În acest articol, vom vedea de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece.
Apa încălzită îngheață mult mai repede decât apa rece! aceasta proprietate uimitoare apa, explicația exactă pentru care oamenii de știință încă nu o pot găsi, este cunoscută din cele mai vechi timpuri. De exemplu, chiar și la Aristotel există o descriere pescuitul de iarnă: pescarii și-au introdus undițele în găurile din gheață și, ca să înghețe mai repede, au udat gheața apa calda. Numele acestui fenomen a fost numit după Erasto Mpemba în anii 60 ai secolului XX. Mnemba a observat efectul ciudat în timp ce făcea înghețată și a apelat la profesorul său de fizică, dr. Denis Osborn, pentru o explicație. Mpemba și Dr. Osborne au experimentat cu apă la temperaturi diferite și au ajuns la concluzia că apa aproape clocotită începe să înghețe mult mai repede decât apa. temperatura camerei. Alți oameni de știință și-au efectuat propriile experimente și de fiecare dată au obținut rezultate similare.
Explicarea unui fenomen fizic
Nu există o explicație general acceptată cu privire la motivul pentru care se întâmplă acest lucru. Mulți cercetători sugerează că totul este despre suprarăcirea unui lichid, care are loc atunci când temperatura acestuia scade sub punctul de îngheț. Cu alte cuvinte, dacă apa îngheață la o temperatură sub 0°C, atunci apa suprarăcită poate avea o temperatură de, de exemplu, -2°C și rămâne lichidă fără a se transforma în gheață. Când încercăm să înghețăm apa rece, există șansa ca aceasta să devină suprarăcită la început și să se întărească abia după ceva timp. În apa încălzită au loc alte procese. Transformarea sa mai rapidă în gheață este asociată cu convecția.
Convecție- aceasta este fenomen fizic, la care se ridică straturile inferioare calde ale lichidului, iar cele superioare, răcite, cad.
În 1963, un școlar din Tanzania pe nume Erasto Mpemba și-a pus profesorul o întrebare stupidă - de ce înghețata caldă a înghețat mai repede decât înghețata rece în congelatorul său?
Ca student la Magamba liceuîn Tanzania, Erasto Mpemba a făcut-o munca practicaîn artele culinare. A trebuit să facă înghețată de casă - să fierbe laptele, să dizolve zahărul în el, să-l răcească la temperatura camerei și apoi să-l pună la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student deosebit de harnic și a amânat prima parte a sarcinii. De teamă că nu va ajunge la timp până la sfârșitul lecției, a pus lapte încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, preparat după o anumită tehnologie.
A apelat la profesorul de fizică pentru lămuriri, dar a râs doar de student, spunând următoarele: „Aceasta nu este fizica lumii, ci fizica lui Mpemba”. După aceea, Mpemba a experimentat nu numai lapte, ci și apă obișnuită.
În orice caz, fiind deja elev al Liceului Mkvava, i-a pus o întrebare profesorului Dennis Osborn de la facultateîn Dar es Salaam (invitat de directorul școlii să susțină elevilor o prelegere despre fizică) despre apă: „Dacă iei două recipiente identice cu volume egale de apă, astfel încât într-unul dintre ele apa să aibă o temperatură de 35° C, iar în celălalt - 100 ° C și puneți-le la congelator, apoi în al doilea, apa va îngheța mai repede. De ce?" Osborn a devenit interesat de această problemă și curând, în 1969, împreună cu Mpemba, au publicat rezultatele experimentelor lor în revista Physics Education. De atunci, efectul descoperit de ei se numește efectul Mpemba.
Ești curios să știi de ce se întâmplă asta? Cu doar câțiva ani în urmă, oamenii de știință au putut explica acest fenomen …
Efectul Mpemba (Mpemba Paradox) este un paradox care afirmă că apa caldă în anumite condiții îngheață mai repede decât apa rece, deși trebuie să treacă de temperatura apei reci în procesul de îngheț. Acest paradox este un fapt experimental care contrazice ideile obișnuite, conform cărora, în aceleași condiții, un corp mai fierbinte are nevoie de mai mult timp pentru a se răci la o anumită temperatură decât un corp mai rece pentru a se răci la aceeași temperatură.
