Mpemba etkisi veya sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Mpemba etkisi.

Sıcak suyun soğuk suya göre daha hızlı donması olgusu bilimde Mpemba etkisi olarak bilinir. Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes gibi büyük beyinler bu paradoksal olgu üzerinde kafa yormuşlardır, ancak binlerce yıldır hiç kimse bu olguya makul bir açıklama getirememiştir.

Ancak 1963 yılında Tanganyika Cumhuriyeti'nden bir öğrenci olan Erasto Mpemba, dondurma örneğini kullanarak bu etkiyi fark etti, ancak hiçbir yetişkin ona bir açıklama yapmadı. Bununla birlikte, fizikçiler ve kimyagerler bu kadar basit ama bir o kadar da anlaşılmaz bir fenomen üzerinde ciddi şekilde düşündüler.

O zamandan beri, farklı versiyonlar ifade edildi, bunlardan biri şuydu: Sıcak suyun bir kısmı önce basitçe buharlaşır, daha sonra daha az kaldığında su daha hızlı donar. Bu versiyon, sadeliği nedeniyle en popüler hale geldi, ancak bilim adamlarını tam olarak tatmin etmedi.

Şimdi kimyager Xi Zhang liderliğindeki Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden bir araştırmacı ekibi, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna dair asırlık gizemi çözdüklerini söylüyor. Çinli uzmanların keşfettiği gibi işin sırrı, su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarında depolanan enerji miktarında yatıyor.

Bildiğiniz gibi su molekülleri, parçacık düzeyinde elektron alışverişine benzeyen kovalent bağlarla bir arada tutulan bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşur. Bilinen bir diğer gerçek, hidrojen atomlarının komşu moleküllerdeki oksijen atomlarına çekilmesidir - hidrojen bağları oluşur.

Aynı zamanda su molekülleri genel olarak birbirini iter. Singapurlu bilim adamları şunu fark etti: Su ne kadar sıcaksa, itici kuvvetlerdeki artış nedeniyle sıvının molekülleri arasındaki mesafe de o kadar büyük olur. Sonuç olarak hidrojen bağları gerilir ve dolayısıyla daha fazla enerji depolanır. Bu enerji su soğuduğunda açığa çıkar; moleküller birbirine yaklaşır. Ve bilindiği gibi enerjinin açığa çıkması soğutma anlamına gelir.

Kimyagerlerin ön baskı web sitesi arXiv.org'da bulunabilecek makalelerinde yazdıklarına göre, sıcak sudaki hidrojen bağları soğuk suya göre daha güçlüdür. Böylece sıcak suyun hidrojen bağlarında daha fazla enerji depolandığı ortaya çıkıyor, bu da sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazla enerjinin açığa çıktığı anlamına geliyor. Bu nedenle sertleşme daha hızlı gerçekleşir.

Bugüne kadar bilim insanları bu gizemi yalnızca teorik olarak çözdüler. Kendi versiyonlarına dair ikna edici kanıtlar sunduklarında, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu sorusu kapanmış sayılabilir.

Okulda en sevdiğim derslerden biri kimyaydı. Bir zamanlar bir kimya öğretmeni bize çok garip ve zor bir görev verdi. Bize kimya açısından cevaplamamız gereken soruların bir listesini verdi. Bu görev için bize birkaç gün verildi ve kütüphaneleri ve diğer mevcut bilgi kaynaklarını kullanmamıza izin verildi. Bu sorulardan biri suyun donma noktasıyla ilgiliydi. Sorunun kulağa nasıl geldiğini tam olarak hatırlamıyorum, ancak aynı boyutta, biri sıcak suyla, diğeri soğuk suyla (tam olarak belirtilen sıcaklıkta) iki tahta kova alıp bunları içine koyarsanız ilgiliydi. Belli bir sıcaklığa sahip bir ortam hangisini daha hızlı dondurur? Elbette cevap hemen kendini gösterdi: bir kova soğuk su, ama biz bunun çok basit olduğunu düşündük. Ancak bu tam bir cevap vermek için yeterli değildi; bunu kimyasal açıdan kanıtlamamız gerekiyordu. Bütün düşünmeme ve araştırmama rağmen mantıklı bir sonuca varamadım. Hatta o gün bu dersi bile atlamaya karar verdim, bu yüzden bu bilmecenin çözümünü asla öğrenemedim.

