Vilket vatten som fryser snabbare, varmt eller kallt, påverkas av många faktorer, men frågan i sig verkar lite konstig. Det är underförstått, och det är känt från fysiken, att hett vatten fortfarande behöver tid att svalna till temperaturen för jämförbart kallt vatten för att förvandlas till is. Kallt vatten kan hoppa över detta steg, och följaktligen vinner det med tiden.
Men svaret på frågan om vilket vatten som fryser snabbare - kallt eller varmt - på gatan i frost, vet alla invånare nordliga breddgrader. Faktiskt vetenskapligt visar det sig att i vilket fall kallt vatten helt enkelt måste frysa snabbare.
Så gjorde läraren i fysik, som 1963 kontaktades av skolpojken Erasto Mpemba med en begäran om att förklara varför den kalla blandningen av framtida glass fryser längre än en liknande, men varm.
"Det här är inte världsfysik, utan någon form av Mpemba-fysik"
På den tiden skrattade läraren bara åt detta, men Deniss Osborne, en professor i fysik, som en gång gick i samma skola där Erasto studerade, bekräftade experimentellt existensen av en sådan effekt, även om det inte fanns någon förklaring till detta då . 1969, i den populära vetenskaplig Journal publicerade en gemensam artikel av dessa två personer som beskrev denna märkliga effekt.
Sedan dess har förresten frågan om vilket vatten som fryser snabbare - varmt eller kallt, fått sitt eget namn - effekten, eller paradoxen, Mpemba.
Frågan har funnits länge
Naturligtvis har ett sådant fenomen ägt rum tidigare, och det nämndes i andra forskares verk. Inte bara skolpojken var intresserad av denna fråga, utan Rene Descartes och till och med Aristoteles funderade på det vid en gång.
Här är bara tillvägagångssätt för att lösa denna paradox började se först i slutet av det tjugonde århundradet.
Förutsättningar för att en paradox ska uppstå
Precis som med glass är det inte bara vanligt vatten som fryser under experimentet. Vissa förhållanden måste finnas för att börja bråka vilket vatten som fryser snabbare - kallt eller varmt. Vad påverkar denna process?
Nu, på 2000-talet, har flera alternativ lagts fram som kan förklara denna paradox. Vilket vatten som fryser snabbare, varmt eller kallt, kan bero på att det har en högre förångningshastighet än kallt vatten. Således minskar dess volym, och med en minskning av volymen blir frystiden kortare än om vi tar en liknande initial volym kallt vatten.
Frysen har länge varit upptinad
Vilket vatten som fryser snabbare, och varför det gör det, kan påverkas av snöfodret som kan finnas i frysen i kylen som används för experimentet. Om vi tar två behållare som är identiska i volym, men en av dem kommer att innehålla varmt vatten, och i den andra - kall, en behållare med varmt vatten smälter snön under den och förbättrar därmed kontakten mellan den termiska nivån och kylskåpets vägg. behållare med kallt vatten kan inte göra detta. Om det inte finns något sådant foder med snö i kylskåpet, bör kallt vatten frysa snabbare.
Topp - botten
Även fenomenet där vatten fryser snabbare - varmt eller kallt, förklaras enligt följande. Enligt vissa lagar börjar kallt vatten frysa från de övre lagren, när varmt vatten gör det tvärtom - det börjar frysa nerifrån och upp. Samtidigt visar det sig att kallt vatten, som har ett kallt lager ovanpå med is redan bildad på sina ställen, därmed försämrar konvektionsprocesser och värmestrålning, vilket förklarar vilket vatten som fryser snabbare - kallt eller varmt. Ett foto från amatörexperiment bifogas, och här syns det tydligt.
Värmen går ut, tenderar uppåt och där möter den ett väldigt svalt lager. Det finns ingen fri väg för värmestrålning, så kylningsprocessen blir svår. Varmvatten har absolut inga sådana barriärer i sin väg. Som fryser snabbare - kallt eller varmt, på vilket det troliga resultatet beror, kan du utöka svaret genom att säga att vilket vatten som helst har vissa ämnen lösta i sig.
Föroreningar i vattnets sammansättning som en faktor som påverkar resultatet
Om du inte fuskar och använder vatten med samma sammansättning, där koncentrationerna av vissa ämnen är identiska, bör kallt vatten frysa snabbare. Men om en situation uppstår när den upplösta kemiska grundämnen tillgängliga endast i varmt vatten, medan kallt vatten inte har dem, då finns det en möjlighet för varmvatten att frysa tidigare. Detta förklaras av det faktum att de lösta ämnena i vatten skapar kristallisationscentra, och med ett litet antal av dessa centra är omvandlingen av vatten till fast tillstånd svår. Även underkylning av vatten är möjlig, i den meningen att det kommer att vara inne vid minusgrader flytande tillstånd.
