في هذه المقالة سوف ننظر في السؤال لماذا الماء الساخنيتجمد بشكل أسرع من البرد.
الماء الساخن يتجمد أسرع بكثير من الماء البارد! هذا خاصية مذهلةالماء، وهو تفسير دقيق لا يزال العلماء غير قادرين على العثور عليه، معروف منذ العصور القديمة. على سبيل المثال، حتى في أرسطو، هناك وصف لصيد الأسماك في فصل الشتاء: قام الصيادون بإدخال قضبان الصيد في ثقوب في الجليد، ولكي تتجمد بشكل أسرع، قاموا بسقي الجليد ماء دافئ. سميت هذه الظاهرة باسم إيراستو مبيمبا في الستينيات من القرن العشرين. لاحظ منيمبا تأثيرًا غريبًا أثناء صنع الآيس كريم، فلجأ إلى مدرس الفيزياء الدكتور دينيس أوزبورن للحصول على تفسير. قام مبيمبا والدكتور أوزبورن بتجربة الماء عند درجات حرارة مختلفة وخلصا إلى أن الماء المغلي تقريبًا يبدأ في التجمد بشكل أسرع بكثير من الماء درجة حرارة الغرفة. أجرى علماء آخرون تجاربهم الخاصة وفي كل مرة حصلوا على نتائج مماثلة.
تفسير ظاهرة فيزيائية
لا يوجد تفسير مقبول بشكل عام لسبب حدوث ذلك. يقترح العديد من الباحثين أن بيت القصيد هو التبريد الفائق للسائل، والذي يحدث عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون نقطة التجمد. بمعنى آخر، إذا تجمد الماء عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية، فيمكن أن تبلغ درجة حرارة الماء فائق التبريد، على سبيل المثال، -2 درجة مئوية ويظل سائلاً دون أن يتحول إلى جليد. عندما نحاول تجميد الماء البارد، هناك احتمال أن يصبح شديد البرودة في البداية ولا يتصلب إلا بعد مرور بعض الوقت. تحدث عمليات أخرى في الماء الساخن. يرتبط تحوله الأسرع إلى الجليد بالحمل الحراري.
الحمل الحراري- هذا ظاهرة فيزيائية، حيث ترتفع الطبقات السفلية الدافئة من السائل، وتسقط الطبقات العلوية المبردة.
يعد الماء من أروع السوائل في العالم، حيث يوجد خصائص غير عادية. على سبيل المثال، الجليد، وهو الحالة الصلبة من السائل، له جاذبية نوعية أقل من الماء نفسه، مما جعله إلى حد كبير احتمال حدوثهوتطور الحياة على الأرض. بالإضافة إلى ذلك، هناك مناقشات في العالم العلمي والعلمي الزائف حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخنًا أم باردًا. أي شخص يستطيع إثبات أن السائل الساخن يتجمد بشكل أسرع في ظل ظروف معينة ويثبت حله علميًا سيحصل على مكافأة قدرها 1000 جنيه إسترليني من الجمعية الملكية البريطانية للكيميائيين.
خلفية
حقيقة أنه في ظل عدد من الظروف، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد، لوحظ في العصور الوسطى. لقد بذل فرانسيس بيكون ورينيه ديكارت الكثير من الجهد في شرح هذه الظاهرة. ومع ذلك، من وجهة نظر الهندسة الحرارية الكلاسيكية، لا يمكن تفسير هذه المفارقة، وقد حاولوا التكتم عليها بخجل. كان الدافع لاستمرار النقاش هو قصة غريبة إلى حد ما حدثت للتلميذ التنزاني إيراستو مبيمبا في عام 1963. في أحد الأيام، أثناء درس تحضير الحلويات في مدرسة الطهاة، لم يكن لدى الصبي، المشتت بأشياء أخرى، الوقت الكافي لتبريد خليط الآيس كريم في الوقت المناسب ووضع محلول ساخن من السكر في الحليب في الثلاجة. ولدهشته، تم تبريد المنتج بشكل أسرع إلى حد ما من المنتج الذي لاحظه زملاؤه الممارسون نظام درجة الحرارةصنع الآيس كريم.
في محاولة لفهم جوهر الظاهرة، تحول الصبي إلى مدرس الفيزياء، الذي، دون الخوض في التفاصيل، سخر من تجاربه في الطهي. ومع ذلك، تميز إراستو بمثابرة تحسد عليها وواصل تجاربه ليس على الحليب، بل على الماء. وأصبح مقتنعا أنه في بعض الحالات يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.
