Care apă se întărește mai repede caldă sau rece. De ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece? Condiții pentru a se produce un paradox

Efectul Mpemba sau de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece? Efectul Mpemba (Mpemba Paradox) este un paradox care afirmă că apa caldă în anumite condiții îngheață mai repede decât apa rece, deși trebuie să treacă de temperatura apei reci în procesul de îngheț. Acest paradox este un fapt experimental care contrazice ideile obișnuite, conform cărora, în aceleași condiții, un corp mai fierbinte are nevoie de mai mult timp pentru a se răci la o anumită temperatură decât un corp mai rece pentru a se răci la aceeași temperatură. Acest fenomen a fost observat la acea vreme de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes, dar abia în 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a constatat că un amestec de înghețată fierbinte îngheață mai repede decât unul rece. Erasto Mpemba era elev la liceul Magambin din Tanzania, făcând lucrări practice de gătit. A trebuit să facă înghețată de casă - să fierbe laptele, să dizolve zahărul în el, să-l răcească la temperatura camerei și apoi să-l pună la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student deosebit de harnic și a amânat prima parte a sarcinii. De teamă că nu va ajunge la timp până la sfârșitul lecției, a pus laptele încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, preparat după o anumită tehnologie. După aceea, Mpemba a experimentat nu numai lapte, ci și apă plată. În orice caz, fiind deja elev la Liceul Mkvava, l-a întrebat pe profesorul Dennis Osborne de la Colegiul Universitar din Dar es Salaam (invitat de directorul școlii să țină elevilor o prelegere despre fizică) despre apă: „Dacă luați două recipiente identice cu volume egale de apă, astfel încât într-unul dintre ele apa să aibă o temperatură de 35 ° C, iar în celălalt - 100 ° C și le puneți la congelator, apoi în al doilea apa va îngheța mai repede.De ce? Osborne a devenit interesat de această problemă și curând, în 1969, împreună cu Mpemba, au publicat rezultatele experimentelor lor în revista „Educația fizică”. De atunci, efectul descoperit de ei se numește efectul Mpemba. Până acum, nimeni nu știe exact cum să explice acest efect ciudat. Oamenii de știință nu au o singură versiune, deși există multe. Este vorba despre diferența dintre proprietățile apei calde și ale apei reci, dar nu este încă clar care proprietăți joacă un rol în acest caz: diferența de suprarăcire, evaporare, formare a gheții, convecție sau efectul gazelor lichefiate asupra apei la temperaturi diferite. Paradoxul efectului Mpemba este că timpul în care corpul se răcește la temperatura ambiantă trebuie să fie proporțional cu diferența de temperatură dintre acest corp și mediu. Această lege a fost stabilită de Newton și de atunci a fost confirmată de multe ori în practică. În același efect, apa la 100°C se răcește cu 0°C mai repede decât aceeași cantitate de apă la 35°C. Cu toate acestea, acest lucru nu implică încă un paradox, deoarece efectul Mpemba poate fi explicat și în fizica cunoscută. Iată câteva explicații pentru efectul Mpemba: Evaporare Apa fierbinte se evaporă mai repede dintr-un recipient, reducându-i astfel volumul, iar un volum mai mic de apă la aceeași temperatură îngheață mai repede. Apa încălzită la 100 C pierde 16% din masă când este răcită la 0 C. Efectul evaporării este un efect dublu. În primul rând, masa de apă necesară pentru răcire este redusă. Și în al doilea rând, temperatura scade datorită faptului că căldura de evaporare a trecerii de la faza de apă la faza de vapori scade. Diferența de temperatură Datorită faptului că diferența de temperatură dintre apa caldă și aerul rece este mai mare – deci schimbul de căldură în acest caz este mai intens și apa caldă se răcește mai repede. Subrăcire Când apa este răcită sub 0 C, nu îngheață întotdeauna. În anumite condiții, poate suferi suprarăcire în timp ce continuă să rămână lichid la temperaturi sub punctul de îngheț. În unele cazuri, apa poate rămâne lichidă chiar și la o temperatură de -20 C. Motivul acestui efect este că, pentru ca primele cristale de gheață să înceapă să se formeze, sunt necesare centre de formare a cristalelor. Dacă nu sunt în apă lichidă, atunci suprarăcirea va continua până când temperatura scade suficient de mult încât cristalele să înceapă să se formeze spontan. Când încep să se formeze în lichidul suprarăcit, ele vor începe să crească mai repede, formând un nămol de gheață care va îngheța pentru a forma gheață. Apa caldă este cel mai susceptibilă la hipotermie, deoarece încălzirea ei elimină gazele și bulele dizolvate, care la rândul lor pot servi drept centre pentru formarea cristalelor de gheață. De ce hipotermia