Men alla dessa versioner passade tydligen inte forskarna till slutet, och de fortsatte att arbeta med denna fråga. 2013 sa ett team av forskare i Singapore att de hade löst det urgamla mysteriet.
En grupp kinesiska forskare hävdar att hemligheten bakom denna effekt ligger i mängden energi som lagras mellan vattenmolekyler i dess bindningar, så kallade vätebindningar.
Svaret från kinesiska forskare
Ytterligare information kommer att följa, för att förstå vilken det är nödvändigt att ha viss kunskap i kemi för att ta reda på vilket vatten som fryser snabbare - varmt eller kallt. Som ni vet består den av två H (väte) atomer och en O (syre) atom som hålls samman av kovalenta bindningar.
Men väteatomer i en molekyl attraheras också till närliggande molekyler, till deras syrekomponent. Dessa bindningar kallas vätebindningar.
Samtidigt är det värt att komma ihåg att samtidigt verkar vattenmolekyler frånstötande på varandra. Forskare noterade att när vatten värms upp ökar avståndet mellan dess molekyler, och detta underlättas av frånstötande krafter. Det visar sig att om man upptar ett avstånd mellan molekyler i kallt tillstånd, kan man säga att de sträcker sig och de har större energitillförsel. Det är denna energireserv som frigörs när vattenmolekyler börjar närma sig varandra, det vill säga kylning sker. Det visar sig att en större tillförsel av energi i varmvatten, och dess större frigöring vid kylning till minusgrader, sker snabbare än i kallt vatten, som har en mindre tillgång på sådan energi. Så vilket vatten fryser snabbare - kallt eller varmt? På gatan och i laboratoriet bör Mpemba-paradoxen uppstå, och hett vatten bör förvandlas till is snabbare.
Men frågan är fortfarande öppen
Det finns bara en teoretisk bekräftelse på denna ledtråd - allt detta är skrivet i vackra formler och verkar rimligt. Men när experimentdata, vilket vatten fryser snabbare - varmt eller kallt, kommer att sättas i praktisk mening och deras resultat kommer att presenteras, då kommer det att vara möjligt att betrakta frågan om Mpemba-paradoxen som stängd.
I den gamla goda formeln H 2 O verkar det som om det inte finns några hemligheter. Men i själva verket är vatten - källan till liv och den mest kända vätskan i världen - fylld av många mysterier som ibland inte ens forskare kan lösa.
Här är de 5 mest intressanta fakta om vatten:
1. Varmvatten fryser snabbare än kallt vatten
Ta två behållare med vatten: häll varmt vatten i den ena och kallt vatten i den andra och placera dem i frysen. Varmvatten kommer att frysa snabbare än kallt vatten, även om kallt vatten logiskt sett borde ha förvandlats till is först: trots allt måste varmt vatten först svalna till kall temperatur och sedan förvandlas till is, medan kallt vatten inte behöver svalna. Varför händer det här?
1963, Erasto B. Mpemba, gymnasieelev gymnasium i Tanzania, när jag fryste in en färdig glassmix, märkte jag att den varma mixen hårdnar snabbare i frysen än den kalla. När den unge mannen delade sin upptäckt med en fysiklärare skrattade han bara åt honom. Lyckligtvis var eleven ihärdig och övertalade läraren att genomföra ett experiment, vilket bekräftade hans upptäckt: i vissa villkor Varmvatten fryser faktiskt snabbare än kallt vatten.
Nu kallas detta fenomen med att varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten för Mpemba-effekten. Sant, långt innan det unik egendom vatten noterades av Aristoteles, Francis Bacon och Rene Descartes.
Forskare förstår inte helt arten av detta fenomen, de förklarar det antingen med skillnaden i hypotermi, avdunstning, isbildning, konvektion eller effekten av flytande gaser på varmt och kallt vatten.
Anmärkning från Х.RU till ämnet "Varmvatten fryser snabbare än kallt vatten".
Eftersom frågorna om kylning ligger närmare oss, kylskåp, kommer vi att tillåta oss att gå djupare in i kärnan av detta problem och ge två åsikter om karaktären av sådana mystiskt fenomen.
