Godine 1963. školarac iz Tanzanije po imenu Erasto Mpemba postavio je svom učitelju glupo pitanje - zašto se topao sladoled smrzavao brže od hladnog u njegovom zamrzivaču?
Kao student Magamba Srednja škola u Tanzaniji je to učinio Erasto Mpemba praktični rad u kulinarstvu. Morao je napraviti domaći sladoled - skuhati mlijeko, otopiti u njemu šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadaće. U strahu da neće stići na vrijeme do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema zadanoj tehnologiji.
Za pojašnjenje se obratio profesoru fizike, no on se učeniku samo nasmijao rekavši sljedeće: "Ovo nije svjetska fizika, nego fizika Mpembe." Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom.
U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar es Salaamu (pozvan od strane ravnatelja škole da održi predavanje o fizici učenicima) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakih volumena vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, au drugoj će se voda brže smrznuti. Zašto?" Osborn se zainteresirao za ovu problematiku i uskoro su 1969. zajedno s Mpembom objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba efekt.
Jeste li znatiželjni zašto se to događa? Prije samo nekoliko godina znanstvenici su uspjeli objasniti ovaj fenomen ...
Mpemba efekt (Mpemba paradoks) je paradoks koji to tvrdi Vruća voda pod određenim uvjetima, smrzava se brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama prema kojima, pod istim uvjetima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Tu su pojavu svojedobno uočili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes. Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tijekom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno razlici temperature između tog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U istom se učinku voda na 100°C hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.
Od tada su se iznosile različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada ostane manja količina, voda se brže skrutne. Ova verzija je zbog svoje jednostavnosti postala najpopularnija, ali znanstvenici nisu bili potpuno zadovoljni.
Sada tim istraživača iz Tehnološko sveučilište Nanyang u Singapuru (Tehnološko sveučilište Nanyang), predvođen kemičarom Xi Zhangom, rekao je da su riješili prastari misterij zašto se topla voda smrzava brže od hladne. Kako su otkrili kineski stručnjaci, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.
Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koje zajedno drže kovalentne veze, što na razini čestica izgleda kao izmjena elektrona. Još jedna dobro poznata činjenica je da atome vodika privlače atomi kisika iz susjednih molekula – u ovom slučaju nastaju vodikove veze.
U isto vrijeme, molekule vode kao cjelina odbijaju jedna drugu. Znanstvenici iz Singapura primijetili su da što je voda toplija, to je veći razmak između molekula tekućine zbog povećanja odbojnih sila. Zbog toga su vodikove veze rastegnute i stoga pohranjuju više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda hladi – molekule se približavaju jedna drugoj. A povratak energije, kao što znate, znači hlađenje.
Evo hipoteza koje su iznijeli znanstvenici:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manja količina vode iste temperature se brže smrzava. Voda zagrijana na 100°C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0°C. Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, zbog isparavanja, njegova temperatura se smanjuje.
temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je prijenos topline u ovom slučaju intenzivniji i topla voda se brže hladi.
hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0°C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uvjetima, može se podvrgnuti superhlađenju dok ostaje u tekućem stanju na temperaturama ispod točke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na -20°C. Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli stvarati. Ako nisu u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano stvarati. Kada se počnu stvarati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, tvoreći ledenu bljuzgavicu koja će se zamrznuti i stvoriti led. Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena, događa se da se na njenoj površini stvori tanak sloj leda koji djeluje kao izolator između vode i hladnog zraka i na taj način sprječava daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju tople vode koja se pothlađuje, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh. Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga više leda. Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo. Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima najveću gustoću na 4°C. Ako vodu ohladite na 4°C i stavite je u okolinu s nižom temperaturom, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na 4°C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim će se uvjetima na površini vode kratkotrajno stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode koji će ostati na 4°C. Stoga će daljnji proces hlađenja biti sporiji. Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode brže će se ohladiti zbog isparavanja i većih temperaturnih razlika. Također, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekt sa stajališta konvekcije, treba pretpostaviti da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4°C. Međutim, nema eksperimentalnih dokaza koji bi poduprli ovu hipotezu da su slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom.
plinovi otopljeni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi manja. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju ovu činjenicu.
Toplinska vodljivost
Ovaj mehanizam može igrati bitnu ulogu kada se voda stavi u zamrzivač odjeljka hladnjaka u malim posudama. Pod tim uvjetima, primijećeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude tople vode nego iz posude za hladnu vodu. Zauzvrat, posuda s hladnom vodom ne topi snijeg ispod nje. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven. Tako je, primjerice, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj superhlađenja vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje. Osim toga, Auerbachovi rezultati proturječili su ranijim podacima da vruća voda može postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke u njoj otopljene soli. Zasad se može ustvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment provodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.
