Vesi- keemilisest seisukohast üsna lihtne aine, kuid sellel on mitmeid ebatavalisi omadusi, mis ei lakka teadlasi hämmastamast. Allpool on mõned faktid, millest vähesed teavad.
1. Milline vesi külmub kiiremini – külm või kuum?
Võtame kaks anumat veega: ühte valage kuum vesi ja teise külm vesi ning asetage need sügavkülma. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, kuigi loogiliselt võttes oleks külm vesi pidanud esmalt jääks muutuma: kuum vesi peab ju esmalt jahtuma külma temperatuurini ja seejärel jääks muutuma. külm vesi pole vaja jahtuda. Miks see juhtub?
1963. aastal märkas Tansaania tudeng Erasto B. Mpemba jäätisesegu külmutades, et kuum segu tahkub sügavkülmas kiiremini kui külm. Kui noormees oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle ainult. Õnneks oli õpilane järjekindel ja veenis õpetajat katset läbi viima, mis kinnitas tema avastust: teatud tingimustel kuum vesi külmub tõesti kiiremini kui külm.
Nüüd nimetatakse seda nähtust, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi " Mpemba efekt" Tõsi, ammu enne seda ainulaadne vara vett märkisid Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.
Teadlased ei mõista siiani täielikult selle nähtuse olemust, selgitades seda kas erinevusega ülejahutuses, aurustumises, jää moodustumisel, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjuga kuumale ja külmale veele.
2. Ta suudab koheselt külmuda
Kõik teavad seda vesi muutub 0°C-ni jahutades alati jääks... välja arvatud mõned erandid! Selline juhtum on näiteks ülejahutus, mis on omadus väga puhas vesi jääb vedelaks isegi siis, kui see jahutatakse alla külmumistemperatuuri. See nähtus on võimalik tänu sellele, et keskkond ei sisalda kristallisatsioonikeskusi ega tuumasid, mis võiksid käivitada jääkristallide moodustumise. Ja nii jääb vesi sisse vedelal kujul isegi jahutatuna alla null kraadi Celsiuse järgi.
Kristalliseerimisprotsess põhjuseks võivad olla näiteks gaasimullid, lisandid (saasteained) või anuma ebaühtlane pind. Ilma nendeta jääb vesi sisse vedel olek. Kui kristalliseerumisprotsess algab, saate vaadata, kuidas ülijahutatud vesi muutub koheselt jääks.
Pange tähele, et "ülekuumutatud" vesi jääb vedelaks ka siis, kui seda kuumutatakse üle keemistemperatuuri.
3. 19 vee olekut
Nimetage kõhklemata, kui palju erinevaid tingimusi kas vees on? Kui vastasid kolm: tahke, vedel, gaas, siis eksid. Teadlased eristavad vees vähemalt 5 erinevat olekut vedelal kujul ja 14 olekut külmutatud kujul.
Kas mäletate vestlust ülijahutatud veest? Seega, ükskõik, mida teete, muutub -38 °C juures isegi kõige puhtam ülijahutatud vesi ootamatult jääks. Mis juhtub, kui temperatuur veelgi langeb? -120 °C juures hakkab veega juhtuma midagi kummalist: see muutub üliviskoosseks või viskoosseks nagu melass ja temperatuuril alla -135 °C muutub see "klaasjaks" või "klaasjaks" veeks - tahkeks aineks, millel puudub kristalne struktuur. .
4. Vesi üllatab füüsikuid
Molekulaarsel tasandil on vesi veelgi üllatavam. 1995. aastal andis teadlaste läbiviidud neutronite hajumise katse ootamatu tulemuse: füüsikud avastasid, et veemolekulidele suunatud neutronid "näevad" oodatust 25% vähem vesiniku prootoneid.
Selgus, et kiirusel üks attosekund (10 -18 sekundit) toimub ebatavaline kvantefekt ja keemiline valem hoopis vett H2O, muutub H1,5O!
5. Veemälu
Alternatiivne ametlik meditsiin homöopaatia märgib, et lahjendatud lahus ravimtoode saab pakkuda tervendav toime kehale, isegi kui lahjendustegur on nii kõrge, et lahusesse ei jää midagi peale veemolekulide. Homöopaatia pooldajad selgitavad seda paradoksi mõistega " veemälu“, mille kohaselt on vees molekulaarsel tasemel “mälu” selles kunagi lahustunud ainest ja see säilitab algse kontsentratsiooniga lahuse omadused pärast seda, kui sellesse pole jäänud ühtegi koostisosa molekuli.