Yıllar geçti ve suyun kaynama noktası ve donma noktası hakkında birçok günlük efsane öğrendim ve bir efsane şöyle diyordu: "sıcak su daha hızlı donar." Birçok siteye baktım ama bilgiler çok çelişkiliydi. Ve bunlar sadece bilimsel açıdan asılsız görüşlerdi. Ve kendi deneyimimi yapmaya karar verdim. Tahta kova bulamadığım için dondurucuyu, ocağı, biraz suyu ve dijital termometreyi kullandım. Deneyimlerimin sonuçlarını biraz sonra anlatacağım. Öncelikle sizinle su hakkında bazı ilginç argümanları paylaşacağım:

Sıcak su soğuk suya göre daha hızlı donar. Çoğu uzman, soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donacağını söylüyor. Ancak komik bir olay (Memba etkisi olarak da bilinir) bilinmeyen nedenlerle tam tersini kanıtlıyor: Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donuyor. Birkaç açıklamadan biri buharlaşma sürecidir: Eğer çok sıcak su soğuk bir ortama konulursa, su buharlaşmaya başlayacaktır (kalan su miktarı daha hızlı donacaktır). Ve kimya yasalarına göre bu hiç de bir efsane değil ve büyük olasılıkla öğretmenin bizden duymak istediği de buydu.

Kaynamış su, musluk suyundan daha hızlı donar. Önceki açıklamaya rağmen bazı uzmanlar, oda sıcaklığına soğuyan kaynatılmış suyun daha hızlı donması gerektiğini, çünkü kaynatmanın oksijen miktarını azalttığını savunuyor.

Soğuk su, sıcak sudan daha hızlı kaynar. Sıcak su daha hızlı donuyorsa, belki de soğuk su daha hızlı kaynar! Bu sağduyuya aykırıdır ve bilim adamları bunun kesinlikle olamayacağını söylüyor. Sıcak musluk suyunun aslında soğuk sudan daha hızlı kaynaması gerekir. Ancak kaynatmak için sıcak su kullanmak enerji tasarrufu sağlamaz. Daha az gaz veya ışık kullanabilirsiniz ancak su ısıtıcısı, soğuk suyu ısıtmak için gereken enerji miktarının aynısını kullanacaktır. (Güneş enerjisinde durum biraz farklıdır). Şofben ile suyun ısıtılması sonucu tortu oluşabileceğinden suyun ısınması daha uzun sürecektir.

Suya tuz eklerseniz daha hızlı kaynar. Tuz kaynama noktasını artırır (ve dolayısıyla donma noktasını düşürür; bu nedenle bazı ev hanımları dondurmalarına biraz kaya tuzu ekler). Ancak bu durumda başka bir soruyla ilgileniyoruz: su ne kadar süre kaynayacak ve bu durumda kaynama noktası 100°C'nin üzerine çıkıp çıkmayacak). Yemek kitaplarında söylenenlerin aksine bilim insanları, kaynar suya eklediğimiz tuz miktarının, kaynama süresini veya sıcaklığını etkilemeye yetmediğini söylüyor.

Ama işte elde ettiğim şey:

Soğuk su: Üç adet 100 ml'lik cam bardak saf su kullandım: bir bardak oda sıcaklığında (72°F/22°C), bir bardak sıcak su (115°F/46°C) ve bir bardak da kaynamış su (212°F) °F/100°C). Üç bardağı da -18°C'deki dondurucuya koydum. Suyun hemen buza dönüşmeyeceğini bildiğim için donma derecesini “tahta şamandıra” kullanarak belirledim. Bardağın ortasına yerleştirilen çubuk artık tabana değmediğinde suyun donmuş olduğunu düşündüm. Her beş dakikada bir gözlükleri kontrol ettim. Peki sonuçlarım neler? İlk bardaktaki su 50 dakika sonra dondu. Sıcak su 80 dakika sonra dondu. Haşlanmış - 95 dakika sonra. Bulgularım: Dondurucudaki koşullar ve kullandığım su göz önüne alındığında Memba etkisini oluşturamadım.