A evo najvjerojatnijeg razloga.
Kao što kemičari pišu u svom članku, koji se može pronaći na stranici za preprint arXiv.org, vodikove veze su rastegnute jače u vrućoj vodi nego u hladnoj vodi. Tako se ispostavlja da je više energije pohranjeno u vodikovim vezama vruće vode, što znači da se više oslobađa kada se ohladi na temperature ispod nule. Zbog toga je zamrzavanje brže.
Do danas su znanstvenici ovu zagonetku riješili samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze svoje verzije, onda se pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može smatrati zatvorenim.
Koja će se voda brže smrzavati, topla ili hladna, na to utječu mnogi čimbenici, no samo pitanje djeluje pomalo čudno. Razumije se, a poznato je i iz fizike, da vrućoj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu usporedive hladne vode da bi se pretvorila u led. ova se faza može preskočiti i, prema tome, ona pobjeđuje u vremenu.
Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - na ulici u mrazu, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, znanstveno se ispostavlja da se u svakom slučaju hladna voda jednostavno mora brže zamrznuti.
Tako je i učiteljica fizike kojoj se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba sa zahtjevom da objasni zašto se hladna smjesa budućeg sladoleda smrzava dulje od slične, ali vruće.
"Ovo nije svjetska fizika, već neka vrsta Mpemba fizike"
Tada se učiteljica tome samo nasmijala, ali Deniss Osborne, profesorica fizike, koja je svojedobno išla u istu školu u kojoj je učio Erasto, eksperimentalno je potvrdila postojanje takvog učinka, iako tada nije bilo objašnjenja za to. . Godine 1969. popularni znanstveni časopis objavio je zajednički članak dvojice muškaraca koji su opisali ovaj neobičan učinak.
Od tada, usput, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, ima svoje ime - efekt, odnosno paradoks, Mpemba.
Pitanje postoji već duže vrijeme
Naravno, takva se pojava događala i ranije, a spominjana je iu radovima drugih znanstvenika. Ovo pitanje nije zanimalo samo školarca, nego su o njemu svojedobno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.
Ovdje su samo pristupi rješavanju ovog paradoksa počeli tražiti tek krajem dvadesetog stoljeća.
Uvjeti za pojavu paradoksa
Kao i kod sladoleda, tijekom eksperimenta se ne smrzava samo obična voda. Moraju postojati određeni uvjeti da bi se počelo raspravljati koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. Što utječe na ovaj proces?
Sada, u 21. stoljeću, izneseno je nekoliko opcija koje mogu objasniti ovaj paradoks. Koja će se voda brže smrzavati, topla ili hladna, može ovisiti o činjenici da ima veću stopu isparavanja od hladne vode. Time se njen volumen smanjuje, a sa smanjenjem volumena vrijeme smrzavanja postaje kraće nego ako uzmemo sličan početni volumen hladne vode.
Zamrzivač je odavno odmrznut
Koja se voda brže smrzava i zašto se to čini, može utjecati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču hladnjaka korištenog za eksperiment. Ako uzmete dvije posude identične zapremine, ali će jedna od njih imati toplu vodu, a druga hladnu vodu, posuda s toplom vodom otopit će snijeg ispod sebe i time poboljšati kontakt toplinske razine sa stijenkom hladnjaka. Posuda s hladnom vodom to ne može. Ako u hladnjaku nema takve obloge sa snijegom, hladna voda trebala bi se brže smrznuti.
Vrh - dno
Također, fenomen koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, objašnjava se na sljedeći način. Slijedeći određene zakonitosti, hladna voda počinje se smrzavati od gornjih slojeva, kada topla voda to čini obrnuto - počinje se lediti odozdo prema gore. Ispada da hladna voda, s hladnim slojem na vrhu s već formiranim ledom na nekim mjestima, pogoršava procese konvekcije i toplinskog zračenja, čime se objašnjava koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. U prilogu je fotografija iz amaterskih eksperimenata, a ovdje se jasno vidi.
Toplina odlazi van, težeći prema gore, i tamo se susreće s vrlo hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplinsko zračenje, pa je proces hlađenja otežan. Topla voda apsolutno nema takvih prepreka na svom putu. Što se brže smrzava - hladno ili vruće, o čemu ovisi vjerojatni ishod, možete proširiti odgovor tako da svaka voda ima otopljene određene tvari.