face ca apa fierbinte să înghețe mai repede? În cazul apei rece, care nu este suprarăcită, se întâmplă următoarele. În acest caz, pe suprafața vasului se va forma un strat subțire de gheață. Acest strat de gheață va acționa ca un izolator între apă și aerul rece și va preveni evaporarea ulterioară. Rata de formare a cristalelor de gheață în acest caz va fi mai mică. În cazul apei calde aflate în subrăcire, apa subrăcită nu are un strat de suprafață de protecție de gheață. Prin urmare, pierde căldură mult mai repede prin partea superioară deschisă. Când procesul de suprarăcire se termină și apa îngheață, se pierde mult mai multă căldură și, prin urmare, se formează mai multă gheață. Mulți cercetători ai acestui efect consideră că hipotermia este principalul factor în cazul efectului Mpemba. Convecție Apa rece începe să înghețe de sus, înrăutățind astfel procesele de radiație a căldurii și convecție și, prin urmare, pierderea de căldură, în timp ce apa caldă începe să înghețe de jos. Acest efect se explică printr-o anomalie în densitatea apei. Apa are o densitate maximă la 4 C. Dacă răcești apa la 4 C și o pui la o temperatură mai scăzută, stratul de apă de la suprafață va îngheța mai repede. Deoarece această apă este mai puțin densă decât apa la 4°C, va rămâne la suprafață, formând un strat rece subțire. În aceste condiții, la suprafața apei se va forma un strat subțire de gheață pentru o perioadă scurtă de timp, dar acest strat de gheață va servi drept izolator protejând straturile inferioare de apă, care vor rămâne la o temperatură de 4 C. Prin urmare , răcirea ulterioară va fi mai lentă. In cazul apei calde situatia este cu totul alta. Stratul de suprafață de apă se va răci mai repede din cauza evaporării și a unei diferențe de temperatură mai mari. De asemenea, straturile de apă rece sunt mai dense decât straturile de apă caldă, astfel încât stratul de apă rece se va scufunda, ridicând stratul de apă caldă la suprafață. Această circulație a apei asigură o scădere rapidă a temperaturii. Dar de ce acest proces nu ajunge la punctul de echilibru? Pentru a explica efectul Mpemba din acest punct de vedere al convecției, s-ar presupune că straturile de apă rece și fierbinte sunt separate și procesul de convecție în sine continuă după ce temperatura medie a apei scade sub 4 C. Cu toate acestea, nu există date experimentale. care ar confirma această ipoteză, că straturile reci de apă calde sunt separate prin convecție. Gaze dizolvate în apă Apa conține întotdeauna gaze dizolvate în ea - oxigen și dioxid de carbon. Aceste gaze au capacitatea de a reduce punctul de îngheț al apei. Când apa este încălzită, aceste gaze sunt eliberate din apă deoarece solubilitatea lor în apă la temperatură ridicată este mai mică. Prin urmare, atunci când apa fierbinte este răcită, există întotdeauna mai puține gaze dizolvate în ea decât în ​​apa rece neîncălzită. Prin urmare, punctul de îngheț al apei încălzite este mai mare și îngheață mai repede. Acest factor este uneori considerat ca fiind principalul în explicarea efectului Mpemba, deși nu există date experimentale care să confirme acest fapt. Conductibilitatea termică Acest mecanism poate juca un rol semnificativ atunci când apa este plasată într-un frigider congelator în recipiente mici. În aceste condiții, s-a observat că recipientul cu apă fierbinte topește gheața congelatorului de dedesubt, îmbunătățind astfel contactul termic cu peretele congelatorului și conductivitatea termică. Ca urmare, căldura este îndepărtată din recipientul cu apă caldă mai repede decât din cel rece. La rândul său, recipientul cu apă rece nu topește zăpada sub el. Toate aceste condiții (precum și alte) au fost studiate în multe experimente, dar un răspuns fără echivoc la întrebare - care dintre ele oferă o reproducere 100% a efectului Mpemba - nu a fost obținut. Deci, de exemplu, în 1995, fizicianul german David Auerbach a studiat influența suprarăcirii apei asupra acestui efect. El a descoperit că apa fierbinte, ajungând într-o stare de suprarăcire, îngheață la o temperatură mai mare decât apa rece și, prin urmare, mai repede decât cea din urmă. Dar apa rece ajunge la starea de suprarăcire mai repede decât apa fierbinte, compensând astfel întârzierea anterioară. În plus, rezultatele lui Auerbach au contrazis datele anterioare conform cărora apa caldă este capabilă să obțină o suprarăcire mai mare datorită mai puține centre de cristalizare. Când apa este încălzită, gazele dizolvate în ea sunt îndepărtate din ea, iar când este fiertă precipită unele săruri dizolvate în ea. Până acum, un singur lucru poate fi afirmat - reproducerea acestui efect depinde în esență de condițiile în care se desfășoară experimentul. Tocmai pentru că nu este întotdeauna reprodus. O. V. Mosin

