1963. aastal esitas Tansaania koolipoiss nimega Erasto Mpemba oma õpetajale rumala küsimuse – miks külmub soe jäätis kiiremini kui külm jäätis tema sügavkülmas?

Erasto Mpemba õppis Tansaanias Magambini keskkoolis praktilist kokatööd. Ta pidi valmistama isetehtud jäätist - keetma piima, lahustama selles suhkur, jahutama toatemperatuurini ja panema siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja venitas ülesande esimese osaga. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi.

Ta pöördus selgituste saamiseks füüsikaõpetaja poole, kuid too ainult naeris õpilase peale, öeldes järgmist: "See pole maailma füüsika, vaid Mpemba füüsika." Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega.

Igal juhul, olles juba Mkwawa keskkooli üliõpilane, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professor Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsika loengut pidama) vee kohta: „Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega, nii et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetate need sügavkülma, siis teises vesi külmub. kiiremini. Miks?" Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldasid nad koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates nimetatakse nende avastatud efekti Mpemba efektiks.

Kas soovite teada, miks see juhtub? Vaid paar aastat tagasi õnnestus teadlastel seda nähtust selgitada ...

Mpemba efekt (Mpemba Paradox) on paradoks, mis väidab, et teatud tingimustel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi, kuigi külmumise käigus peab see läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt vajab kuumem keha samades tingimustes teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui jahedam keha sama temperatuurini jahtumiseks.

Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes. Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peab olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sama efektiga jahtub vesi temperatuuril 100 °C kiiremini 0 °C-ni kui sama kogus vett 35 °C juures.

Sellest ajast peale on avaldatud erinevaid versioone, millest üks oli järgmine: osa kuumast veest algul lihtsalt aurustub ja siis, kui järele jääb väiksem kogus, tahkub vesi kiiremini. See versioon sai oma lihtsuse tõttu kõige populaarsemaks, kuid teadlased polnud sellega täielikult rahul.

Nüüd ütleb Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadlaste meeskond eesotsas keemik Xi Zhangiga, et nad on lahendanud igivana mõistatuse, miks soe vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Nagu Hiina eksperdid välja selgitasid, peitub saladus veemolekulide vahelistes vesiniksidemetes talletatud energia koguses.

Nagu teate, koosnevad veemolekulid ühest hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed, mis osakeste tasemel näeb välja nagu elektronide vahetus. Tuntud tõsiasi on ka see, et vesinikuaatomeid tõmbavad naabermolekulide hapnikuaatomid – tekivad vesiniksidemed.

Samal ajal tõrjuvad veemolekulid tervikuna üksteist. Singapuri teadlased märkasid, et mida soojem on vesi, seda suurem on vedeliku molekulide vaheline kaugus tõukejõudude suurenemise tõttu. Selle tulemusena venivad vesiniksidemed ja säilitavad seetõttu rohkem energiat. See energia vabaneb vee jahtumisel – molekulid lähenevad üksteisele. Ja energia tagastamine, nagu teate, tähendab jahutamist.

Siin on teadlaste püstitatud hüpoteesid:

Aurustumine

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

temperatuuri erinevus

Tulenevalt asjaolust, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride erinevus on suurem - seetõttu on soojusülekanne sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.

hüpotermia
Kui vesi jahutatakse alla 0 °C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi -20°C juures. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui need ei ole vedelas vees, jätkub ülejahutamine, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmub jääks. Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine kõrvaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mida ei ole ülejahutatud, juhtub see, et selle pinnale tekib õhuke jääkiht, mis toimib vee ja külma õhu vahel isolaatorina ning takistab seeläbi edasist aurumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Alajahutusega kuuma vee korral ei ole alajahtunud veel kaitsev pinnakiht jääst. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu palju kiiremini soojust. Kui ülejahutusprotsess lõppeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.
Konvektsioon

Külm vesi hakkab ülevalt külmuma, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt. Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 °C juures. Kui jahutate vett 4°C-ni ja asetate madalama temperatuuriga keskkonda, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendes tingimustes tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb madalamaid veekihte, mille temperatuur püsib 4°C juures. Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suuremate temperatuuride erinevuste tõttu kiiremini. Samuti on külmaveekihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külmaveekiht vajub allapoole, tõstes sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse. Aga miks see protsess tasakaalupunkti ei jõua? Mpemba efekti selgitamiseks konvektsiooni seisukohalt tuleks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4°C. Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid selle hüpoteesi toetuseks, et külma ja kuuma vee kihte eraldab konvektsioon.

vees lahustunud gaasid

Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumispunkti. 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 Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad.

