Domov » 11. ročník » Ktorá voda rýchlejšie zamrzne. Mpemba efekt alebo prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená? Vysvetlenie fyzikálneho javu

Ktorá voda rýchlejšie zamrzne. Mpemba efekt alebo prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená? Vysvetlenie fyzikálneho javu

Mpemba efekt(Mpembov paradox) - paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si v tom čase všimli už Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, no až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.

Erasto Mpemba bol študentom strednej školy Magambin v Tanzánii, kde robil praktické kuchárske práce. Musel si vyrobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s prvou časťou zadania otáľal. Zo strachu, že nestihne do konca hodiny, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwawa, požiadal profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby prednášal študentom o fyzike) o vode: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. prečo? Osborne sa o túto problematiku začal zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembom publikovali výsledky svojich experimentov v časopise „Physics Education“. Odvtedy sa ich objavený efekt nazýva tzv Mpemba efekt.

Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v prechladzovaní, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.

Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa telo ochladí na teplotu okolia, musí byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým efektom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.

To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť aj v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie vyparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.

Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, teplota klesá v dôsledku skutočnosti, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.

teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.

podchladenie

Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 C.

Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštáliky ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v tekutej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad.

Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.

Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamŕzanie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, nastáva nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.

Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.

Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.

Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.

Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto , ďalšie chladenie bude pomalšie.

V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.

Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by sa muselo predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.

Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že vrstvy studenej a horúcej vody sú oddelené konvekciou.

plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode pri vysokej teplote je nižšia. Preto pri chladení horúcej vody je v nej vždy menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať.

Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.

Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.

Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu v podstate závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

O. V. Mosin

Literárnezdrojov:

"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená voda. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; mája 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995

"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.

Voda je jedna z najúžasnejších kvapalín na svete, ktorá má nezvyčajné vlastnosti. Napríklad ľad – pevné skupenstvo kvapaliny, má špecifickú hmotnosť nižšiu ako samotná voda, čo umožnilo vznik a rozvoj života na Zemi mnohými spôsobmi. Okrem toho sa v takmer vedeckom a skutočne vedeckom svete vedú diskusie o tom, ktorá voda zamrzne rýchlejšie – horúca alebo studená. Kto preukáže rýchlejšie zmrazenie horúcej tekutiny za určitých podmienok a svoje rozhodnutie vedecky zdôvodní, dostane od Britskej kráľovskej spoločnosti chemikov odmenu 1000 libier.

Pozadie

Skutočnosť, že za mnohých podmienok je horúca voda v rýchlosti mrazu pred studenou vodou, bola zaznamenaná už v stredoveku. Francis Bacon a René Descartes vynaložili veľa úsilia na vysvetlenie tohto javu. Z pohľadu klasickej tepelnej techniky sa však tento paradox vysvetliť nedá a snažili sa to ostýchavo ututlať. Podnetom na pokračovanie sporu bol trochu kuriózny príbeh, ktorý sa stal v roku 1963 tanzánijskému školákovi Erastovi Mpembovi (Erasto Mpemba). Raz, na hodine výroby zákuskov v škole varenia, chlapec, rozptýlený inými vecami, nestihol včas vychladnúť zmrzlinovú zmes a dať do mrazničky roztok cukru v horúcom mlieku. Na jeho prekvapenie sa produkt ochladil o niečo rýchlejšie ako jeho kolegovia z praxe, ktorí dodržiavali teplotný režim na výrobu zmrzliny.

V snahe pochopiť podstatu tohto javu sa chlapec obrátil na učiteľa fyziky, ktorý bez toho, aby zachádzal do podrobností, zosmiešňoval svoje kulinárske experimenty. Erasto sa však vyznačoval závideniahodnou vytrvalosťou a pokračoval vo svojich experimentoch už nie na mlieku, ale na vode. Postaral sa o to, aby v niektorých prípadoch horúca voda zamrzla rýchlejšie ako studená.

