ماء- مادة بسيطة إلى حد ما من وجهة نظر كيميائية ، ومع ذلك ، لها عدد من الخصائص غير العادية التي لا تتوقف أبدًا عن إبهار العلماء. فيما يلي بعض الحقائق التي يعرفها القليل من الناس.
1. أي ماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟
خذ إناءين من الماء: صب الماء الساخن في إحداهما والماء البارد في الأخرى ، وضعيهما في الفريزر. سوف يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه منطقياً ، يجب أن يتحول الماء البارد إلى جليد أولاً: بعد كل شيء ، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة حرارة باردة ، ثم يتحول إلى ثلج ، بينما الماء البارد لا يحتاج إلى التبريد. لماذا يحدث هذا؟
في عام 1963 ، لاحظ طالب تنزاني يدعى Erasto B. Mpemba ، أثناء تجميد خليط محضر من الآيس كريم ، أن المزيج الساخن يتجمد بشكل أسرع في المجمد من المزيج البارد. عندما شارك الشاب اكتشافه مع مدرس الفيزياء ، سخر منه فقط. لحسن الحظ ، كان الطالب مثابرًا وأقنع المعلم بإجراء تجربة ، والتي أكدت اكتشافه: في ظل ظروف معينة ، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.
الآن تسمى ظاهرة تجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد " تأثير مبيمبا". صحيح ، قبله بفترة طويلة ، لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الخاصية الفريدة للمياه.
لا يفهم العلماء تمامًا طبيعة هذه الظاهرة ، ويشرحونها إما باختلاف انخفاض حرارة الجسم ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسيلة على الماء الساخن والبارد.
2. إنها قادرة على التجميد على الفور
الجميع يعرف هذا ماءيتحول دائمًا إلى جليد عند التبريد إلى 0 درجة مئوية ... إلا في بعض الحالات! مثل هذه الحالة ، على سبيل المثال ، هي التبريد الفائق ، وهي خاصية الماء النقي جدًا ليظل سائلاً حتى عند تبريده إلى درجة حرارة أقل من درجة التجمد. تصبح هذه الظاهرة ممكنة بسبب حقيقة أن البيئة لا تحتوي على مراكز تبلور أو نوى يمكن أن تثير تكوين بلورات الجليد. وهكذا يبقى الماء في صورة سائلة ، حتى عند تبريده إلى درجات حرارة أقل من صفر درجة مئوية.
عملية التبلوريمكن استفزازها ، على سبيل المثال ، عن طريق فقاعات الغاز ، والشوائب (التلوث) ، وسطح الحاوية غير المستوي. بدونها ، سيبقى الماء في حالة سائلة. عندما تبدأ عملية التبلور ، يمكنك مشاهدة كيف يتحول الماء شديد التبريد على الفور إلى ثلج.
لاحظ أن الماء "شديد السخونة" يظل سائلاً أيضًا حتى عند تسخينه فوق درجة غليانه.
3. 19 دولة من الماء
بدون تردد ، حدد عدد الدول المختلفة للمياه؟ إذا أجبت بثلاثة: صلب ، سائل ، غازي ، فأنت مخطئ. يميز العلماء ما لا يقل عن 5 حالات مختلفة من الماء في شكل سائل و 14 حالة في شكل متجمد.
هل تتذكر المحادثة حول المياه فائقة البرودة؟ لذلك ، بغض النظر عن ما تفعله ، عند درجة حرارة -38 درجة مئوية ، حتى أنقى المياه فائقة البرودة ستتحول فجأة إلى ثلج. ماذا يحدث عندما تنخفض درجة الحرارة أكثر؟ عند درجة حرارة -120 درجة مئوية ، يحدث شيء غريب للماء: يصبح شديد اللزوجة أو لزجًا ، مثل دبس السكر ، وعند درجات حرارة أقل من -135 درجة مئوية ، يتحول إلى ماء "زجاجي" أو "زجاجي" - مادة صلبة تفتقر هيكل بلوري.
4. الماء يفاجئ علماء الفيزياء
على المستوى الجزيئي ، الماء أكثر إثارة للدهشة. في عام 1995 ، أعطت تجربة تشتت النيوترونات التي أجراها العلماء نتيجة غير متوقعة: وجد الفيزيائيون أن النيوترونات الموجهة إلى جزيئات الماء "ترى" 25٪ من بروتونات الهيدروجين أقل مما كان متوقعًا.
اتضح أنه عند سرعة أتوثانية واحدة (10-18 ثانية) يحدث تأثير كمي غير عادي ، والصيغة الكيميائية للماء بدلاً من H2O، يصبح H1.5O!
