Në këtë artikull do të shqyrtojmë pyetjen pse uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë.
Uji i nxehtë ngrin shumë më shpejt se uji i ftohtë! atë pronë e mahnitshme uji, shpjegimi i saktë për të cilin shkencëtarët nuk mund të gjejnë deri tani, ka qenë i njohur që nga kohërat e lashta. Për shembull, edhe Aristoteli ka një përshkrim peshkimi dimëror: peshkatarët futën shufra peshkimi në vrimat e akullit dhe për t'i bërë ato të ngrijnë më shpejt, ata derdhën akullin ujë të ngrohtë... Emri i këtij fenomeni u dha nga emri i Erasto Mpemba në vitet '60 të shekullit XX. Mnemba vuri re një efekt të çuditshëm kur po përgatiste akullore dhe iu drejtua mësuesit të tij të fizikës, Dr. Denis Osborne, për një shpjegim. Mpemba dhe Dr. Osborne eksperimentuan me ujë me temperatura të ndryshme dhe arritën në përfundimin se uji pothuajse i vluar fillon të ngrijë shumë më shpejt se uji. temperatura e dhomës... Shkencëtarë të tjerë kryen eksperimentet e tyre dhe morën rezultate të ngjashme çdo herë.
Shpjegimi i dukurisë fizike
Nuk ka asnjë shpjegim të pranuar përgjithësisht se pse po ndodh kjo. Shumë studiues sugjerojnë se gjithçka ka të bëjë me hipoterminë e lëngut, e cila ndodh kur temperatura e tij bie nën pikën e ngrirjes. Me fjalë të tjera, nëse uji ngrin në temperatura nën 0 ° C, atëherë uji i superftohur mund të ketë një temperaturë, për shembull, -2 ° C dhe në të njëjtën kohë të mbetet i lëngshëm pa u shndërruar në akull. Kur përpiqemi të ngrijmë ujin e ftohtë, ka mundësi që fillimisht të ftohet dhe të ngurtësohet vetëm pas një kohe. Procese të tjera ndodhin në ujë të nxehtë. Shndërrimi i tij më i shpejtë në akull shoqërohet me konvekcion.
Konvekcioni- kjo është fenomen fizik, në të cilën shtresat e ngrohta të poshtme të lëngut ngrihen, dhe pjesa e sipërme, e ftohur, bie.
Në vitin 1963, një student nga Tanzania i quajtur Erasto Mpemba i bëri mësuesit të tij një pyetje marrëzi - pse akullorja e ngrohtë ngrin më shpejt në frigoriferin e tij sesa akullorja e ftohtë?
Si student i Magambinskaya gjimnaz në Tanzani, e bëri Erasto Mpemba punë praktike në biznesin e gatimit. Ai duhej të bënte akullore të bërë në shtëpi - të vlonte qumështin, të shpërndante sheqerin në të, ta ftohte në temperaturën e dhomës dhe më pas ta vendoste në frigorifer për të ngrirë. Me sa duket, Mpemba nuk ishte një student veçanërisht i zellshëm dhe ai vonoi të përfundonte pjesën e parë të detyrës. Nga frika se nuk do të arrinte në kohë deri në fund të mësimit, qumështin e nxehtë e futi në frigorifer. Për habinë e tij, ai ngriu edhe më herët se qumështi i shokëve të tij, i përgatitur sipas një teknologjie të caktuar.
Ai iu drejtua mësuesit të fizikës për t'u sqaruar, por ai vetëm qeshi me studentin, duke thënë kështu: "Kjo nuk është fizika botërore, por fizika e Mpemba". Pas kësaj, Mpemba eksperimentoi jo vetëm me qumësht, por edhe me ujë të zakonshëm.
Në çdo rast, tashmë duke qenë student i shkollës së mesme Mkvavskaya, ai i bëri një pyetje profesorit Dennis Osborne nga kolegj universitar në Dar-es-Salaam (i ftuar nga drejtori për t'u dhënë studentëve një leksion mbi fizikën) veçanërisht për ujin: "Nëse marrim dy enë identike me vëllime të barabarta uji, në mënyrë që në njërën prej tyre uji të ketë një temperaturë prej 35 ° C, dhe në tjetrën - 100 ° C, dhe vendosini në frigorifer, pastaj në të dytën uji do të ngrijë më shpejt. Pse?" Osborne u interesua për këtë çështje dhe së shpejti në vitin 1969, ai dhe Mpemba publikuan rezultatet e eksperimenteve të tyre në revistën "Edukimi fizik". Që atëherë, efekti që ata zbuluan quhet efekti Mpemba.
Jeni kurioz të dini pse po ndodh kjo? Vetëm pak vite më parë, shkencëtarët arritën të shpjegojnë këtë fenomen …
Efekti Mpemba (Mpemba paradox) është një paradoks që thotë se uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë në kushte të caktuara, megjithëse duhet të kalojë temperaturën e ujit të ftohtë gjatë procesit të ngrirjes. Ky paradoks është një fakt eksperimental që bie ndesh me konceptet e zakonshme, sipas të cilave, në të njëjtat kushte, një trupi më i nxehtë për t'u ftohur në një temperaturë të caktuar kërkon më shumë kohë se sa një trup më pak i nxehtë për t'u ftohur në të njëjtën temperaturë.