Bu deneyi daha önce kaynatılıp oda sıcaklığına soğutulmuş suyla da denedim. 60 dakika içinde dondu; yine de donması soğuk sudan daha uzun sürdü.

Kaynamış su: Oda sıcaklığında bir litre su alıp ateşe verdim. 6 dakikada kaynatıldı. Daha sonra tekrar oda sıcaklığına soğuttum ve sıcakken içine ekledim. Aynı ateşle sıcak su 4 saat 30 dakikada kaynatıldı. Sonuç: Beklendiği gibi sıcak su çok daha hızlı kaynar.

Kaynamış su (tuzlu): 1 litre suya 2 büyük yemek kaşığı sofra tuzu ekledim. 6 dakika 33 saniyede kaynadı ve termometrenin gösterdiği gibi 102°C sıcaklığa ulaştı. Kuşkusuz tuz kaynama noktasını etkiler ama çok fazla değil. Sonuç: Sudaki tuz, sıcaklığı ve kaynama süresini büyük ölçüde etkilemez. Mutfağıma laboratuvar denilemeyeceğini ve belki de sonuçlarımın gerçeklikle çeliştiğini dürüstçe itiraf ediyorum. Dondurucum yiyecekleri eşit şekilde dondurmayabilir. Cam bardaklarım düzensiz şekilli olabilir, vb. Ancak laboratuvarda ne olursa olsun, mutfakta suyun donması veya kaynaması söz konusu olduğunda en önemli şey sağduyudur.

su hakkında ilginç gerçeklerle bağlantısu hakkında her şey
forum.ixbt.com forumunda önerildiği gibi, bu etkiye (sıcak suyun soğuk suya göre daha hızlı donması etkisi) “Aristoteles-Mpemba etkisi” adı verilmektedir.

Onlar. Kaynamış su (soğutulmuş) “ham” sudan daha hızlı donar

Görünüşe göre eski güzel H 2 O formülü hiçbir sır içermiyor. Ancak aslında yaşamın kaynağı ve dünyadaki en ünlü sıvı olan su, bilim adamlarının bile bazen çözemediği birçok gizemle doludur.

İşte su hakkında en ilginç 5 gerçek:

1. Sıcak su, soğuk suya göre daha hızlı donar

İki kap su alalım: birine sıcak su, diğerine soğuk su döküp dondurucuya koyalım. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donacaktır, ancak mantıksal olarak önce soğuk suyun buza dönüşmesi gerekirdi: sonuçta, sıcak suyun önce soğuk sıcaklığa soğuması ve sonra buza dönüşmesi gerekirken, soğuk suyun soğumasına gerek yoktur. Bu neden oluyor?

1963 yılında Tanzanya'da bir lise öğrencisi olan Erasto B. Mpemba, bir dondurma karışımını donduruyordu ve sıcak karışımın dondurucuda soğuk olana göre daha hızlı katılaştığını fark etti. Genç adam buluşunu fizik öğretmeniyle paylaştığında ona sadece güldü. Neyse ki öğrenci ısrarcıydı ve öğretmeni bir deney yapmaya ikna etti; bu da keşfini doğruladı: belirli koşullar altında sıcak su aslında soğuk sudan daha hızlı donar.

Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olgusuna "Mpemba etkisi" adı veriliyor. Doğru, ondan çok önce suyun bu eşsiz özelliği Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti.

Bilim adamları bu olgunun doğasını hala tam olarak anlayamıyorlar; bunu ya aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon arasındaki farkla ya da sıvılaştırılmış gazların sıcak ve soğuk su üzerindeki etkisiyle açıklıyorlar.

X.RU'dan "Sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar" konulu not.

