Ce apă îngheață mai repede, fierbinte sau rece, este influențată de mulți factori, dar întrebarea în sine pare puțin ciudată. Se înțelege, și se știe din fizică, că apa fierbinte încă are nevoie de timp pentru a se răci la temperatura apei reci comparabile pentru a se transforma în gheață. Apa rece poate sări peste această etapă și, în consecință, câștigă în timp.
Dar răspunsul la întrebarea despre care apa îngheață mai repede - rece sau fierbinte - pe stradă în îngheț, orice locuitor știe latitudinile nordice. De fapt, din punct de vedere științific, se dovedește că, în orice caz, apa rece pur și simplu trebuie să înghețe mai repede.
La fel a făcut și profesorul de fizică, care a fost abordat de școlarul Erasto Mpemba în 1963 cu o cerere de a explica de ce amestecul rece de viitoare înghețată îngheață mai mult decât unul similar, dar fierbinte.
„Aceasta nu este fizica mondială, ci un fel de fizică Mpemba”
La acea vreme, profesorul râdea doar de acest lucru, dar Deniss Osborne, profesor de fizică, care la un moment dat a mers la aceeași școală în care a studiat Erasto, a confirmat experimental existența unui astfel de efect, deși nu exista o explicație pentru acest lucru atunci. . În 1969, în popular jurnal stiintific a publicat un articol comun al acestor două persoane care a descris acest efect deosebit.
De atunci, apropo, întrebarea care apă îngheață mai repede - caldă sau rece, își are propriul nume - efectul sau paradoxul, Mpemba.
Întrebarea există de mult timp
Desigur, un astfel de fenomen a mai avut loc și a fost menționat în lucrările altor oameni de știință. Nu doar școlarul a fost interesat de această întrebare, ci și Rene Descartes și chiar Aristotel s-au gândit la ea la un moment dat.
Iată doar abordări pentru rezolvarea acestui paradox care au început să se uite abia la sfârșitul secolului al XX-lea.
Condiții pentru a se produce un paradox
Ca și în cazul înghețatei, nu este doar apa obișnuită care îngheață în timpul experimentului. Anumite condiții trebuie să fie prezente pentru a începe să argumentezi care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte. Ce influențează acest proces?
Acum, în secolul XXI, au fost propuse mai multe opțiuni care pot explica acest paradox. Ce apă îngheață mai repede, fierbinte sau rece, poate depinde de faptul că are o rată de evaporare mai rapidă decât apa rece. Astfel, volumul acestuia scade, iar odata cu scaderea volumului, timpul de congelare devine mai scurt decat daca luam un volum initial similar de apa rece.
Congelatorul a fost dezghețat de mult
Ce apă îngheață mai repede și de ce face acest lucru poate fi afectată de căptușeala de zăpadă care poate fi prezentă în congelatorul frigiderului folosit pentru experiment. Dacă luăm două recipiente care au volum identic, dar unul dintre ele va conține apa fierbinte, iar în celălalt - rece, un recipient cu apa fierbinte topește zăpada de sub ea, îmbunătățind astfel contactul nivelului termic cu peretele frigiderului. recipient cu apă rece nu pot face asta. Dacă nu există o astfel de căptușeală cu zăpadă în frigider, apa rece ar trebui să înghețe mai repede.
Sus jos
De asemenea, fenomenul căruia apa îngheață mai repede - caldă sau rece, se explică astfel. Urmând anumite legi, apa rece începe să înghețe din straturile superioare, când apa fierbinte o face invers - începe să înghețe de jos în sus. În același timp, se dovedește că apa rece, având deasupra un strat rece cu gheață deja formată în unele locuri, afectează astfel procesele de convecție și Radiație termala, explicând astfel care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte. Este atașată o fotografie din experimentele de amatori și aici este vizibilă clar.
Căldura se stinge, tinzând în sus, și acolo întâlnește un strat foarte răcoros. Nu există o cale liberă pentru radiația de căldură, astfel încât procesul de răcire devine dificil. Apa caldă nu are absolut astfel de bariere în cale. Care îngheață mai repede - rece sau cald, de care depinde rezultatul probabil, puteți extinde răspunsul spunând că orice apă are anumite substanțe dizolvate în ea.
