Kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas? Mpemba efektas. Karštas ir šaltas vanduo: užšalimo paslaptys

Mpemba efektas(Mpembos paradoksas) yra paradoksas, kuris tai teigia karštas vanduo Tam tikromis sąlygomis jis užšąla greičiau nei šaltas vanduo, nors užšalimo proceso metu turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms idėjoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įkaitusiam kūnui reikia daugiau laiko atvėsti iki tam tikros temperatūros, nei mažiau įkaitusiam kūnui atvėsti iki tokios pat temperatūros.

Šį reiškinį vienu metu pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas, tačiau tik 1963 metais Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba atrado, kad karštas ledų mišinys užšąla greičiau nei šaltas.

Būdamas Magambinskajos mokiniu vidurinė mokykla Tanzanijoje Erasto Mpemba atliko praktinį virėjo darbą. Jam reikėjo pagaminti naminius ledus – užvirinti pieną, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūra o tada dėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin stropus mokinys ir delsė atlikti pirmąją užduoties dalį. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal nurodytą technologiją.

Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su grynas vanduo. Bet kuriuo atveju, jau būdamas Mkwavos vidurinės mokyklos mokinys, profesoriaus Denniso Osborne'o iš Dar Es Salamo universiteto koledžo (mokyklos direktoriaus pakviestas skaityti paskaitą apie fiziką studentams) jis paklausė konkrečiai apie vandenį: „Jei imtumėt du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, kad viename vandens temperatūra būtų 35°C, o kitame - 100°C, ir įdėkite į šaldiklį, tada antrajame vanduo užšaltų greičiau. Kodėl? Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus, 1969 m., jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale Physics Education. Nuo tada jų atrastas efektas buvo vadinamas Mpemba efektas.

Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą poveikį. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Kalbama apie karšto ir šalto vandens savybių skirtumus, tačiau kol kas neaišku, kurios savybės šiuo atveju turi įtakos: peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos ar suskystintų dujų poveikio vandeniui skirtumas, kai skirtingos temperatūros.

Mpemba efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atšąla iki temperatūros aplinką, turi būti proporcinga temperatūrų skirtumui tarp šio kūno ir aplinkos. Šį dėsnį nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis daug kartų buvo patvirtintas praktikoje. Dėl šio poveikio vanduo, kurio temperatūra 100 °C, atvėsta iki 0 °C greičiau nei toks pat vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 °C.

Tačiau tai dar nereiškia paradokso, nes Mpemba efektą galima paaiškinti žinomos fizikos rėmuose. Štai keletas Mpemba efekto paaiškinimų:

Garavimas

Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Iki 100 C pašildytas vanduo, atvėsęs iki 0 C, praranda 16 % savo masės.

Garavimo efektas - dvigubas efektas. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Antra, temperatūra mažėja dėl to, kad perėjimo iš vandens fazės į garo fazę garavimo šiluma mažėja.

Temperatūros skirtumas

Dėl temperatūrų skirtumo tarp karštas vanduo ir yra daugiau šalto oro – todėl šilumos mainai tokiu atveju yra intensyvesni ir karštas vanduo greičiau atvėsta.

Hipotermija

Kai vanduo atvėsta žemiau 0 C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali peršalti ir toliau išlikti skystas esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai. Kai kuriais atvejais vanduo gali išlikti skystas net esant –20 C temperatūrai.

Šio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų formavimo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris pakankamai, kad kristalai susidarytų savaime. Kai jie pradės formuotis peraušintame skystyje, jie pradės sparčiau augti, sudarydami purviną ledą, kuris užšals ir susidarys ledas.

Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali būti ledo kristalų susidarymo centrai.

Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo greičiau užšąla? Tuo atveju saltas vanduo, kuris nėra peršaldytas, atsitinka taip. Tokiu atveju plonas sluoksnis ant indo paviršiaus susidarys ledas. Šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius tarp vandens ir šalto oro ir neleis tolesniam garavimui. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršiaus ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų jis daug greičiau praranda šilumą.

Kai peršalimo procesas baigiasi ir vanduo užšąla, daug kas prarandama. daugiau šilumos ir todėl susidaro daugiau ledo.