Ky fenomen u vu re në atë kohë nga Aristoteli, Francis Bacon dhe Rene Descartes. Deri më tani, askush nuk e di saktësisht se si ta shpjegojë këtë efekt të çuditshëm. Shkencëtarët nuk kanë një version të vetëm, megjithëse ka shumë. Gjithçka ka të bëjë me ndryshimin në vetitë e ujit të nxehtë dhe të ftohtë, por ende nuk është e qartë se cilat veti luajnë një rol në këtë rast: ndryshimi në superftohje, avullimi, formimi i akullit, konveksioni ose efekti i gazeve të lëngshëm në ujë gjatë temperatura të ndryshme... Paradoksi i efektit Mpemba është se koha gjatë së cilës një trup ftohet në temperaturën e ambientit duhet të jetë proporcionale me ndryshimin e temperaturave midis këtij trupi dhe mjedisit. Ky ligj u krijua nga Njutoni dhe që atëherë është konfirmuar shumë herë në praktikë. Në këtë efekt, uji me një temperaturë prej 100 ° C ftohet në një temperaturë prej 0 ° C më shpejt se e njëjta sasi uji me një temperaturë prej 35 ° C.
Që atëherë, janë shprehur versione të ndryshme, njëra prej të cilave dukej si më poshtë: një pjesë e ujit të nxehtë në fillim thjesht avullon, dhe më pas, kur ka më pak, uji ngrin më shpejt. Ky version, për shkak të thjeshtësisë së tij, u bë më i popullarizuari, por shkencëtarët nuk e kënaqën plotësisht.
Tani një ekip studiuesish nga Universiteti Teknologjik Nanyang në Singapor, i udhëhequr nga kimisti Xi Zhang, ka thënë se ata kanë zgjidhur misterin shekullor se pse uji i ngrohtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë. Siç kanë zbuluar ekspertët kinezë, sekreti qëndron në sasinë e energjisë së ruajtur në lidhjet hidrogjenore midis molekulave të ujit.
Siç e dini, molekulat e ujit përbëhen nga një atom oksigjeni dhe dy atome hidrogjeni të mbajtura së bashku nga lidhje kovalente, e cila në nivelin e grimcave duket si një shkëmbim elektronesh. Një tjetër fakt i njohur konsiston në faktin se atomet e hidrogjenit tërhiqen nga atomet e oksigjenit nga molekulat fqinje - në këtë rast formohen lidhje hidrogjeni.
Në të njëjtën kohë, molekulat e ujit në përgjithësi largohen nga njëra-tjetra. Shkencëtarët nga Singapori vunë re se sa më i ngrohtë të jetë uji, aq më e madhe është distanca midis molekulave të lëngshme për shkak të rritjes së forcave refuzuese. Si rezultat, lidhjet e hidrogjenit shtrihen, dhe për këtë arsye ruajnë më shumë energji. Kjo energji lirohet kur uji ftohet - molekulat lëvizin më afër njëra-tjetrës. Dhe lëshimi i energjisë, siç e dini, do të thotë ftohje.
Këtu janë disa nga supozimet e bëra nga shkencëtarët:
Avullimi
Uji i nxehtë avullon më shpejt nga ena, duke zvogëluar kështu vëllimin e tij dhe një vëllim më i vogël uji me të njëjtën temperaturë ngrin më shpejt. Uji i ngrohur në 100 ° C humbet 16% të masës së tij kur ftohet në 0 ° C. Efekti i avullimit - efekt i dyfishtë. Së pari, sasia e ujit që kërkohet për ftohje zvogëlohet. Dhe së dyti, për shkak të avullimit, temperatura e saj ulet.
Diferenca e temperaturës
Për faktin se diferenca e temperaturës ndërmjet ujë i nxehtë dhe më shumë ajër të ftohtë - prandaj, shkëmbimi i nxehtësisë në këtë rast është më intensiv dhe uji i nxehtë ftohet më shpejt.
Hipotermia
Kur uji ftohet nën 0 ° C, ai nuk ngrin gjithmonë. Në disa kushte, ajo mund të pësojë hipotermi, duke vazhduar të mbetet e lëngshme në temperatura nën pikën e ngrirjes. Në disa raste, uji mund të mbetet i lëngshëm edhe në -20 ° C. Arsyeja e këtij efekti është se në mënyrë që kristalet e para të akullit të fillojnë të formohen, nevojiten qendra të formimit të kristaleve. Nëse ato nuk janë të pranishme në ujin e lëngshëm, atëherë hipotermia do të vazhdojë derisa temperatura të bjerë aq shumë sa kristalet të fillojnë të formohen spontanisht. Kur fillojnë të formohen në një lëng të tejftohur, ato do të fillojnë të rriten më shpejt, duke formuar një llucë akulli, e cila, duke u ngrirë, do të formojë akull. Uji i nxehtë është më i ndjeshëm ndaj hipotermisë, sepse ngrohja e tij largon gazrat dhe flluskat e tretura, të cilat nga ana tjetër mund të shërbejnë si qendra për formimin e kristaleve të akullit. Pse hipotermia bën që uji i nxehtë të ngrijë më shpejt? Në rast se ujë të ftohtë që nuk ftohet shumë, ndodh kjo: në sipërfaqen e saj krijohet një shtresë e hollë akulli, e cila vepron si izolues midis ujit dhe ajrit të ftohtë dhe në këtë mënyrë parandalon avullimin e mëtejshëm. Shpejtësia e formimit të kristaleve të akullit në këtë rast do të jetë më e ngadaltë. Në rastin e ujit të nxehtë që i nënshtrohet superftohjes, uji i tepërt i ftohur nuk ka një shtresë sipërfaqësore mbrojtëse akulli. Prandaj, ajo humbet nxehtësinë shumë më shpejt përmes majës së hapur. Kur procesi i hipotermisë përfundon dhe uji ngrin, humbet shumë më tepër nxehtësi dhe për këtë arsye formohet më shumë akull... Shumë studiues të këtij efekti e konsiderojnë hipoterminë si faktorin kryesor në rastin e efektit Mpemba.
