През 1963 г. танзанийски ученик на име Ерасто Мпемба задал глупав въпрос на своя учител - защо топлият сладолед във фризера му замръзва по-бързо от студения?
Като ученик на Магамба гимназияв Танзания, Ерасто Мпемба го направи практическа работав кулинарията. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология.
Той се обърна към учителя по физика за разяснение, но той само се изсмя на ученика, като каза следното: „Това не е световна физикаи физиката на Мпемба.“ След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода.
Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви контейнера с равни обемивода, така че в едната водата да е с температура 35°C, а в другата - 100°C, и ги сложете във фризера, тогава във втората водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба.
Интересувате ли се да разберете защо се случва това? Само преди няколко години учените успяха да обяснят този феномен...
Ефектът на Мпемба (парадокс на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода по време на процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура.
Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C.
Оттогава се изказват различни версии, една от които е следната: част от горещата вода първо просто се изпарява, а след това, когато остане по-малко, водата замръзва по-бързо. Тази версия, поради своята простота, стана най-популярната, но не задоволи напълно учените.
Сега екип от изследователи от Технически университетТехнологичният университет Нанянг в Сингапур, ръководен от химика Си Джан, заяви, че е разрешил вековната мистерия защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Както установиха китайски експерти, тайната се крие в количеството енергия, съхранявана във водородните връзки между водните молекули.
Както знаете, водните молекули се състоят от един кислороден атом и два водородни атома, държани заедно чрез ковалентни връзки, което на ниво частица изглежда като обмен на електрони. Друг добре известен факт е, че водородните атоми се привличат към кислородни атоми от съседни молекули – образуват се водородни връзки.
В същото време водните молекули обикновено се отблъскват една друга. Учени от Сингапур забелязаха: колкото по-топла е водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите на течността поради увеличаване на отблъскващите сили. В резултат на това водородните връзки се разтягат и следователно съхраняват повече енергия. Тази енергия се освобождава, когато водата се охлади - молекулите се приближават една до друга. А освобождаването на енергия, както е известно, означава охлаждане.
Ето предположенията на учените:
Изпарение
Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100°C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0°C. Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, намалява. И второ, поради изпарението температурата му намалява.
Температурна разлика
Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо.
Хипотермия
Когато водата се охлади под 0°C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от -20°C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да се образуват спонтанно кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне, за да образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? В случай на студена вода, която не е преохладена, се случва следното: на повърхността й се образува тънък слой лед, който действа като изолатор между водата и студения въздух и по този начин предотвратява по-нататъшното изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.
Конвекция
Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4°C. Ако охладите водата до 4°C и я поставите в среда с по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия тънък слой лед ще се образува на повърхността на водата за кратко време, но този слой лед ще действа като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4°C . Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, извеждайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 ° C. Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция.
Газове, разтворени във вода
Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е по-ниска при високи температури. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.
Топлопроводимост
Този механизъм може да играе значителна ролякогато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу. Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но недвусмислен отговор на въпроса - кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Mpemba - така и не е получен. Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се каже само едно: възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.
Но както се казва, най-вероятната причина.
Както пишат химиците в статията си, която може да бъде намерена на уебсайта за предпечат arXiv.org, водородните връзки са по-силни в гореща вода, отколкото в студена вода. Така се оказва, че повече енергия се съхранява във водородните връзки на горещата вода, което означава, че повече от нея се отделя при охлаждане до минусови температури. Поради тази причина втвърдяването става по-бързо.
Към днешна дата учените са разрешили тази мистерия само теоретично. Когато представят убедителни доказателства за своята версия, въпросът защо топлата вода замръзва по-бързо от студената може да се счита за приключен.
Има много фактори, които влияят коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, но самият въпрос изглежда малко странен. Изводът, и това е известно от физиката, е, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на студената вода, която се сравнява, за да се превърне в лед. Този етап може да бъде пропуснат и съответно тя печели във времето.
Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - навън в студа, знае всеки жител на северните ширини. Всъщност, от научна гледна точка се оказва, че във всеки случай студената вода просто е длъжна да замръзне по-бързо.
Учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г., помисли същото с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва повече от подобна, но гореща.
„Това не е универсална физика, а някакъв вид физика на Мпемба“
По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осборн, професор по физика, който по едно време посети същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди наличието на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това. През 1969 г. в популярно научно списание е публикувана съвместна статия на тези двама души, които описват този особен ефект.
Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - има свое име - ефектът на Мпемба или парадокс.