Impuritățile în compoziția apei ca factor care influențează rezultatul
Dacă nu înșelați și folosiți apă cu aceeași compoziție, unde concentrațiile anumitor substanțe sunt identice, atunci apa rece ar trebui să înghețe mai repede. Dar dacă apare o situație când dizolvarea elemente chimice disponibil numai în apă caldă, în timp ce apa rece nu le are, atunci există posibilitatea ca apa caldă să înghețe mai devreme. Acest lucru se explică prin faptul că substanțele dizolvate în apă creează centre de cristalizare, iar cu un număr mic din acești centri, transformarea apei în stare solidă este dificilă. Este posibilă chiar și suprarăcirea apei, în sensul că la temperaturi sub zero va fi în stare lichida.
Dar toate aceste versiuni, aparent, nu s-au potrivit oamenilor de știință până la sfârșit și au continuat să lucreze la această problemă. În 2013, o echipă de cercetători din Singapore a spus că au rezolvat misterul vechi.
Un grup de oameni de știință chinezi susțin că secretul acestui efect constă în cantitatea de energie care este stocată între moleculele de apă din legăturile sale, numite legături de hidrogen.
Răspunsul de la oamenii de știință chinezi
Vor urma informații suplimentare, pentru înțelegerea cărora este necesar să aveți niște cunoștințe în chimie pentru a ne da seama care apă îngheață mai repede - caldă sau rece. După cum știți, este format din doi atomi de H (hidrogen) și un atom de O (oxigen) ținuți împreună prin legături covalente.
Dar atomii de hidrogen ai unei molecule sunt atrași și de moleculele vecine, de componenta lor de oxigen. Aceste legături se numesc legături de hidrogen.
În același timp, merită să ne amintim că, în același timp, moleculele de apă acționează respingător unele asupra altora. Oamenii de știință au observat că atunci când apa este încălzită, distanța dintre moleculele sale crește, iar acest lucru este facilitat de forțele de respingere. Se dovedește că ocupând o distanță între molecule în stare rece, se poate spune că acestea se întind și au o rezervă mai mare de energie. Această rezervă de energie este eliberată atunci când moleculele de apă încep să se apropie unele de altele, adică are loc răcirea. Se dovedește că o aprovizionare mai mare de energie în apă caldă și o eliberare mai mare a acesteia atunci când este răcită la temperaturi sub zero, are loc mai repede decât în apa rece, care are o cantitate mai mică de astfel de energie. Deci care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte? Pe stradă și în laborator ar trebui să apară paradoxul Mpemba, iar apa fierbinte să se transforme mai repede în gheață.
Dar întrebarea este încă deschisă
Există doar o confirmare teoretică a acestui indiciu - toate acestea sunt scrise în formule frumoase și par plauzibile. Dar atunci când datele experimentale, care apa îngheață mai repede - caldă sau rece, vor fi puse în sens practic și rezultatele lor vor fi prezentate, atunci va fi posibil să se considere închisă problema paradoxului Mpemba.
În vechea formulă H 2 O, s-ar părea că nu există secrete. Dar, de fapt, apa - sursa vieții și cel mai faimos lichid din lume - este plină de multe mistere pe care uneori nici oamenii de știință nu le pot rezolva.
Iată cele mai multe 5 fapte interesante despre apa:
1. Apa caldă îngheață mai repede decât apa rece
Luați două recipiente cu apă: turnați apă fierbinte într-unul și apă rece în celălalt și puneți-le la congelator. Apa fierbinte va îngheța mai repede decât apa rece, deși în mod logic, apa rece ar fi trebuit să se transforme mai întâi în gheață: la urma urmei, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la temperatura rece și apoi să se transforme în gheață, în timp ce apa rece nu trebuie să se răcească. De ce se întâmplă asta?