Konvekcioni
Uji i ftohtë fillon të ngrijë nga lart, duke përkeqësuar kështu proceset e rrezatimit të nxehtësisë dhe konvekcionit, dhe rrjedhimisht humbjen e nxehtësisë, ndërsa uji i nxehtë fillon të ngrijë nga poshtë. Ky efekt shpjegohet me anomalinë e densitetit të ujit. Uji ka një densitet maksimal në 4 ° C. Nëse e ftohni ujin në 4°C dhe e vendosni në një ambient me temperaturë më të ulët, shtresa sipërfaqësore e ujit do të ngrijë më shpejt. Për shkak se ky ujë është më pak i dendur se uji në 4 ° C, ai do të mbetet në sipërfaqe, duke formuar një shtresë të hollë të ftohtë. Në këto kushte, një shtresë e hollë akulli do të formohet në sipërfaqen e ujit për një kohë të shkurtër, por kjo shtresë akulli do të shërbejë si një izolues që mbron shtresat e poshtme të ujit, të cilat do të qëndrojnë në temperaturën 4°C. Prandaj, procesi i mëtejshëm i ftohjes do të jetë më i ngadalshëm. Në rastin e ujit të nxehtë, situata është krejtësisht e ndryshme. Shtresa sipërfaqësore uji do të ftohet më shpejt për shkak të avullimit dhe një ndryshimi më të madh të temperaturës. Përveç kësaj, shtresat e ujit të ftohtë janë më të dendura se shtresat e ujit të nxehtë, kështu që shtresa e ujit të ftohtë do të fundoset poshtë, duke e ngritur shtresën. ujë të ngrohtë në sipërfaqe. Ky qarkullim i ujit siguron një rënie të shpejtë të temperaturës. Por pse ky proces nuk arrin të arrijë një pikë ekuilibri? Për të shpjeguar efektin Mpemba nga pikëpamja e konvekcionit, do të ishte e nevojshme të supozohet se shtresat e ftohta dhe të nxehta të ujit janë të ndara dhe vetë procesi i konvekcionit vazhdon pasi temperatura mesatare e ujit të bjerë nën 4 ° C. Megjithatë, nuk ka asnjë të dhënë eksperimentale që do të mbështeste këtë hipotezë se shtresat e ftohta dhe të nxehta të ujit ndahen me konvekcion.
Gazrat e tretur në ujë
Uji gjithmonë përmban gazra të tretur në të - oksigjen dhe dioksid karboni... Këto gaze kanë aftësinë të zvogëlojnë pikën e ngrirjes së ujit. Kur uji nxehet, këto gazra lirohen nga uji, pasi tretshmëria e tyre në ujë në temperaturë të lartë më poshtë. Prandaj, kur uji i nxehtë ftohet, gjithmonë ka më pak gazra të tretur në të sesa në ujin e ftohtë të pa ngrohur. Prandaj, pika e ngrirjes së ujit të nxehtë është më e lartë dhe ngrin më shpejt. Ky faktor ndonjëherë konsiderohet si kryesori në shpjegimin e efektit Mpemba, megjithëse nuk ka të dhëna eksperimentale që konfirmojnë këtë fakt.
Përçueshmëri termike
Ky mekanizëm mund të luajë një rol të rëndësishëm kur uji vendoset në një ndarje frigoriferi në kontejnerë të vegjël. Në këto kushte, u vu re se ena me ujë të nxehtë shkrin akullin e ngrirësit nën të, duke përmirësuar kështu kontaktin termik me murin e ngrirësit dhe përçueshmërinë termike. Si rezultat, nxehtësia largohet nga një enë me ujë të nxehtë më shpejt sesa nga uji i ftohtë. Nga ana tjetër, ena me ujë të ftohtë nuk shkrin borën nën të. Të gjitha këto (dhe të tjera) kushte u studiuan në shumë eksperimente, por një përgjigje e paqartë për pyetjen - cilat prej tyre ofrojnë riprodhim qind për qind të efektit Mpemba - nuk është marrë. Për shembull, në vitin 1995 fizikani gjerman David Auerbach studioi efektin e superftohjes së ujit në këtë efekt. Ai zbuloi se uji i nxehtë, duke arritur një gjendje super të ftohur, ngrin në një temperaturë më të lartë se uji i ftohtë, që do të thotë më shpejt se ky i fundit. Por ujë të ftohtë arrin një gjendje hipotermike më shpejt se e nxehtë, duke kompensuar kështu vonesën e mëparshme. Për më tepër, rezultatet e Auerbach kundërshtuan gjetjet e mëparshme se uji i nxehtë mund të arrijë hipotermi më të madhe për shkak të më pak qendrave të kristalizimit. Kur uji nxehet, i hiqen gazrat e tretura në të dhe kur zihet, precipitojnë disa kripëra të tretura në të. Deri më tani, vetëm një gjë mund të pohohet - riprodhimi i këtij efekti në thelb varet nga kushtet në të cilat kryhet eksperimenti. Pikërisht sepse nuk riprodhohet gjithmonë.