Въпросът стои отдавна
Естествено, подобно явление се е случвало и преди и е споменато в трудовете на други учени. Не само ученикът се интересуваше от този въпрос, но Рене Декарт и дори Аристотел също мислеха за това по едно време.
Но те започнаха да търсят подходи за разрешаване на този парадокс едва в края на ХХ век.
Условия за възникване на парадокс
Както при сладоледа, по време на експеримента не замръзва просто обикновена вода. Трябва да са налице определени условия, за да започнем да спорим коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща. Какво влияе върху хода на този процес?
Сега, в 21-ви век, бяха представени няколко варианта, които могат да обяснят този парадокс. Коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, може да зависи от факта, че има по-висока скорост на изпарение от студената вода. Така нейният обем намалява и с намаляването на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем същия първоначален обем студена вода.
Мина известно време, откакто размразихте фризера.
Коя вода замръзва по-бързо и защо това се случва може да се повлияе от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземете два еднакви по обем контейнера, но единият съдържа топла вода, а другият студена, съдът с гореща вода ще разтопи снега отдолу, като по този начин ще подобри контакта на термичното ниво със стената на хладилника. Съд със студена вода не може да направи това. Ако в хладилното отделение няма такава облицовка със сняг, студената вода трябва да замръзне по-бързо.
Горе долу
Също така, феноменът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, се обяснява по следния начин. Следвайки определени закони, студената вода започва да замръзва от горните слоеве, когато горещата вода прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. Оказва се, че студената вода, имайки студен слой отгоре с вече образуван на места лед, по този начин влошава процесите на конвекция и топлинно излъчване, като по този начин обяснява коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща. Приложени са снимки от любителски експерименти, като това се вижда ясно тук.
Топлината излиза, бърза нагоре и там среща много хладен слой. Няма свободен път за топлинно излъчване, така че процесът на охлаждане става труден. Топлата вода няма абсолютно никакви такива препятствия по пътя си. Коя от тях замръзва по-бързо - студена или гореща, какво определя вероятния резултат?Можете да разширите отговора, като кажете, че всяка вода има определени вещества, разтворени в нея.
Примесите във водата като фактор, влияещ върху резултата
Ако не изневерите и използвате вода със същия състав, където концентрациите на определени вещества са идентични, тогава студената вода трябва да замръзне по-бързо. Но ако възникне ситуация, когато се разтвори химически елементисе предлагат само в топла вода, а при студена ги няма, тогава има възможност топлата вода да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените вещества във водата създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори водата да е преохладена, в смисъл при минусови температури да е в течно състояние.
Но всички тези версии очевидно не отговарят напълно на учените и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековна мистерия.
Група китайски учени твърдят, че тайната на този ефект се крие в количеството енергия, което се съхранява между водните молекули в нейните връзки, наречени водородни връзки.
Отговорът на китайски учени
Следва информация, за да разберете, че трябва да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както е известно, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), свързани заедно чрез ковалентни връзки.
Но също така водородните атоми на една молекула се привличат към съседните молекули, към техния кислороден компонент. Тези връзки се наричат водородни връзки.
Струва си да се помни, че в същото време водните молекули имат отблъскващ ефект една върху друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че като заемат еднакво разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, че се разтягат и имат по-голям запас от енергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започват да се приближават една към друга, тоест настъпва охлаждане. Оказва се, че по-големият запас от енергия в горещата вода и по-голямото й освобождаване при охлаждане до минусови температури се случва по-бързо, отколкото в студената вода, която има по-малък запас от такава енергия. И така, коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща? На улицата и в лабораторията трябва да се случи парадоксът на Мпемба и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.
Но въпросът все още е отворен
Има само теоретично потвърждение на това решение - всичко това е написано в красиви формули и изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни за това коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - се използват на практика и резултатите от тях се представят, тогава въпросът за парадокса на Мпемба може да се счита за приключен.
Свойствата на водата не спират да учудват учените. Водата е доста просто вещество от химическа гледна точка, но има редица необичайни свойства, които не спират да учудват учените. По-долу са няколко факта, за които малко хора знаят.
1. Коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща?
Нека вземем два съда с вода: в единия налейте гореща вода, а в другия - студена вода и ги поставете във фризера. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената вода, въпреки че логично студената вода първо трябва да се е превърнала в лед: в крайна сметка горещата вода трябва първо да се охлади до студената температура и след това да се превърне в лед, докато студената вода не трябва да се охлажда. Защо се случва това?