Acest fenomen a fost observat la acea vreme de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes. Până acum, nimeni nu știe exact cum să explice acest efect ciudat. Oamenii de știință nu au o singură versiune, deși există multe. Este vorba despre diferența dintre proprietățile apei calde și ale apei reci, dar nu este încă clar care proprietăți joacă un rol în acest caz: diferența de suprarăcire, evaporare, formare a gheții, convecție sau efectul gazelor lichefiate asupra apei în timpul temperaturi diferite. Paradoxul efectului Mpemba este că timpul în care corpul se răcește la temperatura ambiantă trebuie să fie proporțional cu diferența de temperatură dintre acest corp și mediu. Această lege a fost stabilită de Newton și de atunci a fost confirmată de multe ori în practică. În același efect, apa la 100°C se răcește cu 0°C mai repede decât aceeași cantitate de apă la 35°C.
De atunci, au fost exprimate diferite versiuni, dintre care una a fost următoarea: o parte din apa fierbinte pur și simplu se evaporă la început, iar apoi, când rămâne o cantitate mai mică, apa se solidifică mai repede. Această versiune, datorită simplității sale, a devenit cea mai populară, dar oamenii de știință nu au fost complet mulțumiți.
Acum, o echipă de cercetători de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore, condusă de chimistul Xi Zhang, spune că au rezolvat misterul vechi de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. După cum au descoperit experții chinezi, secretul constă în cantitatea de energie stocată în legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă.
După cum știți, moleculele de apă constau dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen ținuți împreună prin legături covalente, care la nivel de particule arată ca un schimb de electroni. O alta fapt cunoscut este că atomii de hidrogen sunt atrași de atomii de oxigen din moleculele vecine - în acest caz, se formează legături de hidrogen.
În același timp, moleculele de apă în ansamblu se resping reciproc. Oamenii de știință din Singapore au observat că, cu cât apa este mai caldă, cu atât distanța dintre moleculele lichidului este mai mare din cauza creșterii forțelor de respingere. Ca rezultat, legăturile de hidrogen sunt întinse și, prin urmare, stochează mai multă energie. Această energie este eliberată atunci când apa se răcește - moleculele se apropie unele de altele. Și întoarcerea energiei, după cum știți, înseamnă răcire.
Iată ipotezele prezentate de oamenii de știință:
Evaporare
Apa fierbinte se evaporă mai repede din recipient, reducându-i astfel volumul, iar un volum mai mic de apă cu aceeași temperatură îngheață mai repede. Apa încălzită la 100°C își pierde 16% din masă când este răcită la 0°C. Efectul de evaporare este un efect dublu. În primul rând, masa de apă necesară pentru răcire este redusă. Și în al doilea rând, din cauza evaporării, temperatura acestuia scade.
diferenta de temperatura
Deoarece diferența de temperatură dintre apa fierbinte iar aerul rece mai mult – prin urmare, transferul de căldură în acest caz este mai intens, iar apa caldă se răcește mai repede.
hipotermie
Când apa este răcită sub 0°C, nu îngheață întotdeauna. În anumite condiții, poate suferi suprarăcire în timp ce continuă să rămână lichid la temperaturi sub punctul de îngheț. În unele cazuri, apa poate rămâne lichidă chiar și la -20°C. Motivul acestui efect este că, pentru ca primele cristale de gheață să înceapă să se formeze, sunt necesare centre de formare a cristalelor. Dacă nu sunt în apă lichidă, atunci suprarăcirea va continua până când temperatura scade suficient de mult încât cristalele să înceapă să se formeze spontan. Când încep să se formeze în lichidul suprarăcit, ele vor începe să crească mai repede, formând un nămol de gheață care va îngheța pentru a forma gheață. Apa caldă este cel mai susceptibilă la hipotermie, deoarece încălzirea ei elimină gazele și bulele dizolvate, care la rândul lor pot servi drept centre pentru formarea cristalelor de gheață. De ce hipotermia face ca apa fierbinte să înghețe mai repede? In caz de apă rece, care nu este suprarăcită, se întâmplă următoarele: pe suprafața sa se formează un strat subțire de gheață, care acționează ca un izolator între apă și aerul rece și previne astfel evaporarea ulterioară. Rata de formare a cristalelor de gheață în acest caz va fi mai mică. În cazul apei calde aflate în subrăcire, apa subrăcită nu are un strat de suprafață de protecție de gheață. Prin urmare, pierde căldură mult mai repede prin partea superioară deschisă. Când procesul de suprarăcire se termină și apa îngheață, se pierde mult mai multă căldură și, prin urmare mai multa gheata. Mulți cercetători ai acestui efect consideră că hipotermia este principalul factor în cazul efectului Mpemba.