Soğutma sorunları bize, soğutma uzmanlarına daha yakın olduğundan, bu sorunun özünü biraz daha derinlemesine incelememize ve böylesine gizemli bir olgunun doğası hakkında iki fikir vermemize izin vereceğiz.

1. Washington Üniversitesi'nden bir bilim adamı, Aristoteles'in zamanından beri bilinen gizemli bir olguya bir açıklama önerdi: Sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu.

Mpemba etkisi adı verilen olay pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin uzmanlar, sürücülere kışın yıkama haznesine sıcak değil soğuk su dökmelerini tavsiye ediyor. Ancak bu olgunun altında yatan şey uzun süre bilinmiyordu.

EurekAlert'e göre Washington Üniversitesi'nden Dr. Jonathan Katz bu olguyu inceledi ve suda çözünen ve ısıtıldığında çöken maddelerin önemli bir rol oynadığı sonucuna vardı.

Dr. Katz, çözünen maddeler derken, sert suda bulunan kalsiyum ve magnezyum bikarbonatları kastediyor. Su ısıtıldığında bu maddeler çökelerek su ısıtıcısının duvarlarında kireç oluşturur. Hiç ısıtılmamış su bu yabancı maddeleri içerir. Donup buz kristalleri oluştuğunda sudaki yabancı maddelerin konsantrasyonu 50 kat artar. Bu nedenle suyun donma noktası düşer. Dr. Katz, "Artık suyun donması için daha da soğuması gerekiyor" diye açıklıyor.

Isıtılmayan suyun donmasını engelleyen ikinci bir sebep daha vardır. Suyun donma noktasının düşürülmesi, katı ve sıvı fazlar arasındaki sıcaklık farkını azaltır. Dr. Katz, "Suyun ısı kaybetme hızı bu sıcaklık farkına bağlı olduğundan ısıtılmamış su daha az soğur" yorumunu yapıyor.

Bilim adamına göre teorisi deneysel olarak test edilebilir çünkü Mpemba etkisi daha sert sularda daha belirgin hale gelir.

2. Oksijen artı hidrojen artı soğuk buz oluşturur. İlk bakışta bu şeffaf madde çok basit görünüyor. Gerçekte buz birçok gizemle doludur. Afrikalı Erasto Mpemba'nın yarattığı Ice, şöhreti düşünmedi. Günler sıcaktı. Dondurma istedi. Meyve suyu kutusunu alıp dondurucuya koydu. Bunu bir kereden fazla yaptı ve bu nedenle meyve suyunun özellikle güneşte ilk kez tuttuğunuzda hızlı bir şekilde donduğunu fark etti - gerçekten ısıtıyor! Dünyevi bilgeliğe aykırı davranan Tanzanyalı öğrenci bunun tuhaf olduğunu düşündü. Sıvının daha hızlı buza dönüşmesi için önce ısıtılması gerektiği gerçekten doğru mu? Genç adam o kadar şaşırmıştı ki tahminini öğretmeniyle paylaştı. Bu merakını basına bildirdi.

Bu hikaye geçen yüzyılın altmışlı yıllarında yaşandı. Artık "Mpemba etkisi" bilim adamları tarafından iyi biliniyor. Ancak görünüşte basit olan bu olay uzun süre bir sır olarak kaldı. Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar?

Fizikçi David Auerbach 1996 yılına kadar bir çözüm bulamadı. Bu soruyu cevaplamak için bir yıl boyunca bir deney yaptı: Bir bardaktaki suyu ısıttı ve tekrar soğuttu. Peki ne öğrendi? Isıtıldığında suda çözünen hava kabarcıkları buharlaşır. Gaz içermeyen su, kabın duvarlarında daha kolay donar. Auerbach, "Elbette yüksek hava içeriğine sahip su da donacaktır, ancak sıfır santigrat derecede değil, yalnızca eksi dört ila altı derecede donacaktır" diyor. Tabii ki daha uzun süre beklemeniz gerekecek. Yani sıcak su soğuk sudan önce donar, bu bilimsel bir gerçektir.

