Efekt Mpemby, czyli dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda? Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda? Efekt Mpemby.

Zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej znane jest w nauce jako efekt Mpemby. Wielkie umysły, takie jak Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, zastanawiały się nad tym paradoksalnym zjawiskiem, ale przez tysiące lat nikt nie był jeszcze w stanie zaoferować rozsądnego wyjaśnienia tego zjawiska.

Dopiero w 1963 roku uczeń z Republiki Tanganiki Erasto Mpemba zauważył ten efekt na przykładzie lodów, jednak żaden dorosły nie udzielił mu wyjaśnienia. Niemniej jednak fizycy i chemicy poważnie myśleli o tak prostym, ale tak niezrozumiałym zjawisku.

Od tego czasu wyrażano różne wersje, z których jedna była następująca: część gorącej wody najpierw po prostu odparowuje, a następnie, gdy zostaje jej mniej, woda zamarza szybciej. Ta wersja, dzięki swojej prostocie, stała się najpopularniejsza, ale nie do końca zadowoliła naukowców.

Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze, kierowany przez chemika Xi Zhanga, twierdzi, że rozwiązał odwieczną zagadkę, dlaczego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna woda. Jak przekonali się chińscy eksperci, tajemnica tkwi w ilości energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody.

Jak wiadomo, cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru, połączonych ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, co na poziomie cząstek wygląda jak wymiana elektronów. Innym znanym faktem jest to, że atomy wodoru przyciągają się do atomów tlenu z sąsiednich cząsteczek – powstają wiązania wodorowe.

Jednocześnie cząsteczki wody na ogół odpychają się od siebie. Naukowcy z Singapuru zauważyli: im cieplejsza woda, tym większa odległość między cząsteczkami cieczy ze względu na wzrost sił odpychania. W rezultacie wiązania wodorowe ulegają rozciągnięciu i dlatego magazynują więcej energii. Energia ta jest uwalniana, gdy woda się ochładza - cząsteczki zbliżają się do siebie. A uwolnienie energii, jak wiadomo, oznacza chłodzenie.

Jak piszą chemicy w swoim artykule, który można znaleźć na stronie preprint arXiv.org, w gorącej wodzie wiązania wodorowe są silniejsze niż w zimnej wodzie. Okazuje się zatem, że więcej energii magazynuje się w wiązaniach wodorowych gorącej wody, co oznacza, że ​​więcej jej jest uwalniane po schłodzeniu do ujemnych temperatur. Z tego powodu utwardzanie następuje szybciej.

Do tej pory naukowcy rozwiązali tę zagadkę tylko teoretycznie. Kiedy przedstawią przekonujące dowody na swoją wersję, kwestię, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, można uznać za zamkniętą.

Jednym z moich ulubionych przedmiotów w szkole była chemia. Pewnego razu nauczyciel chemii dał nam bardzo dziwne i trudne zadanie. Dał nam listę pytań, na które musieliśmy odpowiedzieć z zakresu chemii. Na to zadanie otrzymaliśmy kilka dni i pozwolono nam skorzystać z bibliotek i innych dostępnych źródeł informacji. Jedno z tych pytań dotyczyło temperatury zamarzania wody. Nie pamiętam dokładnie, jak brzmiało pytanie, ale chodziło o to, że jeśli weźmie się dwa drewniane wiadra tej samej wielkości, jedno z gorącą wodą, drugie z zimną (o dokładnie wskazanej temperaturze), i umieści się je w środowisko o określonej temperaturze, która będzie Czy zamarzną szybciej? Oczywiście odpowiedź od razu nasunęła się sama – wiadro zimnej wody, ale uznaliśmy, że to zbyt proste. Ale to nie wystarczyło, aby dać pełną odpowiedź; musieliśmy to udowodnić z chemicznego punktu widzenia. Pomimo całego mojego myślenia i badań nie mogłem dojść do logicznego wniosku. Postanowiłem nawet tego dnia pominąć tę lekcję, więc nigdy nie poznałem rozwiązania tej zagadki.