Convecție
Apa rece începe să înghețe de sus, înrăutățind astfel procesele de radiație a căldurii și convecție și, prin urmare, pierderea de căldură, în timp ce apa caldă începe să înghețe de jos. Acest efect se explică printr-o anomalie în densitatea apei. Apa are o densitate maximă la 4°C. Dacă răciți apa la 4°C și o plasați într-un mediu cu o temperatură mai scăzută, stratul de apă de la suprafață va îngheța mai repede. Deoarece această apă este mai puțin densă decât apa la 4°C, va rămâne la suprafață, formând un strat rece subțire. În aceste condiții, la suprafața apei se va forma un strat subțire de gheață pentru o perioadă scurtă de timp, dar acest strat de gheață va servi drept izolator protejând straturile inferioare de apă, care vor rămâne la 4°C. Prin urmare, procesul de răcire ulterioară va fi mai lent. In cazul apei calde situatia este cu totul alta. Strat de suprafață apa se va raci mai repede din cauza evaporarii si a unei diferente de temperatura mai mare. De asemenea, straturile de apă rece sunt mai dense decât straturile de apă caldă, astfel încât stratul de apă rece se va scufunda în jos, ridicând stratul. apa calda la suprafata. Această circulație a apei asigură o scădere rapidă a temperaturii. Dar de ce acest proces nu ajunge la punctul de echilibru? Pentru a explica efectul Mpemba din punctul de vedere al convecției, ar trebui să presupunem că straturile de apă rece și fierbinte sunt separate și procesul de convecție în sine continuă după ce temperatura medie a apei scade sub 4°C. Cu toate acestea, nu există dovezi experimentale care să susțină această ipoteză că straturile de apă rece și caldă sunt separate prin convecție.
gaze dizolvate în apă
Apa conține întotdeauna gaze dizolvate în ea - oxigen și dioxid de carbon. Aceste gaze au capacitatea de a reduce punctul de îngheț al apei. Când apa este încălzită, aceste gaze sunt eliberate din apă deoarece solubilitatea lor în apă la temperatura ridicata de mai jos. Prin urmare, atunci când apa fierbinte este răcită, există întotdeauna mai puține gaze dizolvate în ea decât în apa rece neîncălzită. Prin urmare, punctul de îngheț al apei încălzite este mai mare și îngheață mai repede. Acest factor este uneori considerat ca fiind principalul în explicarea efectului Mpemba, deși nu există date experimentale care să confirme acest fapt.
Conductivitate termică
Acest mecanism poate juca un rol semnificativ atunci când apa este plasată într-un frigider congelator în recipiente mici. În aceste condiții, s-a observat că recipientul cu apă fierbinte topește gheața congelatorului sub el însuși, îmbunătățind astfel contactul termic cu peretele congelatorului și conductivitatea termică. Ca urmare, căldura este îndepărtată din recipientul cu apă caldă mai repede decât din cel rece. La rândul său, recipientul cu apă rece nu topește zăpada sub el. Toate aceste (precum și alte) condiții au fost studiate în multe experimente, dar un răspuns fără ambiguitate la întrebare - care dintre ele oferă o reproducere de 100% a efectului Mpemba - nu a fost obținut. Deci, de exemplu, în 1995, fizicianul german David Auerbach a studiat influența suprarăcirii apei asupra acestui efect. El a descoperit că apa fierbinte, ajungând într-o stare de suprarăcire, îngheață la o temperatură mai mare decât apa rece și, prin urmare, mai repede decât cea din urmă. Dar apă rece ajunge la starea de suprarăcire mai repede decât cea fierbinte, compensând astfel întârzierea anterioară. În plus, rezultatele lui Auerbach au contrazis datele anterioare conform cărora apa fierbinte este capabilă să realizeze mai multă suprarăcire datorită mai puține centre de cristalizare. Când apa este încălzită, gazele dizolvate în ea sunt îndepărtate din ea, iar când este fiertă precipită unele săruri dizolvate în ea. Până acum, un singur lucru poate fi afirmat - reproducerea acestui efect depinde în mod semnificativ de condițiile în care se desfășoară experimentul. Tocmai pentru că nu este întotdeauna reprodus.
