Godine 1963. tanzanijski školarac po imenu Erasto Mpemba postavio je svom učitelju glupo pitanje - zašto se topli sladoled u njegovom zamrzivaču smrzavao brže od hladnog?
Biti student Magambinskaya Srednja škola u Tanzaniji Erasto Mpemba učinio praktični rad u kuhanju. Trebao je napraviti domaći sladoled - prokuhati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s dovršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće izdržati do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, ono se smrznulo čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno prema zadanoj tehnologiji.
Obratio se profesoru fizike za pojašnjenje, no ovaj se učeniku samo nasmijao rekavši: “Ovo nije svjetska fizika, i fizika Mpembe." Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom.
U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar Es Salaamu (kojeg je direktor škole pozvao da učenicima održi predavanje o fizici) upravo 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, tada će se u drugoj voda brže smrznuti. Zašto?" Osborne se zainteresirao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba efekt.
Zanima li vas zašto se to događa? Prije samo nekoliko godina znanstvenici su uspjeli objasniti ovaj fenomen...
Mpemba efekt (Mpemba paradoks) je paradoks koji kaže da se vruća voda pod nekim uvjetima smrzava brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode tijekom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima je, pod istim uvjetima, više zagrijanom tijelu potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrijanom tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Tu su pojavu u svoje vrijeme 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 bi vrijeme tijekom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline trebalo biti proporcionalno razlici temperature između tog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom se učinku voda s temperaturom od 100°C brže hladi na temperaturu od 0°C od iste količine vode s temperaturom od 35°C.
Od tada se iznose različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada je ostane manje, voda se brže smrzava. Ova verzija je zbog svoje jednostavnosti postala najpopularnija, ali nije u potpunosti zadovoljila znanstvenike.
Sada tim istraživača iz Tehnološko sveučilište Tehnološko sveučilište Nanyang u Singapuru, pod vodstvom kemičara Xi Zhanga, izjavilo je da su riješili prastaru misteriju 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 drže zajedno kovalentne veze, što na razini čestica izgleda kao izmjena elektrona. Još jedna poznata činjenica je da se atomi vodika privlače atomima kisika iz susjednih molekula – stvaraju se vodikove veze.
U isto vrijeme, molekule vode općenito se međusobno odbijaju. Znanstvenici iz Singapura primijetili su: što je voda toplija, to je veća udaljenost između molekula tekućine zbog povećanja odbojnih sila. Kao rezultat toga, vodikove veze su rastegnute i stoga pohranjuju više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda hladi – molekule se približavaju jedna drugoj. A oslobađanje energije, kao što je poznato, znači hlađenje.
Ovo su pretpostavke 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 izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
Hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0°C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uvjetima može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući ostati tekući na temperaturama ispod ledišta. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na temperaturi od -20°C. Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli stvarati. Ako ih nema u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada se počnu formirati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, stvarajući bljuzgavicu, koja će se zamrznuti i formirati led. Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem uklanja 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 sljedeće: na njezinoj površini stvara se tanak sloj leda koji djeluje kao izolator između vode i hladnog zraka i time sprječava daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju vruće vode podvrgnute prehlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh. Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se i stoga stvara mnogo više topline 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 uvjetima će se u kratkom vremenu na površini vode stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda djelovati kao izolator, štiteći donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4°C . Stoga će daljnji proces hlađenja biti sporiji. Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže ohladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Također, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, donoseći 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, bilo bi potrebno 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 hladni i vrući slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.
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 manja pri visokim temperaturama. Stoga, kada se vruća voda hladi, uvijek sadrži 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 značajnu ulogu kada se voda stavi u zamrzivač odjeljka hladnjaka u malim posudama. Pod tim uvjetima, uočeno 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 s toplom vodom nego iz posude s hladnom vodom. Zauzvrat, posuda s hladnom vodom ne otapa snijeg ispod. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nikad nije dobiven nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju 100% reprodukciju Mpemba efekta. Na primjer, 1995. njemački fizičar David Auerbach proučavao je utjecaj prehlađene 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 su bili u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda uspjela 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. Za sada se može reći samo jedno: reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima u kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.