Nečistoće u sastavu vode kao čimbenik koji utječe na ishod
Ako ne varate i koristite vodu istog sastava, gdje su koncentracije određenih tvari identične, tada bi se hladna voda trebala brže zamrznuti. Ali ako se dogodi situacija kada se otopi kemijski elementi dostupni samo u toploj vodi, dok ih u hladnoj vodi nema, tada postoji mogućnost da se topla voda ranije smrzne. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju centre kristalizacije, a s malim brojem tih centara otežan je prelazak vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i superhlađenje vode, u smislu da će na temperaturama ispod ništice biti in tekuće stanje.
Ali sve ove verzije, očito, nisu odgovarale znanstvenicima do kraja, pa su nastavili raditi na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača u Singapuru rekao je da je riješio prastari misterij.
Skupina kineskih znanstvenika tvrdi da tajna ovog učinka leži u količini energije koja je pohranjena između molekula vode u njezinim vezama, koje se nazivaju vodikove veze.
Odgovor kineskih znanstvenika
Slijede daljnje informacije za čije razumijevanje je potrebno imati nešto znanja iz kemije kako bi se shvatilo koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Kao što znate, sastoji se od dva atoma H (vodik) i jednog atoma O (kisik) koji se drže zajedno kovalentnim vezama.
Ali atomi vodika jedne molekule privlače se i susjednim molekulama, njihovoj kisikovoj komponenti. Te se veze nazivaju vodikove veze.
Istodobno, vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekule vode djeluju odbojno jedna na drugu. Znanstvenici su primijetili da se kada se voda zagrijava, udaljenost između njezinih molekula povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispostavilo se da zauzimajući jednu udaljenost između molekula u hladnom stanju, može se reći da se istežu i imaju veću zalihu energije. Upravo se ta rezerva energije oslobađa kada se molekule vode počnu približavati jedna drugoj, odnosno dolazi do hlađenja. Ispostavilo se da se veća zaliha energije u toploj vodi, te njezino veće oslobađanje pri hlađenju na temperature ispod nule, događa brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju zalihu te energije. Dakle, koja se voda brže smrzava - hladna ili topla? Na ulici i u laboratoriju trebao bi se dogoditi paradoks Mpemba, a topla voda bi se trebala brže pretvarati u led.
Ali pitanje je još uvijek otvoreno
Postoji samo teoretska potvrda ovog traga - sve je to napisano u lijepim formulama i čini se vjerojatnim. Ali kada se eksperimentalni podaci o tome koja se voda brže smrzava - vruća ili hladna, pretoče u praktičan smisao i iznesu njihovi rezultati, tada će se pitanje Mpembina paradoksa moći smatrati zatvorenim.
Svojstva vode ne prestaju iznenađivati znanstvenike. Voda je prilično jednostavna tvar s kemijske točke gledišta, ali u isto vrijeme ima niz neobičnih svojstava koja ne prestaju iznenađivati znanstvenike. U nastavku donosimo neke činjenice za koje malo ljudi zna.
1. Koja se voda brže smrzava - hladna ili topla?
Uzmite dvije posude s vodom: u jednu ulijte vruću vodu, au drugu hladnu i stavite ih u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne vode, iako je logično, hladna voda trebala prvo postati led: na kraju krajeva, vruća voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a zatim pretvoriti u led, dok se hladna voda ne mora ohladiti. Zašto se ovo događa?
Godine 1963. tanzanijski student po imenu Erasto B. Mpemba, dok je zamrzavao pripremljenu smjesu za sladoled, primijetio je da se vruća smjesa brže skrutne u zamrzivaču nego hladna. Kada je mladić svoje otkriće podijelio s profesorom fizike, ovaj mu se samo nasmijao. Srećom, učenik je bio uporan i uvjerio učitelja da provede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima topla voda zaista se smrzava brže od hladne.
Sada se ovaj fenomen da se topla voda smrzava brže od hladne vode naziva Mpemba efekt. Istina, davno prije njega ovo jedinstveno svojstvo vode primijetili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.
Znanstvenici ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u hipotermiji, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili učinku ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.