Por siç thonë ata, arsyeja më e mundshme.
Siç shkruajnë kimistët në artikullin e tyre, i cili mund të gjendet në faqen e paraprintimit arXiv.org, lidhjet e hidrogjenit janë më të tendosura në ujin e nxehtë sesa në ujin e ftohtë. Kështu, rezulton se më shumë energji ruhet në lidhjet hidrogjenore të ujit të nxehtë, që do të thotë se më shumë energji lirohet kur ftohet në temperatura nën zero. Për këtë arsye, ngurtësimi është më i shpejtë.
Deri më sot, shkencëtarët e kanë zgjidhur këtë gjëegjëzë vetëm teorikisht. Kur ata paraqesin prova bindëse të versionit të tyre, atëherë pyetja se pse uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë mund të konsiderohet i mbyllur.
Shoqëria Mbretërore Britanike e Kimisë po ofron një çmim prej 1000 £ për këdo që mund të shpjegojë pikë shkencore shikoni pse në disa raste uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë.
“Shkenca moderne ende nuk mund t'i përgjigjet kësaj pyetjeje në dukje të thjeshtë. Prodhuesit e akulloreve dhe banakierët e përdorin këtë efekt në punën e tyre të përditshme, por askush nuk e di pse funksionon. Ky problem ka qenë i njohur për mijëvjeçarë, filozofë të tillë si Aristoteli dhe Dekarti kanë menduar për të, "tha Presidenti i Shoqërisë Mbretërore Britanike të Kimisë, Profesor David Philips, cituar në një deklaratë për shtyp nga Shoqëria.
Si një kuzhinier nga Afrika mundi një profesor britanik të fizikës
Nuk eshte Shaka 1 prilli realitet fizik mjaft i ashpër. Shkenca aktuale, e cila operon lehtësisht me galaktikat dhe vrimat e zeza, ndërton përshpejtues gjigantë për të kërkuar kuarke dhe bozone, nuk mund të shpjegojë se si "funksionon" uji elementar. Një tekst shkollor thotë qartë se një trupi më i ngrohtë kërkon më shumë kohë për t'u ftohur sesa një trup më i ftohtë. Por për ujin këtë ligj nuk vërehet gjithmonë. Aristoteli tërhoqi vëmendjen për këtë paradoks në shekullin e IV para Krishtit. NS. Ja çfarë ka shkruar greqishtja e lashtë në librin Meteorologica I: “Fakti që uji është ngrohur paraprakisht e bën atë të ngrijë. Prandaj, shumë njerëz, kur duan të ftohin shpejt ujin e nxehtë, së pari e vendosin në diell ... ”Në Mesjetë, Francis Bacon dhe Rene Descartes u përpoqën të shpjegonin këtë fenomen. Mjerisht, as filozofët e mëdhenj dhe as shkencëtarët e shumtë që zhvilluan fizikën termike klasike nuk ia dolën mbanë në këtë, dhe për këtë arsye ky fakt i papërshtatshëm u "harrua" për një kohë të gjatë.
Dhe vetëm në vitin 1968 ata "u kujtuan" falë nxënësit të shkollës Erasto Mpemba nga Tanzania, larg çdo shkence. Ndërsa studionte në shkollën e artit, në vitin 1963, 13-vjeçari Mpembe u caktua të bënte akullore. Sipas teknologjisë, duhej zierja e qumështit, tretja e sheqerit në të, ftohja në temperaturën e dhomës dhe më pas vendosja në frigorifer për të ngrirë. Me sa duket, Mpemba nuk ishte një student i zellshëm dhe hezitoi. Nga frika se nuk do të arrinte në kohë deri në fund të mësimit, qumështin e nxehtë e futi në frigorifer. Për habinë e tij, ai ngriu edhe më herët se qumështi i shokëve të tij, i përgatitur sipas të gjitha rregullave.
Kur Mpemba ndau zbulimin e tij me një mësues të fizikës, ai u tall me të para të gjithë klasës. Mpemba iu kujtua lëndimi. Pesë vjet më vonë, tashmë student në universitetin në Dar es Salaam, ai ishte në një leksion nga fizikani i famshëm Denis G. Osborne. Pas leksionit, ai i bëri shkencëtarit një pyetje: "Nëse merrni dy enë identike me sasi të barabarta uji, një në 35 ° C (95 ° F) dhe tjetra në 100 ° C (212 ° F), dhe vendosini ato. në frigorifer, atëherë uji në një enë të nxehtë do të ngrijë më shpejt. Pse?" Mund ta imagjinoni reagimin e një profesori britanik ndaj pyetjes së një të riu nga Tanzania e braktisur nga Zoti. Ai u tall me studentin. Sidoqoftë, Mpemba ishte gati për një përgjigje të tillë dhe e sfidoi shkencëtarin në një bast. Mosmarrëveshja e tyre përfundoi me një test eksperimental që konfirmoi korrektësinë e Mpemba dhe humbjen e Osborne. Pra, nxënësi-kuzhinier e shënoi emrin e tij në historinë e shkencës dhe tani e tutje ky fenomen quhet "efekti Mpemba". Ta flakësh, ta shpallësh sikur “inekzistent” nuk bën punë. Fenomeni ekziston dhe, siç ka shkruar poeti, “jo deri në dhëmbë”.