Daugelis šio poveikio tyrinėtojų mano, kad hipotermija yra pagrindinis veiksnys Mpemba efekto atveju.

Konvekcija

Šaltas vanduo pradeda užšalti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios.

Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 C. Jei vandenį atvėsinate iki 4 C ir pastatysite žemesnės temperatūros, paviršinis vandens sluoksnis sušals greičiau. Kadangi šis vanduo yra mažesnis nei 4 C temperatūros vanduo, jis išliks paviršiuje, sudarydamas ploną šaltą sluoksnį. Tokiomis sąlygomis per trumpą laiką vandens paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis pasitarnaus kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4 C temperatūroje. Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis.

Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo. Be to, šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis nuslūgs, pakeldamas sluoksnį šiltas vanduoį paviršių. Tokia vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą.

Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą šiuo konvekcijos požiūriu, reikėtų daryti prielaidą, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 C.

Tačiau nėra jokių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti konvekcijos procesu.

Vandenyje ištirpusios dujos

Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų – deguonies ir anglies dioksidas. Šios dujos turi galimybę sumažinti vandens užšalimo temperatūrą. Kaitinamas vanduo, šios dujos išsiskiria iš vandens, nes jų tirpumas vandenyje yra aukštos temperatūrosžemiau. Todėl karštam vandeniui atvėsus, jame visada būna mažiau ištirpusių dujų nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis veiksnys kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra.

Šilumos laidumas

Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldytuvo skyriaus šaldiklį mažose talpyklose. Tokiomis sąlygomis pastebėta, kad indas su karštu vandeniu tirpdo po juo esantį ledą šaldiklis, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Dėl to šiluma iš karšto vandens indo pašalinama greičiau nei iš šalto. Savo ruožtu indas su šaltu vandeniu neištirpdo po juo esančio sniego.

Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau aiškaus atsakymo į klausimą – kuri iš jų užtikrina šimtaprocentinį Mpembos efekto atkūrimą – taip ir nepavyko gauti.

Pavyzdžiui, 1995 metais vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė peršalimo vandens poveikį šiam poveikiui. Jis atrado, kad karštas vanduo, pasiekęs peršalimo būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas, taigi ir greičiau nei pastarasis. Bet saltas vanduo peršalimo būseną pasiekia greičiau nei karšta, taip kompensuodama ankstesnį atsilikimą.

Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesniems duomenims, kad karštas vanduo galėjo pasiekti didesnį peršalimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pasišalina jame ištirpusios dujos, o verdant nusėda dalis jame ištirpusių druskų.

Kol kas galima teigti tik viena – šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atkuriamas.

O. V. Mosinas

Literatūrinisšaltiniai:

"Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Kodėl tai daroma?", Jearl Walker iš The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Nr. 3, p. 246–257; 1977 metų rugsėjis.

„Karšto ir šalto vandens užšalimas“, G.S. Kell American Journal of Physics, Vol. 37, Nr. 5, p. 564–565; 1969 m. gegužės mėn.

„Supercooling and the Mpemba Effect“, David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, Nr. 10, p. 882-885; 1995 m. spalio mėn.

"Mpemba efektas: karšto ir šalto vandens užšalimo laikas", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, Nr. 5, p 524; 1996 m. gegužės mėn.

Atrodo akivaizdu, kad šaltas vanduo užšąla greičiau nei karštas, nes vienodomis sąlygomis karštas vanduo ilgiau atvėsta, o vėliau užšąla. Tačiau tūkstančius metų trukę stebėjimai, kaip ir šiuolaikiniai eksperimentai, parodė, kad yra ir priešingai: tam tikromis sąlygomis karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. „Sciencium Science Channel“ paaiškina šį reiškinį:

Kaip paaiškinta aukščiau esančiame vaizdo įraše, reiškinys, kai karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas, yra žinomas kaip Mpemba efektas, pavadintas Erasto Mpemba, Tanzanijos studento, gaminusio ledus pagal mokyklos projektą 1963 m., vardu. Mokiniai turėjo užvirti grietinėlės ir cukraus mišinį, leisti jam atvėsti, o tada padėti į šaldiklį.

