Care apă îngheață mai repede. Efectul Mpemba sau de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece? Explicarea unui fenomen fizic
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 obișnuită. În orice caz, fiind deja elev la liceul Mkwawa, l-a întrebat pe profesorul Dennis Osborne de la University College din Dar es Salaam (invitat de directorul școlii să susțină o prelegere despre fizică studenților) despre apă: „Dacă iei 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 puneți-le 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 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 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 fierbinte este capabilă să realizeze mai multă suprarăcire 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.
Apa este unul dintre cele mai uimitoare lichide din lume, care are proprietăți neobișnuite. De exemplu, gheața - o stare solidă a lichidului, are o greutate specifică mai mică decât apa însăși, ceea ce a făcut posibilă apariția și dezvoltarea vieții pe Pământ în multe feluri. În plus, în lumea aproape științifică, și într-adevăr în lumea științifică, există discuții despre care apa îngheață mai repede - caldă sau rece. Cine dovedește înghețarea mai rapidă a unui lichid fierbinte în anumite condiții și își justifică științific decizia va primi un premiu de 1.000 de lire sterline de la Societatea Regală Britanică de Chimiști.
fundal
Faptul că, în mai multe condiții, apa caldă este înaintea apei rece în ceea ce privește rata de îngheț, a fost observat încă din Evul Mediu. Francis Bacon și René Descartes au depus mult efort în explicarea acestui fenomen. Cu toate acestea, din punctul de vedere al ingineriei termice clasice, acest paradox nu poate fi explicat și au încercat să-l tacă cu timiditate. Impulsul pentru continuarea disputei a fost o poveste oarecum curioasă care i s-a întâmplat școlarului tanzanian Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) în 1963. Odată, în timpul unei lecții de preparare a deserturilor la o școală de gătit, un băiat, distras de alte lucruri, nu a avut timp să răcească la timp amestecul de înghețată și să pună o soluție de zahăr în lapte fierbinte în congelator. Spre surprinderea lui, produsul s-a răcit ceva mai repede decât colegii săi practicanți care au respectat regimul de temperatură pentru prepararea înghețatei.
Încercând să înțeleagă esența fenomenului, băiatul a apelat la un profesor de fizică, care, fără a intra în detalii, și-a ridiculizat experimentele culinare. Erasto s-a remarcat însă printr-o perseverență de invidiat și și-a continuat experimentele nu pe lapte, ci pe apă. S-a asigurat că în unele cazuri apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece.
Intrând la Universitatea din Dar es Salaam, Erasto Mpembe a participat la o prelegere susținută de profesorul Dennis G. Osborne. După absolvire, studentul l-a nedumerit pe om de știință cu problema ratei de îngheț a apei în funcție de temperatura acesteia. D.G. Osborne a ridiculizat chiar formularea întrebării, afirmând cu aplomb că orice învins știe că apa rece va îngheța mai repede. Totuși, tenacitatea firească a tânărului s-a făcut simțită. A făcut un pariu cu profesorul, oferindu-se să facă un test experimental aici, în laborator. Erasto a pus două recipiente cu apă în congelator, unul la 95°F (35°C) și celălalt la 212°F (100°C). Care a fost surpriza profesorului și a „fanilor” din jur când apa din al doilea recipient a înghețat mai repede. De atunci, acest fenomen a fost numit „Paradoxul Mpemba”.
Cu toate acestea, până în prezent nu există o ipoteză teoretică coerentă care să explice „Paradoxul Mpemba”. Nu este clar ce factori externi, compoziția chimică a apei, prezența gazelor dizolvate și a mineralelor în ea, afectează viteza de înghețare a lichidelor la diferite temperaturi. Paradoxul „Efectului Mpemba” este că acesta contrazice una dintre legile descoperite de I. Newton, care afirmă că timpul de răcire al apei este direct proporțional cu diferența de temperatură dintre lichid și mediu. Și dacă toate celelalte lichide sunt complet supuse acestei legi, atunci apa în unele cazuri este o excepție.
De ce apa fierbinte îngheață mai repede?t
Există mai multe versiuni ale motivului pentru care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Principalele sunt:
- apa fierbinte se evaporă mai repede, în timp ce volumul ei scade, iar un volum mai mic de lichid se răcește mai repede - când apa este răcită de la + 100 ° С la 0 ° С, pierderile de volum la presiunea atmosferică ajung la 15%;
- intensitatea schimbului de căldură dintre lichid și mediu este cu atât mai mare, cu atât diferența de temperatură este mai mare, astfel încât pierderea de căldură a apei clocotite trece mai repede;
- când apa fierbinte se răcește, pe suprafața ei se formează o crustă de gheață, care împiedică înghețarea și evaporarea completă a lichidului;
- la o temperatură ridicată a apei are loc amestecarea ei prin convecție, reducând timpul de înghețare;
- gazele dizolvate în apă scad punctul de îngheț, luând energie pentru formarea cristalelor - nu există gaze dizolvate în apa fierbinte.