A duhet të fajësohen grimcat e pluhurit dhe tretësirat?
Me kalimin e viteve, shumë janë përpjekur të zbulojnë misterin e ujit të ngrirë. Janë propozuar një mori shpjegimesh për këtë fenomen: avullimi, konveksioni, ndikimi i substancave të tretura - por asnjë nga këta faktorë nuk mund të konsiderohet përfundimtar. Një numër shkencëtarësh ia kanë kushtuar tërë jetën efektit Mpemba. Punonjës i Departamentit të Sigurisë nga Rrezatimi Universiteti Shtetëror Nju Jork - James Brownridge - në kohë e lirë ka studiuar paradoksin për më shumë se një dekadë. Pas kryerjes së qindra eksperimenteve, shkencëtari pretendon se ka prova të "fajësisë" së hipotermisë. Brownridge shpjegon se në 0 ° C, uji është vetëm superftohur dhe fillon të ngrijë kur temperatura bie më poshtë. Pika e ngrirjes kontrollohet nga papastërtitë në ujë - ato ndryshojnë shkallën e formimit të kristaleve të akullit. Papastërtitë, dhe këto janë kokrrat e pluhurit, bakteret dhe kripërat e tretura, kanë një temperaturë karakteristike bërthamore për to, kur kristalet e akullit formohen rreth qendrave të kristalizimit. Kur ka disa elementë në ujë në të njëjtën kohë, pika e ngrirjes përcaktohet nga ajo me temperaturën më të lartë të bërthamës.
Për eksperimentin, Brownridge mori dy mostra uji me të njëjtën temperaturë dhe i vendosi në një frigorifer. Ai zbuloi se një nga ekzemplarët ngrin gjithmonë para tjetrit - me sa duket për shkak të një kombinimi të ndryshëm të papastërtive.
Brownridge argumenton se uji i nxehtë ftohet më shpejt për shkak të ndryshimit më të madh të temperaturës midis ujit dhe ngrirësit - kjo e ndihmon atë të arrijë pikën e ngrirjes përpara se uji i ftohtë të arrijë pikën e tij natyrale të ngrirjes, e cila është më e ulët në të paktën, në 5°C.
Megjithatë, arsyetimi i Brownridge ngre shumë pyetje. Prandaj, ata që mund të shpjegojnë efektin Mpemba në mënyrën e tyre kanë një shans për të konkurruar për një mijë paund nga Shoqëria Mbretërore Kimike Britanike.
Efekti Mpemba(Mpemba paradox) - një paradoks që thotë se uji i nxehtë ngrin më shpejt në kushte të caktuara sesa uji i ftohtë, megjithëse duhet të kalojë temperaturën e ujit të ftohtë gjatë procesit të ngrirjes. Ky paradoks është një fakt eksperimental që bie ndesh me konceptet e zakonshme, sipas të cilave, në të njëjtat kushte, një trupi më i nxehtë për t'u ftohur në një temperaturë të caktuar kërkon më shumë kohë se sa një trup më pak i nxehtë për t'u ftohur në të njëjtën temperaturë.
Ky fenomen u vu re në atë kohë nga Aristoteli, Francis Bacon dhe Rene Descartes, por vetëm në vitin 1963 një nxënës tanzanian Erasto Mpemba zbuloi se një përzierje e nxehtë akullore ngrin më shpejt se një e ftohtë.
Si student në shkollën e mesme Magamba në Tanzani, Erasto Mpemba bëri punë praktike gatimi. Ai duhej të bënte akullore të bërë në shtëpi - të vlonte qumështin, të shpërndante sheqerin në të, ta ftohte në temperaturën e dhomës dhe më pas ta vendoste në frigorifer për të ngrirë. Me sa duket, Mpemba nuk ishte një student veçanërisht i zellshëm dhe ai vonoi të përfundonte pjesën e parë të detyrës. Nga frika se nuk do të arrinte në kohë deri në fund të mësimit, qumështin e nxehtë e futi në frigorifer. Për habinë e tij, ai ngriu edhe më herët se qumështi i shokëve të tij, i përgatitur sipas një teknologjie të caktuar.
Pas kësaj, Mpemba eksperimentoi jo vetëm me qumësht, por edhe me ujë të zakonshëm. Në çdo rast, duke qenë tashmë student i shkollës së mesme Mkvavskaya, ai pyeti profesorin Dennis Osborne nga Kolegji Universitar në Dar es Salaam (i ftuar nga drejtori për t'u dhënë studentëve një leksion mbi fizikën) veçanërisht për ujin: "Nëse marrim dy enë identike me vëllime të barabarta uji në mënyrë që në njërën prej tyre uji të ketë temperaturë 35°C dhe në tjetrën 100°C dhe vendosini në ngrirje, pastaj në të dytën uji do të ngrijë më shpejt.Pse ?" Osborne u interesua për këtë çështje dhe së shpejti në 1969 ai dhe Mpemba publikuan rezultatet e eksperimenteve të tyre në revistën "Edukimi fizik". Që atëherë, efekti që ata zbuluan quhet Efekti Mpemba.