Vietoj to, Erasto mišinį iškart įdėjo karštą, nelaukdamas, kol jis atvės. Dėl to po 1,5 valandos jo mišinys jau buvo užšalęs, o kitų mokinių – ne. Susidomėjęs šiuo reiškiniu, Mpemba pradėjo nagrinėti šią problemą su fizikos profesoriumi Denisu Osborne'u, o 1969 metais jie paskelbė straipsnį, kuriame teigiama, kad šiltas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Tai buvo pirmasis recenzuojamas tokio pobūdžio tyrimas, tačiau pats reiškinys minimas Aristotelio dokumentuose, datuojamuose IV amžiuje prieš Kristų. e. Šį reiškinį savo studijose pastebėjo ir Francis Baconas bei Dekartas.

Vaizdo įraše pateikiamos kelios galimybės paaiškinti, kas vyksta:

1. Šerkšnas yra dielektrikas, todėl šerkšnas šaltas vanduo geriau sulaiko šilumą nei šiltas stiklas, kuris liesdamasis tirpdo ledą
2. Šaltame vandenyje yra daugiau ištirpusių dujų nei šiltame vandenyje, ir mokslininkai spėja, kad tai gali turėti įtakos aušinimo greičiui, nors kol kas neaišku, kaip
3. Karštas vanduo garuodamas praranda daugiau vandens molekulių, todėl jų lieka mažiau užšalti
4. Šiltas vanduo gali greičiau atvėsti dėl padidėjusių konvekcinių srovių. Šios srovės atsiranda dėl to, kad vanduo stiklinėje pirmiausia atvėsta paviršiuje ir šonuose, todėl šaltas vanduo nuskendo, o karštas vanduo kyla aukštyn. Šiltame stikle konvekcinės srovės yra aktyvesnės, o tai gali turėti įtakos aušinimo greičiui.

Tačiau 2016 metais buvo atliktas kruopščiai kontroliuojamas tyrimas, kuris parodė priešingai: karštas vanduo užšalo daug lėčiau nei šaltas. Tuo pačiu metu mokslininkai pastebėjo, kad termoporos – prietaiso, kuris nustato temperatūros pokyčius – vietą pakeitus vos centimetru, atsiranda Mpemba efektas. Studijuoja kitus panašių darbų parodė, kad visais atvejais, kai buvo pastebėtas šis poveikis, termoelementas pasislinko per centimetrą.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandras Fircevas

« Kuris vanduo užšąla greičiau, šaltas ar karštas?“ – pabandykite užduoti klausimą savo draugams, greičiausiai dauguma jų atsakys, kad šaltas vanduo užšąla greičiau – ir jie padarys klaidą.

Tiesą sakant, jei vienu metu į šaldiklį įdėsite du vienodos formos ir tūrio indus, kurių viename yra šaltas vanduo, o kitame karštas, tai karštas vanduo užšals greičiau.

Toks teiginys gali atrodyti absurdiškas ir nepagrįstas. Jei vadovausitės logika, tada karštas vanduo pirmiausia turi atvėsti iki šalto vandens temperatūros, o šaltas vanduo šiuo metu jau turėtų virsti ledu.

Taigi kodėl karštas vanduo įveikia šaltą vandenį pakeliui į užšalimą? Pabandykime tai išsiaiškinti.

Stebėjimų ir tyrimų istorija

Žmonės paradoksinį poveikį stebėjo nuo senų senovės, bet niekas jo nesuteikė ypatingą reikšmę. Taigi Arestotelis, taip pat Rene Descartes ir Francis Bacon savo pastabose pažymėjo šalto ir karšto vandens užšalimo greičio neatitikimus. Neįprastas reiškinys dažnai pasireikšdavo kasdieniame gyvenime.

Ilgą laiką reiškinys niekaip nebuvo tiriamas ir didelio mokslininkų susidomėjimo nesukėlė.

Šio neįprasto poveikio tyrimas buvo pradėtas 1963 m., kai smalsus moksleivis iš Tanzanijos Erasto Mpemba pastebėjo, kad karštas pienas ledams užšalo greičiau nei šaltas pienas. Tikėdamasis sulaukti neįprasto efekto priežasčių paaiškinimo, jaunuolis mokykloje paklausė savo fizikos mokytojo. Tačiau mokytoja iš jo tik juokėsi.