1. En forskare från University of Washington har erbjudit en förklaring till ett mystiskt fenomen känt sedan Aristoteles tid: varför varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten.
Fenomenet, som kallas Mpemba-effekten, används flitigt i praktiken. Till exempel råder experter bilister att hälla kallt vatten i stället för varmt vatten i tvättreservoaren på vintern. Men vad ligger bakom detta fenomen? under en lång tid förblev okänd.
Dr. Jonathan Katz från University of Washington undersökte detta fenomen och drog slutsatsen att viktig roll det spelas av ämnen lösta i vatten, som fälls ut vid upphettning, enligt EurekAlert.
Under upplöst ämnen dr Katz hänvisar till kalcium- och magnesiumbikarbonater som finns i hårt vatten. När vattnet värms upp faller dessa ämnen ut och bildar avlagringar på vattenkokarens väggar. Vatten som aldrig har värmts upp innehåller dessa föroreningar. När det fryser och iskristaller bildas, ökar koncentrationen av föroreningar i vattnet 50 gånger. Detta sänker vattnets fryspunkt. "Och nu måste vattnet svalna för att frysa", förklarar Dr. Katz.
Det finns ett andra skäl som förhindrar frysning av ouppvärmt vatten. Genom att sänka vattnets fryspunkt minskar temperaturskillnaden mellan den fasta och flytande fasen. "Eftersom hastigheten med vilken vatten förlorar värme beror på denna temperaturskillnad, är det mindre sannolikt att vatten som inte har värmts kyls ner", säger Dr. Katz.
Enligt vetenskapsmannen kan hans teori testas experimentellt, eftersom. Mpemba-effekten blir mer uttalad för hårdare vatten.
2. Syre plus väte plus kyla skapar is. Vid första anblicken verkar detta genomskinliga ämne väldigt enkelt. Faktum är att isen är fylld av många mysterier. Isen som skapades av afrikanen Erasto Mpemba tänkte inte på ära. Dagarna var varma. Han ville fruktis. Han tog en kartong juice och la den i frysen. Han gjorde detta mer än en gång och märkte därför att juicen fryser extra snabbt, om du håller den i solen innan dess - bara värm upp den! Det här är konstigt, tyckte den tanzaniske skolpojken, som agerade i strid med världslig visdom. Är det möjligt att för att vätskan snabbare ska förvandlas till is måste den först ... värmas upp? Den unge mannen blev så förvånad att han delade sin gissning med läraren. Han rapporterade denna nyfikenhet i pressen.
Den här historien hände redan på 1960-talet. Nu är "Mpemba-effekten" välkänd för forskare. Men under lång tid förblev detta till synes enkla fenomen ett mysterium. Varför fryser varmt vatten snabbare än kallt vatten?
Det var inte förrän 1996 som fysikern David Auerbach hittade en lösning. För att svara på denna fråga genomförde han ett experiment i ett helt år: han värmde vatten i ett glas och kylde det igen. Så vad fick han reda på? Vid upphettning avdunstar luftbubblor lösta i vatten. Vatten utan gaser fryser lättare på kärlets väggar. "Självklart kommer vatten med hög lufthalt också att frysa", säger Auerbach, "men inte vid noll grader Celsius, utan bara vid minus fyra till sex grader." Naturligtvis kommer du att få vänta längre. Så, varmt vatten fryser före kallt vatten, detta är ett vetenskapligt faktum.
Det finns knappast ett ämne som skulle dyka upp framför våra ögon med samma lätthet som is. Den består bara av vattenmolekyler - det vill säga elementära molekyler som innehåller två väteatomer och ett syre. Men is är kanske det mest mystiska ämnet i universum. Forskare har hittills inte kunnat förklara några av dess egenskaper.
2. Superkylning och "flash"-frysning
Alla vet att vatten alltid blir till is när det svalnar till 0 °C... förutom i vissa fall! Ett sådant fall är till exempel "superkylning", vilket är en egenskap hos mycket rent vatten förbli flytande även när den är kyld under fryspunkten. Detta fenomen möjliggörs av det faktum att miljö innehåller inte centra eller kärnor för kristallisation, vilket kan provocera fram bildandet av iskristaller. Så vattnet förblir i flytande form, även när det kyls till temperaturer under noll grader Celsius. Kristallisationsprocessen kan utlösas, till exempel av gasbubblor, föroreningar (föroreningar), ojämn yta på behållaren. Utan dem kommer vattnet att förbli i flytande tillstånd. När kristalliseringsprocessen startar kan du se hur det superkylda vattnet omedelbart förvandlas till is.