Minęły lata i poznałem wiele codziennych mitów na temat temperatury wrzenia i zamarzania wody, a jeden z nich brzmiał: „gorąca woda zamarza szybciej”. Przeglądałem wiele stron internetowych, ale informacje były zbyt sprzeczne. A to były tylko opinie, bezpodstawne z naukowego punktu widzenia. I postanowiłem przeprowadzić własny eksperyment. Ponieważ nie mogłem znaleźć drewnianych wiader, skorzystałem z zamrażarki, kuchenki, wody i termometru cyfrowego. O wynikach moich doświadczeń opowiem nieco później. Najpierw podzielę się z Wami kilkoma ciekawymi argumentami na temat wody:

Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Większość ekspertów twierdzi, że zimna woda zamarza szybciej niż gorąca. Ale jedno zabawne zjawisko (tak zwany efekt Memby) z nieznanych przyczyn dowodzi czegoś przeciwnego: gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda. Jednym z kilku wyjaśnień jest proces parowania: jeśli bardzo gorąca woda zostanie umieszczona w zimnym otoczeniu, woda zacznie parować (pozostała ilość wody zamarznie szybciej). I zgodnie z prawami chemii wcale nie jest to mit i najprawdopodobniej właśnie to chciał od nas usłyszeć nauczyciel.

Przegotowana woda zamarza szybciej niż woda z kranu. Pomimo wcześniejszych wyjaśnień niektórzy eksperci twierdzą, że przegotowana woda schłodzona do temperatury pokojowej powinna zamarzać szybciej, ponieważ gotowanie zmniejsza ilość tlenu.

Zimna woda wrze szybciej niż gorąca. Jeśli gorąca woda zamarza szybciej, to może zimna woda wrze szybciej! Jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, a naukowcy twierdzą, że tak po prostu być nie może. Gorąca woda z kranu powinna wrzeć szybciej niż zimna. Jednak gotowanie gorącej wody nie oszczędza energii. Możesz zużyć mniej gazu lub światła, ale podgrzewacz wody zużyje taką samą ilość energii potrzebnej do podgrzania zimnej wody. (W przypadku energii słonecznej sytuacja jest nieco inna). W wyniku podgrzania wody przez podgrzewacz może pojawić się osad, przez co woda będzie się dłużej nagrzewać.

Jeśli dodasz soli do wody, zagotuje się ona szybciej. Sól podnosi temperaturę wrzenia (i odpowiednio obniża temperaturę zamarzania - dlatego niektóre gospodynie domowe dodają do lodów odrobinę soli kamiennej). Ale w tym przypadku interesuje nas inne pytanie: jak długo woda będzie się gotować i czy temperatura wrzenia w tym przypadku może wzrosnąć powyżej 100°C). Wbrew temu, co piszą w książkach kucharskich, naukowcy twierdzą, że ilość soli, którą dodajemy do wrzącej wody, nie jest wystarczająca, aby wpłynąć na czas i temperaturę gotowania.

Ale oto co dostałem:

Zimna woda: Użyłem trzech szklanych szklanek oczyszczonej wody o pojemności 100 ml: jednej szklanki o temperaturze pokojowej (22°C), jednej z gorącą wodą (115°F/46°C) i jednej z przegotowaną wodą (212°C). °F/100°C). Wszystkie trzy szklanki umieściłam w zamrażarce w temperaturze -18°C. A ponieważ wiedziałem, że woda nie zamieni się od razu w lód, stopień zamarzania określiłem za pomocą „drewnianego pływaka”. Kiedy patyczek umieszczony na środku szklanki przestał dotykać podstawy, uznałem, że woda jest zamarznięta. Sprawdzałem okulary co pięć minut. A jakie są moje wyniki? Woda w pierwszej szklance zamarzła po 50 minutach. Gorąca woda zamarzła po 80 minutach. Gotowane - po 95 minutach. Moje wnioski: Biorąc pod uwagę warunki w zamrażarce i wodę, której użyłem, nie byłem w stanie odtworzyć efektu Memba.