Și iată cel mai probabil motiv.
După cum scriu chimiștii în articolul lor, care poate fi găsit pe site-ul arXiv.org preprint, legăturile de hidrogen sunt întinse mai puternic în apă caldă decât în apă rece. Astfel, se dovedește că mai multă energie este stocată în legăturile de hidrogen ale apei fierbinți, ceea ce înseamnă că mai multă energie este eliberată atunci când este răcită la temperaturi sub zero. Din acest motiv, congelarea este mai rapidă.
Până în prezent, oamenii de știință au rezolvat această ghicitoare doar teoretic. Atunci când prezintă dovezi convingătoare ale versiunii lor, atunci întrebarea de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece poate fi considerată închisă.
Societatea Regală Britanică de Chimie oferă o recompensă de 1.000 de lire sterline oricui poate explica punct științific vezi de ce în unele cazuri apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece.
„Știința modernă încă nu poate răspunde la această întrebare aparent simplă. Producătorii de înghețată și barmanii folosesc acest efect în munca lor de zi cu zi, dar nimeni nu știe cu adevărat de ce funcționează. Această problemă este cunoscută de milenii, filozofi precum Aristotel și Descartes s-au gândit la ea”, a declarat președintele Societății Regale Britanice de Chimie, profesorul David Philips, citat într-un comunicat de presă al Societății.
Cum un bucătar african a învins un profesor britanic de fizică
Nu este Gluma lui Aprilie dar realitatea fizică dură. Știința de astăzi, care operează cu ușurință pe galaxii și găuri negre, construind acceleratoare gigantice pentru a căuta quarci și bozoni, nu poate explica cum „funcționează” apa elementară. Manualul școlar afirmă fără ambiguitate că este nevoie de mai mult timp pentru a răci un corp fierbinte decât pentru a răci un corp rece. Dar pentru apă această lege nu este întotdeauna respectată. Aristotel a atras atenția asupra acestui paradox în secolul al IV-lea î.Hr. e. Iată ce a scris greaca anticaîn Meteorologica I: „Faptul că apa este preîncălzită contribuie la înghețarea acesteia. Prin urmare, mulți oameni, când doresc să răcească rapid apa fierbinte, o pun mai întâi la soare ... ”În Evul Mediu, Francis Bacon și Rene Descartes au încercat să explice acest fenomen. Din păcate, nici marii filozofi, nici numeroșii oameni de știință care au dezvoltat fizica termică clasică nu au reușit acest lucru și, prin urmare, un fapt atât de incomod a fost „uitat” multă vreme.
Și abia în 1968 și-au „amintit” datorită școlarului Erasto Mpemba din Tanzania, departe de orice știință. În timp ce studia la o școală de gătit, în 1963, lui Mpembe, în vârstă de 13 ani, i s-a dat sarcina de a face înghețată. Conform tehnologiei, era necesar să fierbeți laptele, să dizolvați zahărul în el, să-l răciți la temperatura camerei și apoi să-l puneți la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student harnic și a ezitat. De teamă că nu va ajunge la timp până la sfârșitul lecției, a pus laptele încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, pregătit după toate regulile.
Când Mpemba și-a împărtășit descoperirea cu un profesor de fizică, s-a făcut de râs de el în fața întregii clase. Mpemba și-a amintit insulta. Cinci ani mai târziu, deja student la Universitatea din Dar es Salaam, a fost la o prelegere susținută de celebrul fizician Denis G. Osborne. După prelegere, el i-a pus omului de știință o întrebare: „Dacă luați două recipiente identice cu aceeași cantitate de apă, unul la 35 °C (95 °F) și celălalt la 100 °C (212 °F), și puneți la congelator, apoi apa într-un recipient fierbinte va îngheța mai repede. De ce?" Vă puteți imagina reacția unui profesor britanic la o întrebare a unui tânăr din Tanzania părăsită de Dumnezeu. Și-a luat joc de student. Cu toate acestea, Mpemba era pregătit pentru un astfel de răspuns și l-a provocat pe om de știință la un pariu. Argumentul lor a culminat cu un test experimental care i-a dovedit lui Mpemba dreptate și Osborne a învins. Așa că studentul-bucătar și-a înscris numele în istoria științei, iar de acum înainte acest fenomen se numește „efectul Mpemba”. Să-l renunți, să-l declari ca și cum „inexistent” nu funcționează. Fenomenul există și, așa cum scria poetul, „nu în dinte cu picior”.