Se videon (2 901 Kb, 60 c) av Phil Medina (www.mrsciguy.com) och se själv >>
Kommentar.Överhettat vatten förblir också flytande även när det värms över sin kokpunkt.
3. "Glas" vatten
Snabbt och utan att tveka, nämn hur mycket olika stater har vattnet?
Om du svarade tre (fast, flytande, gas), så har du fel. Forskare särskiljer minst 5 olika tillstånd av vatten i flytande form och 14 tillstånd av is.
Kommer du ihåg samtalet om superkylt vatten? Så oavsett vad du gör, vid -38 ° C, förvandlas till och med det renaste superkyla vattnet plötsligt till is. Vad händer med en ytterligare minskning
temperatur? Vid -120 °C börjar något konstigt hända med vatten: det blir supervisköst eller trögflytande, som melass, och vid temperaturer under -135 °C förvandlas det till "glasigt" eller "glasigt" vatten - en fast substans i vilken det finns ingen kristallin struktur.
4. Vattnets kvantegenskaper
På molekylär nivå är vatten ännu mer fantastiskt. 1995 gav ett neutronspridningsexperiment utfört av forskare ett oväntat resultat: fysiker fann att neutroner riktade mot vattenmolekyler "ser" 25 % färre väteprotoner än förväntat.
Det visade sig att med en hastighet av en attoseund (10 -18 sekunder) sker en ovanlig kvanteffekt, och kemisk formel vatten istället för det vanliga - H 2 O, blir H 1,5 O!
5. Har vatten ett minne?
Homeopati, ett alternativ till konventionell medicin, hävdar att en utspädd lösning läkemedel kan ha en terapeutisk effekt på kroppen, även om utspädningsfaktorn är så stor att det inte finns annat kvar i lösningen än vattenmolekyler. Förespråkare av homeopati förklarar denna paradox med ett begrepp som kallas "minne av vatten", enligt vilket vatten på molekylär nivå har ett "minne" av ämnet när det väl lösts upp i det och behåller egenskaperna hos lösningen av den ursprungliga koncentrationen efter inte en en enda molekyl av ingrediensen finns kvar i den.
Ett internationellt team av forskare ledda av professor Madeleine Ennis från Queen's University of Belfast, som kritiserade homeopatins principer, genomförde ett experiment 2002 för att motbevisa detta koncept en gång för alla. Resultatet blev det motsatta. Därefter sa forskare att de kunde bevisa verkligheten av effekten av "minne av vatten. Men experiment utförda under överinseende av oberoende experter, gav inte resultat. Tvister om förekomsten av fenomenet "minne av vatten" fortsätter.
Vatten har många andra ovanliga egenskaper som vi inte har behandlat i den här artikeln.
Litteratur.
1. 5 riktigt konstiga saker om vatten / http://www.neatorama.com.
2. Vattnets mysterium: teorin om Aristoteles-Mpemba-effekten skapades / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Den livlösa naturens hemligheter. Det mest mystiska ämnet i universum / http://www.bibliotekar.ru.
Många forskare har lagt fram och lägger fram sina egna versioner av varför varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten. Det verkar vara en paradox - trots allt, för att frysa, måste varmvatten först svalna. Men faktum kvarstår, och forskare förklarar det på olika sätt.
Större versioner
På det här ögonblicket Det finns flera versioner som förklarar detta faktum:
- Eftersom avdunstning i varmvatten går snabbare, minskar dess volym. En mindre mängd vatten med samma temperatur fryser snabbare.
- Kylskåpets frysfack har ett snöfoder. En behållare som innehåller varmvatten smälter snön under. Detta förbättrar den termiska kontakten med frysen.
- Frysning av kallt vatten, till skillnad från varmt, börjar ovanifrån. I detta fall förvärras konvektion och värmestrålning, och följaktligen värmeförlusten.
- I kallt vatten finns det centra för kristallisation - ämnen lösta i det. Med ett litet innehåll av dem i vatten är isbildning svårt, även om dess hypotermi samtidigt är möjlig - när den har ett flytande tillstånd vid minusgrader.
Även om det är rättvist att säga det denna effekt inte alltid observeras. Kallt vatten fryser ofta snabbare än varmt vatten.
Vid vilken temperatur fryser vattnet
Varför fryser vatten överhuvudtaget? Den innehåller en viss mängd mineral- eller organiska partiklar. Dessa kan till exempel vara mycket fina partiklar av sand, damm eller lera. När lufttemperaturen sjunker blir dessa partiklar centra runt vilka iskristaller bildas.