Próbowałem także tego eksperymentu z wcześniej przegotowaną wodą, która ostygła do temperatury pokojowej. Zamarzła w ciągu 60 minut – i tak trwało to dłużej niż zamarznięcie zimnej wody.

Przegotowana woda: Wziąłem litr wody o temperaturze pokojowej i postawiłem na ogniu. Gotowało się w 6 minut. Następnie ostudziłem go z powrotem do temperatury pokojowej i dodałem, gdy był gorący. Przy tym samym ogniu gorąca woda zagotowała się w ciągu 4 godzin i 30 minut. Wniosek: zgodnie z oczekiwaniami gorąca woda wrze znacznie szybciej.

Przegotowana woda (z solą): Na 1 litr wody dodałam 2 duże łyżki soli kuchennej. Gotowała się w ciągu 6 minut i 33 sekund i jak wskazywał termometr, osiągnęła temperaturę 102°C. Niewątpliwie sól wpływa na temperaturę wrzenia, ale niewiele. Wniosek: sól w wodzie nie wpływa znacząco na temperaturę i czas wrzenia. Przyznam szczerze, że moją kuchnię trudno nazwać laboratorium i być może moje wnioski przeczą rzeczywistości. Moja zamrażarka może nie zamrażać żywności równomiernie. Moje szklane okulary mogły mieć nieregularny kształt itp. Ale niezależnie od tego, co dzieje się w laboratorium, jeśli chodzi o zamrożenie lub zagotowanie wody w kuchni, najważniejszy jest zdrowy rozsądek.

link do ciekawostek o wodziewszystko o wodzie
zgodnie z sugestią na forum.ixbt.com efekt ten (efekt szybszego zamarzania gorącej wody niż zimnej) nazywany jest „efektem Arystotelesa-Mpemby”

Te. Przegotowana woda (schłodzona) zamarza szybciej niż „surowa”

Wydawać by się mogło, że stara, dobra formuła H 2 O nie kryje żadnych tajemnic. Ale tak naprawdę woda – źródło życia i najsłynniejsza ciecz na świecie – kryje w sobie wiele tajemnic, których czasami nawet naukowcy nie są w stanie rozwiązać.

Oto 5 najciekawszych faktów na temat wody:

1. Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna

Weźmy dwa pojemniki z wodą: do jednego wlej gorącą wodę, do drugiego zimną wodę i włóż je do zamrażarki. Gorąca woda zamarznie szybciej niż zimna woda, chociaż logicznie rzecz biorąc, zimna woda powinna najpierw zamienić się w lód: w końcu gorąca woda musi najpierw ostygnąć do zimnej temperatury, a następnie zamienić się w lód, podczas gdy zimna woda nie musi się ochładzać. Dlaczego to się dzieje?

W 1963 roku Erasto B. Mpemba, uczeń szkoły średniej w Tanzanii, zamrażał mieszankę lodową i zauważył, że gorąca mieszanka krzepnie w zamrażarce szybciej niż zimna. Kiedy młody człowiek podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten tylko się wyśmiał. Na szczęście uczeń był wytrwały i namówił nauczyciela do przeprowadzenia eksperymentu, który potwierdził jego odkrycie: w pewnych warunkach gorąca woda faktycznie zamarza szybciej niż zimna woda.

Teraz to zjawisko polegające na szybszym zamarzaniu gorącej wody niż zimnej wody nazywa się „efektem Mpemby”. To prawda, że ​​​​na długo przed nim tę wyjątkową właściwość wody zauważyli Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes.

Naukowcy wciąż nie do końca rozumieją naturę tego zjawiska, tłumacząc je różnicą w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji lub wpływem skroplonych gazów na gorącą i zimną wodę.

Notatka od X.RU na temat „Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda”.

Ponieważ tematyka chłodnictwa jest nam, specjalistom chłodnictwa, bliższa, pozwolimy sobie nieco głębiej zagłębić się w istotę tego problemu i przedstawić dwa opinie na temat natury tak tajemniczego zjawiska.