În 1963, Erasto B. Mpemba, elev de liceu liceu in Tanzania, la congelarea unui amestec de inghetata preparat, am observat ca amestecul cald se intareste mai repede in congelator decat cel rece. Când tânărul și-a împărtășit descoperirea cu un profesor de fizică, a râs doar de el. Din fericire, elevul a fost persistent și l-a convins pe profesor să efectueze un experiment, care i-a confirmat descoperirea: în anumite condiții Apa caldă îngheață de fapt mai repede decât apa rece.
Acum, acest fenomen de înghețare a apei calde mai repede decât apa rece se numește efectul Mpemba. Adevărat, cu mult înainte proprietate unică apa a fost remarcată de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes.
Oamenii de știință nu înțeleg pe deplin natura acestui fenomen, explicându-l fie prin diferența de hipotermie, evaporare, formare a gheții, convecție, fie prin efectul gazelor lichefiate asupra apei calde și reci.
Notă de la Х.RU la subiectul „Apa caldă îngheață mai repede decât apa rece”.
Întrucât problemele răcirii sunt mai aproape de noi, specialiști în refrigerare, să aprofundăm puțin în esența acestei probleme și să dăm două păreri despre natura unui astfel de fenomen misterios.
1. Un om de știință de la Universitatea din Washington a oferit o explicație pentru un fenomen misterios cunoscut încă de pe vremea lui Aristotel: de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece.
Fenomenul, numit efect Mpemba, este utilizat pe scară largă în practică. De exemplu, experții îi sfătuiesc pe șoferi să toarne apă rece, mai degrabă decât fierbinte, în rezervorul de spălat, iarna. Dar ce stă la baza acestui fenomen? perioadă lungă de timp rămas necunoscut.
Dr. Jonathan Katz de la Universitatea din Washington a investigat acest fenomen și a concluzionat că rol important este jucat de substanțele dizolvate în apă, care precipită la încălzire, conform EurekAlert.
Sub dizolvat substante dr Katz se referă la bicarbonații de calciu și magneziu găsiți în apa dură. Când apa este încălzită, aceste substanțe precipită, formând solzi pe pereții ibricului. Apa care nu a fost niciodată încălzită conține aceste impurități. Pe măsură ce îngheață și se formează cristale de gheață, concentrația de impurități din apă crește de 50 de ori. Acest lucru scade punctul de îngheț al apei. „Și acum apa trebuie să se răcească pentru a îngheța”, explică dr. Katz.
Există un al doilea motiv care previne înghețarea apei neîncălzite. Scăderea punctului de îngheț al apei reduce diferența de temperatură dintre faza solidă și cea lichidă. „Deoarece rata cu care apa pierde căldură depinde de această diferență de temperatură, apa care nu a fost încălzită se răcește mai rău”, comentează dr. Katz.
Potrivit omului de știință, teoria sa poate fi testată experimental, deoarece. efectul Mpemba devine mai pronunțat pentru apa mai dură.
2. Oxigenul plus hidrogenul plus frigul creează gheață. La prima vedere, această substanță transparentă pare foarte simplă. De fapt, gheața este plină de multe mistere. Gheața creată de africanul Erasto Mpemba nu s-a gândit la glorie. Zilele erau calde. El a vrut gheata de fructe. A luat o cutie de suc și a pus-o la congelator. A făcut acest lucru de mai multe ori și, prin urmare, a observat că sucul îngheață foarte repede, dacă îl țineți la soare înainte de asta - doar încălziți-l! Acest lucru este ciudat, s-a gândit școlarul tanzanian, care a acționat contrar înțelepciunii lumești. Este posibil ca, pentru ca lichidul să se transforme mai repede în gheață, acesta trebuie mai întâi... încălzit? Tânărul a fost atât de surprins încât și-a împărtășit bănuiala profesorului. El a relatat această curiozitate în presă.
Această poveste s-a întâmplat în anii 1960. Acum „efectul Mpemba” este bine cunoscut oamenilor de știință. Dar multă vreme acest fenomen aparent simplu a rămas un mister. De ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece?