Rollen av kristallisationskärnor kan också utföras av luftbubblor och sprickor i en behållare som innehåller vatten. Hastigheten för processen att förvandla vatten till is påverkas till stor del av antalet sådana centra - om det finns många av dem fryser vätskan snabbare. Under normala förhållanden, med normala atmosfärstryck, vattnet går in fast tillstånd vätska vid 0 grader.
Kärnan i Mpemba-effekten
Mpemba-effekten förstås som en paradox, vars essens är att under vissa omständigheter fryser varmt vatten snabbare än kallt vatten. Detta fenomen uppmärksammades av Aristoteles och Descartes. Det var dock inte förrän 1963 som Erasto Mpemba, en skolpojke från Tanzania, fastställde att varm glass fryser i mer än en kort tidän kallt. Han gjorde en sådan slutsats när han utförde uppgiften att laga mat.
Han var tvungen att lösa upp socker i kokt mjölk och, efter att ha kylt det, placera det i kylen för att frysa. Uppenbarligen skilde sig Mpemba inte i speciell flit och började utföra den första delen av uppgiften sent. Därför väntade han inte på att mjölken skulle svalna och satte den i kylen varm. Han blev mycket förvånad när det frös till ännu snabbare än hans klasskamraters, som gjorde jobbet i enlighet med den givna tekniken.
Detta faktum intresserade den unge mannen mycket, och han började experimentera med vanligt vatten. 1969 publicerade tidskriften Physics Education resultaten av forskning av Mpemba och professor Dennis Osborn vid University of Dar es Salaam. Effekten de beskrev fick namnet Mpemba. Än idag finns det dock ingen tydlig förklaring till fenomenet. Alla forskare är överens om att huvudrollen i detta hör till skillnaderna i egenskaperna hos kylt och varmt vatten, men exakt vad är okänt.
Singapore version
Fysiker från ett av Singapores universitet var också intresserade av frågan, vilket vatten fryser snabbare - varmt eller kallt? Ett team av forskare under ledning av Xi Zhang förklarade denna paradox just med vattnets egenskaper. Alla känner fortfarande till vattnets sammansättning från skolan - en syreatom och två väteatomer. Syre drar till viss del elektroner från väte, så molekylen är en viss sorts "magnet".
Som ett resultat dras vissa molekyler i vatten något till varandra och förenas av en vätebindning. Dess styrka är många gånger lägre än den kovalenta bindningen. Singaporeanska forskare tror att förklaringen till Mpemba-paradoxen ligger just i vätebindningar. Om vattenmolekyler är placerade mycket tätt tillsammans, så kan en sådan stark interaktion mellan molekyler deformera den kovalenta bindningen i mitten av själva molekylen.
Men när vatten värms upp rör sig de bundna molekylerna något bort från varandra. Som ett resultat sker avslappning av kovalenta bindningar i mitten av molekylerna med återgång av överskottsenergi och övergången till den lägsta energinivå. Detta leder till att varmt vatten börjar svalna snabbt. Förbi minst, så visa de teoretiska beräkningar som utförts av singaporeanska forskare.
Omedelbar vattenfrysning - 5 otroliga knep: Video
Mpemba effekt(Mpemba Paradox) är en paradox som säger att varmt vatten under vissa förhållanden fryser snabbare än kallt vatten, även om det måste passera temperaturen på kallt vatten när det fryser. Denna paradox är ett experimentellt faktum som motsäger de vanliga idéerna, enligt vilka en varmare kropp under samma förhållanden behöver mer tid för att kylas ner till en viss temperatur än en svalare kropp för att kyla ner till samma temperatur.
Detta fenomen uppmärksammades på den tiden av Aristoteles, Francis Bacon och Rene Descartes, men först 1963 upptäckte den tanzaniske skolpojken Erasto Mpemba att en varm glassblandning fryser snabbare än en kall.
Som elev på Magamba High School i Tanzania gjorde Erasto Mpemba det praktiskt arbete inom den kulinariska konsten. Han var tvungen att göra hemmagjord glass - koka mjölk, lösa upp socker i den, kyla den till rumstemperatur och ställ sedan in i kylen för att frysa. Uppenbarligen var Mpemba inte en särskilt flitig elev och skjuta upp med den första delen av uppdraget. Eftersom han var rädd för att han inte skulle komma i tid vid slutet av lektionen lade han den fortfarande varma mjölken i kylskåpet. Till hans förvåning frös den till och med tidigare än hans kamraters mjölk, tillagad enligt en given teknik.