Buz kadar kolaylıkla gözümüzün önüne çıkan bir madde neredeyse yoktur. Yalnızca su moleküllerinden, yani iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu içeren temel moleküllerden oluşur. Ancak buz belki de Evrendeki en gizemli maddedir. Bilim adamları bazı özelliklerini henüz açıklayamadılar.

2. Aşırı soğutma ve "anında" dondurma

Herkes suyun 0°C'ye soğutulduğunda her zaman buza dönüştüğünü bilir... bazı durumlar hariç! Bunun bir örneği, çok saf suyun donma noktasının altına soğutulduğunda bile sıvı kalma özelliği olan "süper soğutma"dır. Bu fenomen, ortamın buz kristallerinin oluşumunu tetikleyebilecek kristalizasyon merkezleri veya çekirdekleri içermemesi nedeniyle mümkün olmaktadır. Ve böylece su, sıfır santigrat derecenin altına soğutulduğunda bile sıvı halde kalır. Kristalizasyon işlemi örneğin gaz kabarcıkları, yabancı maddeler (kirletici maddeler) veya kabın düzgün olmayan yüzeyi nedeniyle tetiklenebilir. Onlar olmadan su sıvı halde kalacaktır. Kristalleşme süreci başladığında aşırı soğumuş suyun anında buza dönüşmesini izleyebilirsiniz.

Phil Medina'dan (www.mrsciguy.com) videoyu (2.901 KB, 60 saniye) izleyin ve kendiniz görün >>

Yorum. Aşırı ısıtılmış su, kaynama noktasının üzerinde ısıtıldığında bile sıvı kalır.

3. "Cam" su

Hızlıca ve hiç düşünmeden suyun kaç farklı hali olduğunu söyleyin?

Üçünü (katı, sıvı, gaz) yanıtladıysanız, yanılıyorsunuz. Bilim insanları sıvı suyun en az 5 farklı durumunu ve buzun 14 durumunu tespit ediyor.

Süper soğutulmuş su hakkındaki konuşmayı hatırlıyor musunuz? Yani ne yaparsanız yapın, -38 °C'de en saf, aşırı soğutulmuş su bile aniden buza dönüşür. Daha fazla düşüş olursa ne olur?

sıcaklık? -120 °C'de suya tuhaf bir şey olmaya başlar: melas gibi süper viskoz veya viskoz hale gelir ve -135 °C'nin altındaki sıcaklıklarda kristal yapıya sahip olmayan katı bir madde olan "camsı" veya "camsı" suya dönüşür. .

4. Suyun kuantum özellikleri

Moleküler düzeyde su daha da şaşırtıcıdır. 1995 yılında bilim insanları tarafından yürütülen bir nötron saçılım deneyi beklenmedik bir sonuç verdi: Fizikçiler, su moleküllerini hedef alan nötronların beklenenden %25 daha az hidrojen protonu "gördüğünü" keşfettiler.

Bir attosaniye (10-18 saniye) hızında alışılmadık bir kuantum etkisinin meydana geldiği ve suyun kimyasal formülünün normal olan H2O yerine H 1.5 O olduğu ortaya çıktı!

5. Suyun hafızası var mıdır?

Geleneksel tıbbın bir alternatifi olan Homeopati, bir ilacın seyreltilmiş çözeltisinin, seyreltme faktörü o kadar büyük olsa bile çözeltide su molekülleri dışında hiçbir şey kalmasa bile vücut üzerinde iyileştirici bir etkiye sahip olabileceğini belirtir. Homeopatinin savunucuları bu paradoksu "su hafızası" adı verilen bir kavramla açıklarlar; buna göre moleküler düzeydeki su, içinde çözündüğü maddenin bir "hafızasına" sahiptir ve tek bir süre sonra bile orijinal konsantrasyonun çözeltisinin özelliklerini korur. bileşenin molekülü içinde kalır.