Abia în 1996, fizicianul David Auerbach a găsit o soluție. Pentru a răspunde la această întrebare, a efectuat un experiment timp de un an întreg: a încălzit apă într-un pahar și a răcit-o din nou. Deci ce a aflat? Când sunt încălzite, bulele de aer dizolvate în apă se evaporă. Apa lipsită de gaze îngheață mai ușor pe pereții vasului. „Desigur, apa cu un conținut ridicat de aer va îngheța și ea”, spune Auerbach, „dar nu la zero grade Celsius, ci doar la minus patru până la șase grade”. Desigur, va trebui să așteptați mai mult. Deci, apa fierbinte îngheață înainte de apa rece, acesta este un fapt științific.
Cu greu există o substanță care să apară în fața ochilor noștri cu aceeași ușurință ca gheața. Este format numai din molecule de apă - adică molecule elementare care conțin doi atomi de hidrogen și unul de oxigen. Cu toate acestea, gheața este poate cea mai misterioasă substanță din univers. Oamenii de știință nu au reușit să explice unele dintre proprietățile sale până acum.
2. Suprarăcire și congelare „flash”.
Toată lumea știe că apa se transformă întotdeauna în gheață când se răcește la 0 °C... cu excepția unor cazuri! Un astfel de caz, de exemplu, este „superrăcirea”, care este o proprietate a foarte apa pura rămâne lichid chiar și atunci când este răcit sub punctul de îngheț. Acest fenomen este posibil prin faptul că Mediu inconjurator nu contine centri sau nuclei de cristalizare, care ar putea provoca formarea de cristale de gheata. Și astfel apa rămâne în formă lichidă, chiar și atunci când este răcită la temperaturi sub zero grade Celsius. Procesul de cristalizare poate fi declanșat, de exemplu, de bule de gaz, impurități (poluare), suprafața neuniformă a recipientului. Fără ele, apa va rămâne în stare lichidă. Când începe procesul de cristalizare, puteți urmări cum apa super-răcită se transformă instantaneu în gheață.
Urmărește videoclipul (2 901 Kb, 60 c) de Phil Medina (www.mrsciguy.com) și vezi singur >>
Cometariu. Apa supraîncălzită rămâne, de asemenea, lichidă chiar și atunci când este încălzită peste punctul său de fierbere.
3. Apă „de sticlă”.
Rapid și fără ezitare, spune cât de mult diferite state apa are?
Dacă ai răspuns la trei (solid, lichid, gaz), atunci te înșeli. Oamenii de știință disting cel puțin 5 stări diferite ale apei sub formă lichidă și 14 stări ale gheții.
Îți amintești conversația despre apa super-răcită? Deci, indiferent ce faci, la -38°C, chiar și cea mai pură apă super-răcită se transformă brusc în gheață. Ce se întâmplă cu o scădere suplimentară
temperatura? La -120 °C, ceva ciudat începe să se întâmple cu apa: ea devine supervâscoasă sau vâscoasă, precum melasa, iar la temperaturi sub -135 °C se transformă în apă „sticloasă” sau „sticoasă” - o substanță solidă în care nu există o structură cristalină.
4. Proprietățile cuantice ale apei
La nivel molecular, apa este și mai surprinzătoare. În 1995, oamenii de știință au efectuat un experiment privind împrăștierea neutronilor a dat un rezultat neașteptat: fizicienii au descoperit că neutronii care vizează moleculele de apă „văd” cu 25% mai puțini protoni de hidrogen decât se aștepta.
S-a dovedit că la viteza de o attosecundă (10 -18 secunde) are loc un efect cuantic neobișnuit și formula chimica apa in loc de obisnuita - H 2 O, devine H 1,5 O!
5. Apa are memorie?
Homeopatia, o alternativă la medicina convențională, susține că o soluție diluată medicament poate avea un efect terapeutic asupra organismului, chiar dacă factorul de diluție este atât de mare încât nu mai rămâne nimic în soluție decât molecule de apă. Susținătorii homeopatiei explică acest paradox printr-un concept numit „memoria apei”, conform căruia apa la nivel molecular are o „memorie” a substanței odată dizolvată în ea și păstrează proprietățile soluției concentrației inițiale după nu o o singură moleculă a ingredientului rămâne în ea.