Efectul Mpemba(Paradoxul Mpemba) - un paradox care afirmă că apa caldă în anumite condiții îngheață mai repede decât apa rece, deși trebuie să treacă de temperatura apei reci în procesul de îngheț. Acest paradox este un fapt experimental care contrazice ideile obișnuite, conform cărora, în aceleași condiții, un corp mai fierbinte are nevoie de mai mult timp pentru a se răci la o anumită temperatură decât un corp mai rece pentru a se răci la aceeași temperatură.

Acest fenomen a fost observat la acea vreme de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes, dar abia în 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a constatat că un amestec de înghețată fierbinte îngheață mai repede decât unul rece.

Erasto Mpemba era elev la liceul Magambin din Tanzania, făcând lucrări practice de gătit. A trebuit să facă înghețată de casă - să fierbe laptele, să dizolve zahărul în el, să-l răcească la temperatura camerei și apoi să-l pună la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student deosebit de harnic și a amânat prima parte a sarcinii. De teamă că nu va ajunge la timp până la sfârșitul lecției, a pus laptele încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, preparat după o anumită tehnologie.

După aceea, Mpemba a experimentat nu numai lapte, ci și apă plată. În orice caz, fiind deja elev la Liceul Mkvava, l-a întrebat pe profesorul Dennis Osborne de la Colegiul Universitar din Dar es Salaam (invitat de directorul școlii să țină elevilor o prelegere despre fizică) despre apă: „Dacă luați două recipiente identice cu volume egale de apă, astfel încât într-unul dintre ele apa să aibă o temperatură de 35 ° C, iar în celălalt - 100 ° C și le puneți la congelator, apoi în al doilea apa va îngheța mai repede.De ce? Osborne a devenit interesat de această problemă și curând, în 1969, împreună cu Mpemba, au publicat rezultatele experimentelor lor în revista „Educația fizică”. De atunci, efectul pe care l-au descoperit se numește Efectul Mpemba.

Până acum, nimeni nu știe exact cum să explice acest efect ciudat. Oamenii de știință nu au o singură versiune, deși există multe. Este vorba despre diferența dintre proprietățile apei calde și ale apei reci, dar nu este încă clar care proprietăți joacă un rol în acest caz: diferența de suprarăcire, evaporare, formare a gheții, convecție sau efectul gazelor lichefiate asupra apei la temperaturi diferite.

Paradoxul efectului Mpemba este că timpul în care corpul se răcește la temperatura ambiantă trebuie să fie proporțional cu diferența de temperatură dintre acest corp și mediu. Această lege a fost stabilită de Newton și de atunci a fost confirmată de multe ori în practică. În același efect, apa la 100°C se răcește cu 0°C mai repede decât aceeași cantitate de apă la 35°C.

Cu toate acestea, acest lucru nu implică încă un paradox, deoarece efectul Mpemba poate fi explicat și în fizica cunoscută. Iată câteva explicații pentru efectul Mpemba:

Evaporare

Apa fierbinte se evaporă mai repede din recipient, reducându-i astfel volumul, iar un volum mai mic de apă cu aceeași temperatură îngheață mai repede. Apa încălzită la 100 C își pierde 16% din masă atunci când este răcită la 0 C.

Efectul de evaporare este un efect dublu. În primul rând, masa de apă necesară pentru răcire este redusă. Și în al doilea rând, temperatura scade datorită faptului că căldura de evaporare a trecerii de la faza de apă la faza de vapori scade.

diferenta de temperatura

Datorita faptului ca diferenta de temperatura dintre apa calda si aerul rece este mai mare – deci schimbul de caldura in acest caz este mai intens si apa calda se raceste mai repede.

hipotermie

Când apa este răcită sub 0 C, nu îngheață întotdeauna. În anumite condiții, poate suferi suprarăcire în timp ce continuă să rămână lichid la temperaturi sub punctul de îngheț. În unele cazuri, apa poate rămâne lichidă chiar și la -20 C.

Motivul acestui efect este că, pentru ca primele cristale de gheață să înceapă să se formeze, sunt necesare centre de formare a cristalelor. Dacă nu sunt în apă lichidă, atunci suprarăcirea va continua până când temperatura scade suficient de mult încât cristalele să înceapă să se formeze spontan. Când încep să se formeze în lichidul suprarăcit, ele vor începe să crească mai repede, formând un nămol de gheață care va îngheța pentru a forma gheață.

Apa caldă este cel mai susceptibilă la hipotermie, deoarece încălzirea ei elimină gazele și bulele dizolvate, care la rândul lor pot servi drept centre pentru formarea cristalelor de gheață.

De ce hipotermia face ca apa fierbinte să înghețe mai repede? În cazul apei rece, care nu este suprarăcită, se întâmplă următoarele. În acest caz, pe suprafața vasului se va forma un strat subțire de gheață. Acest strat de gheață va acționa ca un izolator între apă și aerul rece și va preveni evaporarea ulterioară. Rata de formare a cristalelor de gheață în acest caz va fi mai mică. În cazul apei calde aflate în subrăcire, apa subrăcită nu are un strat de suprafață de protecție de gheață. Prin urmare, pierde căldură mult mai repede prin partea superioară deschisă.

Când procesul de suprarăcire se termină și apa îngheață, se pierde mult mai multă căldură și, prin urmare, se formează mai multă gheață.

Mulți cercetători ai acestui efect consideră că hipotermia este principalul factor în cazul efectului Mpemba.

Convecție

Apa rece începe să înghețe de sus, înrăutățind astfel procesele de radiație a căldurii și convecție și, prin urmare, pierderea de căldură, în timp ce apa caldă începe să înghețe de jos.

Acest efect se explică printr-o anomalie în densitatea apei. Apa are o densitate maximă la 4 C. Dacă răcești apa la 4 C și o pui la o temperatură mai scăzută, stratul de apă de la suprafață va îngheța mai repede. Deoarece această apă este mai puțin densă decât apa la 4°C, va rămâne la suprafață, formând un strat rece subțire. În aceste condiții, la suprafața apei se va forma un strat subțire de gheață pentru o perioadă scurtă de timp, dar acest strat de gheață va servi drept izolator protejând straturile inferioare de apă, care vor rămâne la o temperatură de 4 C. Prin urmare , răcirea ulterioară va fi mai lentă.