Vėliau Mpemba eksperimentą pakartojo, tačiau savo eksperimente naudojo nebe pieną, o vandenį ir paradoksalus efektas pasikartojo dar kartą.

Po 6 metų, 1969 m., Mpemba uždavė šį klausimą fizikos profesoriui Dennisui Osbornui, atvykusiam į jo mokyklą. Profesorius domėjosi jaunuolio stebėjimu, todėl buvo atliktas eksperimentas, kuris patvirtino efekto buvimą, tačiau šio reiškinio priežastys nebuvo nustatytos.

Nuo tada reiškinys buvo vadinamas Mpemba efektas.

Per visą mokslinių stebėjimų istoriją buvo iškelta daugybė hipotezių apie šio reiškinio priežastis.

Taigi 2012 m. Britanijos karališkoji chemijos draugija paskelbs hipotezių, paaiškinančių Mpemba efektą, konkursą. Konkurse dalyvavo mokslininkai iš viso pasaulio, iš viso užsiregistravo 22 tūkst mokslo darbai. Nepaisant tokio įspūdingo straipsnių skaičiaus, nė vienas iš jų neatnešė aiškumo Mpembos paradoksui.

Labiausiai paplitęs variantas buvo toks, kad karštas vanduo užšąla greičiau, nes jis tiesiog greičiau išgaruoja, jo tūris mažėja, o tūriui mažėjant – didėja aušinimo greitis. Dažniausia versija galiausiai buvo paneigta, nes buvo atliktas eksperimentas, kurio metu garavimas buvo atmestas, tačiau poveikis vis dėlto buvo patvirtintas.

Kiti mokslininkai manė, kad Mpemba efekto priežastis buvo vandenyje ištirpusių dujų išgaravimas. Jų nuomone, kaitinimo metu vandenyje ištirpusios dujos išgaruoja, dėl to jis įgauna didesnį tankį nei šaltas vanduo. Kaip žinoma, tankio padidėjimas lemia pokyčius fizines savybes vandens (padidėjęs šilumos laidumas), todėl padidėja aušinimo greitis.

Be to, buvo iškelta keletas hipotezių, apibūdinančių vandens cirkuliacijos greitį priklausomai nuo temperatūros. Daugeliu tyrimų buvo bandoma nustatyti ryšį tarp talpyklų, kuriose buvo skystis, medžiagos. Daugelis teorijų atrodė labai įtikinamos, tačiau jos negalėjo būti moksliškai patvirtintos dėl pradinių duomenų trūkumo, prieštaravimų kituose eksperimentuose arba dėl to, kad nustatyti veiksniai tiesiog nebuvo lyginami su vandens aušinimo greičiu. Kai kurie mokslininkai savo darbuose suabejojo ​​efekto egzistavimu.

2013 metais Singapūro Nanyang technologijos universiteto mokslininkai teigė įminę Mpembos efekto paslaptį. Pasak jų tyrimų, reiškinio priežastis slypi tame, kad vandeniliniuose ryšiuose tarp šalto ir karšto vandens molekulių sukauptos energijos kiekis gerokai skiriasi.

Metodai kompiuterinis modeliavimas parodė tokius rezultatus: kuo aukštesnė vandens temperatūra, tuo didesnis atstumas tarp molekulių dėl to, kad didėja atstumiančios jėgos. Vadinasi, molekulių vandeniliniai ryšiai išsitempia, sukaupdami daugiau energijos. Atvėsusios molekulės pradeda artėti viena prie kitos, išskirdamos energiją iš vandenilinių ryšių. Šiuo atveju energijos išsiskyrimą lydi temperatūros sumažėjimas.

2017 m. spalį ispanų fizikai, atlikdami kitą tyrimą, nustatė, kad didelį vaidmenį formuojant efektą atlieka medžiagos pašalinimas iš pusiausvyros (stiprus kaitinimas prieš stiprų aušinimą). Jie nustatė sąlygas, kuriomis poveikio pasireiškimo tikimybė yra didžiausia. Be to, Ispanijos mokslininkai patvirtino egzistavimą atvirkštinis poveikis Mpemba. Jie nustatė, kad kaitinant šaltesnis mėginys gali pasiekti aukštą temperatūrą greičiau nei šiltesnis.