Homöopaatia põhimõtteid kritiseerinud Belfasti Queeni ülikooli professori Madeleine Ennise juhitud rahvusvaheline teadlaste rühm viis 2002. aastal läbi eksperimendi, et see kontseptsioon lõplikult ümber lükata. Tulemus oli vastupidine. Pärast seda väitsid teadlased, et nad suutsid tõestada mõju tegelikkust. veemälu" Sõltumatute ekspertide järelevalve all tehtud katsed aga tulemusi ei andnud. Vaidlused nähtuse olemasolu üle " veemälu"jätka.
Veel on palju muid ebatavalisi omadusi, millest me selles artiklis ei rääkinud. Näiteks vee tihedus muutub sõltuvalt temperatuurist (jää tihedus on väiksem kui vee tihedus); vesi on üsna kõrge pindpinevusega; vedelas olekus on vesi kompleksne ja dünaamiliselt muutuv veekogumike võrgustik ning just klastrite käitumine mõjutab vee struktuuri jne.
Nende ja paljude teiste ootamatute funktsioonide kohta vesi saab lugeda artiklist " Vee anomaalsed omadused", mille autor on Londoni ülikooli professor Martin Chaplin.
Vesi on üks hämmastavamaid vedelikke maailmas, millel on ebatavalised omadused. Näiteks jää, vedela tahke olek, erikaal on väiksem kui vee enda, mistõttu on see suures osas muutunud võimalik esinemine ja elu areng Maal. Lisaks arutletakse pseudoteaduslikus ja teadusmaailmas selle üle, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Kõik, kes suudavad tõestada, et kuum vedelik külmub teatud tingimustel kiiremini ja oma lahendust teaduslikult põhjendavad, saavad Briti kuningliku keemikute ühingult 1000 naela.
Taust
Asjaolu, et paljudes tingimustes külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi, märgati juba keskajal. Francis Bacon ja René Descartes nägid selle nähtuse selgitamiseks palju vaeva. Klassikalise soojustehnika seisukohalt ei saa seda paradoksi aga seletada ja seda üritati häbelikult maha vaikida. Arutelu jätkamise tõukejõuks andis mõneti kurioosne lugu, mis juhtus Tansaania koolipoisi Erasto Mpembaga 1963. aastal. Ühel päeval kokakoolis magustoitude valmistamise tunnis ei jõudnud muust segatud poisil jäätisesegu õigel ajal maha jahutada ja kuuma piimasuhkru lahust sügavkülma panna. Tema üllatuseks jahtus toode mõnevõrra kiiremini kui tema jälginud kaaspraktikud temperatuuri režiim jäätise valmistamine.
Püüdes mõista nähtuse olemust, pöördus poiss füüsikaõpetaja poole, kes detailidesse laskumata naeruvääristas tema kulinaarseid katseid. Erasto eristus aga kadestamisväärse visadusega ja jätkas katseid mitte piima, vaid vee peal. Ta veendus, et mõnel juhul külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi.
Astudes Dar es Salaami ülikooli, osales Erasto Mpembe professor Dennis G. Osborne’i loengus. Pärast selle valmimist hämmastas õpilane teadlast probleemiga vee külmumiskiiruse kohta sõltuvalt selle temperatuurist. DG Osborne naeruvääristas küsimuse püstitamist, kuulutades vaene tudeng, et iga vaene õpilane teab, et külm vesi külmub kiiremini. Noormehe loomupärane visadus andis aga tunda. Ta vedas professoriga kihla, tehes ettepaneku teha siinsamas laboris eksperimentaalne test. Erasto pani sügavkülma kaks veemahutit, ühe 35 °C (95 °F) ja teise 100 °C (212 °F) juurde. Kujutage ette professori ja ümbritsevate "fännide" üllatust, kui teises anumas olev vesi külmus kiiremini. Sellest ajast alates on seda nähtust kutsutud "Mpemba paradoksiks".