Toate aceste condiții au fost supuse verificărilor experimentale repetate. În special, omul de știință german David Auerbach a descoperit că temperatura de cristalizare a apei calde este puțin mai mare decât cea a apei rece, ceea ce face posibilă înghețarea primei mai rapid. Cu toate acestea, ulterior experimentele sale au fost criticate și mulți oameni de știință sunt convinși că „Efectul Mpemba” despre care apa îngheață mai repede - caldă sau rece, nu poate fi reprodus decât în anumite condiții, pe care nimeni nu le-a căutat și concretizat până acum.
În 1963, un școlar din Tanzania pe nume Erasto Mpemba și-a pus profesorul o întrebare stupidă - de ce înghețata caldă îngheață 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 obișnuită.
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 prezentate 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 apa este răcită la 4°C și plasată 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 de 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 fierbinte este capabilă să realizeze mai multă suprarăcire 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.
În acest articol, vom vedea de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece.
Apa încălzită îngheață mult mai repede decât apa rece! Această proprietate uimitoare a apei, explicația exactă pentru care oamenii de știință încă nu o pot găsi, este cunoscută încă din cele mai vechi timpuri. De exemplu, chiar și la Aristotel există o descriere a pescuitului de iarnă: pescarii au introdus undițe în găurile din gheață și, pentru a îngheța mai repede, au turnat apă caldă pe gheață. Numele acestui fenomen a fost numit după Erasto Mpemba în anii 60 ai secolului XX. Mnemba a observat efectul ciudat în timp ce făcea înghețată și a apelat la profesorul său de fizică, dr. Denis Osborne, pentru o explicație. Mpemba și Dr. Osborne au experimentat cu apă la diferite temperaturi și au ajuns la concluzia că apa aproape clocotită începe să înghețe mult mai repede decât apa la temperatura camerei. Alți oameni de știință și-au efectuat propriile experimente și de fiecare dată au obținut rezultate similare.
Explicarea unui fenomen fizic
Nu există o explicație general acceptată cu privire la motivul pentru care se întâmplă acest lucru. Mulți cercetători sugerează că totul este despre suprarăcirea unui lichid, care are loc atunci când temperatura acestuia scade sub punctul de îngheț. Cu alte cuvinte, dacă apa îngheață la o temperatură sub 0°C, atunci apa suprarăcită poate avea o temperatură de, de exemplu, -2°C și rămâne lichidă fără a se transforma în gheață. Când încercăm să înghețăm apa rece, există șansa ca aceasta să devină suprarăcită la început și să se întărească abia după ceva timp. În apa încălzită au loc alte procese. Transformarea sa mai rapidă în gheață este asociată cu convecția.
Convecție- Acesta este un fenomen fizic în care straturile inferioare calde ale lichidului se ridică, iar cele superioare, răcite, cad.
Proprietățile apei nu încetează să-i uimească pe oamenii de știință. Apa este o substanță destul de simplă din punct de vedere chimic, dar, în același timp, are o serie de proprietăți neobișnuite care nu încetează să uimească oamenii de știință. Mai jos sunt câteva fapte despre care puțini oameni le știu.
1. Care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte?
Luați două recipiente cu apă: turnați apă fierbinte într-unul și apă rece în celălalt și puneți-le la congelator. Apa fierbinte va îngheța mai repede decât apa rece, deși în mod logic, apa rece ar fi trebuit să se transforme mai întâi în gheață: la urma urmei, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la temperatura rece și apoi să se transforme în gheață, în timp ce apa rece nu trebuie să se răcească. De ce se întâmplă asta?
În 1963, un student din Tanzania pe nume Erasto B. Mpemba, în timp ce congela un amestec de înghețată preparat, a observat că amestecul fierbinte se solidifica mai repede în congelator decât cel rece. Când tânărul și-a împărtășit descoperirea cu un profesor de fizică, a râs doar de el. Din fericire, elevul a fost persistent și l-a convins pe profesor să efectueze un experiment, care i-a confirmat descoperirea: în anumite condiții, apa caldă îngheață într-adevăr mai repede decât apa rece.