5. ذاكرة الماء
بديل للطب الرسمي علاج بالمواد الطبيعيةيجادل بأن المحلول المخفف لدواء ما يمكن أن يكون له تأثير علاجي على الجسم ، حتى لو كان عامل التخفيف كبيرًا جدًا بحيث لا يتبقى شيء في المحلول سوى جزيئات الماء. يشرح أنصار المعالجة المثلية هذه المفارقة بمفهوم يسمى " ذاكرة الماء"، حيث يكون للماء على المستوى الجزيئي" ذاكرة "لمادة بمجرد إذابته فيه ويحتفظ بخصائص محلول التركيز الأولي بعد عدم بقاء جزيء مكون واحد فيه.
أجرى فريق دولي من العلماء بقيادة البروفيسور مادلين إينيس من جامعة كوينز في بلفاست ، الذي انتقد مبادئ المعالجة المثلية ، تجربة في عام 2002 لدحض هذا المفهوم إلى الأبد. كانت النتيجة عكس ذلك. بعد ذلك قال العلماء إنهم تمكنوا من إثبات حقيقة التأثير " ذاكرة الماء". ومع ذلك ، فإن التجارب التي أجريت تحت إشراف خبراء مستقلين لم تسفر عن نتائج. الخلافات حول وجود الظاهرة " ذاكرة الماء" استمر.
يحتوي الماء على العديد من الخصائص غير العادية الأخرى التي لم نقم بتغطيتها في هذه المقالة. على سبيل المثال ، تختلف كثافة الماء باختلاف درجة الحرارة (كثافة الجليد أقل من كثافة الماء) ؛ الماء لديه توتر سطحي كبير إلى حد ما ؛ في الحالة السائلة ، الماء عبارة عن شبكة معقدة ومتغيرة ديناميكيًا من مجموعات المياه ، وسلوك المجموعات هو الذي يؤثر على بنية الماء ، إلخ.
حول هذه والعديد من الميزات الأخرى غير المتوقعة ماءيمكن قراءتها في المقال خصائص الماء الشاذة"، مؤلفه مارتن شابلن ، الأستاذ بجامعة لندن.
الماء هو أحد أكثر السوائل روعة في العالم ، وله خصائص غير عادية. على سبيل المثال ، الجليد - حالة صلبة من السائل ، له جاذبية محددة أقل من الماء نفسه ، مما جعل ظهور الحياة على الأرض وتطورها ممكنًا بعدة طرق. بالإضافة إلى ذلك ، في العالم شبه العلمي ، وفي الواقع العلمي ، هناك مناقشات حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخنًا أم باردًا. كل من يثبت سرعة تجميد سائل ساخن في ظل ظروف معينة ويثبت قراره علميًا سيحصل على جائزة قدرها 1000 جنيه إسترليني من الجمعية الملكية البريطانية للكيميائيين.
خلفية
حقيقة أن الماء الساخن ، في ظل عدد من الظروف ، يتقدم على الماء البارد من حيث معدل التجمد ، قد لوحظ مرة أخرى في العصور الوسطى. بذل كل من فرانسيس بيكون ورينيه ديكارت الكثير من الجهد لشرح هذه الظاهرة. ومع ذلك ، من وجهة نظر الهندسة الحرارية الكلاسيكية ، لا يمكن تفسير هذا التناقض ، وحاولوا إسكاته بخجل. كان الدافع لاستمرار النزاع قصة غريبة إلى حد ما حدثت لطالب المدرسة التنزاني إيراستو مبيمبا (إيراستو مبيمبا) في عام 1963. ذات مرة ، خلال درس صنع الحلوى في مدرسة للطهي ، لم يكن لدى صبي ، مشتت انتباهه بأمور أخرى ، الوقت لتبريد خليط الآيس كريم في الوقت المناسب ووضع محلول السكر في الحليب الساخن في الفريزر. ولدهشته ، تم تبريد المنتج بشكل أسرع إلى حد ما من زملائه الممارسين الذين لاحظوا نظام درجة الحرارة لصنع الآيس كريم.
في محاولة لفهم جوهر الظاهرة ، تحول الصبي إلى مدرس فيزياء ، سخر من تجاربه في الطهي دون الخوض في التفاصيل. ومع ذلك ، تميز إيراستو بالمثابرة التي يحسد عليها واستمر في تجاربه لم يعد على الحليب ، ولكن على الماء. لقد تأكد من أن الماء الساخن يتجمد في بعض الحالات أسرع من الماء البارد.
