See kuum või külm vesi külmub kiiremini. Mpemba efekt ehk miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi

Selles artiklis vaatleme küsimust, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi.

Kuum vesi külmub palju kiiremini kui külm vesi! See vee hämmastav omadus, mille kohta teadlased täpset selgitust ei leia, on tuntud juba iidsetest aegadest. Näiteks isegi Aristoteleses on talvise kalapüügi kirjeldus: kalurid sisestasid õngeritvad jääaugudesse ja valasid külmumise korral jääle sooja vett. Selle nähtuse nime andis Erasto Mpemba nimi XX sajandi 60ndatel. Mnemba märkas jäätist valmistades kummalist mõju ja pöördus selgituse saamiseks oma füüsikaõpetaja dr Denis Osborne poole. Mpemba ja dr Osborne katsetasid erineva temperatuuriga veega ja jõudsid järeldusele, et peaaegu keev vesi hakkab külmuma palju kiiremini kui toatemperatuuril olev vesi. Teised teadlased tegid oma katseid ja said iga kord sarnaseid tulemusi.

Füüsilise nähtuse selgitus

Puudub üldtunnustatud selgitus, miks see nii on. Paljud teadlased viitavad sellele, et tegemist on vedeliku alajahtumisega, mis tekib siis, kui selle temperatuur langeb alla külmumispunkti. Teisisõnu, kui vesi külmub temperatuuril alla 0 ° C, võib ülejahutatud vee temperatuur olla näiteks -2 ° C ja see võib samal ajal jääda vedelaks jääks muutmata. Kui proovime külma vett külmutada, on võimalus, et see jahutatakse esmalt üle ja taheneb alles mõne aja pärast. Muud protsessid toimuvad kuumutatud vees. Selle kiirem muutumine jääks on seotud konvektsiooniga.

Konvektsioon- see on füüsiline nähtus, mille korral vedeliku soojad alumised kihid tõusevad ja ülemised, jahtunud, laskuvad.

Üks mu lemmikaineid koolis oli keemia. Kord andis keemiaõpetaja meile väga kummalise ja raske ülesande. Ta andis meile nimekirja küsimustest, millele pidime vastama keemia osas. Selle ülesande täitmiseks anti meile mitu päeva ja meil oli lubatud kasutada raamatukogusid ja muid saadaolevaid teabeallikaid. Üks neist küsimustest puudutas vee külmumistemperatuuri. Ma ei mäleta täpselt, kuidas küsimus kõlas, kuid see puudutas asjaolu, et kui võtate kaks ühesuurust puidust ämbrit, millest üks on kuuma veega, teine ​​külma veega (täpselt määratud temperatuuriga) ja asetate need kumb külmutab neid teatud temperatuuriga keskkonnas kiiremini? Muidugi pakkus vastus end kohe välja - ämber külma vett, kuid see tundus meile liiga lihtne. Kuid sellest ei piisanud täieliku vastuse andmiseks, me pidime seda tõestama keemilisest seisukohast. Vaatamata kogu oma mõtlemisele ja uurimistööle ei suutnud ma teha loogilist järeldust. Sel päeval otsustasin selle õpetuse isegi vahele jätta, nii et ma ei leidnud sellele mõistatusele kunagi lahendust.

Aastad möödusid ja ma õppisin palju igapäevaseid müüte vee keemistemperatuuri ja külmumispunkti kohta ning üks müüt ütles: "kuum vesi külmub kiiremini." Vaatasin paljusid veebisaite, kuid teave oli liiga vastuoluline. Ja need olid vaid arvamused, teaduse seisukohast alusetud. Ja ma otsustasin oma kogemuse läbi viia. Kuna ma ei leidnud puidust ämbreid, kasutasin sügavkülma, pliidiplaati, natuke vett ja digitaalset termomeetrit. Oma kogemuste tulemustest räägin veidi hiljem. Esiteks jagan teiega huvitavaid argumente vee kohta:

Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Enamik eksperte väidab, et külm vesi külmub kiiremini kui kuum vesi. Kuid üks naljakas nähtus (nn Membe efekt) tõestab teadmata põhjustel vastupidist: kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Üks paljudest seletustest on aurustamisprotsess: kui paigutada väga kuuma vett külma keskkonda, hakkab vesi aurustuma (ülejäänud veekogus külmub kiiremini). Ja vastavalt keemiaseadustele pole see üldse müüt ja suure tõenäosusega soovis õpetaja seda meilt kuulda.