Soojusjuhtivus

See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikusse sügavkülma. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust soojus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata enda all lund. Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – millised neist tagavad Mpemba efekti 100% taasesituse – pole saadud. Nii näiteks uuris saksa füüsik David Auerbach 1995. aastal vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seetõttu kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad. Siiani saab väita ainult üht - selle efekti taastootmine sõltub oluliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.

Ja siin on kõige tõenäolisem põhjus.

Nagu keemikud kirjutavad oma artiklis, mille leiab arXiv.org eeltrükki saidilt, venivad vesiniksidemed kuumas vees tugevamini kui külmas vees. Seega selgub, et kuuma vee vesiniksidemetesse salvestub rohkem energiat, mis tähendab, et miinustemperatuurini jahutamisel eraldub seda rohkem. Sel põhjusel on külmutamine kiirem.

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

Kumb vesi külmub kiiremini, kas kuum või külm, seda mõjutavad paljud tegurid, kuid küsimus ise tundub veidi kummaline. Arusaadavalt ja füüsikast on teada, et kuum vesi vajab jääks muutumiseks veel aega, et jahtuda võrreldava külma vee temperatuurini. Külm vesi võib selle etapi vahele jätta ja vastavalt sellele võidab see õigeaegselt.

Kuid vastust küsimusele, milline vesi külmub pakasega tänaval kiiremini - külm või kuum, teab iga põhjapoolsete laiuskraadide elanik. Tegelikult tuleb teaduslikult välja, et igal juhul peab külm vesi lihtsalt kiiremini külmuma.

Nii tegi ka füüsikaõpetaja, kelle poole pöördus 1963. aastal koolipoiss Erasto Mpemba palvega selgitada, miks tulevase jäätise külm segu külmub kauem kui sarnane, kuid kuum.

"See pole maailma füüsika, vaid mingi Mpemba füüsika"

Toona õpetaja ainult naeris selle peale, aga füüsikaprofessor Deniss Osborne, kes omal ajal käis samas koolis, kus Erasto õppis, kinnitas katseliselt sellise efekti olemasolu, kuigi seletusi sellele siis polnud. . 1969. aastal avaldas populaarteaduslik ajakiri kahe mehe ühise artikli, kes kirjeldasid seda omapärast efekti.

Sellest ajast peale, muide, on küsimusel, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm, oma nimetus - efekt või paradoks, Mpemba.

Küsimus on olnud juba pikka aega

Loomulikult on sellist nähtust varemgi esinenud ja seda on mainitud ka teiste teadlaste töödes. See küsimus ei huvitanud mitte ainult koolipoissi, vaid omal ajal mõtlesid sellele Rene Descartes ja isegi Aristoteles.

Siin on vaid lähenemisviise selle paradoksi lahendamiseks, mida hakati vaatama alles kahekümnenda sajandi lõpus.

Tingimused paradoksi tekkimiseks

Nagu jäätise puhul, ei külmu katse käigus lihtsalt tavaline vesi. Selleks, et hakata vaidlema, kumb vesi külmub kiiremini - külm või kuum, peavad olema teatud tingimused. Mis seda protsessi mõjutab?

Nüüd, 21. sajandil, on välja pakutud mitu võimalust, mis võivad seda paradoksi selgitada. Milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, võib sõltuda sellest, et selle aurustumiskiirus on kõrgem kui külmal. Seega selle maht väheneb ja mahu vähenemisel muutub külmumisaeg lühemaks kui siis, kui võtaksime sarnase algmahu külma vett.

Sügavkülmik on juba ammu sulanud

Milline vesi külmub kiiremini ja miks, seda võib mõjutada lumevooder, mis võib olla katses kasutatud külmiku sügavkülmas. Kui võtta kaks mahult identset anumat, kuid ühes neist on kuum vesi ja teises külm vesi, sulatab kuuma veega anum enda all oleva lume, parandades seeläbi termilise taseme kontakti külmiku seinaga. Külma vee anum ei suuda seda teha. Kui külmkapis sellist lumega vooderdust pole, peaks külm vesi kiiremini külmuma.

Ülemine - alumine

Samuti selgitatakse nähtust, mille kohaselt vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt, järgmiselt. Teatud seaduspärasusi järgides hakkab külm vesi jäätuma ülemistest kihtidest, kui kuum vesi teeb seda vastupidi - hakkab külmuma alt üles. Selgub, et külm vesi, mille peal on külm kiht, mille peal on kohati juba tekkinud jää, halvendab seega konvektsiooni ja soojuskiirguse protsesse, selgitades sellega, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum. Lisatud on foto amatöörkatsetest ja siin on see selgelt nähtav.