عند دخوله جامعة دار السلام ، حضر إراستو مبيمبي محاضرة ألقاها البروفيسور دينيس جي أوزبورن. بعد التخرج حيرت الطالب العالم بمشكلة معدل تجمد الماء حسب درجة حرارته. ج. سخر أوزبورن من طرح السؤال ، قائلاً بثقة أن أي خاسر يعرف أن الماء البارد سيتجمد بشكل أسرع. ومع ذلك ، فإن المثابرة الطبيعية للشاب جعلت نفسها محسوسة. لقد راهن مع الأستاذ ، وعرض إجراء اختبار تجريبي هنا ، في المختبر. وضع إراستو حاويتين من الماء في الفريزر ، إحداهما عند 95 درجة فهرنهايت (35 درجة مئوية) والأخرى عند 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية). ما كانت مفاجأة الأستاذ و "المراوح" المحيطين به عندما تجمد الماء في الحاوية الثانية بشكل أسرع. ومنذ ذلك الحين ، أُطلق على هذه الظاهرة اسم "مفارقة مبيمبا".
ومع ذلك ، لا توجد حتى الآن فرضية نظرية متماسكة تشرح "مفارقة مبيمبا". ليس من الواضح ما هي العوامل الخارجية ، والتركيب الكيميائي للماء ، ووجود الغازات والمعادن فيه ، التي تؤثر على معدل تجمد السوائل عند درجات حرارة مختلفة. تكمن المفارقة في "تأثير مبيمبا" في أنه يتعارض مع أحد القوانين التي اكتشفها إ. نيوتن ، والذي ينص على أن وقت تبريد الماء يتناسب طرديًا مع اختلاف درجة الحرارة بين السائل والبيئة. وإذا كانت جميع السوائل الأخرى تخضع تمامًا لهذا القانون ، فإن الماء في بعض الحالات يكون استثناءً.
لماذا الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع؟ر
هناك عدة إصدارات حول سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. أهمها:
- يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع ، بينما ينخفض حجمه ، ويبرد حجم أصغر من السائل بشكل أسرع - عندما يتم تبريد الماء من + 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية ، تصل خسائر الحجم عند الضغط الجوي إلى 15٪ ؛
- كلما زادت شدة التبادل الحراري بين السائل والبيئة ، زاد الفرق في درجة الحرارة ، وبالتالي فإن فقدان حرارة الماء المغلي يمر بشكل أسرع ؛
- عندما يبرد الماء الساخن ، تتشكل قشرة جليدية على سطحه ، مما يمنع السائل من التجمد والتبخر تمامًا ؛
- عند درجة حرارة عالية من الماء ، يحدث خلطه بالحمل الحراري ، مما يقلل من وقت التجميد ؛
- الغازات المذابة في الماء تخفض نقطة التجمد ، وتستهلك الطاقة لتكوين الكريستال - لا توجد غازات مذابة في الماء الساخن.
كل هذه الظروف خضعت للتحقق التجريبي المتكرر. على وجه الخصوص ، اكتشف العالم الألماني ديفيد أورباخ أن درجة حرارة تبلور الماء الساخن أعلى قليلاً من درجة حرارة الماء البارد ، مما يجعل من الممكن تجميد الأول بسرعة أكبر. ومع ذلك ، تعرضت تجاربه لاحقًا لانتقادات ، واقتنع العديد من العلماء بأن "تأثير مبيمبا" الذي يتجمد فيه الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا ، لا يمكن إعادة إنتاجه إلا في ظل ظروف معينة ، لم يبحث عنها أحد حتى الآن.
تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمرر درجة حرارة الماء البارد في عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتعارض مع الأفكار المعتادة ، والتي بموجبها ، في ظل نفس الظروف ، يحتاج الجسم الأكثر حرارة إلى مزيد من الوقت ليبرد إلى درجة حرارة معينة أكثر من الجسم الأكثر برودة ليبرد بنفس درجة الحرارة.
لوحظ هذه الظاهرة في ذلك الوقت من قبل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت ، ولكن فقط في عام 1963 ، وجد تلميذ المدرسة التنزاني إيراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من المزيج البارد.
كان Erasto Mpemba طالبًا في مدرسة Magambin الثانوية في تنزانيا يقوم بأعمال الطبخ العملية. كان عليه أن يصنع الآيس كريم منزلي الصنع - يغلي الحليب ، ويذوب السكر فيه ، ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومماطلًا في الجزء الأول من المهمة. خوفًا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الذي لا يزال ساخنًا في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة.