Keedetud vesi külmub kiiremini kui kraanivesi. Vaatamata eelnevale selgitusele väidavad mõned eksperdid, et toatemperatuurini jahtunud keedetud vesi peaks kiiremini külmuma, sest keetmine vähendab hapniku hulka.

Külm vesi keeb kiiremini kui kuum vesi. Kui kuum vesi külmub kiiremini, võib külm vesi kiiremini keeda! See on vastuolus terve mõistusega ja teadlased väidavad, et see lihtsalt ei saa olla. Kuum kraanivesi peaks tegelikult kiiremini keema kui külm vesi. Kuid kasutades keetmiseks kuuma vett, ei säästa te energiat. Võite kasutada vähem gaasi või valgust, kuid veesoojendi kasutab sama palju energiat, mis on vajalik külma vee soojendamiseks. (Päikeseenergiaga on see pisut erinev.) Veesoojendi poolt vee soojendamise tagajärjel võivad tekkida setted, mistõttu vee soojenemine võtab kauem aega.

Kui lisate vette soola, hakkab see kiiremini keema. Sool tõstab keemistemperatuuri (ja vastavalt alandab külmumistemperatuuri - seetõttu lisavad mõned koduperenaised jäätisele veidi kivisoola). Kuid sel juhul huvitab meid teine ​​küsimus: kui kaua vesi keeb ja kas keemistemperatuur võib sel juhul tõusta üle 100 ° C). Vaatamata kokaraamatutesse kirjutatule väidavad teadlased, et keeduvette lisatavast soola kogusest ei piisa, et mõjutada keemise aega või temperatuuri.

Aga siit ma sain:

Külm vesi: kasutasin kolme 100 ml klaasist keeduklaasi puhastatud veest: ühte toatemperatuuril (72 ° F / 22 ° C), ühte kuuma veega (115 ° F / 46 ° C) ja ühte keedetud veega (212 °) F / 100 ° C). Panin kõik kolm klaasi sügavkülma temperatuuril –18 ° C. Ja kuna ma teadsin, et vesi kohe jääks ei muutu, siis määrasin külmumisastme "puust ujuki" järgi. Kui klaasi keskele asetatud pulk ei puudutanud enam alust, eeldasin, et vesi on külmunud. Kontrollisin prille iga viie minuti tagant. Ja millised on minu tulemused? Esimese klaasi vesi külmutas 50 minuti pärast. Kuum vesi külmutas 80 minuti pärast. Keedetud - 95 minuti pärast. Minu järeldused: arvestades sügavkülmiku tingimusi ja vett, mida ma kasutasin, ei suutnud ma Memb -efekti reprodutseerida.

Proovisin seda katset ka toatemperatuurini jahutatud eelnevalt keedetud veega. Ta külmutas 60 minuti pärast - see võttis ikka kauem aega kui külm vesi.

Keedetud vesi: Võtsin liitri vett toatemperatuuril ja panin tulele. See keedeti 6 minutiga. Seejärel jahutasin selle uuesti toatemperatuurini ja lisasin kuumale. Sama kuumusega keedeti kuum vesi 4 tunni ja 30 minuti jooksul. Järeldus: ootuspäraselt keeb kuum vesi palju kiiremini.

Keedetud vesi (soolaga): lisasin 1 liitrile veele 2 suurt supilusikatäit lauasoola. See keetis 6 minuti 33 sekundi pärast ja termomeeter näitas, et see saavutas temperatuuri 102 ° C. Kahtlemata mõjutab sool keemistemperatuuri, kuid mitte palju. Järeldus: sool vees ei mõjuta tugevalt temperatuuri ja keemise aega. Tunnistan ausalt, et minu kööki ei saa vaevalt laboriks nimetada ja võib -olla on minu järeldused tegelikkusega vastuolus. Minu sügavkülmik võib toidu ebaühtlaselt külmutada. Minu prillid võivad olla ebaregulaarsed jne. Aga mis iganes laboris juhtub, köögis vee külmutamise või keetmise osas on kõige tähtsam terve mõistus.

link huvitavate faktidega vee kohta
nagu foorum forum.ixbt.com soovitas, nimetatakse seda efekti (kuuma vee külmutamise mõju kiiremini kui külm vesi) "Aristotelese-Mpemba efektiks"

Need. keedetud vesi (jahutatud) külmub kiiremini kui "toores"

1963. aastal esitas üks Tansaaniast pärit õpilane Erasto Mpemba oma õpetajalt rumala küsimuse - miks külmub külm jäätis tema sügavkülmas kiiremini kui külm?