1. Naukowiec z Uniwersytetu Waszyngtońskiego zaproponował wyjaśnienie tajemniczego zjawiska znanego od czasów Arystotelesa: dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna.

Zjawisko zwane efektem Mpemby jest szeroko stosowane w praktyce. Na przykład eksperci doradzają kierowcom, aby zimą wlewali zimną, a nie gorącą wodę do zbiornika spryskiwacza. Ale to, co leży u podstaw tego zjawiska, przez długi czas pozostawało nieznane.

Doktor Jonathan Katz z Uniwersytetu Waszyngtońskiego badał to zjawisko i doszedł do wniosku, że ważną rolę odgrywają substancje rozpuszczone w wodzie, które wytrącają się po podgrzaniu, odgrywają tu ważną rolę, podaje EurekAlert.

Przez substancje rozpuszczone dr Katz rozumie wodorowęglany wapnia i magnezu, które znajdują się w twardej wodzie. Podczas podgrzewania wody substancje te wytrącają się, tworząc kamień na ściankach czajnika. Woda, która nigdy nie była podgrzewana, zawiera te zanieczyszczenia. Gdy zamarza i tworzą się kryształki lodu, stężenie zanieczyszczeń w wodzie wzrasta 50-krotnie. Z tego powodu temperatura zamarzania wody spada. „A teraz woda musi się jeszcze bardziej ochłodzić, aby zamarznąć” – wyjaśnia dr Katz.

Jest drugi powód, który zapobiega zamarzaniu nieogrzewanej wody. Obniżenie temperatury zamarzania wody zmniejsza różnicę temperatur pomiędzy fazą stałą i ciekłą. „Ponieważ szybkość utraty ciepła przez wodę zależy od tej różnicy temperatur, woda, która nie została podgrzana, stygnie gorzej” – komentuje dr Katz.

Według naukowca jego teorię można sprawdzić eksperymentalnie, ponieważ Efekt Mpemby staje się bardziej zauważalny w przypadku twardszej wody.

2. Tlen, wodór i zimno tworzą lód. Na pierwszy rzut oka ta przezroczysta substancja wydaje się bardzo prosta. W rzeczywistości lód kryje w sobie wiele tajemnic. Ice, stworzony przez Afrykanina Erasto Mpembę, nie myślał o sławie. Dni były gorące. Miał ochotę na lody. Wziął pudełko po soku i włożył je do zamrażarki. Zrobił to więcej niż raz i dlatego zauważył, że sok zamarza szczególnie szybko, jeśli najpierw trzyma się go na słońcu - naprawdę go nagrzewa! To dziwne, pomyślał tanzański uczeń, który postąpił wbrew światowej mądrości. Czy to prawda, że ​​aby ciecz szybciej zamieniła się w lód, trzeba ją najpierw... podgrzać? Młody człowiek był tak zaskoczony, że podzielił się swoim przypuszczeniem z nauczycielem. O tej ciekawości poinformował prasę.

Ta historia wydarzyła się w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Teraz „efekt Mpemby” jest dobrze znany naukowcom. Jednak to pozornie proste zjawisko przez długi czas pozostawało tajemnicą. Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda?

Dopiero w 1996 roku fizyk David Auerbach znalazł rozwiązanie. Aby odpowiedzieć na to pytanie, przez cały rok prowadził eksperyment: podgrzewał wodę w szklance i ponownie ją schładzał. Czego więc się dowiedział? Po podgrzaniu odparowują pęcherzyki powietrza rozpuszczone w wodzie. Woda pozbawiona gazów łatwiej zamarza na ściankach naczynia. „Oczywiście woda z dużą zawartością powietrza również zamarznie” – mówi Auerbach – „ale nie w temperaturze zera stopni Celsjusza, ale tylko w temperaturze od minus czterech do sześciu stopni”. Oczywiście trzeba będzie poczekać dłużej. Tak więc gorąca woda zamarza przed zimną wodą, jest to fakt naukowy.