2. Ona se može trenutno smrznuti
Svi znaju da se voda uvijek pretvara u led kada se ohladi na 0°C...osim u nekim slučajevima! Takav slučaj je, primjerice, superhlađenje, što je svojstvo vrlo čiste vode da ostane tekuća čak i kada se ohladi na temperaturu ispod ledišta. Ovaj fenomen je omogućen činjenicom da okoliš ne sadrži centre ili jezgre kristalizacije, koji bi mogli izazvati stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tekućem obliku, čak i kada se ohladi na temperature ispod nula stupnjeva Celzijusa.
Proces kristalizacije mogu potaknuti, na primjer, mjehurići plina, nečistoće (onečišćenje), neravna površina spremnika. Bez njih će voda ostati u tekućem stanju. Kada započne proces kristalizacije, možete vidjeti kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.
Imajte na umu da "pregrijana" voda također ostaje tekuća čak i kada se zagrije iznad točke vrenja.
3. 19 stanja vode
Bez oklijevanja navedite koliko različitih stanja ima voda? Ako ste odgovorili tri: čvrsto, tekuće, plinovito, onda ste u zabludi. Znanstvenici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tekućem obliku i 14 stanja u smrznutom stanju.
Sjećate li se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, što god učinili, na -38 °C, čak i najčišća super ohlađena voda će se odjednom pretvoriti u led. Što se događa s daljnjim padom temperature? Na -120°C s vodom se počinje događati nešto čudno: ona postaje superviskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama nižim od -135°C prelazi u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrstu tvar koja nema kristalnu strukturu.
4. Voda iznenađuje fizičare
Na molekularnoj razini, voda je još iznenađujuća. Godine 1995. znanstvenici su proveli eksperiment o raspršenju neutrona koji je dao neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje protona vodika nego što se očekivalo.
Pokazalo se da se brzinom od jedne atosekunde (10 -18 sekundi) odvija neobičan kvantni efekt, a kemijska formula voda umjesto H2O postaje H1.5O!
5. Memorija vode
Homeopatija, alternativa službenoj medicini, tvrdi da razrijeđena otopina lijeka može ljekovito djelovati na organizam, čak i ako je faktor razrjeđenja toliki da u otopini ne ostane ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom zvanim "pamćenje vode", prema kojem voda na molekularnoj razini ima "pamćenje" na tvar koja je jednom u njoj otopljena i zadržava svojstva otopine izvorne koncentracije nakon što se ne otopi. jedna molekula sastojka ostaje u njemu.
Međunarodni tim znanstvenika predvođen profesoricom Madeleine Ennis sa Sveučilišta Queen u Belfastu, koji je kritizirao principe homeopatije, proveo je eksperiment 2002. godine kako bi opovrgao koncept jednom zauvijek. Rezultat je bio suprotan. Nakon toga znanstvenici su rekli da su uspjeli dokazati stvarnost efekta "pamćenja vode". Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom neovisnih stručnjaka nisu donijeli rezultate. Sporovi o postojanju fenomena "pamćenja vode" se nastavljaju.
Voda ima mnoga druga neobična svojstva koja nismo obradili u ovom članku. Na primjer, gustoća vode mijenja se s temperaturom (gustoća leda manja je od gustoće vode)
voda ima prilično visoku površinsku napetost
u tekućem stanju voda je složena i dinamički promjenjiva mreža klastera vode, a ponašanje klastera utječe na strukturu vode itd.
O ovim i mnogim drugim neočekivanim svojstvima vode možete pročitati u članku "Anomalna svojstva vode" Martina Chaplina, profesora na Sveučilištu u Londonu.
Mnogi su istraživači iznijeli i iznose vlastite verzije zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Čini se paradoksalno - na kraju krajeva, da bi se zamrznula, topla voda se prvo mora ohladiti. Međutim, činjenica ostaje, a znanstvenici to objašnjavaju na različite načine.
U ovom trenutku postoji nekoliko verzija koje objašnjavaju ovu činjenicu:
- Budući da je isparavanje u vrućoj vodi brže, njen volumen se smanjuje. Manja količina vode iste temperature brže se smrzava.
- Odjeljak zamrzivača hladnjaka ima snježnu podlogu. Posuda s vrućom vodom otapa snijeg ispod nje. To poboljšava toplinski kontakt sa zamrzivačem.
- Zamrzavanje hladne vode, za razliku od vruće, počinje odozgo. U tom slučaju se pogoršava konvekcija i toplinsko zračenje, a time i gubitak topline.
- U hladnoj vodi postoje centri kristalizacije - tvari otopljene u njoj. S njihovim malim sadržajem u vodi, zaleđivanje je teško, iako ga je istovremeno moguće super ohladiti - kada je u tekućem stanju na temperaturama ispod nule.