بعد ذلك ، جربت Mpemba ليس فقط مع الحليب ، ولكن أيضًا بالماء العادي. على أي حال ، لكونه طالبًا في مدرسة مكفافا الثانوية ، فقد سأل الأستاذ دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعا إليه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) عن الماء: "إذا تأخذ وعاءين متطابقين مع كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في أحدهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، وتضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء أسرع لماذا؟ أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما في عام 1969 ، مع مبيمبا ، نشروا نتائج تجاربهم في مجلة "Physics Education". منذ ذلك الحين ، تم استدعاء التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.
حتى الآن ، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. العلماء ليس لديهم نسخة واحدة ، على الرغم من وجود العديد منها. يتعلق الأمر كله بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد ، ولكن لم يتضح بعد الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الاختلاف في التبريد الفائق ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسالة على الماء في درجات حرارة مختلفة.
تكمن المفارقة في تأثير مبيمبا في أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع اختلاف درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. تم وضع هذا القانون من قبل نيوتن ومنذ ذلك الحين تم تأكيده عدة مرات في الممارسة العملية. وبنفس التأثير ، يبرد الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية أسرع من نفس كمية الماء عند 35 درجة مئوية.
ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني بعد وجود مفارقة ، حيث يمكن أيضًا تفسير تأثير مبيمبا ضمن الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:
تبخر
يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء بنفس درجة الحرارة بشكل أسرع. يفقد الماء المسخن إلى 100 درجة مئوية 16٪ من كتلته عند تبريده إلى 0 درجة مئوية.
تأثير التبخر له تأثير مزدوج. أولاً ، يتم تقليل كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً ، تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة تبخر الانتقال من طور الماء إلى طور البخار.
الفرق في درجة الحرارة
نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.
انخفاض حرارة الجسم
عندما يتم تبريد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية ، فإنه لا يتجمد دائمًا. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يخضع للتبريد الفائق مع الاستمرار في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. في بعض الحالات ، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.
والسبب في هذا التأثير هو أنه من أجل أن تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، هناك حاجة إلى مراكز لتكوين البلورات. إذا لم تكن في الماء السائل ، فسيستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات بالتشكل تلقائيًا. عندما تبدأ في التكوّن في سائل فائق التبريد ، فإنها ستبدأ في النمو بشكل أسرع ، وتشكل طينًا جليديًا يتجمد ليشكل جليدًا.
الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض درجة الحرارة لأن تسخينه يزيل الغازات الذائبة والفقاعات ، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.
لماذا يتسبب انخفاض حرارة الجسم في تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد ، الذي لا يتم تبريده بشكل فائق ، يحدث ما يلي. في هذه الحالة ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل طبقة الجليد هذه كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن الذي يخضع للتبريد الفرعي ، لا يحتوي الماء المبرد تحت التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. لذلك ، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع من خلال الجزء العلوي المفتوح.
عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء ، يتم فقد قدر أكبر من الحرارة وبالتالي يتشكل المزيد من الجليد.
يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.
الحمل
يبدأ الماء البارد في التجمد من الأعلى ، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري ، وبالتالي فقدان الحرارة ، بينما يبدأ الماء الساخن في التجمد من الأسفل.
يفسر هذا التأثير من خلال شذوذ في كثافة الماء. كثافة الماء قصوى عند 4 درجة مئوية إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعه في درجة حرارة منخفضة ، فإن الطبقة السطحية من الماء ستتجمد بشكل أسرع. لأن هذه المياه أقل كثافة من الماء عند 4 درجات مئوية ، فإنها ستبقى على السطح مكونة طبقة باردة رقيقة. في ظل هذه الظروف ، ستتكون طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستعمل كعامل عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجة مئوية. ، ستكون عملية التبريد الإضافية أبطأ.
في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. ستبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر والاختلاف الكبير في درجات الحرارة. أيضًا ، تكون طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن ، لذلك ستغرق طبقة الماء البارد ، مما يرفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن دوران الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.
لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير Mpemba من وجهة النظر هذه للحمل الحراري ، يجب على المرء أن يفترض أنه تم فصل طبقات الماء الباردة والساخنة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط درجة حرارة الماء عن 4 درجة مئوية.
ومع ذلك ، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة بالحمل الحراري.
الغازات المذابة في الماء
يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. هذه الغازات لديها القدرة على خفض درجة تجمد الماء. عندما يتم تسخين الماء ، يتم إطلاق هذه الغازات من الماء لأن قابليتها للذوبان في الماء عند درجة حرارة عالية أقل. لذلك ، عندما يتم تبريد الماء الساخن ، هناك دائمًا عدد أقل من الغازات المذابة فيه مقارنة بالماء البارد غير الساخن. لذلك ، تكون نقطة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في شرح تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.