بعد دخوله جامعة دار السلام، حضر إراستو مبيمبي محاضرة ألقاها البروفيسور دينيس جي أوزبورن. وبعد الانتهاء منها، حير الطالب العالم بمشكلة تتعلق بمعدل تجمد الماء حسب درجة حرارته. د.ج. سخر أوزبورن من طرح السؤال، وأعلن بكل ثقة أن أي طالب فقير يعرف أن الماء البارد سوف يتجمد بشكل أسرع. ومع ذلك، فإن مثابرة الشاب الطبيعية جعلت نفسها محسوسة. لقد راهن مع الأستاذ، واقترح إجراء اختبار تجريبي هنا في المختبر. وضع إراستو حاويتين من الماء في الثلاجة، أحدهما عند درجة حرارة 95 درجة فهرنهايت (35 درجة مئوية) والآخر عند درجة حرارة 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية). تخيل مفاجأة الأستاذ و"المعجبين" المحيطين به عندما تجمد الماء في الحاوية الثانية بشكل أسرع. ومنذ ذلك الحين، أُطلق على هذه الظاهرة اسم "مفارقة مبيمبا".
ومع ذلك، حتى الآن لا توجد فرضية نظرية متماسكة تشرح "مفارقة مبيمبا". ليس من الواضح أي منها عوامل خارجية, التركيب الكيميائيالماء ووجود الغازات الذائبة فيه و المعادنالتأثير على معدل تجميد السوائل عند درجات حرارة مختلفة. المفارقة في "تأثير مبيمبا" هي أنه يتناقض مع أحد القوانين التي اكتشفها نيوتن والتي تنص على أن زمن تبريد الماء يتناسب طرديا مع الفرق في درجة الحرارة بين السائل والسائل. بيئة. وإذا كانت جميع السوائل الأخرى تخضع تماما لهذا القانون، فإن الماء في بعض الحالات هو استثناء.
لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع؟ت
هناك عدة إصدارات حول سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. أهمها هي:
- يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع، بينما يتناقص حجمه، ويبرد حجم أصغر من السائل بشكل أسرع - عند تبريد الماء من +100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية، تصل الخسائر الحجمية عند الضغط الجوي إلى 15٪؛
- كلما زاد الفرق في درجة الحرارة، كلما زاد الفرق في درجة الحرارة، زادت شدة التبادل الحراري بين السائل والبيئة، لذلك يحدث فقدان حرارة الماء المغلي بشكل أسرع؛
- عندما يبرد الماء الساخن، تتشكل قشرة من الجليد على سطحه، مما يمنع السائل من التجمد والتبخر تمامًا؛
- في درجة حرارة عاليةيتم خلط الماء بالحمل الحراري، مما يقلل من وقت التجميد؛
- تعمل الغازات الذائبة في الماء على خفض درجة التجمد، مما يؤدي إلى إزالة الطاقة اللازمة لتكوين البلورات - ولا توجد غازات ذائبة في الماء الساخن.
وقد تم اختبار كل هذه الشروط بشكل متكرر تجريبيا. وعلى وجه الخصوص، اكتشف العالم الألماني ديفيد أورباخ أن درجة حرارة تبلور الماء الساخن أعلى قليلاً من درجة حرارة الماء البارد، مما يجعل من الممكن أن يتجمد الأول بسرعة أكبر. ومع ذلك، تعرضت تجاربه لاحقًا لانتقادات وأصبح العديد من العلماء مقتنعين بأن "تأثير مبيمبا"، الذي يحدد أي الماء يتجمد بشكل أسرع - ساخنًا أم باردًا، لا يمكن إعادة إنتاجه إلا في ظل ظروف معينة، لم يبحث عنها أحد ويحددها حتى الآن.
تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في بعض الظروف يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يجب أن يتجاوز درجة حرارة الماء البارد في عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتناقض مع الأفكار المعتادة، والتي بموجبها، في ظل نفس الظروف، يستغرق الجسم الأكثر حرارة وقتًا أطول ليبرد إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالجسم الأقل حرارة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.
وقد لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الظاهرة في وقت واحد، ولكن في عام 1963 فقط اكتشف تلميذ المدرسة التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من الخليط البارد.