Ali kako kažu, najvjerojatniji razlog.
Kako pišu kemičari u svom članku, koji se može pronaći na web stranici za preprint arXiv.org, vodikove veze jače su 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 dolazi do bržeg stvrdnjavanja.
Do danas su znanstvenici ovu misteriju riješili samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze svoje verzije, pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može se smatrati zatvorenim.
Brojni su čimbenici koji utječu na to koja će se voda brže smrzavati, topla ili hladna, ali samo pitanje djeluje pomalo čudno. Implikacija je, a to je poznato iz fizike, da vrućoj vodi ipak treba vremena da se ohladi na temperaturu hladne vode koja se uspoređuje kako 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 - vani na hladnoći, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, znanstveno se ispostavlja da se u svakom slučaju hladna voda jednostavno brže smrzava.
Isto je pomislio i profesor fizike kojemu se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba sa zahtjevom da objasni zašto se hladna smjesa budućeg sladoleda duže smrzava od slične, ali vruće.
“Ovo nije univerzalna fizika, već neka vrsta Mpemba fizike”
Tada se učitelj samo smijao tome, ali Deniss Osborne, profesor fizike, koji je svojedobno posjetio istu školu u kojoj je Erasto studirao, eksperimentalno je potvrdio postojanje takvog učinka, iako tada nije bilo objašnjenja za to. Godine 1969. u popularnom znanstvenom časopisu objavljen je zajednički članak ovo dvoje ljudi, koji su opisali ovaj neobičan učinak.
Od tada, usput, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna - ima svoje ime - Mpemba efekt ili paradoks.
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 tome svojedobno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.
Ali pristupe rješavanju tog paradoksa počeli su 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 kako bi se započelo raspravljanje o tome koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. Što utječe na tijek ovog procesa?
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 smanjenjem volumena vrijeme smrzavanja postaje kraće nego ako uzmemo isti početni volumen hladne vode.
Prošlo je dosta vremena otkako ste odmrznuli zamrzivač.
Koja se voda brže smrzava i zašto se to događa može utjecati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču hladnjaka korištenog za eksperiment. Ako uzmete dvije posude identičnog volumena, ali jedna od njih sadrži toplu vodu, a druga hladnu, posuda s toplom vodom otopit će snijeg ispod nje i time poboljšati kontakt toplinske razine sa stijenkom hladnjaka. Posuda s hladnom vodom to ne može učiniti. Ako u odjeljku hladnjaka nema takve obloge sa snijegom, hladna bi se voda trebala 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 čini suprotno - počinje se smrzavati odozdo prema gore. Ispostavilo se da hladna voda, s hladnim slojem na vrhu s mjestimično već formiranim ledom, pogoršava procese konvekcije i toplinskog zračenja, čime se objašnjava koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. U prilogu su fotografije amaterskih eksperimenata, a to je ovdje jasno vidljivo.
Toplina odlazi van, juri prema gore i tamo se susreće s vrlo hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplinsko zračenje, pa je proces hlađenja otežan. Topla voda nema apsolutno nikakvih prepreka na svom putu. Koja se brže smrzava - hladna ili vruća, što određuje vjerojatni ishod?Odgovor možete proširiti tako da kažete da svaka voda ima otopljene određene tvari.
Nečistoće u vodi 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 smrzavati. Ali ako se dogodi situacija kada se otopi kemijski elementi postoje samo u toploj vodi, a u hladnoj ih 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 da će voda biti prehlađena, u smislu da će na temperaturama ispod nule biti u tekuće stanje.
Ali sve te verzije, očito, nisu u potpunosti odgovarale znanstvenicima i nastavili su raditi na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača u Singapuru rekao je da je riješio prastaru misteriju.