Kuumus kustub, kaldudes ülespoole, ja seal kohtub see väga jaheda kihiga. Soojuskiirgusele pole vaba teed, mistõttu jahutusprotsess muutub keeruliseks. Kuuma vee teel pole selliseid tõkkeid. Kumb külmub kiiremini - külm või kuum, millest sõltub tõenäoline tulemus, saate vastust laiendada, öeldes, et igas vees on teatud aineid lahustunud.

Lisandid vee koostises kui tulemust mõjutav tegur

Kui mitte petta ja kasutada sama koostisega vett, kus teatud ainete kontsentratsioonid on identsed, siis külm vesi peaks külmuma kiiremini. Kuid kui tekib olukord, kus lahustunud keemilisi elemente leidub ainult kuumas vees, samas kui külmas vees neid ei ole, on kuumal veel võimalus külmuda varem. Seda seletatakse asjaoluga, et vees lahustunud ained loovad kristallisatsioonikeskused ja nende tsentrite vähese arvu korral on vee muutmine tahkeks olekuks keeruline. Isegi vee ülejahutamine on võimalik selles mõttes, et miinustemperatuuril on see vedelas olekus.

Kuid kõik need versioonid ilmselt teadlastele lõpuni ei sobinud ja nad jätkasid selle probleemi kallal tööd. 2013. aastal ütles Singapuri teadlaste meeskond, et nad on lahendanud igivana mõistatuse.

Rühm Hiina teadlasi väidab, et selle efekti saladus peitub energia hulgas, mis salvestub veemolekulide vahele selle sidemetes, mida nimetatakse vesiniksidemeteks.

Hiina teadlaste vastus

Järgneb lisateave, mille mõistmiseks on vaja mõningaid teadmisi keemiast, et aru saada, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Nagu teate, koosneb see kahest H (vesiniku) aatomist ja ühest O (hapniku) aatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed.

Kuid ühe molekuli vesinikuaatomeid tõmbavad ka naabermolekulid, nende hapnikukomponent. Neid sidemeid nimetatakse vesiniksidemeteks.

Samas tasub meeles pidada, et samal ajal mõjuvad veemolekulid üksteisele tõrjuvalt. Teadlased märkisid, et kui vett kuumutatakse, suureneb selle molekulide vaheline kaugus ja seda soodustavad tõukejõud. Selgub, et külmas olekus molekulide vahel ühe vahemaa hõivamisel võib öelda, et need venivad ja neil on suurem energiavarustus. Just see energiavaru vabaneb siis, kui veemolekulid hakkavad üksteisele lähenema, st toimub jahtumine. Selgub, et suurem energiavaru kuumas vees ja selle suurem vabanemine miinustemperatuurini jahutamisel toimub kiiremini kui külmas vees, mille energiavaru on väiksem. Niisiis, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum? Tänaval ja laboris peaks tekkima Mpemba paradoks ja kuum vesi peaks muutuma kiiremini jääks.

Kuid küsimus on endiselt lahtine

Sellel vihjel on vaid teoreetiline kinnitus – kõik see on ilusate valemitega kirja pandud ja tundub usutav. Kuid kui katseandmed, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm, asetatakse praktilisse tähendusse ja esitatakse nende tulemused, siis on võimalik Mpemba paradoksi küsimust lõpetatuks lugeda.

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

Kuumutatud vesi külmub palju kiiremini kui külm vesi! See vee hämmastav omadus, mille täpset seletust teadlased siiani ei leia, on tuntud juba iidsetest aegadest. Näiteks isegi Aristoteleses on talvise kalapüügi kirjeldus: kalurid pistsid õnge jää aukudesse ja et need kiiremini ära külmuks, kallasid jääle sooja vett. Selle nähtuse nimi sai nime Erasto Mpemba järgi XX sajandi 60ndatel. Mnemba märkas jäätise valmistamisel kummalist efekti ja pöördus selgituse saamiseks oma füüsikaõpetaja dr Denis Osborni poole. Mpemba ja dr Osborne katsetasid erinevatel temperatuuridel vett ja jõudsid järeldusele, et peaaegu keev vesi hakkab külmuma palju kiiremini kui vesi toatemperatuuril. Teised teadlased on teinud oma katseid ja saanud iga kord sarnaseid tulemusi.