In cazul apei calde situatia este cu totul alta. Stratul de suprafață de apă se va răci mai repede din cauza evaporării și a unei diferențe de temperatură mai mari. De asemenea, straturile de apă rece sunt mai dense decât straturile de apă caldă, astfel încât stratul de apă rece se va scufunda, ridicând stratul de apă caldă la suprafață. Această circulație a apei asigură o scădere rapidă a temperaturii.

Dar de ce acest proces nu ajunge la punctul de echilibru? Pentru a explica efectul Mpemba din acest punct de vedere al convecției, ar fi necesar să presupunem că straturile de apă rece și fierbinte sunt separate și procesul de convecție în sine continuă după ce temperatura medie a apei scade sub 4 C.

Cu toate acestea, nu există dovezi experimentale care să susțină această ipoteză conform căreia straturile reci și calde de apă sunt separate prin convecție.

gaze dizolvate în apă

Apa conține întotdeauna gaze dizolvate în ea - oxigen și dioxid de carbon. Aceste gaze au capacitatea de a reduce punctul de îngheț al apei. Când apa este încălzită, aceste gaze sunt eliberate din apă deoarece solubilitatea lor în apă la temperatură ridicată este mai mică. Prin urmare, atunci când apa fierbinte este răcită, există întotdeauna mai puține gaze dizolvate în ea decât în ​​apa rece neîncălzită. Prin urmare, punctul de îngheț al apei încălzite este mai mare și îngheață mai repede. Acest factor este uneori considerat ca fiind principalul în explicarea efectului Mpemba, deși nu există date experimentale care să confirme acest fapt.

Conductivitate termică

Acest mecanism poate juca un rol semnificativ atunci când apa este plasată într-un frigider congelator în recipiente mici. În aceste condiții, s-a observat că recipientul cu apă fierbinte topește gheața congelatorului de dedesubt, îmbunătățind astfel contactul termic cu peretele congelatorului și conductivitatea termică. Ca urmare, căldura este îndepărtată din recipientul cu apă caldă mai repede decât din cel rece. La rândul său, recipientul cu apă rece nu topește zăpada sub el.

Toate aceste condiții (precum și alte) au fost studiate în multe experimente, dar un răspuns fără echivoc la întrebare - care dintre ele oferă o reproducere 100% a efectului Mpemba - nu a fost obținut.

Deci, de exemplu, în 1995, fizicianul german David Auerbach a studiat influența suprarăcirii apei asupra acestui efect. El a descoperit că apa fierbinte, ajungând într-o stare de suprarăcire, îngheață la o temperatură mai mare decât apa rece și, prin urmare, mai repede decât cea din urmă. Dar apa rece ajunge la starea de suprarăcire mai repede decât apa fierbinte, compensând astfel întârzierea anterioară.

În plus, rezultatele lui Auerbach au contrazis datele anterioare conform cărora apa caldă este capabilă să obțină o suprarăcire mai mare datorită mai puține centre de cristalizare. Când apa este încălzită, gazele dizolvate în ea sunt îndepărtate din ea, iar când este fiertă precipită unele săruri dizolvate în ea.

Până acum, un singur lucru poate fi afirmat - reproducerea acestui efect depinde în esență de condițiile în care se desfășoară experimentul. Tocmai pentru că nu este întotdeauna reprodus.

O. V. Mosin

Literarsurse:

„Apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. De ce face asta?”, Jearl Walker în The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, p. 246-257; septembrie 1977.

„Înghețarea apei calde și reci”, G.S. Kell în Jurnalul American de Fizică, Vol. 37, nr. 5, p. 564-565; mai 1969.

„Superrăcirea și efectul Mpemba”, David Auerbach, în American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, p. 882-885; octombrie 1995.

„Efectul Mpemba: timpii de îngheț ai apei calde și reci”, Charles A. Knight, în American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, p. 524; mai 1996.

Mulți cercetători au propus și au prezentat propriile versiuni cu privire la motivul pentru care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. S-ar părea un paradox - la urma urmei, pentru a îngheța, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească. Cu toate acestea, realitatea rămâne, iar oamenii de știință îl explică în moduri diferite.

În acest moment, există mai multe versiuni care explică acest fapt:

1. Deoarece evaporarea în apa fierbinte este mai rapidă, volumul acesteia scade. O cantitate mai mică de apă la aceeași temperatură îngheață mai repede.
2. Compartimentul congelator al frigiderului are o căptușeală de zăpadă. Un recipient care conține apă fierbinte topește zăpada de dedesubt. Acest lucru îmbunătățește contactul termic cu congelatorul.
3. Înghețarea apei reci, spre deosebire de cea caldă, începe de sus. În acest caz, convecția și radiația de căldură și, în consecință, pierderile de căldură se înrăutățesc.
4. În apa rece există centre de cristalizare - substanțe dizolvate în ea. Cu conținutul lor mic în apă, glazura este dificilă, deși în același timp este posibil să o suprarăciți - atunci când are o stare lichidă la temperaturi sub zero.

Deși în mod corect se poate spune că acest efect nu este întotdeauna observat. Apa rece îngheață adesea mai repede decât apa fierbinte.

La ce temperatură îngheață apa

De ce îngheață apa? Conține o anumită cantitate de particule minerale sau organice. Acestea, de exemplu, pot fi particule foarte fine de nisip, praf sau argilă. Pe măsură ce temperatura aerului scade, aceste particule devin centre în jurul cărora se formează cristale de gheață.

