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 Osborne'i 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 iga kord on nad saanud sarnaseid tulemusi.

Füüsikalise nähtuse seletus

Puudub üldtunnustatud seletus, miks see juhtub. Paljud teadlased väidavad, 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 hakkab alguses ülejahtuma 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.

Paljud teadlased on esitanud ja esitavad oma versioonid, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Tundub paradoksaalne – külmumiseks peab kuum vesi ju kõigepealt maha jahtuma. Kuid fakt jääb faktiks ja teadlased selgitavad seda erineval viisil.

Peamised versioonid

Praegu on seda fakti selgitavad mitmed versioonid:

1. Kuna kuumas vees aurustub kiiremini, väheneb selle maht. Väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini.
2. Külmiku sügavkülmkambril on lumevooder. Kuuma vett sisaldav anum sulatab selle all oleva lume. See parandab termilist kontakti sügavkülmikuga.
3. Külma vee külmutamine, erinevalt kuumast, algab ülalt. Sel juhul süvenevad konvektsioon ja soojuskiirgus ning sellest tulenevalt ka soojuskadu.
4. Külmas vees on kristallisatsioonikeskused - selles lahustunud ained. Nende väikese veesisaldusega on jäätumine keeruline, kuigi samal ajal on võimalik seda ülejahutada - kui see on miinustemperatuuril vedelas olekus.

Kuigi ausalt öeldes võib öelda, et seda mõju ei täheldata alati. Külm vesi külmub sageli kiiremini kui kuum vesi.

Mis temperatuuril vesi külmub

Miks vesi üldse külmub? See sisaldab teatud koguses mineraalseid või orgaanilisi osakesi. Need võivad olla näiteks väga peened liiva-, tolmu- või saviosakesed. Õhutemperatuuri langedes muutuvad need osakesed keskusteks, mille ümber tekivad jääkristallid.

Kristallisatsioonituumade rolli võivad täita ka õhumullid ja praod vett sisaldavas anumas. Vee jääks muutumise protsessi kiirust mõjutab suuresti selliste keskuste arv – kui neid on palju, külmub vedelik kiiremini. Tavalistes tingimustes, normaalse atmosfäärirõhu juures, läheb vesi temperatuuril 0 kraadi vedelikust tahkesse olekusse.

Mpemba efekti olemus

Mpemba efekti mõistetakse paradoksina, mille olemus seisneb selles, et teatud asjaoludel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi. Seda nähtust märkasid Aristoteles ja Descartes. Kuid alles 1963. aastal tegi Tansaaniast pärit koolipoiss Erasto Mpemba kindlaks, et kuum jäätis külmub lühema ajaga kui külm jäätis. Sellise järelduse tegi ta toiduvalmistamise ülesannet täites.

Ta pidi suhkru keedetud piimas lahustama ja pärast jahutamist külmkappi külmuma panema. Ilmselt ei erinenud Mpemba erilise hoolsuse poolest ja hakkas ülesande esimest osa täitma hilja. Seetõttu ei oodanud ta piima jahtumist, vaid pani selle kuumalt külmkappi. Suur oli tema üllatus, kui see külmus isegi kiiremini kui klassikaaslastel, kes tegid tööd etteantud tehnoloogia järgi.

See asjaolu huvitas noormeest väga ja ta alustas katseid tavalise veega. 1969. aastal avaldas ajakiri Physics Education Mpemba ja Dar es Salaami ülikooli professori Dennis Osborni uurimistöö tulemused. Nende kirjeldatud efektile anti nimi Mpemba. Kuid isegi tänapäeval pole nähtusel selget seletust. Kõik teadlased nõustuvad, et peamine roll selles on jahutatud ja kuuma vee omaduste erinevustel, kuid mis täpselt, pole teada.

Singapuri versioon

Ka ühe Singapuri ülikooli füüsikuid huvitas küsimus, kumb vesi külmub kiiremini – kuum või külm? Xi Zhangi juhitud teadlaste rühm selgitas seda paradoksi täpselt vee omadustega. Kõik teavad veel kooliajast vee koostist – hapnikuaatom ja kaks vesinikuaatomit. Hapnik tõmbab mingil määral vesinikust elektrone, seega on molekul teatud tüüpi "magnet".

Selle tulemusena tõmbuvad teatud molekulid vees üksteise poole kergelt ja neid ühendab vesinikside. Selle tugevus on mitu korda väiksem kui kovalentsel sidemel. Singapuri teadlased usuvad, et Mpemba paradoksi seletus peitub just vesiniksidemetes. Kui veemolekulid asetsevad üksteisele väga tihedalt, võib nii tugev molekulidevaheline interaktsioon deformeerida molekuli enda keskel asuva kovalentse sideme.