Kuid siiani pole ühtset teoreetilist hüpoteesi, mis selgitaks "Mpemba paradoksi". Pole selge, milline välised tegurid, keemiline koostis vesi, lahustunud gaaside olemasolu selles ja mineraalid mõjutada vedelike külmumiskiirust erinevatel temperatuuridel. “Mpemba efekti” paradoks seisneb selles, et see on vastuolus ühe I. Newtoni avastatud seadusega, mis väidab, et vee jahtumisaeg on otseselt võrdeline vedeliku ja vedeliku temperatuuride erinevusega. keskkond. Ja kui kõik muud vedelikud järgivad seda seadust täielikult, on vesi mõnel juhul erand.
Miks kuum vesi külmub kiiremini?T
Selle kohta, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, on mitu versiooni. Peamised neist on:
- kuum vesi aurustub kiiremini, samal ajal kui selle maht väheneb ja väiksem kogus vedelikku jahtub kiiremini - vee jahutamisel + 100 ° C kuni 0 ° C mahukaod atmosfääri rõhk jõuda 15% -ni;
- mida suurem on temperatuuride erinevus, seda suurem on temperatuuride erinevus, seda suurem on vedeliku ja keskkonna vahelise soojusvahetuse intensiivsus, mistõttu keeva vee soojuskadu toimub kiiremini;
- kuuma vee jahtumisel moodustub selle pinnale jääkoorik, mis ei lase vedelikul täielikult külmuda ja aurustuda;
- juures kõrge temperatuur vesi segatakse konvektsiooniga, vähendades külmumisaega;
- Vees lahustunud gaasid alandavad külmumistemperatuuri, eemaldades energiat kristallide moodustumiseks – kuumas vees lahustunud gaase pole.
Kõiki neid tingimusi on korduvalt katseliselt kontrollitud. Eelkõige avastas Saksa teadlane David Auerbach, et kuuma vee kristalliseerumistemperatuur on veidi kõrgem kui külma vee oma, mis võimaldab esimesel külmuda kiiremini. Hiljem aga kritiseeriti tema katseid ja paljud teadlased on veendunud, et “Mpemba efekt”, mis määrab, milline vesi külmub kiiremini – kuum või külm, saab reprodutseerida vaid teatud tingimustel, mida keegi pole siiani otsinud ja täpsustanud.
Mpemba efekt(Mpemba paradoks) – 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 kulub samades tingimustes rohkem kuumutatud kehal teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui vähem kuumenenud kehal 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.
Olles Magambinskaja õpilane Keskkool Tansaanias tegi Erasto Mpemba praktiline töö toiduvalmistamisel. Tal oli vaja teha isetehtud jäätist – keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurile ja panna siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et tunni lõpuks ei jõua, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui etteantud tehnoloogia järgi valmistatud seltsimeeste piim.
Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igal juhul küsis ta juba Mkwava keskkooli õpilasena professor Dennis Osborne’ilt Dar Es Salaami ülikooli kolledžist (kooli direktor kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtate kaks identset konteinerit võrdsed mahud kasta nii, et ühes neist oleks vee temperatuur 35°C ja teises - 100°C ning pange need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks?" Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi, 1969. aastal, avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nn. Mpemba efekt.
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, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja seda on hiljem praktikas korduvalt kinnitatud. Selle mõjul jahtub vesi temperatuuriga 100 °C temperatuurini 0 °C kiiremini kui sama kogus vett temperatuuriga 35 °C.
See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada ka raamistikus kuulus füüsik. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:
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, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.
Temperatuuri erinevus
Kuna temperatuuride vahe kuum vesi ja seal on rohkem külma õhku - seetõttu on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.
Hüpotermia
Kui vesi jahtub alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi temperatuuril –20 C.
Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub ülejahutamine seni, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid tekiksid spontaanselt. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades lörtsijää, mis külmub jääks.
Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.
Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Juhul kui külm vesi, 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. Ülejahutusega kuuma vee korral ei ole ülejahutatud vees kaitsvat jääkihti. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.
Kui ülejahutusprotsess lõpeb 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 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 lühikese aja jooksul õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, kaitstes alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem.
Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Lisaks on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tõstes sooja vee kihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.
Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast oleks vaja eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.
Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külma ja kuuma veekihti eraldab konvektsiooniprotsess.
Vees lahustunud gaasid
Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees on kõrgetel temperatuuridel madalam. Seetõttu sisaldab kuum vesi jahtudes 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 külmikuosa sügavkülmikusse. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma vee anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust kuumus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata alt lund.
Kõiki neid (nagu ka muid) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid selget vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti sajaprotsendilise taasesituse – ei saadud kunagi.
Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse.
Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, mille kohaselt suutis kuum vesi saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.
Praegu saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine sõltub oluliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.
O. V. Mosin
Kirjanduslikallikatest:
"Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see nii teeb?", Jearl Walker ajakirjas The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, lk 246-257; september 1977.
"Kuuma ja külma vee külmutamine", G.S. Kell ajakirjas American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, lk 564-565; mai, 1969.
"Ülejahutus ja Mpemba efekt", David Auerbach, American Journal of Physics, 63. kd, nr 10, lk 882–885; oktoober 1995.
"Mpemba efekt: kuumad külmumisajad ja külm vesi", Charles A. Knight, American Journal of Physics, 64. kd, nr 5, lk 524; mai, 1996.
"Oleme juba kohanud vee huvitavaid omadusi, mis võimaldavad elada eelkõige meil ja elusolenditel üldiselt. Jätkame teemat ja juhime teie tähelepanu veel ühele huvitavale omadusele (kuigi pole selge, kas see on tõsi või väljamõeldud).
Huvitav vee kohta - Mpemba efekt: kas teadsite, et Internetis levivad kuulujutud, et kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Sa ei pruugi teada, aga need kuulujutud liiguvad. Ja väga püsiv. Millest me siis räägime – eksperimendiveast või millestki uuest? huvitav vara vesi, mida pole veel uuritud?
Selgitame välja. Kohati korduv legend on järgmine: võtke kaks anumat vett: valage ühte kuum vesi ja teise külm vesi ning asetage need sügavkülma. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see juhtub?
1963. aastal märkas Tansaania tudeng Erasto B. Mpemba jäätisesegu külmutades, et kuum segu tahkub sügavkülmas kiiremini kui külm. Kui noormees oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle ainult. Õnneks oli õpilane visa ja veenis õpetajat katset tegema, mis kinnitas tema avastust: teatud tingimustel külmub kuum vesi tegelikult kiiremini kui külm vesi.
Legendi teine versioon - Mpemba pöördus suure teadlase poole, kes õnneks asus Mpemba Aafrika kooli kõrval. Ja teadlane uskus poissi ja kontrollis, mis toimub. Noh, siin me läheme... Seda nähtust, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, nimetatakse "Mpemba efektiks". Tõsi, ammu enne teda märkisid seda vee ainulaadset omadust Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.
Teadlased ei mõista siiani täielikult selle nähtuse olemust, selgitades seda kas erinevusega ülejahutuses, aurustumises, jää moodustumisel, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjuga kuumale ja külmale veele.
Niisiis, meil on Mpemba efekt (Mpemba Paradox) – paradoks, mis väidab, et kuum vesi (teatud tingimustel) võib külmuda kiiremini kui külm vesi. Kuigi samal ajal peab see külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri.
Seega on paradoksiga toimetulemiseks kaks võimalust. Esimene on hakata seda nähtust seletama, välja mõelda teooriaid ja rõõmustada, et vesi on salapärane vedelik. Või võite valida mõne muu marsruudi – viige see katse ise läbi. Ja tehke vastavad järeldused.
Pöördugem inimeste poole, kes selle katse tegelikult läbi viisid, püüdes reprodutseerida Mpemba efekti. Ja samal ajal vaatame väikest uuringut, mis määrab "kust jalad kasvavad".
Vene keeles ilmus teade Mpemba efekti kohta esimest korda 42 aastat tagasi, nagu on kirjeldatud ajakirjas “Chemistry and Life” (1970, nr 1, lk 89). Kohusetundlikult otsustasid “Keemia ja elu” töötajad ise katseid teha ja olid veendunud: “kuum piim keeldus kangekaelselt esmalt külmumast.” Sellele tulemusele anti loomulik seletus: «Kuum vedelik ei tohiks enne ära külmuda. Selle temperatuur peab ju esmalt võrduma külma vedeliku temperatuuriga."
Üks “Keemia ja elu” lugejatest teatas oma katsete kohta järgmist (1970, nr 9, lk 81). Ta ajas piima keema, jahutas selle toatemperatuurini ja pani külmkappi samaaegselt keetmata piimaga, millel oli samuti toatemperatuuril. Keedetud piim külmus kiiremini. Sama efekt, kuid nõrgem, saavutati piima kuumutamisel 60 °C-ni, mitte keemiseni. Keetmine võib olla põhimõttelise tähtsusega: see aurustab osa veest ja aurustab kergema osa rasvast. Selle tulemusena võib külmumispunkt muutuda. Lisaks on kuumutamisel ja eriti keetmisel võimalikud piima orgaanilise osa keemilised muutused.