Rolul nucleelor ​​de cristalizare poate fi îndeplinit și de bule de aer și fisuri într-un recipient care conține apă. Viteza procesului de transformare a apei în gheață este în mare măsură influențată de numărul de astfel de centre - dacă există multe dintre ele, lichidul îngheață mai repede. În condiții normale, la presiunea atmosferică normală, apa trece în stare solidă din lichid la o temperatură de 0 grade.

Esența efectului Mpemba

Efectul Mpemba este înțeles ca un paradox, a cărui esență este că, în anumite circumstanțe, apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Acest fenomen a fost observat de Aristotel și Descartes. Cu toate acestea, abia în 1963 Erasto Mpemba, un școlar din Tanzania, a stabilit că înghețata fierbinte îngheață într-un timp mai scurt decât înghețata rece. A făcut o astfel de concluzie în timp ce executa sarcina de a găti.

A trebuit să dizolve zahărul în laptele fiert și, după ce s-a răcit, să-l pună la frigider să se înghețe. Aparent, Mpemba nu s-a diferențiat prin diligență specială și a început să îndeplinească cu întârziere prima parte a sarcinii. Prin urmare, nu a așteptat să se răcească laptele și l-a pus în frigider fierbinte. A fost foarte surprins când a înghețat și mai repede decât cel al colegilor săi, care au făcut munca în conformitate cu tehnologia dată.

Acest fapt l-a interesat foarte mult pe tânăr și a început experimentele cu apă plată. În 1969, revista Physics Education a publicat rezultatele cercetărilor lui Mpemba și a profesorului Dennis Osborn de la Universitatea din Dar es Salaam. Efectul descris de ei a primit numele de Mpemba. Cu toate acestea, nici astăzi nu există o explicație clară pentru fenomen. Toți oamenii de știință sunt de acord că rolul principal în acest lucru aparține diferențelor de proprietăți ale apei răcite și ale apei calde, dar ce anume este necunoscut.

Versiunea Singapore

Fizicienii de la una dintre universitățile din Singapore au fost și ei interesați de întrebarea, care apă îngheață mai repede - caldă sau rece? O echipă de cercetători condusă de Xi Zhang a explicat acest paradox tocmai prin proprietățile apei. Toată lumea știe încă de la școală compoziția apei - un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Oxigenul într-o oarecare măsură atrage electroni din hidrogen, deci molecula este un fel de „magnet”.

Ca urmare, anumite molecule din apă sunt ușor atrase unele de altele și sunt unite printr-o legătură de hidrogen. Forța sa este de multe ori mai mică decât legătura covalentă. Cercetătorii din Singapore cred că explicația paradoxului Mpemba constă tocmai în legăturile de hidrogen. Dacă moleculele de apă sunt plasate foarte strâns, atunci o astfel de interacțiune puternică între molecule poate deforma legătura covalentă din mijlocul moleculei în sine.

Dar când apa este încălzită, moleculele legate se îndepărtează ușor unele de altele. Ca urmare, relaxarea legăturilor covalente are loc în mijlocul moleculelor cu revenirea excesului de energie și trecerea la cel mai scăzut nivel de energie. Acest lucru duce la faptul că apa fierbinte începe să se răcească rapid. Cel puțin, așa arată calculele teoretice efectuate de oamenii de știință din Singapore.

Înghețare instantanee a apei - 5 trucuri incredibile: video

Internet marketing, editor al site-ului „Într-o limbă accesibilă”
Data publicării: 21.11.2017

« Care apă îngheață mai repede rece sau fierbinte?”- încearcă să pui o întrebare prietenilor tăi, cel mai probabil majoritatea dintre ei vor răspunde că apa rece îngheață mai repede - și vor face o greșeală.

De fapt, dacă puneți simultan două vase de aceeași formă și volum în congelator, dintre care unul va avea apă rece și celălalt fierbinte, atunci apa fierbinte va îngheța mai repede.

O astfel de afirmație poate părea absurdă și nerezonabilă. În mod logic, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la temperatura rece, iar apa rece ar trebui să se transforme deja în gheață în acest moment.

Deci, de ce apa fierbinte depășește apa rece în drum spre îngheț? Să încercăm să ne dăm seama.

Istoria observațiilor și cercetărilor

Oamenii au observat efectul paradoxal din cele mai vechi timpuri, dar nimeni nu i-a acordat prea multă importanță. Deci inconsecvențele în rata de înghețare a apei reci și calde au fost observate în notele lor de către Arestotel, precum și de Rene Descartes și Francis Bacon. Un fenomen neobișnuit s-a manifestat adesea în viața de zi cu zi.

Multă vreme, fenomenul nu a fost studiat în niciun fel și nu a trezit prea mult interes în rândul oamenilor de știință.

Studiul efectului neobișnuit a început în 1963, când un student curios din Tanzania, Erasto Mpemba, a observat că laptele fierbinte pentru înghețată îngheață mai repede decât laptele rece. În speranța de a obține o explicație a motivelor efectului neobișnuit, tânărul și-a întrebat profesorul de fizică de la școală. Totuși, profesorul a râs doar de el.

Mai târziu, Mpemba a repetat experimentul, dar în experimentul său nu a mai folosit lapte, ci apă, iar efectul paradoxal s-a repetat din nou.