Sunt particulele de praf și substanțele dizolvate de vină?
De-a lungul anilor, mulți au încercat să dezlege misterul apei înghețate. Au fost propuse o grămadă de explicații pentru acest fenomen: evaporarea, convecția, influența substanțelor dizolvate - dar niciunul dintre acești factori nu poate fi considerat definitiv. O serie de oameni de știință și-au dedicat întreaga viață efectului Mpemba. Angajat al Departamentului de Siguranță Radiațională Universitate de stat New York - James Brownridge - în timp liber a studiat paradoxul de peste un deceniu. După ce a efectuat sute de experimente, omul de știință susține că are dovezi ale „vinovăției” hipotermiei. Brownridge explică că la 0°C, apa se răcește doar la suprafață și începe să înghețe atunci când temperatura scade sub. Punctul de îngheț este reglat de impuritățile din apă - acestea modifică viteza de formare a cristalelor de gheață. Impuritățile, și acestea sunt particule de praf, bacterii și săruri dizolvate, au temperatura lor de nucleare caracteristică, când se formează cristale de gheață în jurul centrilor de cristalizare. Când în apă sunt mai multe elemente deodată, punctul de îngheț este determinat de cel cu cea mai mare temperatură de nucleare.
Pentru experiment, Brownridge a luat două mostre de apă la aceeași temperatură și le-a pus într-un congelator. El a descoperit că unul dintre specimene îngheață întotdeauna înaintea celuilalt - probabil din cauza unei combinații diferite de impurități.
Brownridge susține că apa fierbinte se răcește mai repede datorită diferenței mai mari de temperatură dintre apă și congelator - acest lucru îl ajută să atingă punctul de îngheț înainte ca apa rece să atingă punctul de îngheț natural, care este mai scăzut. macar, la 5°C.
Cu toate acestea, raționamentul lui Brownridge ridică multe întrebări. Prin urmare, cei care pot explica efectul Mpemba în felul lor au șansa de a concura pentru o mie de lire sterline de la Societatea Regală Britanică de Chimie.
Efectul Mpemba(Paradoxul Mpemba) - un paradox care afirmă că apa caldă în anumite condiții îngheață mai repede decât apa rece, deși trebuie să treacă de temperatura apei reci în procesul de îngheț. Acest paradox este un fapt experimental care contrazice ideile obișnuite, conform cărora, în aceleași condiții, un corp mai fierbinte are nevoie de mai mult timp pentru a se răci la o anumită temperatură decât un corp mai rece pentru a se răci la aceeași temperatură.
Acest fenomen a fost observat la acea vreme de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes, dar abia în 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a constatat că un amestec de înghețată fierbinte îngheață mai repede decât unul rece.
Erasto Mpemba era elev la liceul Magambin din Tanzania, făcând lucrări practice de gătit. A trebuit să facă înghețată de casă - să fierbe laptele, să dizolve zahărul în el, să-l răcească la temperatura camerei și apoi să-l pună la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student deosebit de harnic și a amânat prima parte a sarcinii. De teamă că nu va ajunge la timp până la sfârșitul lecției, a pus laptele încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, preparat după o anumită tehnologie.
După aceea, Mpemba a experimentat nu numai lapte, ci și apă obișnuită. În orice caz, fiind deja elev la liceul Mkwawa, l-a întrebat pe profesorul Dennis Osborne de la University College din Dar es Salaam (invitat de directorul școlii să susțină o prelegere despre fizică studenților) despre apă: „Dacă iei două recipiente identice cu volume egale de apă, astfel încât într-unul dintre ele apa să aibă o temperatură de 35 ° C, iar în celălalt - 100 ° C, și puneți-le la congelator, apoi în al doilea apa va îngheța mai repede. De ce? Osborne a devenit interesat de această problemă și curând, în 1969, împreună cu Mpemba, au publicat rezultatele experimentelor lor în revista „Educația fizică”. De atunci, efectul pe care l-au descoperit se numește Efectul Mpemba.
Până acum, nimeni nu știe exact cum să explice acest efect ciudat. Oamenii de știință nu au o singură versiune, deși există multe. Este vorba despre diferența dintre proprietățile apei calde și ale apei reci, dar nu este încă clar care proprietăți joacă un rol în acest caz: diferența de suprarăcire, evaporare, formare a gheții, convecție sau efectul gazelor lichefiate asupra apei la temperaturi diferite.