Nepaisant išsamios informacijos ir daugybės eksperimentų, mokslininkai ketina toliau tirti poveikį.

Mpemba efektas realiame gyvenime

Ar kada nors susimąstėte, kodėl žiemos laikas Ar čiuožykla užpildyta karštu vandeniu, o ne šalta? Kaip jau supratote, jie tai daro todėl, kad čiuožykla, užpildyta karštu vandeniu, užšals greičiau nei tada, kai ji būtų užpildyta šaltu vandeniu. Dėl tos pačios priežasties žiemos ledo miesteliuose į čiuožykles pilamas karštas vanduo.

Taigi žinojimas apie reiškinio egzistavimą leidžia žmonėms sutaupyti laiko ruošiant svetaines žiemos rūšys sporto

Be to, Mpemba efektas kartais naudojamas pramonėje, siekiant sumažinti vandens turinčių produktų, medžiagų ir medžiagų užšalimo laiką.

Šiame straipsnyje apžvelgsime klausimą, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas.

Pašildytas vanduo užšąla daug greičiau nei šaltas! Tai nuostabi nuosavybė vanduo, kurio tikslaus paaiškinimo mokslininkai vis dar negali rasti, buvo žinomas nuo seniausių laikų. Pavyzdžiui, net Aristotelyje yra žieminės žvejybos aprašymas: žvejai į lede esančias skylutes kišdavo meškeres, o kad greičiau sušaltų, ledą laistė. šiltas vanduo. Šis reiškinys buvo pavadintas Erasto Mpembos vardu XX amžiaus 60-aisiais. Mnemba pastebėjo keistą poveikį gamindamas ledus ir kreipėsi į savo fizikos mokytoją daktarą Denisą Osborne'ą, prašydamas paaiškinimo. Mpemba ir daktaras Osborne'as eksperimentavo su skirtingos temperatūros vandeniu ir padarė išvadą, kad beveik verdantis vanduo pradeda užšalti daug greičiau nei vanduo kambario temperatūroje. Kiti mokslininkai atliko savo eksperimentus ir kiekvieną kartą gaudavo panašius rezultatus.

Fizinio reiškinio paaiškinimas

Nėra visuotinai priimto paaiškinimo, kodėl taip nutinka. Daugelis mokslininkų teigia, kad visa esmė yra skysčio peršalimas, kuris įvyksta, kai jo temperatūra nukrenta žemiau užšalimo taško. Kitaip tariant, jei vanduo užšąla žemesnėje nei 0°C temperatūroje, tai peršalęs vanduo gali turėti, pavyzdžiui, -2°C ir vis tiek išlikti skystas, nevirsdamas ledu. Kai bandome užšaldyti šaltą vandenį, yra tikimybė, kad jis pirmiausia peršals ir tik po kurio laiko sukietės. Kiti procesai vyksta šildomame vandenyje. Jo greitesnis pavertimas ledu yra susijęs su konvekcija.

Konvekcija- Tai fizinis reiškinys, kuriame šilti apatiniai skysčio sluoksniai kyla aukštyn, o viršutiniai, atvėsę, krenta.

1963 metais Tanzanijos moksleivis, vardu Erasto Mpemba, uždavė savo mokytojui kvailą klausimą – kodėl šilti ledai jo šaldiklyje užšaldavo greičiau nei šalti?

Mokydamasis Magambi vidurinėje mokykloje Tanzanijoje Erasto Mpemba atliko praktinį virėjo darbą. Jam reikėjo pasigaminti naminių ledų – užvirti pieną, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros, o tada padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin stropus mokinys ir delsė atlikti pirmąją užduoties dalį. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal nurodytą technologiją.

Jis kreipėsi į fizikos mokytoją, kad paaiškintų, bet jis tik nusijuokė iš mokinio, sakydamas: „Tai ne universali fizika, o Mpemba fizika“. Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su paprastu vandeniu.