كونه طالبا في Magambinskaya المدرسة الثانويةفي تنزانيا فعل إراستو مبيمبا العمل التطبيقيفي الطبخ. كان بحاجة إلى صنع الآيس كريم محلي الصنع - غلي الحليب، وحل السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا بشكل خاص وتأخر في إكمال الجزء الأول من المهمة. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، فقد تجمد حتى قبل أن يتجمد حليب رفاقه المحضر وفقًا للتقنية المحددة.
بعد ذلك، لم يجرب مبيمبا الحليب فحسب، بل جربه أيضًا الماء العادي. على أية حال، عندما كان طالبًا في مدرسة مكوافا الثانوية، سأل البروفيسور دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعاه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) تحديدًا عن الماء: "إذا أخذت حاويتين متطابقتين مع أحجام متساويةالماء بحيث تكون درجة حرارة الماء في أحدهما 35 درجة مئوية، وفي الآخر - 100 درجة مئوية، ووضعهما في الثلاجة، ثم في الثانية سوف يتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذا السؤال وسرعان ما نشر هو ومبيمبا نتائج تجاربهما في مجلة تعليم الفيزياء في عام 1969. ومنذ ذلك الحين، أصبح التأثير الذي اكتشفوه يسمى تأثير مبيمبا.
وحتى الآن، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. ليس لدى العلماء نسخة واحدة، على الرغم من وجود الكثير. الأمر كله يتعلق بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد، ولكن ليس من الواضح بعد ما هي الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الفرق في التبريد الفائق، أو التبخر، أو تكوين الجليد، أو الحمل الحراري، أو تأثير الغازات المسالة على الماء عند درجة حرارة منخفضة. درجات حرارة مختلفة.
المفارقة في تأثير مبيمبا هي أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع الفرق في درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. لقد وضع نيوتن هذا القانون وتم تأكيده عدة مرات منذ ذلك الحين في الممارسة العملية. في هذا التأثير، يبرد الماء الذي تبلغ درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية أسرع من نفس الكمية من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية.
ومع ذلك، فإن هذا لا يعني وجود مفارقة حتى الآن، حيث يمكن أيضًا تفسير تأثير مبيمبا ضمن هذا الإطار عالم فيزياء مشهور. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:
تبخر
يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية، وبالتالي يقلل حجمه، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع. الماء الذي يتم تسخينه إلى 100 درجة مئوية يفقد 16% من كتلته عند تبريده إلى درجة صفر مئوية.
تأثير التبخر هو تأثير مزدوج. أولاً، تتناقص كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً: تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة التبخر للانتقال من الطور المائي إلى الطور البخاري.
الفرق في درجة الحرارة
بسبب اختلاف درجات الحرارة بين الماء الساخنويوجد هواء بارد أكثر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.
انخفاض حرارة الجسم
عندما يبرد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية، فإنه لا يتجمد دائمًا. في بعض الظروف، يمكن أن يتعرض للتبريد الفائق، ويستمر في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. في بعض الحالات، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.
والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التشكل، هناك حاجة إلى مراكز تكوين البلورات. إذا لم تكن موجودة في الماء السائل، فسوف يستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية لتشكل البلورات تلقائيًا. عندما تبدأ في التشكل في السائل فائق التبريد، ستبدأ في النمو بشكل أسرع، وتشكل جليدًا ذائبًا، والذي سيتجمد ليشكل جليدًا.
الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض حرارة الجسم لأن تسخينه يزيل الغازات والفقاعات الذائبة، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.
لماذا يؤدي انخفاض حرارة الجسم إلى تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة ماء بارد، وهو ليس فائق التبريد، يحدث ما يلي. في هذه الحالة، سوف تتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل هذه الطبقة من الجليد كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن المعرض للتبريد الفائق، لا يحتوي الماء فائق التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. ولذلك، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع بكثير من خلال الجزء العلوي المفتوح.
عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي يتكون المزيد من الجليد.
يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.
الحمل الحراري
يبدأ الماء البارد بالتجمد من الأعلى، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة، بينما يبدأ الماء الساخن بالتجمد من الأسفل.
ويفسر هذا التأثير بوجود شذوذ في كثافة الماء. تبلغ كثافة الماء الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في درجة حرارة أقل، فإن الطبقة السطحية من الماء سوف تتجمد بشكل أسرع. ولأن هذا الماء أقل كثافة من الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية، فإنه سيبقى على السطح مكونًا طبقة رقيقة باردة. وفي ظل هذه الظروف، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء خلال فترة قصيرة، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل، حيث تحمي الطبقات السفلية من الماء، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. ولذلك، فإن عملية التبريد الإضافية ستكون أبطأ.