توصيل حراري
يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عندما يتم وضع الماء في الثلاجة المجمدة في حاويات صغيرة. في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن الحاوية التي تحتوي على الماء الساخن تذوب ثلج المجمد تحتها ، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري بجدار الفريزر والتوصيل الحراري. نتيجة لذلك ، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن أسرع من الحاوية الباردة. في المقابل ، الحاوية بالماء البارد لا تذوب الثلج تحتها.
تمت دراسة كل هذه الظروف (بالإضافة إلى غيرها) في العديد من التجارب ، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة 100٪ لتأثير مبيمبا.
لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1995 ، درس الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ تأثير التبريد الفائق للماء 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 أسرع من الماء الساخن ، وبالتالي يعوض التأخر السابق.
بالإضافة إلى ذلك ، تناقضت نتائج Auerbach مع البيانات السابقة بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي تترسب بعض الأملاح فيه.
حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل أساسي على الظروف التي يتم إجراء التجربة في ظلها. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.
O. V. Mosin
أدبيمصادر:
"الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد. لماذا يفعل ذلك؟" ، Jearl Walker in The Amateur Scientist، Scientific American، Vol. 237 ، لا. 3 ، ص 246-257 ؛ سبتمبر 1977.
"تجميد الماء الساخن والبارد" ، ز.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 37 ، لا. 5 ، ص 564-565 ؛ مايو 1969.
"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا" ، ديفيد أويرباخ ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 63 ، لا. 10 ، ص 882-885 ؛ أكتوبر 1995.
"تأثير مبيمبا: أوقات التجمد في الماء الساخن والبارد" ، تشارلز إيه نايت ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 64 ، لا. 5 ، ص 524 ؛ مايو 1996.
"لقد صادفنا بالفعل بعض الخصائص المثيرة للاهتمام للمياه التي تسمح لنا بالعيش بشكل خاص ، والكائنات الحية بشكل عام. دعنا نواصل الموضوع ونلفت انتباهك إلى خاصية أخرى مثيرة للاهتمام (على الرغم من أنه ليس من الواضح ما إذا كانت حقيقية أم خيالية).
مثيرة للاهتمام بشأن الماء - تأثير مبيمبا: هل تعلم أن هناك شائعات على الإنترنت تفيد بأن الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد؟ قد لا تعرف ، لكن هذه الشائعات تنتشر. وعنيد جدا. إذن ما الذي نتحدث عنه - خطأ تجريبي أو خاصية جديدة مثيرة للاهتمام للمياه لم تتم دراستها بعد؟
دعونا نفهم ذلك. الأسطورة ، التي تتكرر من موقع إلى آخر ، هي: لنأخذ إناءين من الماء: نصب الماء الساخن في أحدهما والماء البارد في الآخر ، ونضعهما في الفريزر. سيتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد. لماذا يحدث هذا؟
في عام 1963 ، لاحظ طالب تنزاني يدعى Erasto B. Mpemba ، أثناء تجميد خليط محضر من الآيس كريم ، أن المزيج الساخن يتجمد بشكل أسرع في المجمد من المزيج البارد. عندما شارك الشاب اكتشافه مع مدرس الفيزياء ، سخر منه فقط. لحسن الحظ ، كان الطالب مثابرًا وأقنع المعلم بإجراء تجربة ، والتي أكدت اكتشافه: في ظل ظروف معينة ، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.
النسخة الثانية من الأسطورة - تحول مبيمبا إلى العالم العظيم ، الذي لحسن الحظ كان بالقرب من مدرسة مبيمبا الأفريقية. وصدق العالم الصبي وراجع ما كان. حسنًا ، توقفنا ... الآن تسمى ظاهرة تجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد "تأثير مبيمبا". صحيح ، قبله بفترة طويلة ، لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الخاصية الفريدة للمياه.
لا يفهم العلماء تمامًا طبيعة هذه الظاهرة ، ويشرحونها إما باختلاف انخفاض حرارة الجسم ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسيلة على الماء الساخن والبارد.
لذلك ، لدينا تأثير Mpemba (Mpemba Paradox) - مفارقة تقول أن الماء الساخن (في ظل ظروف معينة) يمكن أن يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد. على الرغم من أنه في نفس الوقت يجب أن يمر درجة حرارة الماء البارد في عملية التجميد.