Erasto Mpembe po vstupe na univerzitu v Dar es Salaame navštívil prednášku profesora Dennisa G. Osbornea. Študent si po promócii lámal hlavu vedcom problémom rýchlosti zamŕzania vody v závislosti od jej teploty. D.G. Osborne zosmiešnil samotné položenie otázky a s nadhľadom uviedol, že každý porazený vie, že studená voda zamrzne rýchlejšie. Prirodzená húževnatosť mladého muža však dala o sebe vedieť. Stavil sa s profesorom a ponúkol mu vykonať experimentálny test tu, v laboratóriu. Erasto umiestnil do mrazničky dve nádoby s vodou, jednu s teplotou 95 °F (35 °C) a druhú s teplotou 212 °F (100 °C). Aké bolo prekvapenie profesora a okolitých „fanúšikov“, keď voda v druhej nádobe zamrzla rýchlejšie. Odvtedy sa tomuto javu hovorí „Mpembov paradox“.

Dodnes však neexistuje koherentná teoretická hypotéza vysvetľujúca „Mpembov paradox“. Nie je jasné, aké vonkajšie faktory, chemické zloženie vody, prítomnosť rozpustených plynov a minerálov v nej, ovplyvňujú rýchlosť tuhnutia kvapalín pri rôznych teplotách. Paradoxom „Mpembovho efektu“ je, že odporuje jednému zo zákonov objavených I. Newtonom, ktorý tvrdí, že čas chladnutia vody je priamo úmerný teplotnému rozdielu medzi kvapalinou a prostredím. A ak všetky ostatné kvapaliny úplne podliehajú tomuto zákonu, potom je voda v niektorých prípadoch výnimkou.

Prečo horúca voda mrzne rýchlejšie?t

Existuje niekoľko verzií, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Hlavné sú:

horúca voda sa rýchlejšie odparuje, zatiaľ čo jej objem sa zmenšuje a menší objem kvapaliny sa rýchlejšie ochladzuje - pri ochladzovaní vody z + 100 ° С na 0 ° С dosahujú straty objemu pri atmosférickom tlaku 15 %;
intenzita výmeny tepla medzi kvapalinou a prostredím je tým vyššia, čím väčší je teplotný rozdiel, takže tepelné straty vriacej vody prechádzajú rýchlejšie;
keď sa horúca voda ochladí, na jej povrchu sa vytvorí ľadová kôra, ktorá zabraňuje úplnému zamrznutiu a odparovaniu kvapaliny;
pri vysokej teplote vody dochádza k jej konvekčnému miešaniu, čím sa skracuje čas tuhnutia;
plyny rozpustené vo vode znižujú bod tuhnutia a berú energiu na tvorbu kryštálov – v horúcej vode nie sú rozpustené plyny.

Všetky tieto podmienky boli podrobené opakovanému experimentálnemu overeniu. Najmä nemecký vedec David Auerbach zistil, že teplota kryštalizácie horúcej vody je o niečo vyššia ako teplota studenej vody, čo umožňuje rýchlejšie zmraziť prvú. Neskôr však boli jeho experimenty kritizované a mnohí vedci sú presvedčení, že „Mpembov efekt“, o ktorom voda rýchlejšie zamŕza – horúca alebo studená, sa dá reprodukovať len za určitých podmienok, ktoré doteraz nikto nehľadal a nekonkretizoval.

V roku 1963 položil školák z Tanzánie menom Erasto Mpemba svojmu učiteľovi hlúpu otázku – prečo teplá zmrzlina zmrzla rýchlejšie ako studená v jeho mrazničke?

Obrátil sa na učiteľa fyziky so žiadosťou o vysvetlenie, ale ten sa študentovi iba vysmial a povedal: „Toto nie je svetová fyzika, ale fyzika Mpemba.“ Potom už Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou.

V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwawa, opýtal sa profesora Dennisa Osborna z University College v Dar es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) o vode: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložíte ich do mrazničky, potom v druhej voda zamrzne rýchlejšie. Prečo?" Osborn sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro v roku 1969 spolu s Mpembom publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt.