Iako se pošteno može reći da se ovaj učinak ne promatra uvijek. Hladna voda se često smrzava brže od tople vode.
Na kojoj se temperaturi voda smrzava
Zašto se voda uopće smrzava? Sadrži određenu količinu mineralnih ili organskih čestica. To, primjerice, mogu biti vrlo sitne čestice pijeska, prašine ili gline. Kako temperatura zraka pada, te čestice postaju centri oko kojih se stvaraju kristali leda.
Ulogu kristalizacijskih jezgri mogu imati i mjehurići zraka i pukotine u posudi s vodom. Brzina procesa pretvaranja vode u led uvelike je pod utjecajem broja takvih centara - ako ih je mnogo, tekućina se brže smrzava. U normalnim uvjetima, uz normalan atmosferski tlak, voda prelazi u čvrsto stanje iz tekućine na temperaturi od 0 stupnjeva.
Suština Mpemba efekta
Mpemba efekt shvaća se kao paradoks čija je bit da se pod određenim okolnostima topla voda smrzava brže od hladne vode. Tu su pojavu uočili Aristotel i Descartes. No, tek je 1963. Erasto Mpemba, školarac iz Tanzanije, utvrdio da se vrući sladoled smrzava kraće od hladnog. Takav je zaključak iznio dok je obavljao kuharski zadatak.
U prokuhanom mlijeku morao je otopiti šećer i nakon što ga je ohladio staviti u hladnjak da se zamrzne. Očigledno, Mpemba se nije razlikovao posebnom marljivošću i kasno je počeo izvršavati prvi dio zadatka. Stoga nije čekao da se mlijeko ohladi, već ga je vruće stavio u hladnjak. Bio je vrlo iznenađen kada se smrznuo čak i brže od njegovih kolega iz razreda, koji su radili u skladu sa zadanom tehnologijom.
Ta je činjenica jako zainteresirala mladića i počeo je eksperimentirati s običnom vodom. Godine 1969. časopis Physics Education objavio je rezultate istraživanja Mpembe i profesora Dennisa Osborna sa Sveučilišta Dar es Salaam. Učinak koji su opisali dobio je ime Mpemba. Međutim, ni danas nema jasnog objašnjenja fenomena. Svi se znanstvenici slažu da glavnu ulogu u tome imaju razlike u svojstvima ohlađene i tople vode, no ne zna se što točno.
Singapurska verzija
Fizičare s jednog od singapurskih sveučilišta zanimalo je i pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna? Tim istraživača predvođen Xi Zhangom objasnio je ovaj paradoks upravo svojstvima vode. Svi još iz škole znaju sastav vode – atom kisika i dva atoma vodika. Kisik u određenoj mjeri izvlači elektrone iz vodika, tako da je molekula svojevrsni "magnet".
Kao rezultat toga, određene molekule u vodi se lagano privlače jedna drugoj i spojene su vodikovom vezom. Njegova je čvrstoća višestruko manja od kovalentne veze. Singapurski istraživači smatraju da objašnjenje Mpemba paradoksa leži upravo u vodikovim vezama. Ako su molekule vode vrlo blizu jedna drugoj, tada tako jaka interakcija između molekula može deformirati kovalentnu vezu u sredini same molekule.
Ali kada se voda zagrijava, vezane molekule se malo udaljavaju jedna od druge. Kao rezultat toga dolazi do opuštanja u sredini molekula. kovalentne veze uz povrat viška energije i prelazak na nižu razina energije. To dovodi do činjenice da se vruća voda počinje brzo hladiti. Barem je tako prikazano teorijski proračuni proveli singapurski znanstvenici.
Trenutačno zamrzavanje vode - 5 nevjerojatnih trikova: video
Britansko Kraljevsko kemijsko društvo nudi nagradu od 1000 funti svakome tko zna objasniti znanstvena točka pogledajte zašto se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.
“Moderna znanost još uvijek ne može odgovoriti na ovo naizgled jednostavno pitanje. Proizvođači sladoleda i barmeni koriste ovaj efekt u svakodnevnom radu, ali nitko zapravo ne zna zašto djeluje. Ovaj problem poznat je tisućljećima, o njemu su razmišljali filozofi poput Aristotela i Descartesa”, rekao je predsjednik britanskog Kraljevskog kemijskog društva, profesor David Philips, citiran u priopćenju Društva.