Paradoxul efectului Mpemba este că timpul în care corpul se răcește la temperatura ambiantă trebuie să fie proporțional cu diferența de temperatură dintre acest corp și mediu. Această lege a fost stabilită de Newton și de atunci a fost confirmată de multe ori în practică. În același efect, apa la 100°C se răcește cu 0°C mai repede decât aceeași cantitate de apă la 35°C.
Cu toate acestea, acest lucru nu implică încă un paradox, deoarece efectul Mpemba poate fi explicat și în fizica cunoscută. Iată câteva explicații pentru efectul Mpemba:
Evaporare
Apa fierbinte se evaporă mai repede din recipient, reducându-i astfel volumul, iar un volum mai mic de apă cu aceeași temperatură îngheață mai repede. Apa încălzită la 100 C își pierde 16% din masă atunci când este răcită la 0 C.
Efectul de evaporare este un efect dublu. În primul rând, masa de apă necesară pentru răcire este redusă. Și în al doilea rând, temperatura scade datorită faptului că căldura de evaporare a trecerii de la faza de apă la faza de vapori scade.
diferenta de temperatura
Datorita faptului ca diferenta de temperatura dintre apa calda si aerul rece este mai mare – deci schimbul de caldura in acest caz este mai intens si apa calda se raceste mai repede.
hipotermie
Când apa este răcită sub 0 C, nu îngheață întotdeauna. În anumite condiții, poate suferi suprarăcire în timp ce continuă să rămână lichid la temperaturi sub punctul de îngheț. În unele cazuri, apa poate rămâne lichidă chiar și la -20 C.
Motivul acestui efect este că, pentru ca primele cristale de gheață să înceapă să se formeze, sunt necesare centre de formare a cristalelor. Dacă nu sunt în apă lichidă, atunci suprarăcirea va continua până când temperatura scade suficient de mult încât cristalele să înceapă să se formeze spontan. Când încep să se formeze în lichidul suprarăcit, ele vor începe să crească mai repede, formând un nămol de gheață care va îngheța pentru a forma gheață.
Apa caldă este cel mai susceptibilă la hipotermie, deoarece încălzirea ei elimină gazele și bulele dizolvate, care la rândul lor pot servi drept centre pentru formarea cristalelor de gheață.
De ce hipotermia face ca apa fierbinte să înghețe mai repede? În cazul apei rece, care nu este suprarăcită, se întâmplă următoarele. În acest caz, pe suprafața vasului se va forma un strat subțire de gheață. Acest strat de gheață va acționa ca un izolator între apă și aerul rece și va preveni evaporarea ulterioară. Rata de formare a cristalelor de gheață în acest caz va fi mai mică. În cazul apei calde aflate în subrăcire, apa subrăcită nu are un strat de suprafață de protecție de gheață. Prin urmare, pierde căldură mult mai repede prin partea superioară deschisă.
Când procesul de suprarăcire se termină și apa îngheață, se pierde mult mai multă căldură și, prin urmare, se formează mai multă gheață.
Mulți cercetători ai acestui efect consideră că hipotermia este principalul factor în cazul efectului Mpemba.
Convecție
Apa rece începe să înghețe de sus, înrăutățind astfel procesele de radiație a căldurii și convecție și, prin urmare, pierderea de căldură, în timp ce apa caldă începe să înghețe de jos.
Acest efect se explică printr-o anomalie în densitatea apei. Apa are o densitate maximă la 4 C. Dacă răcești apa la 4 C și o pui la o temperatură mai scăzută, stratul de apă de la suprafață va îngheța mai repede. Deoarece această apă este mai puțin densă decât apa la 4°C, va rămâne la suprafață, formând un strat rece subțire. În aceste condiții, la suprafața apei se va forma un strat subțire de gheață pentru o perioadă scurtă de timp, dar acest strat de gheață va servi drept izolator protejând straturile inferioare de apă, care vor rămâne la o temperatură de 4 C. Prin urmare , răcirea ulterioară va fi mai lentă.