Deri më tani, askush nuk e di saktësisht se si ta shpjegojë këtë efekt të çuditshëm. Shkencëtarët nuk kanë një version të vetëm, megjithëse ka shumë. Gjithçka ka të bëjë me ndryshimin në vetitë e ujit të nxehtë dhe të ftohtë, por ende nuk është e qartë se cilat veti luajnë një rol në këtë rast: ndryshimi në superftohje, avullimi, formimi i akullit, konvekcioni ose efekti i gazeve të lëngshëm në ujë në temperatura të ndryshme.
Paradoksi i efektit Mpemba është se koha gjatë së cilës një trup ftohet në temperaturën e ambientit duhet të jetë proporcionale me ndryshimin e temperaturave midis këtij trupi dhe mjedisit. Ky ligj u krijua nga Njutoni dhe që atëherë është konfirmuar shumë herë në praktikë. Në këtë efekt, uji me një temperaturë prej 100 ° C ftohet në një temperaturë prej 0 ° C më shpejt se e njëjta sasi uji me një temperaturë prej 35 ° C.
Sidoqoftë, kjo nuk sugjeron ende një paradoks, pasi efekti Mpemba mund të shpjegohet brenda kornizës së fizikës së mirënjohur. Këtu janë disa shpjegime për efektin Mpemba:
Avullimi
Uji i nxehtë avullon më shpejt nga ena, duke zvogëluar kështu vëllimin e tij dhe një vëllim më i vogël uji me të njëjtën temperaturë ngrin më shpejt. Uji i ngrohur në 100 C humbet 16% të masës së tij kur ftohet në 0 C.
Efekti i avullimit - efekt i dyfishtë. Së pari, sasia e ujit që kërkohet për ftohje zvogëlohet. Dhe së dyti, temperatura zvogëlohet për shkak të faktit se nxehtësia e avullimit të kalimit nga faza e ujit në fazën e avullit zvogëlohet.
Diferenca e temperaturës
Për shkak të faktit se ndryshimi i temperaturës midis ujit të nxehtë dhe ajrit të ftohtë është më i madh - prandaj, shkëmbimi i nxehtësisë në këtë rast është më intensiv dhe uji i nxehtë ftohet më shpejt.
Hipotermia
Kur uji ftohet nën 0 C, ai nuk ngrin gjithmonë. Në disa kushte, ajo mund të pësojë hipotermi, duke vazhduar të mbetet e lëngshme në temperatura nën pikën e ngrirjes. Në disa raste, uji mund të mbetet i lëngshëm edhe në një temperaturë prej -20 C.
Arsyeja e këtij efekti është se në mënyrë që kristalet e para të akullit të fillojnë të formohen, nevojiten qendra të formimit të kristaleve. Nëse ato nuk janë të pranishme në ujin e lëngshëm, atëherë hipotermia do të vazhdojë derisa temperatura të bjerë aq shumë sa kristalet të fillojnë të formohen spontanisht. Kur fillojnë të formohen në një lëng të tejftohur, ato do të fillojnë të rriten më shpejt, duke formuar një llucë akulli, e cila, duke u ngrirë, do të formojë akull.
Uji i nxehtë është më i ndjeshëm ndaj hipotermisë, sepse ngrohja e tij largon gazrat dhe flluskat e tretura, të cilat nga ana tjetër mund të shërbejnë si qendra për formimin e kristaleve të akullit.
Pse hipotermia bën që uji i nxehtë të ngrijë më shpejt? Në rastin e ujit të ftohtë, i cili nuk është tepër i ftohur, ndodh si më poshtë. Në këtë rast, një shtresë e hollë akulli do të formohet në sipërfaqen e anijes. Kjo shtresë akulli do të veprojë si një izolues midis ujit dhe ajrit të ftohtë dhe do të parandalojë avullimin e mëtejshëm. Shpejtësia e formimit të kristaleve të akullit në këtë rast do të jetë më e ngadaltë. Në rastin e ujit të nxehtë që i nënshtrohet superftohjes, uji i tepërt i ftohur nuk ka një shtresë sipërfaqësore mbrojtëse akulli. Prandaj, ajo humbet nxehtësinë shumë më shpejt përmes majës së hapur.
Kur procesi i hipotermisë përfundon dhe uji ngrin, humbet shumë më shumë nxehtësi dhe për këtë arsye formohet më shumë akull.
Shumë studiues të këtij efekti e konsiderojnë hipoterminë si faktorin kryesor në rastin e efektit Mpemba.
Konvekcioni
Uji i ftohtë fillon të ngrijë nga lart, duke përkeqësuar kështu proceset e rrezatimit të nxehtësisë dhe konvekcionit, dhe rrjedhimisht humbjen e nxehtësisë, ndërsa uji i nxehtë fillon të ngrijë nga poshtë.
Ky efekt shpjegohet me anomalinë e densitetit të ujit. Uji ka një densitet maksimal në 4 C. Nëse e ftohni ujin në 4 C dhe e vendosni në një temperaturë më të ulët, shtresa sipërfaqësore e ujit do të ngrijë më shpejt. Për shkak se ky ujë është më pak i dendur se uji në 4 ° C, ai do të mbetet në sipërfaqe, duke formuar një shtresë të hollë dhe të ftohtë. Në këto kushte, në sipërfaqen e ujit për një kohë të shkurtër do të krijohet një shtresë e hollë akulli, por kjo shtresë akulli do të shërbejë si izolues duke mbrojtur shtresat e poshtme të ujit, të cilat do të qëndrojnë në temperaturën 4 C. Prandaj , procesi i mëtejshëm i ftohjes do të jetë më i ngadalshëm.