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
Slijedi informacija za čije razumijevanje je potrebno imati nešto znanja iz kemije kako bi se shvatilo koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Kao što je poznato, sastoji se od dva atoma H (vodik) i jednog atoma O (kisik), koji se drže zajedno kovalentnim vezama.
Ali i atomi vodika jedne molekule privlače se susjednim molekulama, njihovoj kisikovoj komponenti. Te se veze nazivaju vodikove veze.
Vrijedno je zapamtiti da u isto vrijeme molekule vode imaju odbojan učinak 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 istu 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 rezerva energije u toploj vodi, te njeno veće oslobađanje pri hlađenju na temperature ispod nule, događa brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju rezervu te energije. Dakle, koja se voda brže smrzava - hladna ili topla? Na ulici i u laboratoriju trebao bi se dogoditi Mpembin paradoks, a topla voda bi se trebala brže pretvoriti u led.
Ali pitanje je još uvijek otvoreno
Postoji samo teoretska potvrda ovog rješenja - sve je to napisano u lijepim formulama i čini se vjerojatnim. Ali kada se eksperimentalni podaci o tome koja se voda brže smrzava - topla ili hladna - stave u praktičnu primjenu i iznesu njihovi rezultati, tada se pitanje Mpembina paradoksa može smatrati riješenim.
Svojstva vode ne prestaju iznenađivati znanstvenike. Voda je prilično jednostavna tvar s kemijskog gledišta, ali ima niz neobičnih svojstava koja ne prestaju iznenađivati znanstvenike. U nastavku donosimo nekoliko činjenica za koje malo ljudi zna.
1. Koja se voda brže smrzava - hladna ili topla?
Uzmimo dvije posude s vodom: u jednu ulijemo vruću, au drugu hladnu vodu i stavimo ih u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne vode, iako je logično, hladna voda trebala prvo postati led: uostalom, 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 smjesu za sladoled, primijetio je da se vruća smjesa skrućuje brže u zamrzivaču od one hladne. Kada je mladić svoje otkriće podijelio sa svojim profesorom fizike, ovaj mu se samo nasmijao. Srećom, učenik je bio uporan i uvjerio je učitelja da provede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima topla voda zapravo se smrzava brže od hladne vode.
Ovaj fenomen da se topla voda smrzava brže od hladne vode naziva se "Mpemba efekt". Istina, davno prije njega ovo jedinstveno svojstvo vode primijetili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.
Znanstvenici još uvijek ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili učinkom ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.
2. Može se trenutno smrznuti
Svi znaju da se voda uvijek pretvara u led kada se ohladi na 0°C... osim u nekim slučajevima! Primjer takvog slučaja je superhlađenje, što je svojstvo vrlo čiste vode da ostane tekuća čak i kada se ohladi ispod ledišta. Ovaj fenomen postaje moguć zahvaljujući činjenici da okoliš ne sadrži centre ili jezgre kristalizacije koji bi mogli potaknuti stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tekućem obliku čak i kada se ohladi ispod nula Celzijevih stupnjeva.
Proces kristalizacije mogu potaknuti, na primjer, mjehurići plina, nečistoće (kontaminanti) ili neravna površina spremnika. Bez njih će voda ostati u tekućem stanju. Kada započne proces kristalizacije, možete gledati 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 pogriješili. 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 će se i najčišća super ohlađena voda odjednom pretvoriti u led. Što će se dogoditi ako temperatura bude dalje padala? Na -120 °C s vodom se počinje događati nešto čudno: ona postaje super viskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama ispod -135 °C pretvara se u "staklastu" ili "staklastu" vodu - krutu tvar koja nema kristalnu strukturu .
4. Voda iznenađuje fizičare
Na molekularnoj razini, voda je još iznenađujuća. Godine 1995. eksperiment raspršivanja neutrona koji su proveli znanstvenici dao je neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje protona vodika nego što se očekivalo.
Pokazalo se da se pri brzini od jedne atosekunde (10 -18 sekundi) odvija neobičan kvantni efekt, a kemijska formula voda umjesto H2O, postaje H1.5O!