وعليه ، للتعامل مع المفارقة ، هناك طريقتان. الأول هو البدء في شرح هذه الظاهرة ، والتوصل إلى نظريات والابتهاج بأن الماء سائل غامض. أو يمكنك الذهاب في الاتجاه الآخر - إجراء هذه التجربة بشكل مستقل. واستخلاص الاستنتاجات المناسبة.
دعنا ننتقل إلى الأشخاص الذين لديهم بالفعل هذه التجربة وهم يحاولون تكرار تأثير مبيمبا. وفي الوقت نفسه ، دعونا نلقي نظرة على دراسة صغيرة تحدد "من أين تنمو الساقين".
باللغة الروسية ، ظهرت رسالة حول تأثير مبيمبا لأول مرة منذ 42 عامًا ، كما ورد في مجلة "الكيمياء والحياة" (1970 ، العدد 1 ، ص 89). بدافع الضمير ، قرر موظفو "الكيمياء والحياة" إجراء التجارب بأنفسهم والتأكد من أن: "الحليب الساخن بعناد لا يريد التجميد أولاً". أعطيت هذه النتيجة تفسيرًا طبيعيًا: "لا ينبغي أن يتجمد السائل الساخن في وقت سابق. بعد كل شيء ، يجب أن تكون درجة حرارته أولاً مساوية لدرجة حرارة السائل البارد.
ذكر أحد قراء "الكيمياء والحياة" ما يلي عن تجاربه (1970 ، العدد 9 ، ص 81). أحضر الحليب ليغلي ، وبرده إلى درجة حرارة الغرفة ، ووضعه في الثلاجة في نفس الوقت مع الحليب غير المغلي ، والذي كان أيضًا في درجة حرارة الغرفة. يتجمد الحليب المسلوق بشكل أسرع. تم تحقيق نفس التأثير ، ولكن بشكل أضعف ، عن طريق تسخين الحليب إلى 60 درجة مئوية بدلاً من الغليان. يمكن أن يكون الغليان ذو أهمية أساسية: سيتبخر هذا الجزء من الماء ويتبخر الجزء الأخف من الدهون. نتيجة لذلك ، قد تتغير نقطة التجمد. بالإضافة إلى ذلك ، عند التسخين ، وحتى عند الغليان ، يمكن إجراء بعض التحولات الكيميائية للجزء العضوي من الحليب.
لكن "الهاتف المكسور" كان يعمل بالفعل ، وبعد أكثر من 25 عامًا ، تم وصف هذه القصة على النحو التالي: "جزء من الآيس كريم يصبح باردًا بشكل أسرع إذا تم وضعه في الثلاجة ، بعد تسخينه جيدًا ، مما لو كان تُترك أولاً في درجة حرارة باردة "(" المعرفة قوة "، 1997 ، رقم 10 ، ص 100). بدأوا تدريجياً في نسيان اللبن ، وكان الأمر يتعلق بشكل أساسي بالمياه.
بعد 13 عامًا ، في نفس "الكيمياء والحياة" ظهر الحوار التالي: "إذا أخذت كوبين من البرد - بماء بارد وساخن ، فأي ماء سيتجمد بشكل أسرع؟ .. انتظر الشتاء وتحقق: ساخن سوف يتجمد الماء بشكل أسرع "(1993 ، رقم 9 ، ص 79). بعد عام ، تبع ذلك رسالة من أحد القراء الواعين ، الذي أخذ أكواب من الماء البارد والساخن بجدية في البرد في الشتاء وأصبح مقتنعًا بأن الماء البارد يتجمد بشكل أسرع (1994 ، رقم 11 ، ص 62).
تم إجراء تجربة مماثلة باستخدام ثلاجة ، حيث تم تغطية الفريزر بطبقة سميكة من الصقيع. عندما أضع أكوابًا من الماء الساخن والبارد على هذا المجمد ، يذوب الصقيع تحت أكواب الماء الساخن ، ويغرق ويتجمد الماء فيها بشكل أسرع. عندما أضع الأكواب على الصقيع ، لم يلاحظ التأثير ، لأن الصقيع الموجود تحت الكؤوس لم يذوب. لم يلاحظ التأثير حتى عندما أضع الأكواب في ثلاجة التجميد بعد إذابة الثلج من الثلاجة. هذا يثبت أن سبب التأثير هو ذوبان الجليد تحت أكواب من الماء الساخن (الكيمياء والحياة ، 2000 ، رقم 2 ، ص 55).