През 1963 г. танзанийски студент на име Ерасто Б. Мпемба, докато замразява смес за сладолед, забелязва, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учителя си по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът бил упорит и убедил учителя да проведе експеримент, който потвърдил откритието му: при определени условия топлата вода действително замръзва по-бързо от студената.
Сега този феномен на гореща вода, която замръзва по-бързо от студена вода, се нарича „ефект на Мпемба“. Вярно, много преди него това уникално свойство на водата е отбелязано от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт.
Учените все още не разбират напълно природата на това явление, обяснявайки го или с разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията, или с ефекта на втечнените газове върху гореща и студена вода.
2. Може да замръзне моментално
Всеки знае, че водата винаги се превръща в лед, когато се охлади до 0°C... освен в някои случаи! Пример за такъв случай е свръхохлаждането, което е свойството на много чистата вода да остава течна дори когато е охладена до температура под нулата. Това явление става възможно поради факта, че заобикаляща средане съдържа центрове или ядра на кристализация, които биха могли да предизвикат образуването на ледени кристали. И така водата остава в течна форма дори когато се охлади до под нула градуса по Целзий.
Процесът на кристализация може да бъде предизвикан например от газови мехурчета, примеси (замърсители) или неравна повърхност на контейнера. Без тях водата ще остане в течно състояние. Когато процесът на кристализация започне, можете да наблюдавате как свръхохладената вода моментално се превръща в лед.
Имайте предвид, че „прегрятата“ вода също остава течна дори когато се нагрее над точката на кипене.
3. 19 състояния на водата
Без колебание назовете колко различни състояния има водата? Ако сте отговорили на три: твърдо, течно, газообразно, тогава грешите. Учените разграничават най-малко 5 различни състояния на водата в течна форма и 14 състояния в замразена форма.
Помните ли разговора за супер охладената вода? Така че, каквото и да правите, при -38 °C дори най-чистата супер охладена вода внезапно ще се превърне в лед. Какво се случва, когато температурата спадне допълнително? При -120 °C нещо странно започва да се случва с водата: тя става супер вискозна или вискозна, като меласата, а при температури под -135 °C се превръща в „стъклена” или „стъкловидна” вода – твърдо вещество, което няма кристална структура .
4. Водата изненадва физиците
На молекулярно ниво водата е още по-изненадваща. През 1995 г. експеримент за разсейване на неутрони, проведен от учени, даде неочакван резултат: физиците откриха, че неутроните, насочени към водните молекули, „виждат“ 25% по-малко водородни протони от очакваното.
Оказа се, че при скорост от една атосекунда (10 -18 секунди) се получава необичаен квантов ефект, а химична формулаводата вместо H2O става H1.5O!
5. Водна памет
Алтернатива на конвенционалната медицина, хомеопатията заявява, че разреден разтвор на лекарство може да има лечебен ефект върху тялото, дори ако факторът на разреждане е толкова висок, че в разтвора не е останало нищо освен водни молекули. Привържениците на хомеопатията обясняват този парадокс с концепцията, наречена „памет на водата“, според която водата на молекулярно ниво има „памет“ за веществото, веднъж разтворено в нея, и запазва свойствата на разтвора с първоначалната концентрация след нито един път. молекула от съставката остава в него.
Международен екип от учени, ръководен от професор Маделин Енис от Кралския университет в Белфаст, който беше критикувал принципите на хомеопатията, проведе експеримент през 2002 г., за да опровергае концепцията веднъж завинаги. Резултатът беше обратният. След което учените заявиха, че са успели да докажат реалността на ефекта на „паметта на водата“. Експериментите, проведени под наблюдението на независими експерти, обаче не доведоха до резултати. Споровете за съществуването на феномена „паметта на водата“ продължават.
Водата има много други необичайни свойства, за които не говорихме в тази статия. Например, плътността на водата се променя в зависимост от температурата (плътността на леда е по-малка от плътността на водата)
водата има доста високо повърхностно напрежение
в течно състояние водата е сложна и динамично променяща се мрежа от водни клъстери и поведението на клъстерите влияе върху структурата на водата и т.н.
Можете да прочетете за тези и много други неочаквани характеристики на водата в статията „Аномални свойства на водата“, автор на Мартин Чаплин, професор в Лондонския университет.
Много изследователи са излагали и излагат свои собствени версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Изглежда като парадокс - в крайна сметка, за да замръзне, горещата вода първо трябва да се охлади. Фактът обаче си остава факт и учените го обясняват по различни начини.