Tansaanias Magamba keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktilisi kokandustöid. Tal oli vaja teha kodust jäätist - keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurini ja seejärel külmkappi külmuda. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja ta viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmutas see isegi varem kui tema kaaslaste piim, mis oli ette valmistatud vastavalt tehnoloogiale.

Ta pöördus selgituse saamiseks füüsikaõpetaja poole, kuid ta ainult naeris õpilase üle, öeldes järgmist: "See pole maailmafüüsika, vaid Mpemba füüsika." Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega.

Igatahes, olles juba Mkvava keskkooli õpilane, palus ta professor Dennis Osborne’ilt Dar es Salaami ülikoolikolledžist (koolijuht kutsus õpilasi füüsikale loengut pidama) vee kohta: „Kui võtame kaks ühesugust mahutid võrdse koguse veega, nii et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja pange need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks? " Osborne hakkas selle teema vastu huvi tundma ja peagi avaldas ta koos Mpembaga 1969. aastal oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates nimetatakse nende avastatud efekti Mpemba efektiks.

Kas soovite teada, miks see juhtub? Vaid mõni aasta tagasi õnnestus teadlastel seda nähtust seletada ...

Mpemba efekt (Mpemba paradox) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi peab külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne fakt, mis on vastuolus tavapäraste kontseptsioonidega, mille kohaselt kulub kuumemal kehal samadel tingimustel jahtumiseks teatud temperatuurini kauem kui vähem kuumutatud kehal samale temperatuurile.

Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes. Siiani ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühtegi versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused sel juhul rolli mängivad: erinevus ülejahutamisel, aurustumisel, jää tekkimisel, konvektsioonil või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks on see, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Selle tulemusel jahtub vesi temperatuuriga 100 ° C temperatuurini 0 ° C kiiremini kui sama kogus vett, mille temperatuur on 35 ° C.

Sellest ajast alates on avaldatud erinevaid versioone, millest üks kõlas järgmiselt: osa kuuma vett esialgu lihtsalt aurustub ja siis, kui seda on vähem, külmub vesi kiiremini. See versioon sai oma lihtsuse tõttu kõige populaarsemaks, kuid teadlased ei rahuldanud seda täielikult.

Nüüd ütles Singapuri Nanyangi tehnoloogiaülikooli teadlaste meeskond eesotsas keemiku Xi Zhangiga, et nad on lahendanud igivana mõistatuse, miks soe vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Nagu Hiina eksperdid on välja selgitanud, peitub saladus veemolekulide vahelistes vesiniksidemetes talletatud energiakoguses.

Nagu teate, koosnevad veemolekulid ühest hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed, mis osakeste tasandil näeb välja nagu elektronide vahetus. Tuntud fakt on ka see, et vesiniku aatomid tõmbuvad naabermolekulide hapniku aatomite poole - sellisel juhul tekivad vesiniksidemed.

Samal ajal tõrjuvad veemolekulid üldiselt üksteisest eemale. Singapuri teadlased märkasid, et mida soojem on vesi, seda suurem on tõrjuvate jõudude suurenemise tõttu vedelmolekulide vaheline kaugus. Selle tulemusena venivad vesiniksidemed ja salvestavad seetõttu rohkem energiat. See energia vabaneb vee jahtumisel - molekulid liiguvad üksteisele lähemale. Ja energia vabanemine, nagu teate, tähendab jahtumist.

Siin on teadlaste eeldused:

Aurustumine

Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu, ja väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 ° C -ni kuumutatud vesi kaotab 16% oma massist 0 ° C -ni jahutamisel. Aurustumisefekt - kahekordne toime. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee hulka. Ja teiseks, aurustumise tõttu väheneb selle temperatuur.

Temperatuuri erinevus

Tulenevalt asjaolust, et sooja vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem - seetõttu on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.