Homeopatinin ilkelerini eleştiren, Queen's Belfast Üniversitesi'nden Profesör Madeleine Ennis'in önderlik ettiği uluslararası bir bilim insanı grubu, 2002 yılında bu kavramı kesin olarak çürütmek için bir deney yaptılar, sonuç ise tam tersi oldu. "Su hafızası" etkisinin gerçekliği kanıtlanabildi ancak bağımsız uzmanların gözetiminde yapılan deneyler sonuç vermedi. "Su hafızası" fenomeninin varlığına ilişkin tartışmalar devam ediyor.

Suyun bu makalede bahsetmediğimiz pek çok olağandışı özelliği vardır.

Edebiyat.

1. Suyla İlgili Gerçekten Garip 5 Şey / http://www.neatorama.com.
2. Suyun gizemi: Aristoteles-Mpemba etkisinin teorisi yaratıldı / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Cansız doğanın sırları. Evrendeki en gizemli madde / http://www.bibliotekar.ru.

Eşit koşullar altında sıcak suyun soğuması ve ardından donması daha uzun sürdüğünden, soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donduğu açıktır. Ancak binlerce yıllık gözlemler ve modern deneyler bunun tersinin de doğru olduğunu göstermiştir: belirli koşullar altında sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Sciencium Science Channel bu olguyu şöyle açıklıyor:

Yukarıdaki videoda açıklandığı gibi, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olgusu, Mpemba etkisi olarak biliniyor ve adını 1963 yılında bir okul projesi kapsamında dondurma yapan Tanzanyalı bir öğrenci olan Erasto Mpemba'dan alıyor. Öğrenciler krema ve şeker karışımını kaynatıp soğumaya bıraktıktan sonra dondurucuya koydular.

Bunun yerine Erasto, karışımını soğumasını beklemeden hemen sıcak olarak koydu. Sonuç olarak 1,5 saat sonra kendi karışımı donmuşken diğer öğrencilerin karışımları donmamıştı. Bu fenomenle ilgilenen Mpemba, konuyu fizik profesörü Denis Osborne ile incelemeye başladı ve 1969'da sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir makale yayınladılar. Bu, türünün ilk hakemli çalışmasıydı, ancak bu olgunun kendisi, Aristoteles'in M.Ö. 4. yüzyıla kadar uzanan makalelerinde belirtiliyor. e. Francis Bacon ve Descartes da çalışmalarında bu olguya dikkat çekmişlerdir.

Videoda neler olduğunu açıklamak için çeşitli seçenekler listeleniyor:

1. Don bir yalıtkandır ve bu nedenle soğuk soğuk su, ısıyı sıcak bir camdan daha iyi depolar, bu da onunla temas ettiğinde buzu eritir
2. Soğuk su, sıcak sudan daha fazla çözünmüş gaza sahiptir ve araştırmacılar bunun soğuma oranında rol oynayabileceğini tahmin etmektedir, ancak bunun nasıl olduğu henüz açık değildir.
3. Sıcak su buharlaşma yoluyla daha fazla su molekülü kaybeder, dolayısıyla donacak daha az molekül kalır
4. Sıcak su, artan konvektif akımlar nedeniyle daha hızlı soğuyabilir. Bu akımlar, camın içindeki suyun önce yüzeyde ve yanlarda soğuyarak soğuk suyun batmasına, sıcak suyun ise yükselmesine neden olması nedeniyle oluşur. Sıcak bir bardakta konvektif akımlar daha aktiftir ve bu da soğutma hızını etkileyebilir.

Ancak 2016 yılında dikkatlice kontrol edilen bir çalışma bunun tersini gösterdi: Sıcak su, soğuk suya göre çok daha yavaş dondu. Aynı zamanda bilim adamları, sıcaklık değişikliklerini belirleyen bir cihaz olan termokuplun konumunu sadece bir santimetre değiştirmenin Mpemba etkisinin ortaya çıkmasına yol açtığını fark ettiler. Diğer benzer çalışmalar üzerinde yapılan bir çalışma, bu etkinin gözlemlendiği tüm durumlarda, termokuplun bir santimetre içinde yer değiştirdiğini gösterdi.