Efter det experimenterade Mpemba inte bara med mjölk, utan också med vanligt vatten. Hur som helst, redan som elev på Mkvava High School, ställde han en fråga till professor Dennis Osborn från universitet i Dar es Salaam (inbjuden av skolans direktör att hålla en föreläsning om fysik för studenter) om vatten: "Om du tar två identiska behållare med lika volymer vatten så att vattnet i en av dem har en temperatur på 35° C, och i den andra - 100 ° C, och lägg dem i frysen, sedan i den andra fryser vattnet snabbare. Varför?" Osborne blev intresserad av detta nummer och snart 1969 publicerade de tillsammans med Mpemba resultaten av sina experiment i tidskriften "Physics Education". Sedan dess kallas effekten de upptäckte Mpemba effekt.
Hittills vet ingen exakt hur man ska förklara denna märkliga effekt. Forskare har inte en enda version, även om det finns många. Allt handlar om skillnaden i egenskaperna hos varmt och kallt vatten, men det är ännu inte klart vilka egenskaper som spelar roll i det här fallet: skillnaden i underkylning, avdunstning, isbildning, konvektion eller effekten av flytande gaser på vatten vid kl. olika temperaturer.
Paradoxen med Mpemba-effekten är att den tid under vilken kroppen kyls ner till omgivningstemperaturen måste vara proportionell mot temperaturskillnaden mellan denna kropp och miljön. Denna lag fastställdes av Newton och har sedan dess bekräftats många gånger i praktiken. I samma effekt kyls vatten vid 100°C ner till 0°C snabbare än samma mängd vatten vid 35°C.
Detta innebär dock ännu inte en paradox, eftersom Mpemba-effekten också kan förklaras inom känd fysik. Här är några förklaringar till Mpemba-effekten:
avdunstning
Varmvatten avdunstar snabbare från behållaren, vilket minskar dess volym, och en mindre volym vatten med samma temperatur fryser snabbare. Vatten som värms upp till 100 C förlorar 16 % av sin massa när det kyls till 0 C.
Förångningseffekten är en dubbel effekt. Först reduceras mängden vatten som krävs för kylning. Och för det andra sjunker temperaturen på grund av att förångningsvärmet av övergången från vattenfasen till ångfasen minskar.
temperaturskillnad
På grund av det faktum att temperaturskillnaden mellan varmvatten och kall luft är större - därför är värmeväxlingen i detta fall mer intensiv och varmvatten kyls snabbare.
hypotermi
När vattnet kyls under 0 C fryser det inte alltid. Under vissa förhållanden kan den undergå underkylning samtidigt som den fortsätter att förbli flytande vid temperaturer under fryspunkten. I vissa fall kan vatten förbli flytande även vid -20 C.
Anledningen till denna effekt är att för att de första iskristallerna ska börja bildas behövs centra för kristallbildning. Om de inte är i flytande vatten, kommer underkylningen att fortsätta tills temperaturen sjunker så mycket att kristaller börjar bildas spontant. När de börjar bildas i den underkylda vätskan kommer de att börja växa snabbare och bilda ett isslam som fryser till is.
Varmvatten är mest mottagligt för hypotermi eftersom uppvärmning av det eliminerar lösta gaser och bubblor, som i sin tur kan fungera som centra för bildandet av iskristaller.
Varför gör hypotermi att varmvatten fryser snabbare? Vid kallt vatten, som inte är underkylt, inträffar följande. I detta fall kommer ett tunt lager av is att bildas på kärlets yta. Detta lager av is kommer att fungera som en isolator mellan vattnet och kall luft och kommer att förhindra ytterligare avdunstning. Hastigheten för bildandet av iskristaller i detta fall kommer att vara mindre. Vid underkylning av hett vatten har det underkylda vattnet inget skyddande ytskikt av is. Därför tappar den värme mycket snabbare genom den öppna toppen.
När underkylningsprocessen avslutas och vattnet fryser försvinner mycket mer värme och därför bildas mer is.
Många forskare av denna effekt anser hypotermi vara huvudfaktorn i fallet med Mpemba-effekten.
Konvektion
Kallt vatten börjar frysa från ovan, vilket förvärrar processerna för värmestrålning och konvektion, och därmed värmeförlusten, medan varmt vatten börjar frysa underifrån.