Zaujíma vás, prečo sa to deje? Len pred niekoľkými rokmi sa vedcom podarilo vysvetliť tento jav ...

Mpembov efekt (Mpemba Paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý odporuje zaužívaným predstavám, podľa ktorých za rovnakých podmienok potrebuje teplejšie teleso na ochladenie na určitú teplotu viac času ako chladnejšie teleso na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si v tom čase všimli Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes. Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty. Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, za ktorý sa telo ochladí na teplotu okolia, musí byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol mnohokrát potvrdený v praxi. Rovnakým efektom sa voda s teplotou 100 °C ochladí na 0 °C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35 °C.

Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna bola nasledovná: časť horúcej vody sa najprv jednoducho odparí a potom, keď zostane menšie množstvo, voda rýchlejšie stuhne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najobľúbenejšou, no vedci neboli úplne spokojní.

Tím výskumníkov z Technologickej univerzity Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga teraz tvrdí, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda zamŕza rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski experti, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.

Ako viete, molekuly vody pozostávajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka držaných pohromade kovalentnými väzbami, čo na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalším známym faktom je, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl – v tomto prípade vznikajú vodíkové väzby.

Zároveň sa molekuly vody ako celok navzájom odpudzujú. Vedci zo Singapuru si všimli, že čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku nárastu odpudivých síl. V dôsledku toho sa vodíkové väzby naťahujú, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľní, keď sa voda ochladí – molekuly sa k sebe priblížia. A návrat energie, ako viete, znamená chladenie.

Tu sú hypotézy predložené vedcami:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie vyparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody s rovnakou teplotou rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100°C stratí pri ochladení na 0°C 16% svojej hmoty. Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie sa zníži. A po druhé, v dôsledku vyparovania sa jeho teplota znižuje.

teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou vodou a studeným vzduchom je väčší - preto je v tomto prípade prenos tepla intenzívnejší a horúca voda rýchlejšie chladne.

podchladenie
Keď sa voda ochladí pod 0°C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom zostane tekutý pri teplotách pod bodom mrazu. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri -20 °C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštáliky ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú v tekutej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, že sa začnú spontánne vytvárať kryštály. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie a vytvoria ľadovú kašu, ktorá zamrzne a vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie eliminuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov. Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamŕzanie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, dochádza k tomu, že sa na jej povrchu vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá funguje ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a bráni tak ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade podchladzovania horúcej vody nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu. Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.
Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj straty tepla, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4°C. Ak vodu schladíte na 4°C a umiestnite ju do prostredia s nižšou teplotou, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody na krátky čas vytvorí tenká vrstva ľadu, no táto vrstva ľadu bude slúžiť ako izolant chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú na 4°C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčších teplotných rozdielov. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne a zdvihne vrstvu teplej vody na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Na vysvetlenie Mpembovho efektu z pohľadu konvekcie treba predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4°C. Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že vrstvy studenej a horúcej vody sú oddelené konvekciou.

plyny rozpustené vo vode

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladničke s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztápa ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepšuje tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zase neroztopí sneh pod ňou. Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli študované v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú 100% reprodukciu Mpemba efektu – sa nepodarilo získať. Takže napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach študoval vplyv podchladenia vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda je schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej. Zatiaľ možno tvrdiť len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

A tu je najpravdepodobnejší dôvod.

Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý možno nájsť na predtlačovej stránke arXiv.org, vodíkové väzby sú v horúcej vode natiahnuté silnejšie ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že vo vodíkových väzbách horúcej vody sa ukladá viac energie, čo znamená, že pri ochladzovaní na mínusové teploty sa jej uvoľňuje viac. Z tohto dôvodu je zmrazenie rýchlejšie.

Vedci dodnes túto hádanku vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, potom možno otázku, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, považovať za uzavretú.