5. Memorija vode
Alternativa konvencionalnoj medicini, homeopatija navodi da razrijeđena otopina lijeka može imati ljekoviti učinak na tijelo, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko visok da u otopini nije ostalo ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije ovaj paradoks objašnjavaju konceptom zvanim "pamćenje vode", prema kojem voda na molekularnoj razini ima "sjećanje" na tvar koja je jednom u njoj otopljena i zadržava svojstva otopine izvorne koncentracije nakon što niti jednom molekula sastojka ostaje u njemu.
Međunarodni tim znanstvenika predvođen profesoricom Madeleine Ennis s Kraljičinog sveučilišta u Belfastu, koji je kritizirao načela homeopatije, proveo je eksperiment 2002. kako bi opovrgao koncept jednom zauvijek. Rezultat je bio suprotan. Nakon čega su znanstvenici izjavili da su uspjeli dokazati stvarnost efekta "pamćenja vode". Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom neovisnih stručnjaka nisu donijeli rezultate. Rasprava o postojanju fenomena "pamćenja vode" se nastavlja.
Voda ima još mnogo neobičnih svojstava o kojima nismo govorili u ovom članku. Na primjer, gustoća vode mijenja se ovisno o temperaturi (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”, čiji je autor Martin Chaplin, profesor na Sveučilištu u Londonu.
Mnogi su istraživači iznosili i iznose vlastite verzije zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Čini se kao paradoks - na kraju krajeva, da bi se zamrznula, topla voda se prvo mora ohladiti. Međutim, činjenica ostaje činjenica, a znanstvenici to objašnjavaju na različite načine.
U ovom trenutku postoji nekoliko verzija koje objašnjavaju ovu činjenicu:
- Budući da vruća voda brže isparava, njezin se volumen smanjuje. I smrzavanje manje količine vode na istoj temperaturi događa se brže.
- Odjeljak zamrzivača hladnjaka ima snježnu foliju. Posuda s vrućom vodom otapa snijeg ispod nje. To poboljšava toplinski kontakt sa zamrzivačem.
- Smrzavanje hladne vode, za razliku od tople vode, počinje na vrhu. Istodobno se pogoršava konvekcija i toplinsko zračenje, a time i gubitak topline.
- Hladna voda sadrži centre kristalizacije – u njoj otopljene tvari. Ako je njihov sadržaj u vodi mali, zaleđivanje je teško, ali je istovremeno moguće superhlađenje - kada je na temperaturama ispod nule u tekućem stanju.
Iako pošteno možemo reći da se ovaj učinak ne promatra uvijek. Vrlo često se hladna voda smrzava brže od tople vode.
Na kojoj se temperaturi voda smrzava
Zašto se voda uopće smrzava? Sadrži određenu količinu mineralnih ili organskih čestica. To mogu biti, na primjer, vrlo male čestice pijeska, prašine ili gline. Kako se temperatura zraka smanjuje, te su čestice središta oko kojih nastaju kristali leda.
Ulogu kristalizacijskih jezgri također mogu imati mjehurići zraka i pukotine u posudi s vodom. Na brzinu procesa pretvaranja vode u led uvelike utječe broj takvih centara – ako ih je mnogo, tekućina se brže smrzava. U normalnim uvjetima, uz normalan atmosferski tlak, voda prelazi u kruto stanje iz tekućine na temperaturi od 0 stupnjeva.
Suština Mpemba efekta
Mpemba efekt je paradoks, čija je bit da se pod određenim okolnostima topla voda smrzava brže od hladne vode. Tu su pojavu uočili Aristotel i Descartes. Međutim, tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba utvrdio da se vrući sladoled smrzava u kraćem vremenu od hladnog. Do tog je zaključka došao dok je rješavao kuharski zadatak.
Morao je otopiti šećer u prokuhanom mlijeku i nakon što ga je ohladio staviti u hladnjak da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio osobito marljiv i kasno je počeo s dovršavanjem prvog dijela 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 posao 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 Osbornea 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 znaju sastav vode iz škole - atom kisika i dva atoma vodika. Kisik u određenoj mjeri odvlači elektrone od vodika, tako da je molekula određena vrsta "magneta".