Denna effekt förklaras av en anomali i vattnets densitet. Vatten har en maximal densitet vid 4 C. Om du kyler vatten till 4 C och sätter det på en lägre temperatur kommer ytskiktet av vatten att frysa snabbare. Eftersom detta vatten är mindre tätt än vatten vid 4°C kommer det att stanna kvar på ytan och bilda ett tunt kallt lager. Under dessa förhållanden kommer ett tunt lager av is att bildas på vattenytan under en kort tid, men detta lager av is kommer att fungera som en isolator som skyddar de nedre lagren av vatten, som kommer att förbli vid en temperatur på 4 C. Därför , kommer den fortsatta nedkylningsprocessen att gå långsammare.
När det gäller varmvatten är situationen en helt annan. Ytskiktet av vatten kommer att svalna snabbare på grund av avdunstning och mer skillnad temperaturer. Dessutom är kallvattenlagren tätare än varmvattenlagren, så kallvattenlagret kommer att sjunka ner och höja lagret. varmvatten till ytan. Denna cirkulation av vatten säkerställer en snabb temperatursänkning.
Men varför når inte denna process jämviktspunkten? För att förklara Mpemba-effekten ur denna synvinkel av konvektion, måste man anta att de kalla och varma skikten av vatten separeras och själva konvektionsprocessen fortsätter efter att den genomsnittliga vattentemperaturen sjunker under 4 C.
Det finns dock inga experimentella bevis för att stödja denna hypotes att kalla och varma lager av vatten separeras genom konvektion.
gaser lösta i vatten
Vatten innehåller alltid gaser lösta i det - syre och koldioxid. Dessa gaser har förmågan att sänka vattnets fryspunkt. När vattnet värms upp frigörs dessa gaser från vattnet eftersom deras löslighet i vatten kl hög temperatur Nedan. Därför, när varmvatten kyls, finns det alltid färre lösta gaser i det än i ouppvärmt kallt vatten. Därför är fryspunkten för uppvärmt vatten högre och det fryser snabbare. Denna faktor anses ibland vara den viktigaste för att förklara Mpemba-effekten, även om det inte finns några experimentella data som bekräftar detta faktum.
Värmeledningsförmåga
Denna mekanism kan spela en betydande roll när vatten placeras i en kyl och frys i små behållare. Under dessa förhållanden har det observerats att behållaren med hett vatten smälter isen från frysen under, vilket förbättrar termisk kontakt med frysens vägg och värmeledningsförmåga. Som ett resultat tas värme bort från varmvattenbehållaren snabbare än från den kalla. I sin tur smälter behållaren med kallt vatten inte snö under den.
Alla dessa (liksom andra) tillstånd har studerats i många experiment, men ett entydigt svar på frågan - vilken av dem ger en 100% reproduktion av Mpemba-effekten - har inte erhållits.
Så, till exempel, 1995 studerade den tyske fysikern David Auerbach inverkan av underkylning av vatten på denna effekt. Han upptäckte att varmt vatten, som når ett underkylt tillstånd, fryser vid en högre temperatur än kallt vatten, och därför snabbare än det senare. Men kallt vatten når det underkylda tillståndet snabbare än varmt vatten, vilket kompenserar för den tidigare fördröjningen.
Dessutom motsäger Auerbachs resultat tidigare data om att varmvatten kan uppnå större underkylning på grund av färre kristallisationscentra. När vatten värms upp, avlägsnas de gaser som är lösta i det, och när det kokas utfälls några salter lösta i det.
Hittills kan bara en sak hävdas - reproduktionen av denna effekt beror i huvudsak på de förhållanden under vilka experimentet utförs. Just för att det inte alltid återges.
Vatten- ett ganska enkelt ämne ur kemisk synvinkel, men det har ett antal ovanliga egenskaper som aldrig slutar att förvåna forskarna. Nedan följer några fakta som få människor känner till.
1. Vilket vatten fryser snabbare - kallt eller varmt?
Ta två behållare med vatten: häll varmt vatten i den ena och kallt vatten i den andra och placera dem i frysen. Varmvatten kommer att frysa snabbare än kallt vatten, även om kallt vatten logiskt sett borde ha förvandlats till is först: trots allt måste varmt vatten först svalna till kall temperatur och sedan förvandlas till is, medan kallt vatten inte behöver svalna. Varför händer det här?
1963 märkte en tanzanisk student vid namn Erasto B. Mpemba, när han fryste in en beredd glassblandning, att den varma blandningen stelnade snabbare i frysen än den kalla. När den unge mannen delade sin upptäckt med en fysiklärare skrattade han bara åt honom. Lyckligtvis var eleven ihärdig och övertygade läraren att genomföra ett experiment, som bekräftade hans upptäckt: under vissa förhållanden fryser varmt vatten verkligen snabbare än kallt vatten.