Prawie żadna substancja nie pojawia się przed naszymi oczami z taką samą łatwością jak lód. Składa się wyłącznie z cząsteczek wody – czyli cząsteczek elementarnych zawierających dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Jednak lód jest prawdopodobnie najbardziej tajemniczą substancją we Wszechświecie. Naukowcom nie udało się jeszcze wyjaśnić niektórych jego właściwości.

2. Przechłodzenie i „natychmiastowe” zamrażanie

Każdy wie, że woda zawsze zamienia się w lód po ochłodzeniu do 0°C… z wyjątkiem niektórych przypadków! Przykładem tego jest „przechłodzenie”, które charakteryzuje się tym, że bardzo czysta woda pozostaje płynna nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera. Zjawisko to jest możliwe dzięki temu, że w środowisku nie występują centra ani jądra krystalizacji, które mogłyby wywołać powstawanie kryształków lodu. Dlatego woda pozostaje w postaci płynnej nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera stopni Celsjusza. Proces krystalizacji może zostać wywołany np. przez pęcherzyki gazu, zanieczyszczenia (zanieczyszczenia) lub nierówną powierzchnię pojemnika. Bez nich woda pozostanie w stanie ciekłym. Kiedy rozpocznie się proces krystalizacji, możesz obserwować, jak przechłodzona woda natychmiast zamienia się w lód.

Obejrzyj wideo (2901 KB, 60 s) Phila Mediny (www.mrsciguy.com) i przekonaj się >>

Komentarz. Przegrzana woda również pozostaje płynna nawet po podgrzaniu powyżej temperatury wrzenia.

3. Woda „szklana”.

Szybko i bez zastanowienia wymień, ile różnych stanów ma woda?

Jeśli odpowiedziałeś na trzy (ciało stałe, ciecz, gaz), to się myliłeś. Naukowcy identyfikują co najmniej 5 różnych stanów wody w stanie ciekłym i 14 stanów lodu.

Pamiętasz rozmowę o super-schłodzonej wodzie? Zatem niezależnie od tego, co zrobisz, w temperaturze -38°C nawet najczystsza, superschłodzona woda nagle zamienia się w lód. Co się stanie przy dalszym spadku?

temperatura? W temperaturze -120°C z wodą zaczyna dziać się coś dziwnego: staje się super lepka lub lepka jak melasa, a w temperaturach poniżej -135°C zamienia się w wodę „szklistą” lub „szklistą” – substancję stałą, która nie ma struktury krystalicznej .

4. Kwantowe właściwości wody

Na poziomie molekularnym woda jest jeszcze bardziej zaskakująca. W 1995 roku przeprowadzony przez naukowców eksperyment rozpraszania neutronów przyniósł nieoczekiwany wynik: fizycy odkryli, że neutrony skierowane na cząsteczki wody „widzą” o 25% mniej protonów wodoru, niż oczekiwano.

Okazało się, że z prędkością jednej attosekundy (10 -18 sekund) zachodzi niezwykły efekt kwantowy, a wzór chemiczny wody zamiast zwykłego - H 2 O, staje się H 1,5 O!

5. Czy woda ma pamięć?

Homeopatia, alternatywa dla medycyny konwencjonalnej, stwierdza, że ​​rozcieńczony roztwór leku może mieć lecznicze działanie na organizm, nawet jeśli współczynnik rozcieńczenia jest tak duży, że w roztworze nie pozostaje nic poza cząsteczkami wody. Zwolennicy homeopatii tłumaczą ten paradoks koncepcją zwaną „pamięcią wody”, zgodnie z którą woda na poziomie molekularnym posiada „pamięć” substancji raz w niej rozpuszczonej i po nie jednej chwili zachowuje właściwości roztworu o pierwotnym stężeniu. cząsteczka składnika pozostaje w nim.