Në rastin e ujit të nxehtë, situata është krejtësisht e ndryshme. Shtresa sipërfaqësore e ujit do të ftohet më shpejt për shkak të avullimit dhe një ndryshimi më të madh të temperaturës. Përveç kësaj, shtresat e ujit të ftohtë janë më të dendura se shtresat e ujit të nxehtë, kështu që shtresa e ujit të ftohtë do të fundoset, duke e ngritur shtresën e ujit të ngrohtë në sipërfaqe. Ky qarkullim i ujit siguron një rënie të shpejtë të temperaturës.
Por pse ky proces nuk arrin të arrijë një pikë ekuilibri? Për të shpjeguar efektin Mpemba nga ky këndvështrim i konvekcionit, duhet të supozohet se shtresat e ftohta dhe të nxehta të ujit janë të ndara dhe vetë procesi i konvekcionit vazhdon pasi temperatura mesatare e ujit të bjerë nën 4 C.
Megjithatë, nuk ka asnjë të dhënë eksperimentale që do të mbështeste këtë hipotezë se shtresat e ftohta dhe të nxehta të ujit ndahen me konvekcion.
Gazrat e tretur në ujë
Uji gjithmonë përmban gazra të tretur në të - oksigjen dhe dioksid karboni. Këto gaze kanë aftësinë të zvogëlojnë pikën e ngrirjes së ujit. Kur uji nxehet, këto gazra lirohen nga uji sepse tretshmëria e tyre në ujë në temperatura të larta është më e ulët. Prandaj, kur uji i nxehtë ftohet, gjithmonë ka më pak gazra të tretur në të sesa në ujin e ftohtë të pa ngrohur. Prandaj, pika e ngrirjes së ujit të nxehtë është më e lartë dhe ngrin më shpejt. Ky faktor ndonjëherë konsiderohet si kryesori në shpjegimin e efektit Mpemba, megjithëse nuk ka të dhëna eksperimentale që konfirmojnë këtë fakt.
Përçueshmëri termike
Ky mekanizëm mund të luajë një rol të rëndësishëm kur uji vendoset në një ndarje frigoriferi në kontejnerë të vegjël. Në këto kushte, u vu re se ena me ujë të nxehtë shkrin akullin e ngrirësit nën të, duke përmirësuar kështu kontaktin termik me murin e ngrirësit dhe përçueshmërinë termike. Si rezultat, nxehtësia largohet nga një enë me ujë të nxehtë më shpejt sesa nga uji i ftohtë. Nga ana tjetër, ena me ujë të ftohtë nuk shkrin borën nën të.
Të gjitha këto (dhe të tjera) kushte u studiuan në shumë eksperimente, por një përgjigje e paqartë për pyetjen - cilat prej tyre ofrojnë riprodhim qind për qind të efektit Mpemba - nuk është marrë.
Për shembull, në vitin 1995 fizikani gjerman David Auerbach studioi efektin e superftohjes së ujit në këtë efekt. Ai zbuloi se uji i nxehtë, duke arritur një gjendje super të ftohur, ngrin në një temperaturë më të lartë se uji i ftohtë, që do të thotë më shpejt se ky i fundit. Por uji i ftohtë arrin një gjendje superftohjeje më shpejt se uji i nxehtë, duke kompensuar kështu vonesën e mëparshme.
Për më tepër, rezultatet e Auerbach kundërshtuan gjetjet e mëparshme se uji i nxehtë mund të arrijë hipotermi më të madhe për shkak të më pak qendrave të kristalizimit. Kur uji nxehet, i hiqen gazrat e tretura në të dhe kur zihet, precipitojnë disa kripëra të tretura në të.
Deri më tani, vetëm një gjë mund të pohohet - riprodhimi i këtij efekti në thelb varet nga kushtet në të cilat kryhet eksperimenti. Pikërisht sepse nuk riprodhohet gjithmonë.
O. V. Mosin
Letrareburimet:
"Uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë. Pse e bën këtë?", Jearl Walker në The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Nr. 3, fq 246-257; Shtator, 1977.
"Ngrirja e ujit të nxehtë dhe të ftohtë", G.S. Kell në Gazetën Amerikane të Fizikës, vëll. 37, Nr. 5, fq 564-565; maj, 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, në American Journal of Physics, Vol. 63, Nr. 10, fq 882-885; tetor 1995.
"Efekti Mpemba: Kohët e ngrirjes së ujit të nxehtë dhe të ftohtë", Charles A. Knight, në American Journal of Physics, Vol. 64, Nr. 5, f. 524; maj, 1996.
Uji është një nga lëngjet më të mahnitshme në botë, i cili është i natyrshëm veti të pazakonta... Për shembull, akulli - gjendje e ngurtë lëng, ka një peshë specifike më të ulët se vetë uji, gjë që ka bërë shumë dukuri e mundshme dhe zhvillimin e jetës në Tokë. Përveç kësaj, në pseudo-shkencore, dhe botën shkencore ka diskutime se cili ujë ngrin më shpejt - i nxehtë apo i ftohtë. Kushdo që provon ngrirje më të shpejtë të lëngut të nxehtë brenda kushte të caktuara dhe do të vërtetojë shkencërisht vendimin e tij, do të marrë një çmim prej 1000 paund nga Shoqëria Mbretërore Britanike e Kimistëve.