Hüpotermia
Kui vesi jahutatakse alla 0 ° C, ei külmuta see alati. Mõnel juhul võib see alajahtuda, jäädes vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi temperatuuril –20 ° C. Selle efekti põhjus on see, et esimeste jääkristallide tekkimiseks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui neid vedelas vees ei esine, jätkub hüpotermia, kuni temperatuur langeb nii palju, et kristallid hakkavad spontaanselt tekkima. Kui nad hakkavad moodustuma ülejahutatud vedelikus, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälõhna, mis külmutades moodustab jää. Kuum vesi on hüpotermia suhtes kõige vastuvõtlikum, kuna selle kuumutamisel eemaldatakse lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks põhjustab hüpotermia kuuma vee kiiremat külmumist? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, juhtub järgmine: selle pinnale tekib õhuke jääkiht, mis toimib vee ja külma õhu vahel isolaatorina ning takistab seega edasist aurustumist. Sel juhul on jääkristallide moodustumise kiirus aeglasem. Kuuma vee puhul, mis allub ülejahutamisele, ei ole ülejahutatud veel kaitsvat jääkihti. Seetõttu kaotab see avatud katte kaudu soojust palju kiiremini. Kui alajahtumisprotsess lõpeb ja vesi külmub, kaob palju rohkem soojust ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle mõju uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.
Konvektsioon

Külm vesi hakkab ülevalt külmuma, halvendades sellega soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuskadu, samal ajal kui kuum vesi hakkab alt külmuma. Seda mõju seletatakse veetiheduse anomaaliaga. Maksimaalne vee tihedus on temperatuuril 4 ° C. Kui jahutate vee temperatuurini 4 ° C ja asetate selle madalama temperatuuriga keskkonda, külmub veepind kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui temperatuuril 4 ° C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendes tingimustes moodustub veepinnale lühikeseks ajaks õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb vee alumisi kihte, mis jäävad temperatuurile 4 ° C. Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord sootuks teine. Pinnane veekiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuri erinevuse tõttu kiiremini. Lisaks on külma vee kihid tihedamad kui sooja vee kihid, mistõttu külm veekiht vajub alla, tõstes sooja veekihi pinnale. Selline vee ringlus tagab kiire temperatuuri languse. Aga miks see protsess ei saavuta tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks konvektsiooni mõttes tuleks eeldada, et külm ja kuum veekiht on eraldatud ning konvektsiooniprotsess ise jätkub ka pärast seda, kui keskmine veetemperatuur langeb alla 4 ° C. Siiski ei ole eksperimentaalseid andmeid, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külm ja kuum veekiht on konvektsiooniga eraldatud.

Vees lahustunud gaasid

Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase - hapnikku ja süsinikdioksiidi. Need gaasid võivad vähendada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees kõrgel temperatuuril on madalam. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord peamiseks Mpemba efekti selgitamisel, kuigi seda fakti kinnitavaid eksperimentaalseid andmeid pole.

Soojusjuhtivus

See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse külmikusse väikestesse mahutitesse. Nendes tingimustes märgati, et kuuma veega mahuti sulab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi termilist kontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Selle tulemusena eemaldatakse soojus kuuma veega mahutist kiiremini kui külmast veest. Omakorda ei sulata külma veega mahuti selle all lund. Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühest vastust küsimusele - millised neist tagavad Mpemba efekti sajaprotsendilise reprodutseerimise - pole saadud. Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutamise mõju sellele mõjule. Ta leidis, et kuum vesi, jõudes ülejahutatud olekusse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi, mis tähendab kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varem saadud andmetega, mille kohaselt võib kuum vesi vähem kristallimiskeskuste tõttu saavutada rohkem ülejahutamist. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid ja selle keetmisel sadenevad mõned selles lahustunud soolad. Siiani saab väita vaid üht - selle efekti taasesitamine sõltub sisuliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda ei reprodutseerita alati.

Aga nagu öeldakse, kõige tõenäolisem põhjus.

Nagu keemikud kirjutavad oma artiklis, mille leiate arXiv.org eeltrüki saidilt, on vesiniksidemed kuumas vees rohkem pingul kui külmas. Seega selgub, et kuuma vee vesiniksidemesse salvestatakse rohkem energiat, mis tähendab, et rohkem energiat eraldub, kui see jahutatakse miinuskraadini. Sel põhjusel on tahkumine kiirem.

Praeguseks on teadlased selle mõistatuse lahendanud vaid teoreetiliselt. Kui nad esitavad oma versiooni kohta veenvaid tõendeid, võib lugeda suletuks küsimuse, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi.