Kao rezultat toga, određene molekule u vodi se lagano privlače jedna drugoj i spojene su vodikovom vezom. Njegova snaga je mnogo puta manja od kovalentne veze. Singapurski istraživači smatraju da objašnjenje Mpembina paradoksa leži upravo u vodikovim vezama. Ako su molekule vode vrlo tijesno jedna uz drugu, 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 oslobađanje viška energije i prijelaz u nižu razina energije. To dovodi do činjenice da se vruća voda počinje brzo hladiti. Barem tako pokazuju teorijski proračuni, koje su proveli singapurski znanstvenici.
Trenutačno smrzavanje vode - 5 nevjerojatnih trikova: Video
Britansko Kraljevsko kemijsko društvo nudi nagradu od 1000 funti svakome tko zna objasniti znanstvena točka razumijevanje 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, s filozofima poput Aristotela i Descartesa koji su razmišljali o njemu,” rekao je profesor David Phillips, predsjednik Britanskog kraljevskog kemijskog društva, citirano u priopćenju Društva.
Kako je kuhar iz Afrike pobijedio britanskog profesora fizike
Ovo nije prvotravanjska šala, već surova fizička stvarnost. Moderna znanost, koja s lakoćom operira s galaksijama i crnim rupama i gradi divovske akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako elementarna voda “radi”. U školskom udžbeniku jasno stoji da je za hlađenje toplijeg 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 svojoj knjizi Meteorologica I: “Činjenica da je voda prethodno zagrijana uzrokuje njeno smrzavanje. Stoga mnogi ljudi, kada žele brže ohladiti vruću 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 termofiziku nisu uspjeli u tome, pa je tako neugodna činjenica dugo bila "zaboravljena".
I tek su se 1968. “sjetili” zahvaljujući školarcu Erastu Mpembeu iz Tanzanije, dalekom od svake znanosti. Tijekom studija u kulinarskoj 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 izdržati do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema svim pravilima.
Kad je Mpemba svoje otkriće podijelio sa svojim profesorom fizike, ovaj mu se smijao pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već kao student na sveučilištu u Dar es Salaamu, prisustvovao je predavanju poznatog fizičara Denisa G. Osbornea. Nakon predavanja, postavio je pitanje znanstveniku: “Ako uzmete dvije identične posude s jednakom količinom vode, jednu na 35 °C (95 °F), a drugu na 100 °C (212 °F), i stavite ih u zamrzivaču, 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. Njihov spor završio je eksperimentalnim testom koji je potvrdio da je Mpemba bio u pravu i da je Osborne poražen. Tako je kuharski pripravnik upisao svoje ime u povijest znanosti, a od sada se ovaj fenomen naziva “Mpemba efekt”. Nemoguće ga je odbaciti, proglasiti ga "nepostojećim". Fenomen postoji i, kako je napisao pjesnik, "ne boli".
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 James Brownridge, stanovnik New Yorka, već cijelo desetljeće u slobodno vrijeme proučava paradoks. Nakon provođenja stotina eksperimenata, znanstvenik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da na 0°C voda postaje samo prehlađena i počinje se smrzavati kada temperatura padne ispod. Točku ledišta reguliraju nečistoće u vodi – one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, kao što su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju karakterističnu temperaturu nukleacije kada se kristali leda formiraju oko centara kristalizacije. Kada je u vodi prisutno više elemenata odjednom, ledište određuje onaj koji ima najvišu temperaturu nukleacije.
Za eksperiment je Brownridge uzeo dva uzorka vode iste temperature i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek smrzava prije drugoga, vjerojatno zbog različite kombinacije nečistoća.
Brownridge kaže da se vruća voda hladi brže jer postoji veća razlika između temperature 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 sterlinga Britanskog kraljevskog kemijskog društva.