أما في حالة الماء الساخن فالوضع مختلف تماما. سوف تبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر وزيادة اختلاف درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن، وبالتالي فإن طبقة الماء البارد سوف تغوص إلى الأسفل، مما يؤدي إلى رفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن تداول الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.
لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير مبيمبا من وجهة نظر الحمل الحراري، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة منفصلة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية.
ومع ذلك، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة يتم فصلها عن طريق عملية الحمل الحراري.
الغازات الذائبة في الماء
يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. ولهذه الغازات القدرة على تقليل درجة تجمد الماء. عند تسخين الماء، تنطلق هذه الغازات من الماء لأن قابلية ذوبانها في الماء تكون أقل عند درجات الحرارة المرتفعة. لذلك، عندما يبرد الماء الساخن، فإنه يحتوي دائمًا على غازات مذابة أقل من الماء البارد غير المسخن. ولذلك، فإن نقطة تجمد الماء الساخن أعلى ويتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل في بعض الأحيان هو العامل الرئيسي في تفسير تأثير مبيمبا، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.
توصيل حراري
يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عند وضع الماء في حجرة الثلاجة والفريزر في حاويات صغيرة. وفي ظل هذه الظروف لوحظ أن وعاء من الماء الساخن يذيب الجليد الموجود في الفريزر الموجود أسفله، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري مع جدار الفريزر والتوصيل الحراري. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن بشكل أسرع من وعاء الماء البارد. وفي المقابل، فإن وعاء به ماء بارد لا يذيب الثلج الموجود تحته.
تمت دراسة كل هذه الظروف (وكذلك غيرها) في العديد من التجارب، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة مائة بالمائة لتأثير مبيمبا - لم يتم الحصول عليها مطلقًا.
على سبيل المثال، في عام 1995، قام الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ بدراسة تأثير الماء فائق التبريد على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق بشكل أسرع من الماء الساخن، وبالتالي يعوض التأخر السابق.
بالإضافة إلى ذلك، تناقضت نتائج أورباخ مع البيانات السابقة التي تقول إن الماء الساخن كان قادرًا على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب عدد أقل من مراكز التبلور. عند تسخين الماء تخرج منه الغازات الذائبة فيه، وعند غليه تترسب بعض الأملاح الذائبة فيه.
في الوقت الحالي، من الممكن ذكر شيء واحد فقط - إن استنساخ هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.
O. V. موسين
الأدبيةمصادر:
"يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. لماذا يتجمد؟"، جيرل ووكر في عالم الهواة، مجلة ساينتفيك أمريكان، المجلد. 237، رقم. 3، ص 246-257؛ سبتمبر 1977.
"تجميد الماء الساخن والبارد"، ج.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 37، لا. 5، ص 564-565؛ مايو 1969.
"التبريد الفائق و التأثير مبيمبا"، ديفيد أورباخ، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد 63، العدد 10، الصفحات 882-885؛ أكتوبر 1995.
"تأثير مبيمبا: أوقات التجمد الساخنة و باردالماء"، تشارلز أ. نايت، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد 64، العدد 5، ص 524؛ مايو 1996.
لقد طرح العديد من الباحثين ويطرحون إصداراتهم الخاصة حول سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. قد يبدو الأمر وكأنه مفارقة - لأنه من أجل التجميد، يحتاج الماء الساخن أولاً إلى التبريد. ومع ذلك، تظل الحقيقة حقيقة، ويفسرها العلماء بطرق مختلفة.
الإصدارات الرئيسية
على هذه اللحظةهناك عدة إصدارات تشرح هذه الحقيقة:
- ولأن الماء الساخن يتبخر بشكل أسرع، فإن حجمه يقل. ويحدث تجميد كمية أقل من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع.
- تحتوي حجرة التجميد في الثلاجة على بطانة ثلجية. وعاء يحتوي على ماء ساخن يذيب الثلج الموجود تحته. وهذا يحسن الاتصال الحراري مع الفريزر.
- تجميد الماء البارد، على عكس الماء الساخن، يبدأ من الأعلى. في الوقت نفسه، يتفاقم الحمل الحراري والإشعاع الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة.