Șase ani mai târziu, în 1969, Mpemba i-a adresat această întrebare profesorului de fizică Dennis Osborne, care a venit la școala sa. Profesorul a fost interesat de observarea tânărului, drept urmare, a fost efectuat un experiment care a confirmat prezența efectului, dar motivele acestui fenomen nu au fost stabilite.

De atunci, fenomenul a fost numit Efectul Mpemba.

De-a lungul istoriei observațiilor științifice au fost înaintate numeroase ipoteze cu privire la cauzele fenomenului.

Așa că în 2012, Societatea Regală Britanică de Chimie avea să anunțe un concurs de ipoteze pentru a explica efectul Mpemba. La competiție au participat oameni de știință din întreaga lume, în total au fost înregistrate 22.000 de lucrări științifice. În ciuda unui număr atât de impresionant de articole, niciunul dintre ele nu a clarificat paradoxul Mpemba.

Cea mai comună a fost versiunea conform căreia, apa caldă îngheață mai repede, deoarece pur și simplu se evaporă mai repede, volumul ei devine mai mic, iar pe măsură ce volumul scade, viteza de răcire crește. Cea mai comună versiune a fost în cele din urmă respinsă, deoarece a fost efectuat un experiment în care evaporarea a fost exclusă, dar efectul a fost totuși confirmat.

Alți oameni de știință credeau că motivul efectului Mpemba este evaporarea gazelor dizolvate în apă. În opinia lor, în timpul procesului de încălzire, gazele dizolvate în apă se evaporă, datorită cărora capătă o densitate mai mare decât apa rece. După cum se știe, o creștere a densității duce la o modificare a proprietăților fizice ale apei (o creștere a conductibilității termice) și, prin urmare, la o creștere a vitezei de răcire.

În plus, au fost înaintate o serie de ipoteze care descriu viteza de circulație a apei în funcție de temperatură. În multe studii s-a încercat stabilirea relației dintre materialul recipientelor în care se afla lichidul. Multe teorii păreau foarte plauzibile, dar nu au putut fi confirmate științific din cauza lipsei datelor inițiale, a contradicțiilor din alte experimente sau datorită faptului că factorii identificați pur și simplu nu erau comparabili cu viteza de răcire a apei. Unii oameni de știință în lucrările lor au pus sub semnul întrebării existența efectului.

În 2013, cercetătorii de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore au susținut că au rezolvat misterul efectului Mpemba. Potrivit studiului lor, motivul fenomenului constă în faptul că cantitatea de energie stocată în legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă rece și cea caldă diferă semnificativ.

Metodele de simulare pe calculator au arătat următoarele rezultate: cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât distanța dintre molecule este mai mare datorită faptului că forțele de respingere cresc. În consecință, legăturile de hidrogen ale moleculelor sunt întinse, stocând mai multă energie. Când sunt răcite, moleculele încep să se apropie unele de altele, eliberând energie din legăturile de hidrogen. În acest caz, eliberarea de energie este însoțită de o scădere a temperaturii.

În octombrie 2017, fizicienii spanioli, în cursul unui alt studiu, au descoperit că eliminarea materiei din echilibru (încălzirea puternică înainte de răcirea puternică) joacă un rol important în formarea efectului. Ei au determinat condițiile în care probabilitatea efectului este maximă. În plus, oamenii de știință din Spania au confirmat existența efectului invers Mpemba. Ei au descoperit că, atunci când este încălzită, o probă mai rece poate atinge o temperatură ridicată mai repede decât una caldă.

În ciuda informațiilor exhaustive și a numeroaselor experimente, oamenii de știință intenționează să continue să studieze efectul.

Efectul Mpemba în viața reală

Te-ai întrebat vreodată de ce iarna patinoarul este umplut cu apă caldă și nu rece? După cum ați înțeles deja, ei fac acest lucru deoarece un patinoar umplut cu apă fierbinte va îngheța mai repede decât dacă ar fi umplut cu apă rece. Din același motiv, toboganele din orașele de gheață de iarnă sunt turnate cu apă fierbinte.

Astfel, cunoașterea despre existența fenomenului permite oamenilor să economisească timp atunci când pregătesc site-uri pentru sporturile de iarnă.

În plus, efectul Mpemba este uneori folosit în industrie - pentru a reduce timpul de înghețare a produselor, substanțelor și materialelor care conțin apă.

În 1963, un școlar din Tanzania pe nume Erasto Mpemba și-a pus profesorul o întrebare stupidă - de ce înghețata caldă a înghețat mai repede decât înghețata rece în congelatorul său?

Erasto Mpemba era elev la liceul Magambin din Tanzania, făcând lucrări practice de gătit. A trebuit să facă înghețată de casă - să fierbe laptele, să dizolve zahărul în el, să-l răcească la temperatura camerei și apoi să-l pună la frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student deosebit de harnic și a amânat prima parte a sarcinii. De teamă că nu va ajunge la timp până la sfârșitul lecției, a pus lapte încă fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele camarazilor săi, preparat după o anumită tehnologie.

A apelat la profesorul de fizică pentru lămuriri, dar a râs doar de student, spunând următoarele: „Aceasta nu este fizica lumii, ci fizica lui Mpemba”. După aceea, Mpemba a experimentat nu numai lapte, ci și apă plată.