Kako je afrički kuhar pobijedio britanskog profesora fizike
Ovo nije prvotravanjska šala, već surova fizička stvarnost. Današnja znanost, koja olako operira galaksije i crne rupe, gradeći goleme akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako "radi" elementarna voda. Školski udžbenik nedvosmisleno kaže da je za hlađenje vrućeg tijela potrebno više vremena nego za hlađenje hladnog tijela. Ali za vodu se ovaj zakon ne poštuje uvijek. Aristotel je skrenuo pozornost na ovaj paradoks u 4. stoljeću pr. e. Evo što je stari Grk napisao u knjizi "Meteorologica I": "Činjenica da je voda prethodno zagrijana doprinosi njenom smrzavanju. Stoga mnogi ljudi, kada žele brzo ohladiti toplu vodu, prvo je stave na sunce ... ”U srednjem vijeku Francis Bacon i Rene Descartes pokušali su objasniti ovaj fenomen. Nažalost, ni veliki filozofi ni brojni znanstvenici koji su razvili klasičnu toplinsku fiziku nisu uspjeli u tome, pa je tako neugodna činjenica dugo bila "zaboravljena".
A tek su se 1968. “sjetili” zahvaljujući školarcu Erastu Mpembi iz Tanzanije, dalekom od svake znanosti. Tijekom školovanja u kuharskoj školi, 1963. godine, 13-godišnji Mpembe dobio je zadatak napraviti sladoled. Prema tehnologiji, bilo je potrebno prokuhati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio marljiv učenik i oklijevao je. U strahu da neće stići na vrijeme do kraja sata, još vruće mlijeko stavio je u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema svim pravilima.
Kad je Mpemba svoje otkriće podijelio s profesorom fizike, ovaj ga je ismijavao pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već kao student na Sveučilištu u Dar es Salaamu, bio je na predavanju slavnog fizičara Denisa G. Osborna. Nakon predavanja, postavio je pitanje znanstveniku: “Ako uzmete dvije identične posude s istom količinom vode, jednu na 35 °C (95 °F), a drugu na 100 °C (212 °F), i stavite u zamrzivač, tada će se voda u vrućoj posudi brže smrznuti. Zašto?" Možete zamisliti reakciju britanskog profesora na pitanje mladića iz bogom zaboravljene Tanzanije. Ismijavao je učenika. Međutim, Mpemba je bio spreman na takav odgovor i izazvao je znanstvenika na okladu. Njihova je rasprava kulminirala u eksperimentalnom testu koji je pokazao da je Mpemba bio u pravu, a da je Osborne poražen. Tako je student-kuhar svoje ime upisao u povijest znanosti, a od sada se ovaj fenomen naziva "Mpemba efekt". Odbaciti ga, proglasiti ga "nepostojećim" ne ide. Fenomen postoji, i, kako je pjesnik napisao, "ne u zubu nogom".
Jesu li za to krive čestice prašine i otopljene tvari?
Tijekom godina mnogi su pokušavali razotkriti misterij smrzavanja vode. Predložena je cijela hrpa objašnjenja za ovaj fenomen: isparavanje, konvekcija, utjecaj otopljenih tvari - ali niti jedan od ovih faktora ne može se smatrati konačnim. Brojni su znanstvenici cijeli život posvetili Mpemba efektu. Djelatnik Odjela za radijacijsku sigurnost Državno sveučilište iz New Yorka, James Brownridge više od desetljeća proučava paradoks u svoje slobodno vrijeme. Nakon što je proveo stotine eksperimenata, znanstvenik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da se na 0°C voda samo superhladi i počinje se smrzavati kada temperatura padne ispod. Točku ledišta reguliraju nečistoće u vodi – one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, a to su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju svoju karakterističnu temperaturu nukleacije, kada se oko centara kristalizacije stvaraju kristali leda. Kada je u vodi prisutno nekoliko elemenata odjednom, ledište određuje onaj s najvišom temperaturom nukleacije.
Za eksperiment je Brownridge uzeo dva uzorka vode na istoj temperaturi i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek smrzava prije drugog - vjerojatno zbog različite kombinacije nečistoća.
Brownridge tvrdi da se topla voda brže hladi zbog veće temperaturne razlike između vode i zamrzivača – to joj pomaže da dosegne svoju točku smrzavanja prije nego hladna voda dosegne svoju prirodnu točku smrzavanja, koja je najmanje 5°C niža.
Međutim, Brownridgeovo razmišljanje otvara mnoga pitanja. Stoga oni koji mogu na svoj način objasniti Mpemba efekt imaju priliku natjecati se za tisuću funti britanskog Kraljevskog kemijskog društva.