Międzynarodowa grupa naukowców pod przewodnictwem profesor Madeleine Ennis z Queen's University w Belfaście, która skrytykowała zasady homeopatii, przeprowadziła w 2002 roku eksperyment, aby raz na zawsze obalić tę koncepcję. Rezultat był odwrotny udało się udowodnić realność efektu „pamięci wody”, jednak eksperymenty prowadzone pod okiem niezależnych ekspertów nie przyniosły żadnych rezultatów. Dyskusja na temat istnienia zjawiska „pamięci wody” trwa.

Woda ma wiele innych niezwykłych właściwości, o których nie mówiliśmy w tym artykule.

Literatura.

1. 5 naprawdę dziwnych rzeczy związanych z wodą / http://www.neatorama.com.
2. Tajemnica wody: powstała teoria efektu Arystotelesa-Mpemby / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Tajemnice przyrody nieożywionej. Najbardziej tajemnicza substancja we wszechświecie / http://www.bibliotekar.ru.

Wydaje się oczywiste, że zimna woda zamarza szybciej niż gorąca woda, ponieważ w takich samych warunkach gorąca woda schładza się, a następnie zamarza dłużej. Jednak tysiące lat obserwacji, a także współczesne eksperymenty wykazały, że prawdą jest również coś przeciwnego: w pewnych warunkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda. Kanał Scienceium Science Channel wyjaśnia to zjawisko:

Jak wyjaśniono w powyższym filmie, zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej znane jest jako efekt Mpemby, nazwany na cześć Erasto Mpemby, tanzańskiego ucznia, który w 1963 roku w ramach szkolnego projektu zrobił lody. Uczniowie musieli zagotować mieszaninę śmietanki i cukru, ostudzić, a następnie włożyć do zamrażarki.

Zamiast tego Erasto natychmiast wlał gorącą mieszankę, nie czekając, aż ostygnie. W efekcie po 1,5 godzinie jego mikstura była już zamrożona, natomiast mikstury pozostałych uczniów nie. Zainteresowany tym zjawiskiem Mpemba zaczął studiować tę kwestię u profesora fizyki Denisa Osborne'a i w 1969 roku opublikowali artykuł stwierdzający, że ciepła woda zamarza szybciej niż zimna woda. Było to pierwsze tego rodzaju recenzowane badanie, ale samo zjawisko jest wspominane w dokumentach Arystotelesa datowanych na IV wiek p.n.e. mi. Francis Bacon i Kartezjusz również odnotowali to zjawisko w swoich badaniach.

W filmie przedstawiono kilka opcji wyjaśnienia zdarzenia:

1. Mróz jest dielektrykiem, dlatego mroźna zimna woda lepiej magazynuje ciepło niż ciepłe szkło, które topi lód w kontakcie z nim
2. Zimna woda zawiera więcej rozpuszczonych gazów niż ciepła woda, a naukowcy spekulują, że może to odgrywać rolę w szybkości chłodzenia, chociaż nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób
3. Gorąca woda traci więcej cząsteczek wody poprzez parowanie, więc mniej pozostaje do zamrożenia
4. Ciepła woda może ostygnąć szybciej ze względu na zwiększone prądy konwekcyjne. Prądy te powstają, ponieważ woda w szkle ochładza się najpierw na powierzchni i po bokach, powodując opadanie zimnej wody i podnoszenie się gorącej wody. W ciepłym szkle prądy konwekcyjne są bardziej aktywne, co może wpływać na szybkość chłodzenia.

Jednak w 2016 roku przeprowadzono dokładnie kontrolowane badanie, które wykazało coś przeciwnego: gorąca woda zamarzała znacznie wolniej niż zimna woda. Jednocześnie naukowcy zauważyli, że zmiana położenia termopary – urządzenia określającego zmiany temperatury – o zaledwie centymetr prowadzi do pojawienia się efektu Mpemby. Badanie innych podobnych badań wykazało, że we wszystkich przypadkach, w których zaobserwowano ten efekt, nastąpiło przemieszczenie termopary w promieniu centymetra.