كانت قصة التناقض التي لاحظها الصبي التنزاني مصحوبة مرارًا وتكرارًا بملاحظة مهمة - يقولون ، لا ينبغي لأحد أن يهمل أي معلومات ، حتى لو كانت غريبة جدًا. الرغبة جيدة ، لكنها غير قابلة للتحقيق. إذا لم نفحص المعلومات غير الموثوقة مسبقًا ، فسنغرق فيها. وغالبًا ما تكون المعلومات الخاطئة خاطئة. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما يحدث (كما في حالة تأثير مبيمبا) أن عدم الاحتمالية هي نتيجة لتشويه المعلومات في عملية الإرسال.
وبالتالي ، فهو مثير للاهتمام حول الماء بشكل عام ، وتأثير مبيمبا على وجه الخصوص ، ليس دائمًا صحيحًا
مزيد من التفاصيل - على الصفحة http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html
أي ماء يتجمد بشكل أسرع ، ساخنًا أم باردًا ، يتأثر بعدة عوامل ، لكن السؤال نفسه يبدو غريبًا بعض الشيء. من المفهوم ، ومن المعروف من الفيزياء ، أن الماء الساخن لا يزال بحاجة إلى وقت ليبرد إلى درجة حرارة الماء البارد المماثلة من أجل أن يتحول إلى جليد. يمكن للماء البارد تخطي هذه المرحلة ، وبالتالي ، فإنه يفوز في الوقت المناسب.
لكن الإجابة على السؤال حول أي الماء يتجمد بشكل أسرع - باردًا أم ساخنًا - في الشارع في الصقيع ، يعرفه أي ساكن في خطوط العرض الشمالية. في الواقع ، من الناحية العلمية ، اتضح أنه على أي حال ، يجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.
وكذلك فعل مدرس الفيزياء ، الذي اتصل به تلميذ المدرسة إيراستو مبيمبا في عام 1963 بطلب لشرح سبب تجميد المزيج البارد من الآيس كريم في المستقبل لفترة أطول من المزيج المشابه ولكنه ساخن.
"هذه ليست فيزياء العالم ، ولكنها نوع من فيزياء مبيمبا"
في ذلك الوقت ، ضحك المعلم فقط على هذا ، لكن دنيس أوزبورن ، أستاذ الفيزياء ، الذي ذهب في وقت ما إلى نفس المدرسة التي درس فيها إيراستو ، أكد بشكل تجريبي وجود مثل هذا التأثير ، على الرغم من عدم وجود تفسير لذلك في ذلك الوقت . في عام 1969 نشرت مجلة علمية مشهورة مقالاً مشتركاً للرجلين وصفا هذا التأثير الغريب.
منذ ذلك الحين ، بالمناسبة ، السؤال عن الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، له اسمه الخاص - التأثير ، أو المفارقة ، مبيمبا.
السؤال مطروح منذ فترة طويلة
وبطبيعة الحال ، حدثت هذه الظاهرة من قبل ، وقد ورد ذكرها في أعمال علماء آخرين. لم يكن التلميذ فقط مهتمًا بهذا السؤال ، لكن رينيه ديكارت وحتى أرسطو فكروا فيه في وقت واحد.
فيما يلي مجرد مقاربات لحل هذه المفارقة بدأت تظهر فقط في نهاية القرن العشرين.
شروط لحدوث مفارقة
كما هو الحال مع الآيس كريم ، لا يتجمد الماء العادي فقط أثناء التجربة. يجب أن تكون هناك ظروف معينة من أجل البدء في الجدل حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. ما الذي يؤثر على هذه العملية؟
الآن ، في القرن الحادي والعشرين ، تم طرح العديد من الخيارات التي يمكن أن تفسر هذا التناقض. قد يعتمد أي ماء يتجمد بشكل أسرع ، ساخنًا أم باردًا ، على حقيقة أنه يحتوي على معدل تبخر أعلى من الماء البارد. وبالتالي ، ينخفض حجمه ، ومع انخفاض الحجم ، يصبح وقت التجميد أقصر مما لو أخذنا حجمًا أوليًا مماثلًا من الماء البارد.
تم فك تجميد الفريزر منذ فترة طويلة
أي ماء يتجمد بشكل أسرع ولماذا يحدث ذلك ، يمكن أن يتأثر بالبطانة الثلجية التي قد تكون موجودة في ثلاجة الثلاجة المستخدمة في التجربة. إذا كنت تأخذ إناءين متطابقين في الحجم ، لكن إحداهما تحتوي على ماء ساخن والأخرى ماء بارد ، فإن الحاوية التي تحتوي على ماء ساخن ستذيب الثلج تحتها ، وبالتالي تحسين ملامسة المستوى الحراري لجدار الثلاجة. لا يمكن لوعاء الماء البارد القيام بذلك. إذا لم يكن هناك مثل هذه البطانة بالثلج في الثلاجة ، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.