- يحتوي الماء البارد على مراكز تبلور - مواد مذابة فيه. إذا كان محتواها من الماء صغيرا، فإن الجليد أمر صعب، على الرغم من أن التبريد الفائق ممكن - عندما تكون في درجات حرارة دون الصفر لديها حالة سائلة.
على الرغم من الإنصاف يمكننا القول أن هذا التأثير لا يتم ملاحظته دائمًا. في كثير من الأحيان، يتجمد الماء البارد بشكل أسرع من الماء الساخن.
في أي درجة حرارة يتجمد الماء
لماذا يتجمد الماء اصلا؟ أنه يحتوي على كمية معينة من الجزيئات المعدنية أو العضوية. يمكن أن تكون هذه، على سبيل المثال، جزيئات صغيرة جدًا من الرمل أو الغبار أو الطين. ومع انخفاض درجة حرارة الهواء، تكون هذه الجسيمات هي المراكز التي تتشكل حولها بلورات الجليد.
ويمكن أيضًا أن تلعب فقاعات الهواء والشقوق الموجودة في الحاوية التي تحتوي على الماء دور نوى التبلور. تتأثر سرعة عملية تحويل الماء إلى الجليد إلى حد كبير بعدد هذه المراكز - إذا كان هناك الكثير منها، فإن السائل يتجمد بشكل أسرع. في ظل الظروف العادية، مع وضعها الطبيعي الضغط الجويويتحول الماء إلى الحالة الصلبة من السائل عند درجة حرارة 0 درجة.
جوهر تأثير مبيمبا
إن تأثير مبيمبا هو مفارقة، جوهرها هو أنه في ظل ظروف معينة، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. وقد لاحظ أرسطو وديكارت هذه الظاهرة. ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1963 عندما قرر التلميذ التنزاني إيراستو مبيمبا أن الآيس كريم الساخن يستغرق وقتًا أطول للتجميد. وقت قصيرمن البرد. لقد توصل إلى هذا الاستنتاج أثناء إكمال مهمة الطبخ.
كان عليه أن يذوب السكر في الحليب المسلوق، وبعد تبريده، ضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا مجتهدًا بشكل خاص وبدأ في إكمال الجزء الأول من المهمة في وقت متأخر. ولذلك، لم ينتظر الحليب حتى يبرد، ووضعه في الثلاجة ساخناً. لقد كان متفاجئًا للغاية عندما تجمد بشكل أسرع من زملائه الذين كانوا يقومون بالعمل وفقًا للتكنولوجيا المحددة.
هذه الحقيقة أثارت اهتمام الشاب كثيرًا، وبدأ بإجراء تجارب على الماء العادي. في عام 1969، نشرت مجلة تعليم الفيزياء نتائج البحث الذي أجراه مبيمبا والبروفيسور دينيس أوزبورن من جامعة دار السلام. التأثير الذي وصفوه أطلق عليه اسم مبيمبا. لكن حتى اليوم لا يوجد تفسير واضح لهذه الظاهرة. ويتفق جميع العلماء على أن الدور الرئيسي في ذلك يعود إلى الاختلافات في خصائص الماء البارد والساخن، ولكن ما هو غير معروف بالضبط.
نسخة سنغافورة
كان الفيزيائيون من إحدى جامعات سنغافورة مهتمين أيضًا بمسألة أي الماء يتجمد بشكل أسرع - ساخن أم بارد؟ وأوضح فريق من الباحثين بقيادة شي تشانغ هذه المفارقة على وجه التحديد من خلال خصائص الماء. يعلم الجميع تكوين الماء من المدرسة - ذرة أكسجين وذرتين هيدروجين. يسحب الأكسجين إلى حد ما الإلكترونات بعيدًا عن الهيدروجين، وبالتالي فإن الجزيء هو نوع معين من "المغناطيس".
ونتيجة لذلك، تنجذب بعض الجزيئات الموجودة في الماء قليلاً لبعضها البعض وتتحد بواسطة رابطة هيدروجينية. قوتها أقل بعدة مرات من الرابطة التساهمية. يعتقد الباحثون السنغافوريون أن تفسير مفارقة مبيمبا يكمن بالتحديد في الروابط الهيدروجينية. إذا تم وضع جزيئات الماء معًا بإحكام شديد، فإن مثل هذا التفاعل القوي بين الجزيئات يمكن أن يشوه الرابطة التساهمية في منتصف الجزيء نفسه.