O echipă internațională de oameni de știință condusă de profesorul Madeleine Ennis de la Universitatea Queen din Belfast, care a criticat principiile homeopatiei, a efectuat un experiment în 2002 pentru a infirma acest concept odată pentru totdeauna. Rezultatul a fost invers. După ce, oamenii de știință au spus că au reușit să demonstreze realitatea efectului „memoriei apei. Cu toate acestea, experimentele efectuate sub supravegherea experților independenți, nu au adus rezultate. Disputele despre existența fenomenului „memoriei apei” continuă.
Apa are multe altele proprietăți neobișnuite pe care nu le-am acoperit în acest articol.
Literatură.
1. 5 lucruri cu adevărat ciudate despre apă / http://www.neatorama.com.
2. Misterul apei: a fost creată teoria efectului Aristotel-Mpemba / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Secretele naturii neînsuflețite. Cea mai misterioasă substanță din univers / http://www.bibliotekar.ru.
Mulți cercetători au propus și propun propriile versiuni cu privire la motivul pentru care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. S-ar părea un paradox - la urma urmei, pentru a îngheța, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească. Cu toate acestea, realitatea rămâne, iar oamenii de știință îl explică în moduri diferite.
Versiuni majore
Pe acest moment Există mai multe versiuni care explică acest fapt:
- Deoarece evaporarea în apa fierbinte este mai rapidă, volumul acesteia scade. O cantitate mai mică de apă la aceeași temperatură îngheață mai repede.
- Compartimentul congelator al frigiderului are o căptușeală de zăpadă. Un recipient care conține apă fierbinte topește zăpada de dedesubt. Acest lucru îmbunătățește contactul termic cu congelatorul.
- Înghețarea apei reci, spre deosebire de cea caldă, începe de sus. În acest caz, convecția și radiația de căldură și, în consecință, pierderile de căldură se înrăutățesc.
- În apa rece există centre de cristalizare - substanțe dizolvate în ea. Cu un conținut mic de ele în apă, glazura este dificilă, deși, în același timp, hipotermia sa este posibilă - atunci când are o stare lichidă la temperaturi sub zero.
Deși este corect să spunem că acest efect nu întotdeauna observată. Apa rece îngheață adesea mai repede decât apa fierbinte.
La ce temperatură îngheață apa
De ce îngheață apa? Conține o anumită cantitate de particule minerale sau organice. Acestea, de exemplu, pot fi particule foarte fine de nisip, praf sau argilă. Pe măsură ce temperatura aerului scade, aceste particule devin centre în jurul cărora se formează cristale de gheață.
Rolul nucleelor de cristalizare poate fi îndeplinit și de bule de aer și fisuri într-un recipient care conține apă. Viteza procesului de transformare a apei în gheață este în mare măsură influențată de numărul de astfel de centre - dacă există multe dintre ele, lichidul îngheață mai repede. În condiții normale, cu normal presiune atmosferică, apa intră în stare solidă lichid la 0 grade.
Esența efectului Mpemba
Efectul Mpemba este înțeles ca un paradox, a cărui esență este că, în anumite circumstanțe, apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Acest fenomen a fost observat de Aristotel și Descartes. Cu toate acestea, abia în 1963 Erasto Mpemba, un școlar din Tanzania, a stabilit că înghețata fierbinte îngheață în mai mult de un timp scurt decât frigul. A făcut o astfel de concluzie în timp ce executa sarcina de a găti.
A trebuit să dizolve zahărul în laptele fiert și, după ce s-a răcit, să-l pună la frigider să se înghețe. Aparent, Mpemba nu s-a diferențiat prin diligență specială și a început să îndeplinească cu întârziere prima parte a sarcinii. Prin urmare, nu a așteptat să se răcească laptele și l-a pus în frigider fierbinte. A fost foarte surprins când a înghețat și mai repede decât cel al colegilor săi, care au făcut munca în conformitate cu tehnologia dată.