Istnieje wiele czynników wpływających na to, która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, ale samo pytanie wydaje się trochę dziwne. Konsekwencją tego, co jest znane z fizyki, jest to, że gorąca woda nadal potrzebuje czasu, aby ostygnąć do temperatury porównywanej zimnej wody, aby zamienić się w lód. Zimna woda może pominąć ten etap i odpowiednio zyskać na czasie.

Ale odpowiedź na pytanie, która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca - na zewnątrz na mrozie, zna każdy mieszkaniec północnych szerokości geograficznych. Z naukowego punktu widzenia okazuje się, że tak czy inaczej zimna woda po prostu zamarza szybciej.

Nauczyciel fizyki, do którego w 1963 roku zwrócił się uczeń Erasto Mpemba, pomyślał to samo, prosząc o wyjaśnienie, dlaczego zimna mieszanka przyszłych lodów zamarza dłużej niż podobna, ale gorąca.

„To nie jest fizyka uniwersalna, ale jakiś rodzaj fizyki Mpemby”

Nauczyciel wtedy tylko się z tego śmiał, ale Deniss Osborne, profesor fizyki, który kiedyś odwiedzał tę samą szkołę, w której studiował Erasto, eksperymentalnie potwierdził obecność takiego efektu, choć wtedy nie było na to wyjaśnienia. W 1969 roku w czasopiśmie popularnonaukowym ukazał się wspólny artykuł tych dwóch osób, w którym opisano ten osobliwy efekt.

Nawiasem mówiąc, od tego czasu pytanie, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna - ma swoją nazwę - efekt Mpemby lub paradoks.

Pytanie pojawia się już od dłuższego czasu

Naturalnie, takie zjawisko miało miejsce już wcześniej i zostało wspomniane w pracach innych naukowców. Nie tylko uczeń był zainteresowany tą kwestią, ale także Rene Descartes, a nawet Arystoteles również kiedyś o tym myśleli.

Ale sposobów na rozwiązanie tego paradoksu zaczęto szukać dopiero pod koniec XX wieku.

Warunki wystąpienia paradoksu

Podobnie jak w przypadku lodów, podczas eksperymentu zamarza nie tylko zwykła woda. Aby można było spierać się, która woda zamarza szybciej – zimna czy gorąca, muszą zaistnieć pewne warunki. Co wpływa na przebieg tego procesu?

Obecnie, w XXI wieku, zaproponowano kilka opcji, które mogą wyjaśnić ten paradoks. To, która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, może zależeć od tego, czy ma większą szybkość parowania niż zimna woda. Tym samym jego objętość maleje, a wraz ze zmniejszaniem się objętości czas zamrażania staje się krótszy, niż gdybyśmy wzięli tę samą początkową objętość zimnej wody.

Minęło trochę czasu od rozmrożenia zamrażarki.

Na to, która woda zamarza szybciej i dlaczego tak się dzieje, może mieć wpływ warstwa śniegu, która może znajdować się w zamrażarce lodówki użytej do eksperymentu. Jeśli weźmiesz dwa pojemniki o identycznej objętości, ale jeden z nich zawiera gorącą wodę, a drugi zimną, pojemnik z gorącą wodą stopi znajdujący się pod nim śnieg, poprawiając w ten sposób kontakt poziomu termicznego ze ścianką lodówki. Pojemnik z zimną wodą nie jest w stanie tego zrobić. Jeśli w komorze lodówki nie ma takiej wykładziny ze śniegiem, zimna woda powinna zamarzać szybciej.

Góra dół

Ponadto zjawisko szybszego zamarzania wody - gorącej lub zimnej - wyjaśniono w następujący sposób. Zgodnie z pewnymi prawami zimna woda zaczyna zamarzać z górnych warstw, podczas gdy gorąca woda działa odwrotnie - zaczyna zamarzać od dołu do góry. Okazuje się, że zimna woda, mając na wierzchu zimną warstwę z miejscami już utworzonym lodem, pogarsza w ten sposób procesy konwekcji i promieniowania cieplnego, wyjaśniając w ten sposób, która woda zamarza szybciej – zimna czy gorąca. W załączeniu zdjęcia z amatorskich eksperymentów, co tutaj wyraźnie widać.