In cazul apei calde situatia este cu totul alta. Stratul de suprafață de apă se va răci mai repede din cauza evaporării și a unei diferențe mai mari de temperatură. De asemenea, straturile de apă rece sunt mai dense decât straturile de apă caldă, astfel încât stratul de apă rece se va scufunda, ridicând stratul de apă caldă la suprafață. Această circulație a apei asigură o scădere rapidă a temperaturii.
Dar de ce acest proces nu ajunge la punctul de echilibru? Pentru a explica efectul Mpemba din acest punct de vedere al convecției, ar fi necesar să presupunem că straturile de apă rece și fierbinte sunt separate și procesul de convecție în sine continuă după ce temperatura medie a apei scade sub 4 C.
Cu toate acestea, nu există dovezi experimentale care să susțină această ipoteză conform căreia straturile reci de apă calde sunt separate prin convecție.
gaze dizolvate în apă
Apa conține întotdeauna gaze dizolvate în ea - oxigen și dioxid de carbon. Aceste gaze au capacitatea de a reduce punctul de îngheț al apei. Când apa este încălzită, aceste gaze sunt eliberate din apă deoarece solubilitatea lor în apă la temperatură ridicată este mai mică. Prin urmare, atunci când apa fierbinte este răcită, există întotdeauna mai puține gaze dizolvate în ea decât în apa rece neîncălzită. Prin urmare, punctul de îngheț al apei încălzite este mai mare și îngheață mai repede. Acest factor este uneori considerat ca fiind principalul în explicarea efectului Mpemba, deși nu există date experimentale care să confirme acest fapt.
Conductivitate termică
Acest mecanism poate juca un rol semnificativ atunci când apa este plasată într-un frigider congelator în recipiente mici. În aceste condiții, s-a observat că recipientul cu apă fierbinte topește gheața congelatorului sub el însuși, îmbunătățind astfel contactul termic cu peretele congelatorului și conductivitatea termică. Ca urmare, căldura este îndepărtată din recipientul cu apă caldă mai repede decât din cel rece. La rândul său, recipientul cu apă rece nu topește zăpada sub el.
Toate aceste condiții (precum și alte) au fost studiate în multe experimente, dar un răspuns fără echivoc la întrebare - care dintre ele oferă o reproducere 100% a efectului Mpemba - nu a fost obținut.
Deci, de exemplu, în 1995, fizicianul german David Auerbach a studiat influența suprarăcirii apei asupra acestui efect. El a descoperit că apa fierbinte, ajungând într-o stare de suprarăcire, îngheață la o temperatură mai mare decât apa rece și, prin urmare, mai repede decât cea din urmă. Dar apa rece ajunge la starea de suprarăcire mai repede decât apa fierbinte, compensând astfel întârzierea anterioară.
În plus, rezultatele lui Auerbach au contrazis datele anterioare conform cărora apa fierbinte este capabilă să realizeze mai multă suprarăcire datorită mai puține centre de cristalizare. Când apa este încălzită, gazele dizolvate în ea sunt îndepărtate din ea, iar când este fiertă precipită unele săruri dizolvate în ea.
Până acum, un singur lucru poate fi afirmat - reproducerea acestui efect depinde în esență de condițiile în care se desfășoară experimentul. Tocmai pentru că nu este întotdeauna reprodus.
O. V. Mosin
Literarsurse:
„Apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. De ce face asta?”, Jearl Walker în The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, p. 246-257; septembrie 1977.
„Înghețarea apei calde și reci”, G.S. Kell în Jurnalul American de Fizică, Vol. 37, nr. 5, p. 564-565; mai 1969.
„Superrăcirea și efectul Mpemba”, David Auerbach, în American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, p. 882-885; octombrie 1995.
„Efectul Mpemba: timpii de îngheț ai apei calde și reci”, Charles A. Knight, în American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, p. 524; mai 1996.