ولكن عندما يتم تسخين الماء، تتحرك الجزيئات المرتبطة ببعضها بعيدًا قليلاً عن بعضها البعض. ونتيجة لذلك، يحدث استرخاء الروابط التساهمية في وسط الجزيئات مع إطلاق الطاقة الزائدة والانتقال إلى مستوى أقل مستوى الطاقة. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن الماء الساخن يبدأ في التبريد بسرعة. على الأقل هذا ما تظهره الحسابات النظرية التي أجراها العلماء السنغافوريون.
تجميد الماء على الفور – 5 حيل مذهلة: فيديو
كانت الكيمياء إحدى المواد المفضلة لدي في المدرسة. ذات مرة كلفنا مدرس الكيمياء بمهمة غريبة وصعبة للغاية. لقد أعطانا قائمة بالأسئلة التي كان علينا الإجابة عليها فيما يتعلق بالكيمياء. لقد تم منحنا عدة أيام لهذه المهمة وتم السماح لنا باستخدام المكتبات ومصادر المعلومات الأخرى المتاحة. أحد هذه الأسئلة يتعلق بنقطة تجمد الماء. لا أتذكر بالضبط كيف بدا السؤال، لكنه كان يدور حول ماذا لو أخذت دلوين خشبيين نفس الحجم، أحدهما بالماء الساخن، والآخر بالماء البارد (عند درجة الحرارة المحددة بالضبط)، ووضعهما في بيئة ذات درجة حرارة معينة، أيهما سيتجمد بشكل أسرع؟ بالطبع، اقترحت الإجابة على الفور - دلو من الماء البارد، لكننا اعتقدنا أنه كان بسيطا للغاية. ولكن هذا لم يكن كافيا لإعطاء إجابة كاملة، وكان علينا إثبات ذلك من وجهة نظر كيميائية. وعلى الرغم من كل تفكيري وأبحاثي، لم أتمكن من التوصل إلى نتيجة منطقية. حتى أنني قررت تخطي هذا الدرس في ذلك اليوم، لذلك لم أتعلم حل هذا اللغز أبدًا.
ومرت السنوات، وتعلمت الكثير من الأساطير اليومية حول درجة غليان وتجمد الماء، وكانت إحدى الأساطير تقول: “الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع”. لقد بحثت في العديد من المواقع، ولكن المعلومات كانت متضاربة للغاية. وكانت هذه مجرد آراء لا أساس لها من الناحية العلمية. وقررت أن أقضي تجربتي الخاصة. وبما أنني لم أتمكن من العثور على دلاء خشبية، فقد استخدمت الفريزر والموقد وبعض الماء ومقياس الحرارة الرقمي. سأخبركم عن نتائج تجربتي بعد قليل. أولاً، سأشارككم بعض الحجج المثيرة للاهتمام حول الماء:
يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. يقول معظم الخبراء أن الماء البارد سوف يتجمد بشكل أسرع من الماء الساخن. لكن هناك ظاهرة مضحكة (ما يسمى بتأثير ميمبا)، لأسباب غير معروفة، تثبت العكس: الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد. أحد التفسيرات المتعددة هو عملية التبخر: إذا تم وضع ماء ساخن جدًا في بيئة باردة، سيبدأ الماء في التبخر (سوف تتجمد الكمية المتبقية من الماء بشكل أسرع). وبحسب قوانين الكيمياء فهذه ليست أسطورة على الإطلاق، وعلى الأغلب هذا ما أراد المعلم أن يسمعه منا.
يتجمد الماء المغلي بشكل أسرع ماء الصنبور. وعلى الرغم من التفسير السابق، يرى بعض الخبراء ذلك ماء مغليعند تبريده إلى درجة حرارة الغرفة، يجب أن يتجمد بشكل أسرع لأن الغليان يقلل من كمية الأكسجين.
الماء البارد يغلي أسرع من الماء الساخن. إذا كان الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع، فربما يغلي الماء البارد بشكل أسرع! وهذا يتناقض الفطرة السليمةويقول العلماء أن هذا ببساطة لا يمكن أن يكون. يجب أن يغلي ماء الصنبور الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. لكن استخدام الماء الساخن للغليان لا يوفر الطاقة. يمكنك استخدام كمية أقل من الغاز أو الضوء، لكن سخان المياه سيستخدم نفس كمية الطاقة اللازمة لتسخين الماء البارد. (مع الطاقة الشمسية الوضع مختلف قليلاً). نتيجة لتسخين الماء بواسطة سخان الماء، قد تظهر رواسب، وبالتالي سيستغرق الماء وقتا أطول ليسخن.