Historia e çështjes
Fakti që kur plotësohen një sërë kushtesh, uji i nxehtë është më i shpejtë se uji i ftohtë për sa i përket shkallës së ngrirjes, është vënë re që në mesjetë. Francis Bacon dhe René Descartes kanë bërë përpjekje të mëdha për të shpjeguar këtë fenomen. Sidoqoftë, nga pikëpamja e inxhinierisë klasike të ngrohjes, ky paradoks nuk mund të shpjegohet dhe ata u përpoqën të heshtin me turp për këtë. Shtysa për vazhdimin e polemikave ishte një histori disi kurioze që i ndodhi nxënësit të shkollës Tanzaniane Erasto Mpemba në 1963. Një herë, gjatë një mësimi për përgatitjen e ëmbëlsirave në një shkollë kuzhinierësh, djali, i hutuar nga çështjet e jashtme, nuk pati kohë të ftohte përzierjen e akullores në kohë dhe të vendoste një zgjidhje të nxehtë sheqeri në qumësht në frigorifer. Për habinë e tij, produkti u ftoh disi më shpejt se ai i kolegëve të tij praktikues që vëzhgonin regjimi i temperaturës duke bërë akullore.
Në përpjekje për të kuptuar thelbin e fenomenit, djali iu drejtua mësuesit të tij të fizikës, i cili, pa hyrë në detaje, u tall me eksperimentet e tij të kuzhinës. Sidoqoftë, Erasto u dallua nga këmbëngulja e lakmueshme dhe vazhdoi eksperimentet e tij jo më me qumësht, por me ujë. Ai ishte i bindur se në disa raste uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë.
Pasi hyri në Universitetin e Dar es Salaam, Erasto Mpembe ndoqi një leksion nga profesor Dennis G. Osborne. Pas diplomimit, studenti e hutoi shkencëtarin me problemin e shkallës së ngrirjes së ujit në varësi të temperaturës së tij. D.G. Osborne e përqeshi vetë deklaratën e pyetjes, duke thënë me plot gojën se çdo student dështuar e di se uji i ftohtë do të ngrijë më shpejt. Megjithatë, kokëfortësia e natyrshme e të riut u ndje. Ai bëri një bast me profesorin, duke i sugjeruar këtu, në laborator, të bënin një test eksperimental. Erasto vendosi dy enë me ujë në frigorifer, një në 95 ° F (35 ° C) dhe tjetra 212 ° F (100 ° C). Imagjinoni habinë e profesorit dhe të “tifozëve” përreth kur uji në enën e dytë ngriu më shpejt. Që atëherë, ky fenomen është quajtur "Paradoksi Mpemba".
Megjithatë, deri më sot, nuk ka asnjë hipotezë koherente teorike që shpjegon "Paradoksin Mpemba". Nuk është e qartë se cilët faktorë të jashtëm përbërje kimike uji, prania e gazeve dhe mineraleve të tretura në të ndikojnë në shkallën e ngrirjes së lëngjeve në temperatura të ndryshme. Paradoksi i "Efektit Mpemba" është se ai bie ndesh me një nga ligjet e zbuluara nga I. Njutoni, i cili thotë se koha e ftohjes së ujit është drejtpërdrejt proporcionale me ndryshimin e temperaturës midis lëngut dhe mjedisit. Dhe nëse të gjitha lëngjet e tjera i binden plotësisht këtij ligji, atëherë uji në disa raste është një përjashtim.
Pse uji i nxehtë ngrin më shpejtT
Ka disa versione pse uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë. Ato kryesore janë:
- uji i nxehtë avullon më shpejt, ndërsa vëllimi i tij zvogëlohet, dhe një vëllim më i vogël lëngu ftohet më shpejt - kur uji ftohet nga + 100 ° C në 0 ° C, humbjet vëllimore në presioni atmosferik arrijnë 15%;
- intensiteti i transferimit të nxehtësisë ndërmjet lëngut dhe mjedisi sa më i lartë të jetë më shumë ndryshim temperaturat, kështu që humbjet e nxehtësisë së ujit të vluar kalojnë më shpejt;
- kur uji i nxehtë ftohet, në sipërfaqen e tij formohet një kore akulli, e cila parandalon që lëngu të ngrijë plotësisht dhe të avullojë;
- në një temperaturë të lartë uji, ndodh përzierja e tij me konvekcion, gjë që zvogëlon kohën e ngrirjes;
- gazrat e tretur në ujë ulin pikën e ngrirjes, duke hequr energjinë për kristalizimin - nuk ka gazra të tretur në ujin e nxehtë.
Të gjitha këto kushte janë testuar në mënyrë të përsëritur eksperimentalisht. Në veçanti, shkencëtari gjerman David Auerbach zbuloi se temperatura e kristalizimit të ujit të nxehtë është pak më e lartë se ajo e ujit të ftohtë, gjë që bën të mundur që i pari të ngrijë më shpejt. Sidoqoftë, më vonë eksperimentet e tij u kritikuan dhe shumë shkencëtarë janë të bindur se "efekti Mpemba" për të cilin uji ngrin më shpejt - i nxehtë apo i ftohtë, mund të riprodhohet vetëm në kushte të caktuara, kërkimi dhe specifikimi i të cilave deri më tani askush nuk është angazhuar.