Füüsikalise nähtuse seletus

Puudub üldtunnustatud seletus, miks see juhtub. Paljud teadlased viitavad sellele, et kõik on seotud vedeliku ülejahutusega, mis tekib siis, kui selle temperatuur langeb alla külmumispunkti. Ehk kui vesi külmub temperatuuril alla 0°C, siis võib ülejahutatud vee temperatuur olla näiteks -2°C ja jääda jääks muutumata siiski vedelaks. Kui proovime külma vett külmutada, on võimalus, et see muutub alguses ülejahutuks ja kõveneb alles mõne aja pärast. Kuumutatud vees toimuvad muud protsessid. Selle kiirem jääks muutumine on seotud konvektsiooniga.

Konvektsioon- See on füüsiline nähtus, mille korral vedeliku soojad alumised kihid tõusevad ja ülemised, jahutatud, langevad.

Mpemba efekt ehk miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Mpemba efekt (Mpemba Paradoks) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi külmumise käigus peab see läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt vajab kuumem keha samades tingimustes teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui jahedam keha sama temperatuurini jahtumiseks. Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm. Erasto Mpemba õppis Tansaanias Magambini keskkoolis praktilist kokatööd. Ta pidi valmistama isetehtud jäätist - keetma piima, lahustama selles suhkur, jahutama toatemperatuurini ja panema siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja venitas ülesande esimese osaga. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi. Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igatahes, olles juba Mkwawa keskkooli tudeng, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professorilt Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsikaloengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega, nii et ühes neist oleks vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks? Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldasid nad koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates nimetatakse nende avastatud efekti Mpemba efektiks. Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peab olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sama efektiga jahtub vesi temperatuuril 100 °C kiiremini 0 °C-ni kui sama kogus vett 35 °C juures. See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada ka tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta: Aurustumine Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ja väiksem kogus vett samal temperatuuril külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist. Aurustumise mõju on kahekordne. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee massi. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb. Temperatuuride erinevus Tulenevalt sellest, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem – seega on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini. Alajahutus Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõningatel juhtudel võib vesi jääda vedelaks ka temperatuuril -20 C. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide tekketsentreid. Kui need ei ole vedelas vees, jätkub ülejahutamine, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmub jääks. Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine kõrvaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Alajahutusega kuuma vee korral ei ole alajahtunud veel kaitsev pinnakiht jääst. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu palju kiiremini soojust. Kui ülejahutusprotsess lõppeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat. Konvektsioon Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samal ajal kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt. Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , edasine jahutamine on aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Samuti on külmaveekihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külmaveekiht vajub allapoole, tõstes sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse. Aga miks see protsess tasakaalupunkti ei jõua? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast lähtudes võiks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C. Samas puuduvad katseandmed. mis kinnitaks seda hüpoteesi, et külma ja kuuma vee kihte eraldab konvektsioon. Vees lahustunud gaasid Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumispunkti. 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 Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad. Soojusjuhtivus See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse sügavkülmikusse väikestes anumates. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust soojus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata enda all lund. Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – millised neist tagavad Mpemba efekti 100% taasesituse – pole saadud. Nii näiteks uuris saksa füüsik David Auerbach 1995. aastal vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seetõttu kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelneva viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad. Seni saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita. O. V. Mosin

Keemia oli koolis üks mu lemmikaineid. Kord andis keemiaõpetaja meile väga kummalise ja raske ülesande. Ta andis meile nimekirja küsimustest, millele pidime keemia osas vastama. Selle ülesande täitmiseks anti meile mitu päeva ning lubati kasutada raamatukogusid ja muid kättesaadavaid teabeallikaid. Üks neist küsimustest puudutas vee külmumispunkti. Ma ei mäleta täpselt, kuidas see küsimus kõlas, aga see puudutas seda, et kui võtta kaks ühesuurust puidust ämbrit, millest üks on kuuma, teine ​​külma veega (täpselt määratud temperatuuril) ja asetada need. kumb nad teatud temperatuuriga keskkonnas kiiremini külmuvad? Vastus muidugi pakkus end kohe välja - ämber külma vett, aga meile tundus see liiga lihtne. Kuid sellest ei piisanud täieliku vastuse andmiseks, me pidime seda tõestama keemilisest vaatenurgast. Vaatamata kogu oma mõtlemisele ja uurimistööle ei suutnud ma loogilist järeldust teha. Sel päeval otsustasin isegi selle õppetunni vahele jätta, nii et ma ei leidnud kunagi selle mõistatuse lahendust.