V tomto článku sa pozrieme na to, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená.

Ohriata voda zamrzne oveľa rýchlejšie ako studená! Táto úžasná vlastnosť vody, ktorej presné vysvetlenie vedci stále nevedia nájsť, je známa už od staroveku. Napríklad aj u Aristotela je opis zimného rybolovu: rybári vložili udice do dier v ľade, a aby rýchlejšie zamrzli, poliali ľad teplú vodu. Názov tohto fenoménu bol pomenovaný po Erastovi Mpembovi v 60-tych rokoch XX storočia. Mnemba si pri výrobe zmrzliny všimol zvláštny efekt a obrátil sa na svojho učiteľa fyziky, doktora Denisa Osborna, aby mu vysvetlil. Mpemba a Dr. Osborne experimentovali s vodou pri rôznych teplotách a dospeli k záveru, že takmer vriaca voda začína mrznúť oveľa rýchlejšie ako voda pri izbovej teplote. Iní vedci vykonali svoje vlastné experimenty a zakaždým dosiahli podobné výsledky.

Vysvetlenie fyzikálneho javu

Neexistuje žiadne všeobecne akceptované vysvetlenie, prečo sa to deje. Mnoho výskumníkov naznačuje, že je to všetko o podchladení kvapaliny, ku ktorému dochádza, keď jej teplota klesne pod bod mrazu. Inými slovami, ak voda zamrzne pri teplote pod 0 °C, potom môže mať podchladená voda teplotu napríklad -2 °C a stále zostáva tekutá bez toho, aby sa zmenila na ľad. Keď sa pokúsime zmraziť studenú vodu, existuje šanca, že bude najskôr podchladená a po určitom čase stvrdne. V ohriatej vode prebiehajú ďalšie procesy. Jeho rýchlejšia premena na ľad je spojená s konvekciou.

Konvekcia- Ide o fyzikálny jav, pri ktorom teplé spodné vrstvy kvapaliny stúpajú a horné, ochladzované, klesajú.

Vlastnosti vody vedcov nikdy neprestanú udivovať. Voda je z chemického hľadiska pomerne jednoduchá látka, no zároveň má množstvo nezvyčajných vlastností, ktoré vedcov neprestávajú udivovať. Nižšie sú uvedené niektoré skutočnosti, o ktorých vie len málo ľudí.

1. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca?

Vezmite dve nádoby s vodou: do jednej nalejte horúcu vodu a do druhej studenú a vložte ich do mrazničky. Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, aj keď logicky by sa studená mala najskôr zmeniť na ľad: veď horúca voda musí najskôr vychladnúť na studenú teplotu a potom sa premení na ľad, zatiaľ čo studená voda vychladnúť nemusí. Prečo sa to deje?

V roku 1963 si tanzánsky študent menom Erasto B. Mpemba pri zmrazovaní pripravenej zmrzlinovej zmesi všimol, že horúca zmes tuhne v mrazničke rýchlejšie ako studená. Keď sa mladík o svoj objav podelil s učiteľom fyziky, len sa mu vysmial. Našťastie bol študent vytrvalý a presvedčil učiteľa, aby urobil experiment, ktorý potvrdil jeho objav: za určitých podmienok horúca voda naozaj zamrzne rýchlejšie ako studená.

Teraz sa tento jav, kedy horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená voda, nazýva Mpemba efekt. Pravda, dávno pred ním túto jedinečnú vlastnosť vody zaznamenali Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes.

Vedci úplne nerozumejú podstate tohto javu, vysvetľujú ho buď rozdielom v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyvom skvapalnených plynov na teplú a studenú vodu.

2. Je schopná okamžite zmraziť

Každý vie, že voda sa vždy zmení na ľad, keď sa ochladí na 0°C...s výnimkou niektorých prípadov! Takýmto prípadom je napríklad podchladenie, čo je vlastnosť veľmi čistej vody zostať tekutá aj pri ochladení pod bod mrazu. Tento jav je možný vďaka tomu, že prostredie neobsahuje kryštalizačné centrá alebo jadrá, ktoré by mohli vyvolať tvorbu ľadových kryštálikov. A tak voda zostáva v tekutej forme, aj keď sa ochladí na teploty pod nulou stupňov Celzia.