În orice caz, fiind deja elev al Liceului Mkwawa, l-a întrebat pe profesorul Dennis Osborne de la Colegiul Universitar din Dar es Salaam (invitat de directorul școlii să țină elevilor o prelegere despre fizică) despre apă: „Dacă luați două recipiente identice cu volume egale de apă, astfel încât într-unul dintre ele apa să aibă o temperatură de 35 ° C, iar în celălalt - 100 ° C și le puneți la congelator, apoi în al doilea apa va îngheța Mai repede. De ce?" Osborn a devenit interesat de această problemă și curând, în 1969, împreună cu Mpemba, au publicat rezultatele experimentelor lor în revista Physics Education. De atunci, efectul descoperit de ei se numește efectul Mpemba.

Ești curios să știi de ce se întâmplă asta? Cu doar câțiva ani în urmă, oamenii de știință au reușit să explice acest fenomen...

Efectul Mpemba (Mpemba Paradox) este un paradox care afirmă că apa fierbinte în anumite condiții îngheață mai repede decât apa rece, deși trebuie să treacă de temperatura apei reci în procesul de îngheț. Acest paradox este un fapt experimental care contrazice ideile obișnuite, conform cărora, în aceleași condiții, un corp mai fierbinte are nevoie de mai mult timp pentru a se răci la o anumită temperatură decât un corp mai rece pentru a se răci la aceeași temperatură.

Acest fenomen a fost observat la acea vreme de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes. Până acum, nimeni nu știe exact cum să explice acest efect ciudat. Oamenii de știință nu au o singură versiune, deși există multe. Este vorba despre diferența dintre proprietățile apei calde și ale apei reci, dar nu este încă clar care proprietăți joacă un rol în acest caz: diferența de suprarăcire, evaporare, formare a gheții, convecție sau efectul gazelor lichefiate asupra apei la temperaturi diferite. Paradoxul efectului Mpemba este că timpul în care corpul se răcește la temperatura ambiantă trebuie să fie proporțional cu diferența de temperatură dintre acest corp și mediu. Această lege a fost stabilită de Newton și de atunci a fost confirmată de multe ori în practică. În același efect, apa la 100°C se răcește cu 0°C mai repede decât aceeași cantitate de apă la 35°C.

De atunci, au fost exprimate diferite versiuni, dintre care una a fost următoarea: o parte din apa fierbinte pur și simplu se evaporă la început, iar apoi, când rămâne o cantitate mai mică, apa se solidifică mai repede. Această versiune, datorită simplității sale, a devenit cea mai populară, dar oamenii de știință nu au fost complet mulțumiți.

Acum, o echipă de cercetători de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore, condusă de chimistul Xi Zhang, spune că au rezolvat misterul vechi de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. După cum au descoperit experții chinezi, secretul constă în cantitatea de energie stocată în legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă.

După cum știți, moleculele de apă constau dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen ținuți împreună prin legături covalente, care la nivel de particule arată ca un schimb de electroni. Un alt fapt binecunoscut este că atomii de hidrogen sunt atrași de atomii de oxigen din moleculele vecine - în acest caz, se formează legături de hidrogen.

În același timp, moleculele de apă în ansamblu se resping reciproc. Oamenii de știință din Singapore au observat că, cu cât apa este mai caldă, cu atât distanța dintre moleculele lichidului este mai mare din cauza creșterii forțelor de respingere. Ca rezultat, legăturile de hidrogen sunt întinse și, prin urmare, stochează mai multă energie. Această energie este eliberată atunci când apa se răcește - moleculele se apropie unele de altele. Și întoarcerea energiei, după cum știți, înseamnă răcire.

Iată ipotezele propuse de oamenii de știință:

Evaporare

Apa fierbinte se evaporă mai repede din recipient, reducându-i astfel volumul, iar un volum mai mic de apă cu aceeași temperatură îngheață mai repede. Apa încălzită la 100°C își pierde 16% din masă când este răcită la 0°C. Efectul de evaporare este un efect dublu. În primul rând, masa de apă necesară pentru răcire este redusă. Și în al doilea rând, din cauza evaporării, temperatura acestuia scade.

diferenta de temperatura

Datorită faptului că diferența de temperatură dintre apa caldă și aerul rece este mai mare - prin urmare, transferul de căldură în acest caz este mai intens, iar apa caldă se răcește mai repede.

hipotermie
Când apa este răcită sub 0°C, nu îngheață întotdeauna. În anumite condiții, poate suferi suprarăcire în timp ce continuă să rămână lichid la temperaturi sub punctul de îngheț. În unele cazuri, apa poate rămâne lichidă chiar și la -20°C. Motivul acestui efect este că, pentru ca primele cristale de gheață să înceapă să se formeze, sunt necesare centre de formare a cristalelor. Dacă nu sunt în apă lichidă, atunci suprarăcirea va continua până când temperatura scade suficient de mult încât cristalele să înceapă să se formeze spontan. Când încep să se formeze în lichidul suprarăcit, ele vor începe să crească mai repede, formând un nămol de gheață care va îngheța pentru a forma gheață. Apa caldă este cel mai susceptibilă la hipotermie, deoarece încălzirea ei elimină gazele și bulele dizolvate, care la rândul lor pot servi drept centre pentru formarea cristalelor de gheață. De ce hipotermia face ca apa fierbinte să înghețe mai repede? În cazul apei reci care nu este suprarăcită, ceea ce se întâmplă este că pe suprafața acesteia se formează un strat subțire de gheață, care acționează ca un izolator între apă și aerul rece și previne astfel evaporarea ulterioară. Rata de formare a cristalelor de gheață în acest caz va fi mai mică. În cazul apei calde aflate în subrăcire, apa subrăcită nu are un strat de suprafață de protecție de gheață. Prin urmare, pierde căldură mult mai repede prin partea superioară deschisă. Când procesul de suprarăcire se termină și apa îngheață, se pierde mult mai multă căldură și, prin urmare, se formează mai multă gheață. Mulți cercetători ai acestui efect consideră că hipotermia este principalul factor în cazul efectului Mpemba.
Convecție