Möödusid aastad ja õppisin palju igapäevaseid müüte vee keemis- ja külmumistemperatuuri kohta ning üks müüt ütles: "kuum vesi külmub kiiremini." Vaatasin paljusid veebisaite, kuid teave oli liiga vastuoluline. Ja need olid vaid arvamused, teaduse seisukohalt alusetud. Ja otsustasin oma kogemuse läbi viia. Kuna ma ei leidnud puidust ämbreid, kasutasin sügavkülmikut, pliidiplaati, vett ja digitaalset termomeetrit. Oma kogemuse tulemustest räägin veidi hiljem. Esiteks jagan teiega mõningaid 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 Memba efekt) tõestab teadmata põhjustel vastupidist: kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Üks paljudest seletustest on aurustumisprotsess: kui väga kuum vesi asetada külma keskkonda, hakkab vesi aurustuma (ülejäänud veekogus külmub kiiremini). Ja keemiaseaduste järgi pole see sugugi müüt ja suure tõenäosusega tahtis seda õpetaja meilt kuulda.

Keedetud vesi külmub kiiremini kui kraanivesi. Vaatamata eelnevale selgitusele väidavad mõned eksperdid, et toatemperatuurini jahtunud keedetud vesi peaks külmuma kiiremini, 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 keema kiiremini kui külm vesi. Kuid kasutades keetmiseks kuuma vett, ei säästa te energiat. Võite kasutada vähem gaasi või elektrit, kuid boiler kasutab sama palju energiat kui külma vee soojendamiseks. (Päikeseenergia on veidi erinev.) Veesoojendiga vee soojendamisel võib tekkida sete, mistõttu vee soojenemine võtab kauem aega.

Kui lisada vette soola, läheb see kiiremini keema. Sool tõstab keemistemperatuuri (ja seetõttu langetab külmumistemperatuuri – seepärast lisavad mõned perenaised jäätisele veidi kivisoola). Kuid sel juhul huvitab meid veel üks küsimus: kui kaua vesi keeb ja kas keemistemperatuur võib sel juhul tõusta üle 100 ° C). Vaatamata sellele, mida kokaraamatud ütlevad, väidavad teadlased, et soola kogus, mille lisame keevasse vette, ei ole piisav, et mõjutada keetmise aega ega temperatuuri.

Aga siin on see, mis ma sain:

Külm vesi: kasutasin kolme 100 ml klaasist keeduklaasi puhastatud vett: ühte toatemperatuuri (72 °F/22 °C), ühte kuuma vett (115 °F/46 °C) ja ühte keedetud (212 °F/100 °C). C). Panin kõik kolm klaasi sügavkülma -18°C. Ja kuna teadsin, et vesi ei muutu kohe jääks, määrasin külmumisastme “puuujukiga”. Kui klaasi keskele asetatud pulk enam alust ei puudutanud, uskusin, et vesi on jäätunud. Prille kontrollisin iga viie minuti tagant. Ja millised on minu tulemused? Esimeses klaasis olev vesi külmus 50 minuti pärast. Kuum vesi külmus 80 minuti pärast. Keedetud - 95 minuti pärast. Minu järeldused: Arvestades sügavkülmiku tingimusi ja kasutatud vett, ei suutnud ma Memba efekti taasesitada.

Proovisin seda katset ka eelnevalt keedetud toatemperatuurini jahutatud veega. See külmus 60 minutiga – külmumine võttis ikka kauem aega kui külm vesi.

Keedetud vesi: võtsin liitri toatemperatuuril vett ja panin tulele. Ta keetis 6 minutiga. Seejärel jahutasin uuesti toatemperatuurile ja lisasin kuumale. Sama tulega keetis kuum vesi 4 tunni ja 30 minutiga. Järeldus: nagu oodatud, keeb kuum vesi palju kiiremini.

Keedetud vesi (soolaga): 1 liitrile veele lisasin 2 suurt supilusikatäit lauasoola. See kees 6 minuti 33 sekundiga ja nagu termomeeter näitas, saavutas see temperatuuri 102°C. Kahtlemata mõjutab sool keemistemperatuuri, kuid mitte palju. Järeldus: vees olev sool ei mõjuta oluliselt temperatuuri ja keemisaega. Tunnistan ausalt, et minu kööki on raske laboriks nimetada ja võib-olla on minu järeldused tegelikkusega vastuolus. Minu sügavkülmik võib toidu ebaühtlaselt külmutada. Minu prillid võivad olla ebakorrapärased jne. Kuid ükskõik, mis laboris ka ei juhtuks, köögis vee külmutamise või keetmise puhul on kõige tähtsam terve mõistus.

link huvitavate faktidega vee ja vee kohta
nagu foorumis forum.ixbt.com soovitati, nimetatakse seda efekti (kuuma vee külmutamise mõju külmast veest kiiremini) "Aristotelese-Mpemba efektiks"

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