أسفل العلوي
كما أن الظاهرة التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، موضحة على النحو التالي. باتباع قوانين معينة ، يبدأ الماء البارد في التجمد من الطبقات العليا ، عندما يفعل الماء الساخن العكس - يبدأ في التجمد من الأسفل إلى الأعلى. اتضح أن الماء البارد ، الذي يحتوي على طبقة باردة في الأعلى مع وجود ثلج قد تشكل بالفعل في بعض الأماكن ، يؤدي إلى تفاقم عمليات الحمل الحراري والإشعاع الحراري ، مما يفسر الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. تم إرفاق صورة من تجارب الهواة ، وهنا تظهر بوضوح.
تنطفئ الحرارة ، وتميل إلى الأعلى ، وهناك تلتقي بطبقة شديدة البرودة. لا يوجد مسار حر للإشعاع الحراري ، وبالتالي تصبح عملية التبريد صعبة. الماء الساخن لا يحتوي على الإطلاق مثل هذه الحواجز في طريقه. الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن ، والذي تعتمد عليه النتيجة المحتملة ، يمكنك توسيع الإجابة بالقول أن أي ماء به مواد معينة مذابة فيه.
الشوائب في تكوين الماء كعامل مؤثر في النتيجة
إذا كنت لا تغش وتستخدم الماء بنفس التركيبة ، حيث تكون تركيزات بعض المواد متطابقة ، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع. ولكن إذا حدث موقف عندما تكون العناصر الكيميائية المذابة موجودة فقط في الماء الساخن ، بينما الماء البارد لا يمتلكها ، فإن الماء الساخن لديه فرصة للتجميد في وقت مبكر. يفسر ذلك حقيقة أن المواد المذابة في الماء تخلق مراكز تبلور ، ومع وجود عدد قليل من هذه المراكز ، يكون تحويل الماء إلى حالة صلبة أمرًا صعبًا. حتى التبريد الفائق للماء ممكن ، بمعنى أنه في درجات حرارة دون الصفر سيكون في حالة سائلة.
لكن كل هذه النسخ ، على ما يبدو ، لم تناسب العلماء حتى النهاية ، واستمروا في العمل على هذه القضية. في عام 2013 ، قال فريق من الباحثين في سنغافورة إنهم تمكنوا من حل اللغز القديم.
تدعي مجموعة من العلماء الصينيين أن سر هذا التأثير يكمن في كمية الطاقة المخزنة بين جزيئات الماء في روابطها ، والتي تسمى روابط الهيدروجين.
الجواب من العلماء الصينيين
سيتبع ذلك مزيد من المعلومات ، لفهم أنه من الضروري الحصول على بعض المعرفة في الكيمياء من أجل معرفة الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد. كما تعلم ، يتكون من ذرتين H (هيدروجين) وذرة O (أكسجين) مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية.
لكن ذرات الهيدروجين في جزيء واحد تنجذب أيضًا إلى الجزيئات المجاورة ، إلى مكون الأكسجين الخاص بها. تسمى هذه الروابط روابط هيدروجينية.
في الوقت نفسه ، يجدر بنا أن نتذكر أنه في نفس الوقت ، تعمل جزيئات الماء بشكل مثير للاشمئزاز على بعضها البعض. لاحظ العلماء أنه عند تسخين الماء ، تزداد المسافة بين جزيئاته ، وتسهل قوى التنافر ذلك. اتضح أن احتلال مسافة واحدة بين الجزيئات في حالة باردة ، يمكن للمرء أن يقول إنها تتمدد ، ولديها قدر أكبر من الطاقة. يتم إطلاق احتياطي الطاقة هذا عندما تبدأ جزيئات الماء في الاقتراب من بعضها البعض ، أي يحدث التبريد. اتضح أن إمدادًا أكبر من الطاقة في الماء الساخن ، وإطلاقه الأكبر عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر ، يحدث بشكل أسرع من الماء البارد ، الذي يحتوي على كمية أقل من هذه الطاقة. إذن أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟ في الشارع وفي المختبر ، يجب أن تحدث مفارقة مبيمبا ، ويجب أن يتحول الماء الساخن إلى جليد بشكل أسرع.
لكن السؤال لا يزال مفتوحًا
لا يوجد سوى تأكيد نظري لهذا الدليل - كل هذا مكتوب بصيغ جميلة ويبدو معقولاً. ولكن عندما يتم وضع البيانات التجريبية ، التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا ، بالمعنى العملي ، وسيتم تقديم نتائجها ، عندئذٍ سيكون من الممكن اعتبار مسألة مفارقة مبيمبا مغلقة.