В момента има няколко версии, които обясняват този факт:
- Тъй като горещата вода се изпарява по-бързо, нейният обем намалява. И замръзването на по-малко количество вода при същата температура става по-бързо.
- Фризерното отделение на хладилника е със снежна покривка. Съд с гореща вода топи снега отдолу. Това подобрява термичния контакт с фризера.
- Замръзването на студената вода, за разлика от горещата вода, започва отгоре. В същото време се влошава конвекцията и топлинното излъчване, а оттам и топлинните загуби.
- Студената вода съдържа центрове на кристализация - вещества, разтворени в нея. Ако съдържанието им във вода е малко, заледяването е трудно, но в същото време е възможно преохлаждане - когато при минусови температури е в течно състояние.
Въпреки че справедливо можем да кажем, че този ефект не винаги се наблюдава. Много често студената вода замръзва по-бързо от горещата вода.
При каква температура замръзва водата
Защо водата изобщо замръзва? Съдържа определено количество минерални или органични частици. Това могат да бъдат например много малки частици пясък, прах или глина. Тъй като температурата на въздуха намалява, тези частици са центровете, около които се образуват ледени кристали.
Ролята на кристализационни ядра могат да играят и въздушни мехурчета и пукнатини в съда с вода. Скоростта на процеса на превръщане на водата в лед до голяма степен се влияе от броя на такива центрове - ако има много от тях, течността замръзва по-бързо. При нормални условия, при нормално атмосферно налягане, водата преминава в твърдо състояние от течност при температура 0 градуса.
Същността на ефекта Мпемба
Ефектът на Мпемба се разбира като парадокс, чиято същност е, че при определени обстоятелства горещата вода замръзва по-бързо от студената. Това явление е забелязано от Аристотел и Декарт. Въпреки това, едва през 1963 г. Ерасто Мпемба, ученик от Танзания, установи, че горещият сладолед замръзва за по-кратко време от студения сладолед. Той направи това заключение, докато изпълняваше готварска задача.
Той трябваше да разтвори захар в сварено мляко и след като го охлади, да го постави в хладилника да замръзне. Очевидно Мпемба не се отличаваше със специално усърдие и започна да изпълнява първата част от задачата късно. Затова той не изчака млякото да изстине, а го постави в хладилника горещо. Той беше много изненадан, когато замръзна дори по-бързо от това на съучениците му, които свършиха работата по зададената технология.
Този факт много заинтересува младежа и той започна експерименти с обикновена вода. През 1969 г. списанието Physics Education публикува резултатите от изследването на Mpemba и професор Dennis Osborn от университета в Дар ес Салаам. Ефектът, който описват, е наречен Mpemba. И до днес обаче няма ясно обяснение на феномена. Всички учени са съгласни, че основната роля за това играят разликите в свойствата на охладената и топлата вода, но какво точно е неизвестно.
Сингапурска версия
Физиците от един от сингапурските университети също се интересуваха от въпроса коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена? Екип от изследователи, ръководен от Си Джан, обясни този парадокс именно със свойствата на водата. Всички все още знаят състава на водата от училище - един атом кислород и два атома водород. Кислородът до известна степен извлича електрони от водорода, така че молекулата е определен вид "магнит".
В резултат на това някои молекули във водата са леко привлечени една към друга и са обединени от водородна връзка. Силата му е в пъти по-ниска от ковалентната връзка. Сингапурски изследователи смятат, че обяснението на парадокса Мпемба се крие именно във водородните връзки. Ако водните молекули са поставени много плътно една до друга, тогава такова силно взаимодействие между молекулите може да деформира ковалентната връзка в средата на самата молекула.
Но когато водата се нагрява, свързаните молекули се отдалечават леко една от друга. В резултат на това се получава релаксация в средата на молекулите ковалентни връзкис освобождаване на излишната енергия и преминаване към по-ниска енергийно ниво. Това води до факта, че горещата вода започва да се охлажда бързо. Поне това показват теоретични изчисленияпроведено от учени от Сингапур.
Незабавно замразяване на водата - 5 невероятни трика: Видео
Британското Кралско дружество по химия предлага награда от £1000 на всеки, който може да обясни научна точкаразбиране защо в някои случаи топлата вода замръзва по-бързо от студената вода.
„Съвременната наука все още не може да отговори на този на пръв поглед прост въпрос. Производителите на сладолед и барманите използват този ефект в ежедневната си работа, но никой не знае защо работи. Този проблем е известен от хилядолетия, като философи като Аристотел и Декарт са мислили за него“, каза професор Дейвид Филипс, президент на Британското кралско дружество по химия, цитиран в прессъобщение на обществото.