Hangi suyun daha hızlı, sıcak mı yoksa soğuk mu donacağını etkileyen birçok faktör vardır, ancak sorunun kendisi biraz tuhaf görünmektedir. Bunun anlamı, fizikten de bilindiği gibi, sıcak suyun buza dönüşmesi için karşılaştırılan soğuk suyun sıcaklığına kadar soğuması için hala zamana ihtiyacı olduğudur. Soğuk su bu aşamayı atlayabilir ve buna bağlı olarak zaman kazanır.

Ancak kuzey enlemlerinde yaşayan herhangi biri, dışarıda soğukta hangi suyun daha hızlı donduğu - soğuk veya sıcak - sorusunun cevabını bilir. Aslında bilimsel olarak, her durumda soğuk suyun daha hızlı donacağı ortaya çıktı.

1963'te okul çocuğu Erasto Mpemba'nın, gelecekteki soğuk bir dondurma karışımının donmasının benzer ama sıcak bir karışımdan neden daha uzun sürdüğünü açıklama talebiyle yaklaştığı bir fizik öğretmeni de aynı şeyi düşünüyordu.

“Bu evrensel fizik değil, bir çeşit Mpemba fiziği”

O zamanlar öğretmen buna sadece güldü, ancak bir zamanlar Erasto'nun çalıştığı okulu ziyaret eden fizik profesörü Deniss Osborne, böyle bir etkinin varlığını deneysel olarak doğruladı, ancak o zamanlar bunun için bir açıklama yoktu. 1969'da bu iki kişinin ortak makalesi popüler bir bilimsel dergide yayınlandı ve bu tuhaf etkiyi anlattı.

O zamandan beri, bu arada, hangi suyun daha hızlı donduğu sorusunun - sıcak mı yoksa soğuk mu - kendi adı var - Mpemba etkisi veya paradoks.

Soru uzun zamandır ortalıkta dolaşıyor

Doğal olarak böyle bir olay daha önce de yaşanmıştı ve diğer bilim adamlarının çalışmalarında da bahsedilmişti. Bu konuyla sadece okul çocuğu ilgilenmiyordu, Rene Descartes ve hatta Aristoteles de bir zamanlar bu konu üzerinde düşünmüştü.

Ancak bu paradoksu çözecek yaklaşımları ancak yirminci yüzyılın sonunda aramaya başladılar.

Bir paradoksun ortaya çıkması için koşullar

Dondurmada olduğu gibi, deney sırasında donan sadece sade su değil. Hangi suyun daha hızlı donacağını (soğuk veya sıcak) tartışmaya başlamak için belirli koşulların mevcut olması gerekir. Bu sürecin gidişatını neler etkiler?

Şimdi ise 21. yüzyılda bu paradoksu açıklayabilecek çeşitli seçenekler öne sürülüyor. Hangi suyun daha hızlı donacağı, sıcak veya soğuk, buharlaşma oranının soğuk suya göre daha yüksek olmasına bağlı olabilir. Böylece hacmi azalır ve hacim azaldıkça donma süresi, başlangıçta aynı hacimde soğuk su aldığımıza göre daha kısa olur.

Dondurucunun buzunu çözeli uzun zaman oldu.

Hangi suyun daha hızlı donacağı ve bunun neden olacağı, deney için kullanılan buzdolabının dondurucusunda mevcut olabilecek kar tabakasından etkilenebilir. Hacimleri aynı olan ancak birinde sıcak su, diğerinde soğuk iki kap alırsanız, sıcak su içeren kap alttaki karı eritecek ve böylece termal seviyenin buzdolabının duvarı ile teması artacaktır. Bir kap soğuk su bunu yapamaz. Soğutucu bölmesinde böyle bir kar tabakası yoksa soğuk suyun daha hızlı donması gerekir.

Üst - alt

Ayrıca suyun daha hızlı (sıcak veya soğuk) donması olgusu da şu şekilde açıklanmaktadır. Belirli yasalara göre, soğuk su üst katmanlardan donmaya başlar, sıcak su ise tam tersini yapar - aşağıdan yukarıya doğru donmaya başlar. Üstünde soğuk bir tabaka bulunan ve yer yer buz oluşmuş olan soğuk suyun, konveksiyon ve termal radyasyon süreçlerini kötüleştirdiği, böylece hangi suyun daha hızlı donduğunu - soğuk veya sıcak - açıkladığı ortaya çıktı. Amatör deneylerden elde edilen fotoğraflar ektedir ve bu burada açıkça görülmektedir.