Acum, acest fenomen de înghețare a apei calde mai repede decât apa rece se numește efectul Mpemba. Adevărat, cu mult înaintea lui, această proprietate unică a apei a fost remarcată de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes.
Oamenii de știință nu înțeleg pe deplin natura acestui fenomen, explicându-l fie prin diferența de hipotermie, evaporare, formare a gheții, convecție, fie prin efectul gazelor lichefiate asupra apei calde și reci.
2. Este capabilă să înghețe instantaneu
Toată lumea știe că apa se transformă întotdeauna în gheață când se răcește la 0°C...cu excepția unor cazuri! Un astfel de caz este, de exemplu, suprarăcirea, care este proprietatea apei foarte pure de a rămâne lichidă chiar și atunci când este răcită sub punctul de îngheț. Acest fenomen devine posibil datorită faptului că mediul nu conține centre de cristalizare sau nuclee care ar putea provoca formarea de cristale de gheață. Și astfel apa rămâne în formă lichidă, chiar și atunci când este răcită la temperaturi sub zero grade Celsius.
Procesul de cristalizare poate fi declanșat, de exemplu, de bule de gaz, impurități (poluare), suprafața neuniformă a recipientului. Fără ele, apa va rămâne în stare lichidă. Când începe procesul de cristalizare, puteți urmări cum apa super-răcită se transformă instantaneu în gheață.
Rețineți că apa „supraîncălzită” rămâne, de asemenea, lichidă chiar și atunci când este încălzită peste punctul său de fierbere.
3. 19 stări ale apei
Numește fără ezitare câte stări diferite are apa? Dacă ai răspuns la trei: solid, lichid, gazos, atunci te înșeli. Oamenii de știință disting cel puțin 5 stări diferite ale apei în formă lichidă și 14 stări în formă înghețată.
Îți amintești conversația despre apa super-răcită? Deci, indiferent ce faci, la -38°C, chiar și cea mai pură apă super-răcită se va transforma brusc în gheață. Ce se întâmplă când temperatura scade și mai mult? La -120°C, ceva ciudat începe să se întâmple apei: devine super-vâscoasă sau vâscoasă, precum melasa, iar la temperaturi sub -135°C, se transformă în apă „sticlă” sau „sticoasă” – o substanță solidă care lipsit de structură cristalină.
4. Apa îi surprinde pe fizicieni
La nivel molecular, apa este și mai surprinzătoare. În 1995, oamenii de știință au efectuat un experiment privind împrăștierea neutronilor a dat un rezultat neașteptat: fizicienii au descoperit că neutronii direcționați către moleculele de apă „văd” cu 25% mai puțini protoni de hidrogen decât se aștepta.
S-a dovedit că la viteza de o attosecundă (10 -18 secunde) are loc un efect cuantic neobișnuit, iar formula chimică a apei în loc de H2O devine H1,5O!
5. Memoria apei
Homeopatia, o alternativă la medicina oficială, susține că o soluție diluată a unui medicament poate avea un efect de vindecare asupra organismului, chiar dacă factorul de diluție este atât de mare încât nu mai rămâne nimic în soluție decât molecule de apă. Susținătorii homeopatiei explică acest paradox printr-un concept numit „memoria apei”, conform căruia apa la nivel molecular are o „memorie” a substanței odată dizolvată în ea și păstrează proprietățile soluției concentrației inițiale după nu o o singură moleculă a ingredientului rămâne în ea.
O echipă internațională de oameni de știință condusă de profesorul Madeleine Ennis de la Universitatea Queen din Belfast, care a criticat principiile homeopatiei, a efectuat un experiment în 2002 pentru a infirma conceptul odată pentru totdeauna. Rezultatul a fost invers. După aceea, oamenii de știință au spus că au reușit să demonstreze realitatea efectului de „memorie a apei”. Cu toate acestea, experimentele desfășurate sub supravegherea experților independenți nu au adus rezultate. Continuă disputele cu privire la existența fenomenului „memoriei apei”.
Apa are multe alte proprietăți neobișnuite pe care nu le-am tratat în acest articol. De exemplu, densitatea apei se modifică cu temperatura (densitatea gheții este mai mică decât densitatea apei)
apa are o tensiune superficială destul de mare
în stare lichidă, apa este o rețea complexă și în schimbare dinamică de clustere de apă, iar comportamentul clusterelor este cel care afectează structura apei etc.
Despre acestea și multe alte caracteristici neașteptate ale apei puteți citi în articolul „The Anomalous Properties of Water” de Martin Chaplin, profesor la Universitatea din Londra.