Ciepło wychodzi, pędzi w górę i tam spotyka bardzo chłodną warstwę. Nie ma swobodnej drogi dla promieniowania cieplnego, przez co proces chłodzenia staje się utrudniony. Ciepła woda nie ma absolutnie żadnych takich przeszkód na swojej drodze. Która zamarza szybciej – zimna czy gorąca, od czego zależy prawdopodobny wynik? Odpowiedź można rozszerzyć mówiąc, że w każdej wodzie są rozpuszczone pewne substancje.

Zanieczyszczenia w wodzie jako czynnik wpływający na wynik

Jeśli nie oszukamy i nie zastosujemy wody o tym samym składzie, w której stężenia niektórych substancji są identyczne, to zimna woda powinna zamarznąć szybciej. Jeśli jednak zaistnieje sytuacja, w której rozpuszczone pierwiastki chemiczne występują tylko w gorącej wodzie, a zimna ich nie ma, wówczas gorąca woda ma możliwość wcześniejszego zamarznięcia. Tłumaczy się to tym, że substancje rozpuszczone w wodzie tworzą centra krystalizacji, a przy małej liczbie tych ośrodków przemiana wody w stan stały jest utrudniona. Możliwe jest nawet, że woda ulegnie przechłodzeniu, w tym sensie, że w temperaturach poniżej zera będzie w stanie ciekłym.

Ale wszystkie te wersje najwyraźniej nie do końca odpowiadały naukowcom i nadal pracowali nad tym problemem. W 2013 roku zespół badaczy z Singapuru oznajmił, że rozwiązał odwieczną zagadkę.

Grupa chińskich naukowców twierdzi, że tajemnica tego efektu tkwi w ilości energii magazynowanej pomiędzy cząsteczkami wody w jej wiązaniach, zwanych wiązaniami wodorowymi.

Odpowiedź od chińskich naukowców

Poniżej znajdują się informacje, aby zrozumieć, co trzeba mieć pewną wiedzę z chemii, aby zrozumieć, która woda zamarza szybciej – gorąca czy zimna. Jak wiadomo, składa się z dwóch atomów H (wodoru) i jednego atomu O (tlenu), połączonych wiązaniami kowalencyjnymi.

Ale także atomy wodoru jednej cząsteczki są przyciągane do sąsiednich cząsteczek, do ich składnika tlenowego. To właśnie te wiązania nazywane są wiązaniami wodorowymi.

Warto pamiętać, że jednocześnie cząsteczki wody działają na siebie odpychająco. Naukowcy zauważyli, że gdy woda jest podgrzewana, odległość między jej cząsteczkami wzrasta, czemu sprzyjają siły odpychające. Okazuje się, że zajmując tę ​​samą odległość pomiędzy cząsteczkami w stanie zimnym, można powiedzieć, że się rozciągają i mają większy zapas energii. To właśnie ta rezerwa energii jest uwalniana, gdy cząsteczki wody zaczynają się do siebie zbliżać, to znaczy następuje chłodzenie. Okazuje się, że większy zapas energii w wodzie gorącej i większe jej uwolnienie przy schładzaniu do ujemnych temperatur następuje szybciej niż w wodzie zimnej, która posiada mniejszy zapas tej energii. Która woda zamarza szybciej – zimna czy gorąca? Na ulicy i w laboratorium powinien nastąpić paradoks Mpemby, a gorąca woda powinna szybciej zamienić się w lód.

Ale pytanie jest nadal otwarte

Rozwiązanie to ma jedynie teoretyczne potwierdzenie – wszystko to zapisane jest w pięknych formułach i wydaje się prawdopodobne. Kiedy jednak dane eksperymentalne wskazujące, że woda zamarza szybciej – na gorąco lub na zimno – zostaną zastosowane w praktyce i przedstawione zostaną ich wyniki, wówczas kwestię paradoksu Mpemby można uznać za zamkniętą.