Isı yukarı doğru hızla dışarı çıkıyor ve orada çok soğuk bir katmanla karşılaşıyor. Isı yayılımı için serbest bir yol olmadığından soğutma işlemi zorlaşır. Sıcak suyun yolunda kesinlikle böyle bir engel yoktur. Hangisi daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı, olası sonucu ne belirler?Herhangi bir suyun içinde belirli maddelerin çözünmüş olduğunu söyleyerek cevabı genişletebilirsiniz.

Sonucu etkileyen bir faktör olarak sudaki yabancı maddeler

Belirli maddelerin konsantrasyonlarının aynı olduğu aynı bileşime sahip su kullanmazsanız, soğuk suyun daha hızlı donması gerekir. Ancak çözünmüş kimyasal elementlerin yalnızca sıcak suda mevcut olduğu ve soğuk suyun bulunmadığı bir durum ortaya çıkarsa, sıcak suyun daha erken donma şansı vardır. Bu, sudaki çözünmüş maddelerin kristalleşme merkezleri oluşturması ve bu merkezlerin az olmasıyla suyun katı duruma dönüşmesinin zor olmasıyla açıklanmaktadır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı halde olması anlamında suyun aşırı soğutulması bile mümkündür.

Ancak görünüşe göre tüm bu versiyonlar bilim adamlarına tam olarak uymuyordu ve bu konu üzerinde çalışmaya devam ettiler. 2013 yılında Singapur'daki bir araştırmacı ekibi asırlık bir gizemi çözdüklerini söyledi.

Bir grup Çinli bilim adamı, bu etkinin sırrının, su molekülleri arasında hidrojen bağları adı verilen bağlarda depolanan enerji miktarında yattığını iddia ediyor.

Çinli bilim adamlarından cevap

Aşağıda, hangi suyun daha hızlı donduğunu - sıcak veya soğuk - anlamak için kimya hakkında biraz bilgi sahibi olmanız gerektiğini anlamak için bilgi verilmiştir. Bilindiği gibi kovalent bağlarla bir arada tutulan iki H (hidrojen) atomu ve bir O (oksijen) atomundan oluşur.

Ancak bir molekülün hidrojen atomları da komşu moleküllere, yani oksijen bileşenlerine çekilir. Bu bağlara hidrojen bağları denir.

Aynı zamanda su moleküllerinin birbirlerini itici etkiye sahip olduğunu da hatırlamakta fayda var. Bilim adamları, su ısıtıldığında molekülleri arasındaki mesafenin arttığını ve bunun itici güçler tarafından kolaylaştırıldığını belirtti. Soğuk halde moleküller arasında aynı mesafeyi işgal ederek esnedikleri ve daha fazla enerji arzına sahip oldukları söylenebilir. Su molekülleri birbirine yaklaşmaya başladığında yani soğuma meydana geldiğinde açığa çıkan bu enerji rezervidir. Sıcak suda daha fazla enerji rezervinin olduğu ve sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazla enerji salınımının, daha küçük bir enerji rezervine sahip olan soğuk suya göre daha hızlı gerçekleştiği ortaya çıktı. Peki hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı? Sokakta ve laboratuvarda Mpemba paradoksu meydana gelmeli ve sıcak su daha hızlı buza dönüşmelidir.

Ama soru hala açık

Bu çözümün yalnızca teorik bir onayı var - bunların hepsi güzel formüllerle yazılmış ve makul görünüyor. Ancak suyun daha hızlı (sıcak veya soğuk) donduğunu gösteren deneysel veriler pratik kullanıma sunulduğunda ve sonuçları sunulduğunda, Mpemba paradoksu sorununun kapandığı düşünülebilir.