Apa rece începe să înghețe de sus, înrăutățind astfel procesele de radiație a căldurii și convecție și, prin urmare, pierderea de căldură, în timp ce apa caldă începe să înghețe de jos. Acest efect se explică printr-o anomalie în densitatea apei. Apa are o densitate maximă la 4°C. Dacă răciți apa la 4°C și o plasați într-un mediu cu o temperatură mai scăzută, stratul de apă de la suprafață va îngheța mai repede. Deoarece această apă este mai puțin densă decât apa la 4°C, va rămâne la suprafață, formând un strat rece subțire. În aceste condiții, la suprafața apei se va forma un strat subțire de gheață pentru o perioadă scurtă de timp, dar acest strat de gheață va servi drept izolator protejând straturile inferioare de apă, care vor rămâne la 4°C. Prin urmare, procesul de răcire ulterioară va fi mai lent. In cazul apei calde situatia este cu totul alta. Stratul de suprafață de apă se va răci mai rapid din cauza evaporării și a diferențelor mai mari de temperatură. De asemenea, straturile de apă rece sunt mai dense decât straturile de apă caldă, astfel încât stratul de apă rece se va scufunda, ridicând stratul de apă caldă la suprafață. Această circulație a apei asigură o scădere rapidă a temperaturii. Dar de ce acest proces nu ajunge la punctul de echilibru? Pentru a explica efectul Mpemba din punctul de vedere al convecției, ar trebui să presupunem că straturile de apă rece și fierbinte sunt separate și procesul de convecție în sine continuă după ce temperatura medie a apei scade sub 4°C. Cu toate acestea, nu există dovezi experimentale care să susțină această ipoteză că straturile de apă rece și caldă sunt separate prin convecție.

gaze dizolvate în apă

Apa conține întotdeauna gaze dizolvate în ea - oxigen și dioxid de carbon. Aceste gaze au capacitatea de a reduce punctul de îngheț al apei. Când apa este încălzită, aceste gaze sunt eliberate din apă deoarece solubilitatea lor în apă la temperatură ridicată este mai mică. Prin urmare, atunci când apa fierbinte este răcită, există întotdeauna mai puține gaze dizolvate în ea decât în ​​apa rece neîncălzită. Prin urmare, punctul de îngheț al apei încălzite este mai mare și îngheață mai repede. Acest factor este uneori considerat ca fiind principalul în explicarea efectului Mpemba, deși nu există date experimentale care să confirme acest fapt.

Conductivitate termică

Acest mecanism poate juca un rol semnificativ atunci când apa este plasată într-un frigider congelator în recipiente mici. În aceste condiții, s-a observat că recipientul cu apă fierbinte topește gheața congelatorului de dedesubt, îmbunătățind astfel contactul termic cu peretele congelatorului și conductivitatea termică. Ca urmare, căldura este îndepărtată din recipientul cu apă caldă mai repede decât din cel rece. La rândul său, recipientul cu apă rece nu topește zăpada sub el. Toate aceste condiții (precum și alte) au fost studiate în multe experimente, dar un răspuns clar la întrebare - care dintre ele oferă o reproducere 100% a efectului Mpemba - nu a fost obținut. Deci, de exemplu, în 1995, fizicianul german David Auerbach a studiat influența suprarăcirii apei asupra acestui efect. El a descoperit că apa fierbinte, ajungând într-o stare de suprarăcire, îngheață la o temperatură mai mare decât apa rece și, prin urmare, mai repede decât cea din urmă. Dar apa rece atinge o stare de suprarăcire mai repede decât apa fierbinte, compensând astfel întârzierea anterioară. În plus, rezultatele lui Auerbach au contrazis datele anterioare conform cărora apa caldă este capabilă să obțină o suprarăcire mai mare datorită mai puține centre de cristalizare. Când apa este încălzită, gazele dizolvate în ea sunt îndepărtate din ea, iar când este fiertă precipită unele săruri dizolvate în ea. Până acum, un singur lucru poate fi afirmat - reproducerea acestui efect depinde în mod semnificativ de condițiile în care se desfășoară experimentul. Tocmai pentru că nu este întotdeauna reprodus.

Și iată cel mai probabil motiv.

După cum scriu chimiștii în articolul lor, care poate fi găsit pe site-ul arXiv.org preprint, legăturile de hidrogen sunt întinse mai puternic în apă caldă decât în ​​apă rece. Astfel, se dovedește că mai multă energie este stocată în legăturile de hidrogen ale apei fierbinți, ceea ce înseamnă că mai multă energie este eliberată atunci când este răcită la temperaturi sub zero. Din acest motiv, congelarea este mai rapidă.

Până în prezent, oamenii de știință au rezolvat această ghicitoare doar teoretic. Atunci când prezintă dovezi convingătoare ale versiunii lor, atunci întrebarea de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece poate fi considerată închisă.