединени от водородна връзка. Силата му е в пъти по-ниска от ковалентната връзка. Сингапурски изследователи смятат, че обяснението на парадокса Мпемба се крие именно във водородните връзки. Ако водните молекули са поставени много близо една до друга, тогава такова силно взаимодействие между молекулите може да деформира ковалентната връзка в средата на самата молекула.

Но когато водата се нагрява, свързаните молекули се отдалечават леко една от друга. В резултат на това се получава релаксация на ковалентните връзки в средата на молекулите с връщане на излишната енергия и преход към най-ниската енергийно ниво. Това води до факта, че горещата вода започва да се охлажда бързо. от поне, така показват теоретичните изчисления, извършени от сингапурски учени.

Незабавно замразяване на водата - 5 невероятни трика: Видео

Мпемба ефект(Mpemba Paradox) 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 в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно 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. танзанийският ученик Ерасто Мпемба установява, че горещата смес за сладолед замръзва по-бързо от студената.

Като ученик в гимназията Магамба в Танзания Ерасто Мпемба го направи практическа работав кулинарното изкуство. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори захарта в него, да го охлади стайна температураи след това поставете в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и е протакал първата част от задачата. Страхувайки се, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещото мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология.

След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, вече като ученик в гимназия Мквава, той зададе въпрос на професор Денис Осборн от университетв Дар ес Салаам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в един от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги сложете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Озбърн се заинтересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от своите експерименти в списанието "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 Мпемба е, че времето, през което тялото 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 същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C.

Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да бъде обяснен и 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 със 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, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. 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 определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при -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 не са 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 ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед.

Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира 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? При студена вода, която не е преохладена, 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-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, 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 на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 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, защитаващ 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 повече разликатемператури. Освен това 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 до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещи 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 чрез конвекция.

газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден двуокис. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температураПо-долу. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има 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 в хладилник с фризер в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него.

Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но недвусмислен отговор на въпроса - кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Mpemba - не е получен.

Така например през 1995 г. немският физик Давид 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 преохладеното състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне.

В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отстраняват от нея, а при кипене някои разтворени в нея соли се утаяват.

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

вода- доста просто вещество от химическа гледна точка, но има редица необичайни свойства, които никога не престават да учудват учените. По-долу са някои факти, за които малко хора знаят.

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

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

Сега този феномен на гореща вода, която замръзва по-бързо от студена вода, се нарича " Мпемба ефект". Вярно е, че много преди него това уникално свойство на водата е отбелязано от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт.

2. Тя е в състояние да замръзне моментално

Всеки знае това водавинаги се превръща в лед, когато се охлади до 0 °C ... освен в някои случаи! Такъв случай е например преохлаждането, което е свойството на много чистата вода да остава течна дори когато се охлади до температура под нулата. Това явление става възможно поради факта, че околната среда не съдържа кристализационни центрове или ядра, които биха могли да провокират образуването на ледени кристали. И така водата остава в течна форма, дори когато се охлади до температури под нула градуса по Целзий.

процес на кристализациямогат да бъдат провокирани например от газови мехурчета, примеси (замърсяване), неравна повърхност на контейнера. Без тях водата ще остане в течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как суперохладената вода моментално се превръща в лед.

Имайте предвид, 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, тогава 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 се случва, когато температурата спадне допълнително? При -120°C нещо странно започва да се случва с водата: тя става свръхвискозна или вискозна, като меласата, а при температури под -135°C се превръща в „стъклена“ или „стъклена“ вода – твърдо вещество, което липсва кристална структура.

4. Водата изненадва физиците

Оказа се, че със скорост от една атосекунда (10 -18 секунди) се получава необичаен квантов ефект и химичната формула на водата вместо H2O, става H1.5O!

5. Водна памет

Алтернатива на официалната медицина хомеопатиятвърди, че разреден разтвор на лекарство може да има терапевтичен ефект върху тялото, дори ако факторът на разреждане е толкова голям, че в разтвора не е останало нищо освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепция, наречена " водна памет”, според който водата на молекулярно ниво има „памет” за веднъж разтворено в нея вещество и запазва свойствата на разтвор с първоначална концентрация, след като в него не остане нито една молекула съставка.

Международен екип от учени, ръководен от професор Маделин Енис от Кралския университет в Белфаст, който критикува принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае концепцията веднъж завинаги. Резултатът беше обратният. След това учените казаха, че са успели да докажат реалността на ефекта " водна памет". Експериментите, проведени под наблюдението на независими експерти, обаче не доведоха до резултати. Спорове за съществуването на феномена " водна памет" продължи.

Водата има много други необичайни свойства, които не сме разгледали в тази статия. Например, плътността на водата варира в зависимост от температурата (плътността на леда е по-малка от тази на водата); водата има доста голямо 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.

За тези и много други неочаквани функции водаможе да се прочете в статията Аномални свойства на водата”, чийто автор е Мартин Чаплин, професор в Лондонския университет.