Apa este unul dintre cele mai uimitoare lichide din lume, care are proprietăți neobișnuite. De exemplu, gheață stare solidă lichid, are o greutate specifică mai mică decât apa însăși, ceea ce a făcut multe posibilă aparițieși dezvoltarea vieții pe pământ. În plus, în aproape științific, și lumea științifică sunt discutii despre care apa ingheata mai repede - calda sau rece. Cine dovedește înghețarea mai rapidă a unui lichid fierbinte în anumite condițiiși să-și fundamenteze științific decizia, va primi un premiu de 1000 de lire sterline de la British Royal Society of Chemists.
fundal
Faptul că, în mai multe condiții, apa caldă este înaintea apei rece în ceea ce privește rata de îngheț, a fost observat încă din Evul Mediu. Francis Bacon și René Descartes au depus mult efort în explicarea acestui fenomen. Cu toate acestea, din punctul de vedere al ingineriei termice clasice, acest paradox nu poate fi explicat și au încercat să-l tacă cu timiditate. Impulsul pentru continuarea disputei a fost o poveste oarecum curioasă care i s-a întâmplat școlarului tanzanian Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) în 1963. Odată, în timpul unei lecții de preparare a deserturilor la o școală de gătit, un băiat, distras de alte lucruri, nu a avut timp să răcească la timp amestecul de înghețată și să pună o soluție de zahăr în lapte fierbinte în congelator. Spre surprinderea lui, produsul sa răcit ceva mai repede decât cel al colegilor săi practicanți care au observat regim de temperatură preparat de inghetata.
Încercând să înțeleagă esența fenomenului, băiatul a apelat la un profesor de fizică, care, fără a intra în detalii, și-a ridiculizat experimentele culinare. Erasto s-a remarcat însă printr-o perseverență de invidiat și și-a continuat experimentele nu pe lapte, ci pe apă. S-a asigurat că în unele cazuri apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece.
Intrând la Universitatea din Dar es Salaam, Erasto Mpembe a participat la o prelegere susținută de profesorul Dennis G. Osborne. După absolvire, studentul l-a nedumerit pe om de știință cu problema ratei de îngheț a apei în funcție de temperatura acesteia. D.G. Osborne a ridiculizat chiar formularea întrebării, afirmând cu aplomb că orice învins știe că apa rece va îngheța mai repede. Totuși, tenacitatea firească a tânărului s-a făcut simțită. A făcut un pariu cu profesorul, oferindu-se să facă un test experimental aici, în laborator. Erasto a pus două recipiente cu apă în congelator, unul la 95°F (35°C) și celălalt la 212°F (100°C). Care a fost surpriza profesorului și a „fanilor” din jur când apa din al doilea recipient a înghețat mai repede. De atunci, acest fenomen a fost numit „Paradoxul Mpemba”.
Cu toate acestea, până în prezent nu există o ipoteză teoretică coerentă care să explice „Paradoxul Mpemba”. Nu este clar ce factori externi compoziție chimică apă, prezența gazelor dizolvate și a mineralelor în ea afectează viteza de înghețare a lichidelor la diferite temperaturi. Paradoxul „Efectului Mpemba” este că acesta contrazice una dintre legile descoperite de I. Newton, care afirmă că timpul de răcire al apei este direct proporțional cu diferența de temperatură dintre lichid și mediu. Și dacă toate celelalte lichide sunt complet supuse acestei legi, atunci apa în unele cazuri este o excepție.
De ce apa fierbinte îngheață mai repede?t
Există mai multe versiuni ale motivului pentru care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Principalele sunt:
- apa fierbinte se evaporă mai repede, în timp ce volumul său scade, iar un volum mai mic de lichid se răcește mai repede - când apa este răcită de la + 100 ° С la 0 ° С, pierderile de volum în timpul presiune atmosferică ajunge la 15%;
- rata schimbului de căldură între lichid și mediu inconjurator cu atât mai mare decât mai multa diferenta temperaturi, astfel încât pierderea de căldură a apei clocotite trece mai repede;
- când apa fierbinte se răcește, pe suprafața ei se formează o crustă de gheață, împiedicând lichidul să înghețe și să se evapore complet;
- la o temperatură ridicată a apei are loc amestecarea ei prin convecție, reducând timpul de înghețare;
- gazele dizolvate în apă scad punctul de îngheț, luând energie pentru formarea cristalelor - nu există gaze dizolvate în apa fierbinte.
Toate aceste condiții au fost supuse verificărilor experimentale repetate. În special, omul de știință german David Auerbach a descoperit că temperatura de cristalizare a apei calde este puțin mai mare decât cea a apei rece, ceea ce face posibilă înghețarea primei mai rapid. Cu toate acestea, ulterior experimentele sale au fost criticate și mulți oameni de știință sunt convinși că „Efectul Mpemba” despre care apa îngheață mai repede - caldă sau rece, nu poate fi reprodus decât în anumite condiții, pe care nimeni nu le-a căutat și concretizat până acum.