Bet kuriuo atveju, jau būdamas Mkwavos vidurinės mokyklos mokinys, profesoriaus Denniso Osborne'o iš Dar Es Salamo universiteto koledžo (mokyklos direktoriaus pakviestas skaityti paskaitą apie fiziką studentams) jis paklausė konkrečiai apie vandenį: „Jei imtumėt du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, kad viename vandens temperatūra būtų 35°C, o kitame - 100°C, ir įdėkite į šaldiklį, tada antrajame vanduo užšaltų greičiau. Kodėl?" Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus, 1969 m., jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale Physics Education. Nuo tada jų atrastas efektas buvo vadinamas Mpemba efektu.

Ar jums įdomu sužinoti, kodėl taip nutinka? Vos prieš kelerius metus mokslininkams pavyko paaiškinti šį reiškinį...

Mpemba efektas (Mpemba Paradox) yra paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo proceso metu jis turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms idėjoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įkaitusiam kūnui reikia daugiau laiko atvėsti iki tam tikros temperatūros, nei mažiau įkaitusiam kūnui atvėsti iki tokios pat temperatūros.

Šį reiškinį savo laikais pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas. Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą poveikį. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Kalbama apie karšto ir šalto vandens savybių skirtumus, tačiau dar neaišku, kurios savybės šiuo atveju turi įtakos: peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos ar suskystintų dujų poveikio vandeniui skirtumai. skirtingos temperatūros. Mpemba efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atšąla iki aplinkos temperatūros, turi būti proporcingas šio kūno ir aplinkos temperatūrų skirtumui. Šį dėsnį nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis daug kartų buvo patvirtintas praktikoje. Dėl šio poveikio vanduo, kurio temperatūra 100 °C, atvėsta iki 0 °C greičiau nei toks pat vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 °C.

Nuo tada jie kalbėjosi skirtingos versijos, vienas jų skambėjo taip: dalis karšto vandens iš pradžių tiesiog išgaruoja, o vėliau, kai jo lieka mažiau, vanduo greičiau užšąla. Ši versija dėl savo paprastumo tapo populiariausia, tačiau mokslininkų visiškai netenkino.

Dabar Singapūro Nanyang technologijos universiteto mokslininkų komanda, vadovaujama chemiko Xi Zhang, teigia, kad išsprendė seną paslaptį, kodėl šiltas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Kaip išsiaiškino Kinijos ekspertai, paslaptis slypi energijos kiekyje, sukauptame vandeniliniuose ryšiuose tarp vandens molekulių.

Kaip žinote, vandens molekulės susideda iš vieno deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų, laikomų kartu kovalentiniai ryšiai, kuris dalelių lygyje atrodo kaip elektronų mainai. Kitas žinomas faktas slypi tame, kad vandenilio atomus pritraukia deguonies atomai iš gretimų molekulių – ir susidaro vandenilio ryšiai.

Tuo pačiu metu vandens molekulės paprastai atstumia viena kitą. Mokslininkai iš Singapūro pastebėjo: nei šiltesnis vanduo, tuo didesnis atstumas tarp skysčio molekulių pasirodo esantis dėl padidėjusių atstumiamųjų jėgų. Dėl to vandeniliniai ryšiai ištempiami, todėl sukaupia daugiau energijos. Ši energija išsiskiria vandeniui vėsstant – molekulės priartėja viena prie kitos. O energijos išleidimas, kaip žinoma, reiškia vėsinimą.

Štai mokslininkų iškeltos prielaidos:

Garavimas

Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Iki 100°C pašildytas vanduo, atvėsęs iki 0°C, praranda 16% savo masės. Garavimo efektas yra dvigubas. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Ir, antra, dėl garavimo sumažėja jo temperatūra.

Temperatūros skirtumas

Dėl to, kad karšto vandens ir šalto oro temperatūrų skirtumas yra didesnis, todėl šilumos mainai šiuo atveju vyksta intensyviau ir karštas vanduo greičiau atvėsta.