Proces kryštalizácie môžu spustiť napríklad bublinky plynu, nečistoty (znečistenie), nerovný povrch nádoby. Bez nich zostane voda v tekutom stave. Keď sa spustí proces kryštalizácie, môžete sledovať, ako sa podchladená voda okamžite zmení na ľad.

Všimnite si, že aj „prehriata“ voda zostáva tekutá, aj keď sa zahreje nad jej bod varu.

3. 19 stavov vody

Bez váhania vymenujte, koľko rôznych stavov má voda? Ak ste odpovedali tri: pevné, kvapalné, plynné, tak ste na omyle. Vedci rozlišujú najmenej 5 rôznych stavov vody v tekutej forme a 14 stavov v zmrazenej forme.

Pamätáte si na rozhovor o super vychladenej vode? Takže nech robíte čokoľvek, pri -38 °C sa aj tá najčistejšia superchladená voda zrazu zmení na ľad. Čo sa stane, keď teplota klesne ďalej? Pri -120 °C sa s vodou začne diať niečo zvláštne: stane sa superviskózna alebo viskózna, ako melasa, a pri teplotách pod -135 °C sa zmení na „sklovitú“ alebo „sklenitú“ vodu – pevnú látku, ktorá chýba kryštalická štruktúra.

4. Voda prekvapuje fyzikov

Na molekulárnej úrovni je voda ešte prekvapivejšia. V roku 1995 vedci uskutočnili experiment s rozptylom neutrónov, ktorý priniesol neočakávaný výsledok: fyzici zistili, že neutróny namierené na molekuly vody „vidia“ o 25 % menej vodíkových protónov, ako sa očakávalo.

Ukázalo sa, že rýchlosťou jednej attosekundy (10 -18 sekúnd) nastáva nezvyčajný kvantový efekt a chemický vzorec vody namiesto H2O sa stáva H1,5O!

5. Pamäť vody

Homeopatia, alternatíva k oficiálnej medicíne, tvrdí, že zriedený roztok lieku môže pôsobiť na organizmus ozdravne, aj keď je faktor zriedenia taký veľký, že v roztoku nezostane nič iné ako molekuly vody. Zástancovia homeopatie vysvetľujú tento paradox konceptom zvaným „pamäť vody“, podľa ktorého má voda na molekulárnej úrovni „pamäť“ látky, ktorá je v nej rozpustená a zachováva si vlastnosti roztoku pôvodnej koncentrácie po tom, čo zostáva v ňom jedna molekula zložky.

Medzinárodný tím vedcov pod vedením profesorky Madeleine Ennis z Queen's University of Belfast, ktorý kritizoval princípy homeopatie, uskutočnil v roku 2002 experiment, aby tento koncept raz a navždy vyvrátil. Výsledok bol opačný. Potom vedci povedali, že dokázali dokázať realitu efektu „pamäte vody“. Experimenty vykonávané pod dohľadom nezávislých odborníkov však nepriniesli výsledky. Spory o existencii fenoménu „pamäť vody“ pokračujú.

Voda má mnoho ďalších nezvyčajných vlastností, ktorým sme sa v tomto článku nevenovali. Napríklad hustota vody sa mení s teplotou (hustota ľadu je menšia ako hustota vody)

voda má pomerne vysoké povrchové napätie

v kvapalnom stave je voda zložitá a dynamicky sa meniaca sieť vodných zhlukov a práve správanie zhlukov ovplyvňuje štruktúru vody atď.

O týchto a mnohých ďalších neočakávaných vlastnostiach vody si môžete prečítať v článku „Anomálne vlastnosti vody“ od Martina Chaplina, profesora z Londýnskej univerzity.

Názory