Briti kuninglik keemiaühing pakub 1000 naela suurust auhinda kõigile, kes oskavad teaduslikult selgitada, miks kuum vesi külmub mõnel juhul kiiremini kui külm vesi.

"Kaasaegne teadus ei suuda sellele näiliselt lihtsale küsimusele veel vastata. Jäätisetootjad ja baarmenid kasutavad seda efekti oma igapäevatöös, kuid keegi ei tea, miks see töötab. See probleem on olnud teada juba aastatuhandeid, sellised filosoofid nagu Aristoteles ja Descartes on selle üle mõelnud, ”ütles Briti kuningliku keemiaühingu president professor David Philips.

Kuidas Aafrikast pärit kokk alistas Briti füüsikaprofessori

See pole aprillinali, vaid karm füüsiline reaalsus. Praegune teadus, mis hõlpsasti opereerib galaktikate ja mustade aukudega, ehitab kvarkide ja bosonite otsimiseks hiiglaslikke kiirendeid, ei suuda seletada, kuidas elementaarne vesi "töötab". Kooliõpikus öeldakse üheselt, et soojema keha jahtumine võtab kauem aega kui külmema keha. Kuid vee puhul ei järgita seda seadust alati. Aristoteles juhtis sellele paradoksile tähelepanu 4. sajandil eKr. NS. Nii kirjutas vanakreeka raamatus Meteorologica I: „See, et vesi on eelsoojendatud, paneb selle külmuma. Seetõttu panid paljud inimesed, kui nad tahavad kuuma vett kiiresti jahutada, esmalt selle päikese kätte ... ”Keskajal üritasid Francis Bacon ja René Descartes seda nähtust seletada. Paraku ei õnnestunud see suurtel filosoofidel ega arvukatel klassikalist soojusfüüsikat arendavatel teadlastel ning seetõttu see ebamugav tõsiasi „unustati“ pikaks ajaks.

Ja alles 1968. aastal "meenusid" nad tänu koolipoisile Erasto Mpembale Tansaaniast, kaugel igasugusest teadusest. Kokakoolis õppides sai 1963. aastal 13-aastane Mpembe ülesandeks teha jäätist. Tehnoloogia kohaselt oli vaja piim keeta, selles suhkur lahustada, jahutada toatemperatuurini ja seejärel külmkappi külmuda. Ilmselt polnud Mpemba usin õpilane ja kõhkles. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmutas see isegi varem kui kõigi reeglite järgi valmistatud kaaslaste piim.

Kui Mpemba oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, tegi ta terve klassi ees nalja. Mpemba mäletas haiget. Viis aastat hiljem, olles juba üliõpilane Dar es Salaami ülikoolis, oli ta kuulsa füüsiku Denis G. Osborne'i loengul. Pärast loengut esitas ta teadlasele küsimuse: „Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega, ühe temperatuuril 35 ° C (95 ° F) ja teise temperatuuril 100 ° C (212 ° F), ning panete need sügavkülmas, siis külmub kuumas anumas olev vesi kiiremini. Miks? " Võite ette kujutada Briti professori reaktsiooni Jumala hüljatud Tansaaniast pärit noormehe küsimusele. Ta tegi õpilase üle nalja. Mpemba oli aga selliseks vastuseks valmis ja kutsus teadlase panusele. Nende vaidlus lõppes eksperimentaalse testiga, mis kinnitas Mpemba õigsust ja Osborne'i lüüasaamist. Nii kirjutas õpilaskokk oma nime teadusajalukku ja edaspidi nimetatakse seda nähtust "Mpemba efektiks". Selle äraviskamine, kuulutamine "olematuks" ei tööta. Nähtus on olemas ja nagu luuletaja kirjutas, "mitte hambuni".

Kas süüdi on tolm ja lahustunud ained?