Acest fapt l-a interesat foarte mult pe tânăr și a început experimentele cu apă plată. În 1969, revista Physics Education a publicat rezultatele cercetării lui Mpemba și a profesorului Dennis Osborn de la Universitatea din Dar es Salaam. Efectul descris de ei a primit numele de Mpemba. Cu toate acestea, nici astăzi nu există o explicație clară pentru fenomen. Toți oamenii de știință sunt de acord că rolul principal în acest lucru aparține diferențelor dintre proprietățile apei răcite și ale apei calde, dar ce anume este necunoscut.
Versiunea Singapore
Fizicienii de la una dintre universitățile din Singapore au fost și ei interesați de întrebarea, care apă îngheață mai repede - caldă sau rece? O echipă de cercetători condusă de Xi Zhang a explicat acest paradox tocmai prin proprietățile apei. Toată lumea știe încă de la școală compoziția apei - un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Oxigenul într-o oarecare măsură atrage electroni din hidrogen, deci molecula este un anumit tip de „magnet”.
Ca urmare, anumite molecule din apă sunt ușor atrase unele de altele și sunt unite printr-o legătură de hidrogen. Forța sa este de multe ori mai mică decât legătura covalentă. Cercetătorii din Singapore cred că explicația paradoxului Mpemba constă tocmai în legăturile de hidrogen. Dacă moleculele de apă sunt plasate foarte strâns, atunci o astfel de interacțiune puternică între molecule poate deforma legătura covalentă din mijlocul moleculei în sine.
Dar când apa este încălzită, moleculele legate se îndepărtează ușor unele de altele. Ca urmare, în mijlocul moleculelor, are loc relaxarea legăturilor covalente cu revenirea energiei în exces și trecerea la cea mai joasă. nivel de energie. Acest lucru duce la faptul că apa fierbinte începe să se răcească rapid. De macar, deci arată calculele teoretice efectuate de oamenii de știință din Singapore.
Înghețare instantanee a apei - 5 trucuri incredibile: video
Efectul Mpemba(Paradoxul lui Mpemba) 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, dar abia în 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a constatat că un amestec de înghețată fierbinte îngheață mai repede decât unul rece.
Ca elev la liceul Magamba din 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 temperatura camerei si apoi pune la frigider pentru a se congela. 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 plată. 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?" 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 rapid datorită evaporării și mai multa diferenta temperaturile. 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 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 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 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.
Apă- o substanță destul de simplă din punct de vedere chimic, cu toate acestea, are o serie de proprietăți neobișnuite care nu încetează să uimească oamenii de știință. Mai jos sunt câteva fapte despre care puțini oameni le știu.
1. Care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte?
Luați două recipiente cu apă: turnați apă fierbinte într-unul și apă rece în celălalt și puneți-le la congelator. Apa fierbinte va îngheța mai repede decât apa rece, deși în mod logic, apa rece ar fi trebuit să se transforme mai întâi în gheață: la urma urmei, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la temperatura rece și apoi să se transforme în gheață, în timp ce apa rece nu trebuie să se răcească. De ce se întâmplă asta?
În 1963, un student din Tanzania pe nume Erasto B. Mpemba, în timp ce congela un amestec de înghețată preparat, a observat că amestecul fierbinte se solidifica mai repede în congelator decât cel rece. Când tânărul și-a împărtășit descoperirea cu un profesor de fizică, a râs doar de el. Din fericire, elevul a fost persistent și l-a convins pe profesor să efectueze un experiment, care i-a confirmat descoperirea: în anumite condiții, apa caldă îngheață într-adevăr mai repede decât apa rece.
Acum, acest fenomen de înghețare a apei calde mai repede decât apa rece se numește „ Efectul Mpemba". Adevărat, cu mult înaintea lui, această proprietate unică a apei a fost remarcată de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes.
Oamenii de știință nu înțeleg pe deplin natura acestui fenomen, explicându-l fie prin diferența de hipotermie, evaporare, formare a gheții, convecție, fie prin efectul gazelor lichefiate asupra apei calde și reci.