إذا أضفت الملح إلى الماء، فسوف يغلي بشكل أسرع. يزيد الملح من درجة الغليان (وبالتالي يخفض درجة التجمد - ولهذا السبب تضيف بعض ربات البيوت القليل من الملح إلى الآيس كريم الخاص بهن). الملح الصخري). لكننا في في هذه الحالةأنا مهتم بسؤال آخر: كم من الوقت سيستغرق الماء حتى يغلي وما إذا كانت نقطة الغليان في هذه الحالة يمكن أن ترتفع فوق 100 درجة مئوية). رغم ما هو مكتوب فيه كتب الطبخويقول العلماء إن كمية الملح التي نضيفها إلى الماء المغلي لا تكفي للتأثير على وقت الغليان أو درجة حرارته.
ولكن هنا ما حصلت عليه:
الماء البارد: استخدمت ثلاثة أكواب زجاجية سعة 100 مل من الماء النقي: كوب واحد بدرجة حرارة الغرفة (72 درجة فهرنهايت/22 درجة مئوية)، وواحد به ماء ساخن (115 درجة فهرنهايت/46 درجة مئوية)، وواحد به ماء مغلي (212 درجة مئوية). درجة فهرنهايت/100 درجة مئوية). لقد وضعت الكؤوس الثلاثة في الثلاجة عند -18 درجة مئوية. وبما أنني كنت أعرف أن الماء لن يتحول على الفور إلى الجليد، فقد حددت درجة التجميد باستخدام "عوامة خشبية". عندما لم تعد العصا الموضوعة في وسط الكوب تلامس القاعدة، اعتبرت أن الماء متجمد. لقد قمت بفحص النظارات كل خمس دقائق. وما هي نتائجي؟ تجمد الماء في الكوب الأول بعد 50 دقيقة. تجمد الماء الساخن بعد 80 دقيقة. مسلوق - بعد 95 دقيقة. النتائج التي توصلت إليها: نظرًا لظروف الفريزر والمياه التي استخدمتها، لم أتمكن من إعادة إنتاج تأثير ميمبا.
لقد قمت أيضًا بتجربة هذه التجربة سابقًا ماء مغلي، يبرد إلى درجة حرارة الغرفة. لقد تجمد في غضون 60 دقيقة - ولا يزال يستغرق وقتًا أطول من الماء البارد للتجميد.
الماء المغلي: أخذت لتراً من الماء بدرجة حرارة الغرفة ووضعته على النار. تم غليه في 6 دقائق. ثم قمت بتبريده مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة وأضفته إليه وهو ساخن. بنفس النار، تم غلي الماء الساخن في 4 ساعات و30 دقيقة. الخلاصة: كما هو متوقع، الماء الساخن يغلي بشكل أسرع بكثير.
ماء مغلي (مع الملح): أضفت 2 ملاعق كبيرةملح الطعام لكل 1 لتر من الماء. وقد غلي في 6 دقائق و33 ثانية، وكما أظهر مقياس الحرارة وصلت درجة الحرارة إلى 102 درجة مئوية. مما لا شك فيه أن الملح يؤثر على درجة الغليان، ولكن ليس كثيرا. الخلاصة: الملح في الماء لا يؤثر بشكل كبير على درجة الحرارة ووقت الغليان. أعترف بصدق أنه من الصعب وصف مطبخي بالمختبر، وربما تتعارض استنتاجاتي مع الواقع. قد لا يقوم المُجمد الخاص بي بتجميد الطعام بشكل متساوٍ. ربما كانت نظارتي الزجاجية ذات شكل غير منتظم، وما إلى ذلك. ولكن بغض النظر عما يحدث ظروف المختبر، متى نحن نتحدث عنعندما يتعلق الأمر بتجميد أو غلي الماء في المطبخ، فإن الشيء الأكثر أهمية هو المنطق السليم.
ربط مع حقائق مثيرة للاهتمام حول المياهكل شيء عن الماء
كما هو مقترح في المنتدى forum.ixbt.com، هذا التأثير (تأثير تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد) يسمى "تأثير أرسطو-مبيمبا"
أولئك. يتجمد الماء المغلي (المبرد) بشكل أسرع من الماء "الخام".