Aastate jooksul on paljud püüdnud vee külmumise saladust lahti harutada. Sellele nähtusele on välja pakutud terve hulk seletusi: aurumine, konvektsioon, lahustunud ainete mõju - kuid ühtegi neist teguritest ei saa pidada lõplikuks. Mitmed teadlased on Mpemba efektile pühendanud kogu oma elu. New Yorgi osariigi ülikooli kiirgusohutuse osakonna töötaja James Brownridge on vabal ajal paradoksi uurinud juba üle kümne aasta. Pärast sadade katsete tegemist väidab teadlane, et tal on tõendeid hüpotermia "süü" kohta. Brownridge selgitab, et temperatuuril 0 ° C on vesi ainult ülejahutatud ja hakkab külmuma, kui temperatuur langeb allapoole. Külmumistemperatuuri kontrollivad vees olevad lisandid - need muudavad jääkristallide moodustumise kiirust. Lisanditel, milleks on tolmuterad, bakterid ja lahustunud soolad, on iseloomulik tuumatemperatuur, kui kristallikeskuste ümber moodustuvad jääkristallid. Kui vees on korraga mitu elementi, määratakse külmumistemperatuur kõrgeima tuumatemperatuuri järgi.

Katseks võttis Brownridge kaks sama temperatuuriga veeproovi ja pani need sügavkülma. Ta leidis, et üks isend külmub alati enne teist - eeldatavasti teistsuguse lisandite kombinatsiooni tõttu.

Brownridge väidab, et kuum vesi jahtub kiiremini vee ja sügavkülmiku suurema temperatuuri erinevuse tõttu - see aitab tal jõuda oma külmumispunktini enne, kui külm vesi jõuab oma loomuliku külmumispunktini, mis on vähemalt 5 ° C madalam.

Brownridge'i arutluskäik tekitab aga palju küsimusi. Seetõttu on neil, kes suudavad Mpemba efekti omal moel seletada, võimalus võistelda Briti kuningliku keemiaühingu tuhande naela eest.

Tundub ilmne, et külm vesi külmub kiiremini kui kuum vesi, kuna võrdsetel tingimustel kulub sooja vee jahtumiseks ja seejärel külmutamiseks kauem aega. Kuid tuhandeid aastaid kestnud vaatlused ja tänapäevased katsed on näidanud, et ka vastupidi: teatud tingimustes külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi. Teaduskanal Sciencium selgitab seda nähtust:

Nagu ülaltoodud videos selgitatud, on kuuma vee külmumisest kiiremini külmumise nähtus tuntud kui Mpemba efekt, mis on nime saanud Tansaania õpilase Erasto Mpemba järgi, kes valmistas 1963. aastal kooliprojekti raames jäätist. Õpilased pidid koore ja suhkru segu keema ajama, laskma jahtuda ja seejärel sügavkülma panema.

Selle asemel pani Erasto oma segu kohe kuuma peale, ootamata jahtumist. Selle tulemusena oli tema segu 1,5 tunni pärast juba külmunud, kuid teiste õpilaste segud mitte. Nähtusest huvitatud, hakkas Mpemba seda asja uurima koos füüsikaprofessori Denis Osborne’iga ning 1969. aastal avaldasid nad artikli, milles teatasid, et soe vesi külmub kiiremini kui külm vesi. See oli esimene eelretsenseeritud selline uuring, kuid nähtust ennast mainitakse Aristotelese artiklites, mis pärinevad 4. sajandist eKr. NS. Francis Bacon ja Descartes märkisid seda nähtust ka oma uuringutes.

Videol on mitu võimalust toimuva selgitamiseks:

1. Pakane on dielektrik ja seetõttu salvestab külm külm vesi soojust paremini kui soe klaas, mis sulab sellega kokkupuutel jää
2. Külmas vees on rohkem lahustunud gaase kui soojas vees ning teadlased oletavad, et see võib mängida rolli jahutamiskiiruses, kuigi pole veel selge, kuidas
3. Kuum vesi kaotab aurustumise tõttu rohkem veemolekule, seega jääb külmutamiseks vähem
4. Sooja vett saab kiiremini jahutada, suurendades konvektsioonivoolu. Need hoovused tekivad seetõttu, et esiteks jahtub klaasis olev vesi pinnal ja külgedel, sundides külma vett vajuma ja kuuma tõusma. Soojas klaasis on konvektiivvoolud aktiivsemad, mis võivad mõjutada jahutuskiirust.

2016. aastal viidi läbi aga hoolikalt kontrollitud uuring, mis näitas vastupidist: kuum vesi külmutas palju aeglasemalt kui külm vesi. Samal ajal märkasid teadlased, et termopaari - temperatuuri langusi määrava seadme - asukoha muutmine vaid sentimeetri võrra toob kaasa Mpemba efekti. Teiste sarnaste tööde uurimine näitas, et kõigil juhtudel, kui seda efekti täheldati, esines termopaari nihe sentimeetri piires.