Kuid kui vett kuumutatakse, liiguvad seotud molekulid üksteisest veidi eemale. Selle tulemusena toimub molekulide keskel kovalentsete sidemete lõdvenemine koos liigse energia tagasitulekuga ja üleminekuga madalaimale energiatasemele. See toob kaasa asjaolu, et kuum vesi hakkab kiiresti jahtuma. Vähemalt nii näitavad Singapuri teadlaste teostatud teoreetilised arvutused.

Vee kiire külmutamine – 5 uskumatut nippi: video

Kuuma vee tahkumise nähtust kiiremini kui külmas vees tuntakse teaduses Mpemba efektina. Sellised suurkujud nagu Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes mõtisklesid selle paradoksaalse nähtuse üle, kuid aastatuhandeid pole keegi veel suutnud sellele nähtusele mõistlikku seletust pakkuda.

Alles 1963. aastal märkas seda efekti jäätise näitel Tanganjika vabariigi koolipoiss Erasto Mpemba, kuid keegi täiskasvanutest ei andnud talle selgitust. Sellegipoolest mõtlesid füüsikud ja keemikud tõsiselt sellise lihtsa, kuid nii arusaamatu nähtuse peale.

Sellest ajast peale on avaldatud erinevaid versioone, millest üks oli selline: 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. Veel üks tuntud tõsiasi on see, et vesinikuaatomeid tõmbavad ligi naabermolekulide hapnikuaatomid – see moodustab vesiniksidemeid.

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.

Nagu keemikud kirjutavad oma artiklis, mille võib leida eeltrükki saidilt arXiv.org, 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.

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 sama temperatuuriga vett 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 üleminekul väheneb aurustumissoojus. Temperatuuride erinevus Tulenevalt sellest, et sooja 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 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, 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. Alajahutust läbiva 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 mõju uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat. Konvektsioon Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning sellest tulenevalt soojuskadu, samas 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

Tundub selge, et külm vesi külmub kiiremini kui kuum vesi, kuna võrdsetel tingimustel võtab kuuma vee jahtumine ja seejärel külmumine kauem aega. Kuid tuhandeid aastaid kestnud vaatlused ja ka kaasaegsed katsed on näidanud, et tõsi on ka vastupidine: teatud tingimustel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi. Teaduskanal Sciencium selgitab seda nähtust:

Nagu ülaltoodud videos selgitatud, on nähtus, kus kuum vesi külmub külmast kiiremini, tuntud kui Mpemba efekt, mis sai nime Tansaaniast pärit õpilase Erasto Mpemba järgi, kes valmistas 1963. aastal kooliprojekti raames jäätist. Õpilased pidid koore ja suhkru segu keema, laskma jahtuda ja seejärel sügavkülma panna.

Selle asemel sättis Erasto oma segu korraga kuumaks, ootamata, kuni see jahtub. Selle tulemusena oli tema segu 1,5 tunni pärast juba külmunud, kuid teiste õpilaste segud mitte. Nähtusest huvitatud Mpemba hakkas seda küsimust uurima koos füüsikaprofessor Denis Osborne'iga ja 1969. aastal avaldasid nad artikli, milles öeldakse, et soe vesi külmub kiiremini kui külm vesi. See oli esimene sedalaadi eelretsenseeritud uurimus, kuid nähtust ennast mainitakse Aristotelese paberites, mis pärinevad 4. sajandist eKr. e. Seda nähtust märkisid oma uurimustes ka Francis Bacon ja Descartes.

Videos on mitu võimalust toimuva selgitamiseks:

1. Härmatis on dielektrik ja seetõttu salvestab härmas külm vesi soojust paremini kui soe klaas, mis sulatab sellega kokkupuutel jää.
2. Külmas vees on rohkem lahustunud gaase kui soojas vees ja teadlased oletavad, et see võib mängida rolli jahtumise kiiruses, kuigi pole veel selge, kuidas.
3. Kuum vesi kaotab aurustumisel rohkem veemolekule, mistõttu jääb vähem külmuma
4. Soe vesi võib suurenenud konvektiivvoolude tõttu kiiremini jahtuda. Need hoovused tekivad seetõttu, et klaasis olev vesi jahtub esmalt pinnal ja külgedel, mistõttu külm vesi vajub ja kuum vesi tõuseb. Soojas klaasis on konvektiivsed voolud aktiivsemad, mis võib mõjutada jahutuskiirust.

2016. aastal viidi aga läbi hoolikalt kontrollitud uuring, mis näitas vastupidist: kuum vesi külmus palju aeglasemalt kui külm vesi. Samal ajal märkasid teadlased, et termopaari – temperatuuri erinevusi määrava seadme – asukoha muutmine vaid sentimeetri võrra viib Mpemba efekti ilmnemiseni. Teiste sarnaste tööde uurimine näitas, et kõigil juhtudel, kui seda efekti täheldati, toimus termopaari nihkumine sentimeetri piires.