Как африкански готвач победи британски професор по физика
Това не е първоаприлска шега, а сурова физическа реалност. Съвременната наука, която лесно оперира с галактики и черни дупки и изгражда гигантски ускорители за търсене на кварки и бозони, не може да обясни как „работи“ елементарната вода. Училищният учебник ясно казва, че охлаждането на по-горещо тяло отнема повече време, отколкото охлаждането на студено тяло. Но за водата този закон не винаги се спазва. Аристотел обръща внимание на този парадокс през 4 век пр.н.е. д. Ето какво пише древният грък в своята книга Meteorologica I: „Фактът, че водата е предварително загрята, я кара да замръзва. Затова много хора, когато искат по-бързо да охладят топлата вода, първо я излагат на слънце...” През Средновековието Франсис Бейкън и Рене Декарт се опитват да обяснят този феномен. Уви, нито великите философи, нито многобройните учени, развили класическата топлофизика, не успяха в това и затова такъв неудобен факт беше „забравен“ за дълго време.
И едва през 1968 г. те „се сетиха“ благодарение на ученика Ерасто Мпембе от Танзания, далеч от всякаква наука. Докато учи в училище по кулинарни изкуства през 1963 г., 13-годишният Mpembe получава задачата да направи сладолед. Според технологията беше необходимо да се свари млякото, да се разтвори в него захар, да се охлади до стайна температура и след това да се постави в хладилника за замръзване. Очевидно Мпемба не е бил прилежен ученик и се е поколебал. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзна дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по всички правила.
Когато Мпемба споделил откритието си с учителя си по физика, той му се изсмял пред целия клас. Мпемба си спомни обидата. Пет години по-късно, вече студент в университета в Дар ес Салаам, той посещава лекция на известния физик Денис Г. Осбърн. След лекцията той зададе въпрос на учения: „Ако вземете два еднакви съда с равни количества вода, единият при 35 °C (95 °F), а другият при 100 °C (212 °F), и ги поставите във фризера, тогава водата в горещ съд ще замръзне по-бързо. Защо?" Можете да си представите реакцията на британски професор на въпрос на млад мъж от Godforsaken Tanzania. Той се подигра на ученика. Мпемба обаче бил готов на такъв отговор и предизвикал учения на облог. Спорът им завърши с експериментален тест, който потвърди, че Мпемба е прав и Осбърн е победен. Така чиракът готвач записа името си в историята на науката и от днес нататък това явление се нарича „ефектът на Мпемба“. Невъзможно е да го изхвърлите, да го обявите за „несъществуващ“. Феноменът съществува и, както е написал поетът, „не боли“.
Праховите частици и разтворените вещества ли са виновни?
През годините мнозина са се опитвали да разгадаят мистерията на замръзването на водата. Предложени са цял куп обяснения за това явление: изпарение, конвекция, влияние на разтворени вещества - но нито един от тези фактори не може да се счита за окончателен. Редица учени са посветили целия си живот на ефекта Мпемба. Служител на отдела за радиационна безопасност Държавен университетЖителят на Ню Йорк Джеймс Браунридж изучава парадокса в свободното си време от десетилетие. След провеждането на стотици експерименти, ученият твърди, че има доказателства за „вината“ на хипотермията. Браунридж обяснява, че при 0°C водата само се преохлажда и започва да замръзва, когато температурата падне под. Точката на замръзване се регулира от примесите във водата - те променят скоростта на образуване на ледени кристали. Примесите, като прахови частици, бактерии и разтворени соли, имат характерна температура на нуклеация, когато ледените кристали се образуват около центровете на кристализация. Когато няколко елемента присъстват във водата наведнъж, точката на замръзване се определя от този, който има най-висока температура на нуклеация.
За експеримента Браунридж взема две водни проби с еднаква температура и ги поставя във фризера. Той откри, че един от образците винаги замръзва преди другия, вероятно поради различна комбинация от примеси.
Браунридж казва, че горещата вода се охлажда по-бързо, защото има по-голяма разлика между температурата на водата и фризера - това й помага да достигне точката си на замръзване, преди студената вода да достигне естествената си точка на замръзване, която е поне с 5°C по-ниска.
Разсъжденията на Браунридж обаче повдигат много въпроси. Следователно тези, които могат да обяснят ефекта на Мпемба по свой начин, имат шанс да се състезават за хиляда лири стерлинги от Британското кралско дружество по химия.