Hipotermija
Kai vanduo atšąla žemiau 0°C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali peršalti ir toliau išlikti skystas esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai. Kai kuriais atvejais vanduo gali išlikti skystas net esant -20°C temperatūrai. Šio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų formavimo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris pakankamai, kad kristalai susidarytų savaime. Kai jie pradės formuotis peraušintame skystyje, jie pradės sparčiau augti, sudarydami purviną ledą, kuris užšals ir susidarys ledas. Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali būti ledo kristalų susidarymo centrai. Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo greičiau užšąla? Šalto vandens, kuris nėra peršalęs, atveju nutinka taip: ant jo paviršiaus susidaro plonas ledo sluoksnis, kuris atlieka izoliacijos funkciją tarp vandens ir šalto oro ir taip apsaugo nuo tolesnio garavimo. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršiaus ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų jis daug greičiau praranda šilumą. Kai peršalimo procesas baigiasi ir vanduo užšąla, prarandama daug daugiau šilumos, todėl susidaro daugiau ledo. Daugelis šio poveikio tyrinėtojų mano, kad hipotermija yra pagrindinis veiksnys Mpemba efekto atveju.
Konvekcija

Šaltas vanduo pradeda užšalti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios. Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 °C temperatūroje. Jei vandenį atvėsinsite iki 4°C ir pastatysite į žemesnės temperatūros aplinką, paviršinis vandens sluoksnis užšals greičiau. Kadangi šis vanduo yra mažesnis nei 4°C temperatūros vanduo, jis išliks paviršiuje, sudarydamas ploną šaltą sluoksnį. Tokiomis sąlygomis per trumpą laiką vandens paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4°C. . Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis. Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo. Taip pat šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis nugrims žemyn, šilto vandens sluoksnį iškeldamas į paviršių. Tokia vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą. Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą konvekcijos požiūriu, reikėtų daryti prielaidą, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 °C. Tačiau nėra jokių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti konvekcijos procesu.

Vandenyje ištirpusios dujos

Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų – deguonies ir anglies dioksido. Šios dujos turi galimybę sumažinti vandens užšalimo temperatūrą. Kaitinant vandenį, šios dujos išsiskiria iš vandens, nes aukštoje temperatūroje jų tirpumas vandenyje yra mažesnis. Todėl karštam vandeniui atvėsus, jame visada būna mažiau ištirpusių dujų nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis veiksnys kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra.

Šilumos laidumas

Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldytuvo skyriaus šaldiklį mažose talpyklose. Esant tokioms sąlygoms, buvo pastebėta, kad karšto vandens indas ištirpdo apačioje esantį šaldiklį ledą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Dėl to šiluma iš karšto vandens indo pašalinama greičiau nei iš šalto. Savo ruožtu indas su šaltu vandeniu neištirpdo po juo esančio sniego. Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau vienareikšmiško atsakymo į klausimą – kurios iš jų užtikrina 100% Mpemba efekto atkūrimą – taip ir nepavyko gauti. Pavyzdžiui, 1995 metais vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė peršalimo vandens poveikį šiam poveikiui. Jis atrado, kad karštas vanduo, pasiekęs peršalimo būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas, taigi ir greičiau nei pastarasis. Tačiau šaltas vanduo peršalimo būseną pasiekia greičiau nei karštas, taip kompensuodamas ankstesnį atsilikimą. Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesniems duomenims, kad karštas vanduo galėjo pasiekti didesnį peršalimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pasišalina jame ištirpusios dujos, o verdant nusėda dalis jame ištirpusių druskų. Kol kas galima teigti tik vieną dalyką: šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atkuriamas.

Tačiau, kaip sakoma, labiausiai tikėtina priežastis.

Kaip rašo chemikai savo straipsnyje, kurį galima rasti išankstinio spausdinimo svetainėje arXiv.org, vandenilio jungtys yra stipresnės karštame vandenyje nei šaltame vandenyje. Taigi paaiškėja, kad karšto vandens vandeniliniuose ryšiuose sukaupiama daugiau energijos, o tai reiškia, kad daugiau jos išsiskiria atvėsus iki minusinės temperatūros. Dėl šios priežasties kietėjimas vyksta greičiau.

Iki šiol mokslininkai šią paslaptį išsprendė tik teoriškai. Kai jie pateikia įtikinamus savo versijos įrodymus, klausimas, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas, gali būti laikomas uždaru.