Nu kallas detta fenomen med att varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten " Mpemba effekt". Sant, långt före honom noterades denna unika egenskap av vatten av Aristoteles, Francis Bacon och Rene Descartes.
Forskare förstår inte helt arten av detta fenomen, de förklarar det antingen med skillnaden i hypotermi, avdunstning, isbildning, konvektion eller effekten av flytande gaser på varmt och kallt vatten.
2. Hon kan frysa direkt
Det vet alla vatten blir alltid till is när den kyls till 0 °C ... utom i vissa fall! Ett sådant fall är till exempel underkylning, som är egenskapen hos mycket rent vatten att förbli flytande även när det kyls till en temperatur under fryspunkten. Detta fenomen blir möjligt på grund av det faktum att miljön inte innehåller kristallisationscentra eller kärnor som kan provocera fram bildandet av iskristaller. Så vattnet förblir i flytande form, även när det kyls till temperaturer under noll grader Celsius.
kristallisationsprocessen kan provoceras till exempel av gasbubblor, föroreningar (föroreningar), ojämn yta på behållaren. Utan dem kommer vattnet att förbli i flytande tillstånd. När kristalliseringsprocessen startar kan du se hur det superkylda vattnet omedelbart förvandlas till is.
Observera att "överhettat" vatten också förblir flytande även när det värms över kokpunkten.
3. 19 vattentillstånd
Utan att tveka, nämn hur många olika tillstånd vatten har? Om du svarade på tre: fast, flytande, gasformig, så har du fel. Forskare särskiljer minst 5 olika tillstånd av vatten i flytande form och 14 tillstånd i frusen form.
Kommer du ihåg samtalet om superkylt vatten? Så oavsett vad du gör, vid -38 ° C, kommer även det renaste superkyla vattnet plötsligt att förvandlas till is. Vad händer när temperaturen sjunker ytterligare? Vid -120°C börjar något konstigt hända med vatten: det blir supervisköst eller trögflytande, som melass, och vid temperaturer under -135°C förvandlas det till "glasigt" eller "glasigt" vatten - ett fast ämne som saknar kristallin struktur.
4. Vatten överraskar fysiker
På molekylär nivå är vatten ännu mer överraskande. 1995 gav ett neutronspridningsexperiment utfört av forskare ett oväntat resultat: fysiker fann att neutroner riktade mot vattenmolekyler "ser" 25 % färre väteprotoner än förväntat.
Det visade sig att med en hastighet av en attosekund (10 -18 sekunder) sker en ovanlig kvanteffekt, och den kemiska formeln för vatten istället för H2O, blir H1,5O!
5. Vattenminne
Alternativ till officiell medicin homeopati hävdar att en utspädd lösning av ett läkemedel kan ha en terapeutisk effekt på kroppen, även om utspädningsfaktorn är så stor att det inte finns något kvar i lösningen än vattenmolekyler. Förespråkare av homeopati förklarar denna paradox med ett koncept som kallas " vattenminne", enligt vilket vatten på molekylär nivå har ett "minne" av ett ämne när det en gång lösts upp i det och behåller egenskaperna hos en lösning av den initiala koncentrationen efter att inte en enda ingrediensmolekyl finns kvar i den.
Ett internationellt team av vetenskapsmän ledda av professor Madeleine Ennis från Queen's University of Belfast, som kritiserade principerna för homeopati, genomförde ett experiment 2002 för att motbevisa konceptet en gång för alla. Resultatet blev det motsatta. Efter det sa forskare att de lyckades bevisa verkligheten av effekten " vattenminne". Experiment utförda under övervakning av oberoende experter gav dock inga resultat. Tvister om förekomsten av fenomenet " vattenminne" Fortsätta.
Vatten har många andra ovanliga egenskaper som vi inte har behandlat i den här artikeln. Till exempel varierar vattentätheten med temperaturen (isens densitet är mindre än vattens); vatten har en ganska stor ytspänning; i flytande tillstånd är vatten ett komplext och dynamiskt föränderligt nätverk av vattenkluster, och det är beteendet hos kluster som påverkar vattnets struktur osv.
Om dessa och många andra oväntade funktioner vatten kan läsas i artikeln Onormala egenskaper hos vatten”, vars författare är Martin Chaplin, professor vid University of London.