2. Este capabilă să înghețe instantaneu
Toata lumea stie asta apă se transformă întotdeauna în gheață când este răcit la 0 °C ... cu excepția unor cazuri! Un astfel de caz este, de exemplu, suprarăcirea, care este proprietatea apei foarte pure de a rămâne lichidă chiar și atunci când este răcită la o temperatură sub zero. Acest fenomen devine posibil datorită faptului că mediul nu conține centre de cristalizare sau nuclee care ar putea provoca formarea de cristale de gheață. Și astfel apa rămâne în formă lichidă, chiar și atunci când este răcită la temperaturi sub zero grade Celsius.
procesul de cristalizare poate fi provocată, de exemplu, de bule de gaz, impurități (poluare), suprafața neuniformă a recipientului. Fără ele, apa va rămâne în stare lichidă. Când începe procesul de cristalizare, puteți urmări cum apa super-răcită se transformă instantaneu în gheață.
Rețineți că apa „supraîncălzită” rămâne, de asemenea, lichidă chiar și atunci când este încălzită peste punctul său de fierbere.
3. 19 stări ale apei
Numește fără ezitare câte stări diferite are apa? Dacă ai răspuns la trei: solid, lichid, gazos, atunci te înșeli. Oamenii de știință disting cel puțin 5 stări diferite ale apei în formă lichidă și 14 stări în formă înghețată.
Îți amintești conversația despre apa super-răcită? Deci, indiferent ce faci, la -38°C, chiar și cea mai pură apă super-răcită se va transforma brusc în gheață. Ce se întâmplă când temperatura scade și mai mult? La -120°C, ceva ciudat începe să se întâmple apei: devine super-vâscoasă sau vâscoasă, precum melasa, iar la temperaturi sub -135°C, se transformă în apă „sticlă” sau „sticoasă” – o substanță solidă care lipsit de structură cristalină.
4. Apa îi surprinde pe fizicieni
La nivel molecular, apa este și mai surprinzătoare. În 1995, un experiment de împrăștiere a neutronilor condus de oamenii de știință a dat un rezultat neașteptat: fizicienii au descoperit că neutronii direcționați către moleculele de apă „văd” cu 25% mai puțini protoni de hidrogen decât se aștepta.
S-a dovedit că la viteza de o attosecundă (10 -18 secunde) are loc un efect cuantic neobișnuit, iar formula chimică a apei în loc de H2O, devine H1.5O!
5. Memoria apei
Alternativă la medicina oficială homeopatie susține că o soluție diluată a unui medicament poate avea un efect terapeutic asupra organismului, chiar dacă factorul de diluție este atât de mare încât nu mai rămâne nimic în soluție decât molecule de apă. Susținătorii homeopatiei explică acest paradox cu un concept numit „ memoria apei”, conform căreia apa la nivel molecular are o „memorie” a unei substanțe care s-a dizolvat cândva în ea și își păstrează proprietățile unei soluții de concentrație inițială după ce nu mai rămâne în ea nici o moleculă de ingredient.
O echipă internațională de oameni de știință condusă de profesorul Madeleine Ennis de la Universitatea Queen din Belfast, care a criticat principiile homeopatiei, a efectuat un experiment în 2002 pentru a infirma conceptul odată pentru totdeauna. Rezultatul a fost invers. După aceea, oamenii de știință au spus că au reușit să demonstreze realitatea efectului " memoria apei". Cu toate acestea, experimentele desfășurate sub supravegherea experților independenți nu au adus rezultate. Dispute despre existența fenomenului " memoria apei" continua.
Apa are multe alte proprietăți neobișnuite pe care nu le-am tratat în acest articol. De exemplu, densitatea apei variază în funcție de temperatură (densitatea gheții este mai mică decât cea a apei); apa are o tensiune superficială destul de mare; în stare lichidă, apa este o rețea complexă și în schimbare dinamică de clustere de apă, iar comportamentul clusterelor este cel care afectează structura apei etc.
Despre acestea și multe alte caracteristici neașteptate apă poate fi citit in articol Proprietăți anormale ale apei”, al cărui autor este Martin Chaplin, profesor la Universitatea din Londra.