Kuid "kahjustatud telefon" oli juba tööle hakanud ja 25 sekundi pärast lisaaastad seda lugu kirjeldati järgmiselt: "Osa jäätist külmub kiiremini, kui paned selle pärast põhjalikku soojendamist külmkappi, kui siis, kui jätate selle esmalt külmkappi." külm temperatuur“(“Teadmised on jõud”, 1997, nr 10, lk 100). Tasapisi hakkasid nad piima unustama ja jutt läks peamiselt vee peale.
13 aastat hiljem ilmus samas “Keemias ja elus” järgmine dialoog: “Kui võtad kaks tassi külma ja kuuma vett külma sisse, siis milline vesi külmub kiiremini?.. Oota talveni ja kontrolli: soe vesi läheb külmuda kiiremini.” ( 1993, nr 9, lk 79). Aasta hiljem tuli kiri ühelt kohusetundlikult lugejalt, kes talvel usinalt külma ja kuuma vee tasse külma kätte võttis ja veendus, et külm vesi külmub kiiremini (1994, nr 11, lk 62).
Sarnane katse viidi läbi külmkapiga, mille sügavkülmik oli kaetud paksu härmatisekihiga. Kui panin sellele sügavkülmikule kuuma ja külma vee tassid, siis kuumaveetopside all olev härmatis sulas, need vajusid ära ja vesi külmus neis kiiremini. Kui asetasin klaasid pakasele, siis efekti ei täheldatud, kuna klaaside all olev pakane ei sulanud. Mõju polnud, kui pärast külmiku sulatamist asetasin tassid sügavkülma, mis ei olnud härmatisega kaetud. See tõestab, et mõju põhjuseks on pakase sulamine kuuma veetopside all ("Keemia ja elu" 2000, nr 2, lk 55).
Tansaania poisi märgatud paradoksi jutuga kaasnes korduvalt sisukas märkus - nad ütlevad, et ühtegi teavet, isegi väga kummalist, ei tohiks tähelepanuta jätta. Soov on hea, aga teostamatu. Kui me kõigepealt ebausaldusväärset teavet välja ei filtreeri, upume sellesse. Ja ebausutav teave on enamasti vale. Lisaks juhtub sageli (nagu Mpemba efekti puhul), et ebausutavus on teabe moonutamise tagajärg edastusprotsessis.
Seega on huvitav vesi üldiselt ja eriti Mpemba efekt - mitte alati tõsi :)
Lisateavet leiate lehelt http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html
On palju tegureid, mis mõjutavad seda, milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, kuid küsimus ise tundub veidi kummaline. 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 aega.
Kuid vastust küsimusele, milline vesi külmub väljas kiiremini - külm või kuum - külma käes, teab iga põhjalaiuskraadide elanik. Tegelikult selgub teaduslikult, et igal juhul külm vesi lihtsalt külmub kiiremini.
Füüsikaõpetaja, kelle poole 1963. aastal koolipoiss Erasto Mpemba pöördus, arvas sama sooviga selgitada, miks tulevase jäätise külma segu külmumine võtab kauem aega kui sarnasel, kuid kuumal.
"See pole maailma füüsika, vaid mingi Mpemba füüsika"
Toona õpetaja vaid 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 avaldati populaarteaduslikus ajakirjas nende kahe inimese ühine artikkel, mis kirjeldas seda omapärast efekti.
Sellest ajast peale, muide, on küsimusel, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm - oma nimi - Mpemba efekt ehk paradoks.
Küsimus on olnud juba pikka aega
Loomulikult toimus selline nähtus varem ja seda mainiti ka teiste teadlaste töödes. See teema ei huvitanud mitte ainult koolilapsi, vaid omal ajal mõtlesid sellele ka Rene Descartes ja isegi Aristoteles.
Kuid nad hakkasid selle paradoksi lahendamise viise otsima alles kahekümnenda sajandi lõpus.
Tingimused paradoksi tekkimiseks
Nagu jäätise puhul, pole see ainult puhas vesi külmub katse ajal. Teatud tingimused peavad olema selleks, et hakata vaidlema, kumb vesi külmub kiiremini – külm või kuum. 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 vähenedes muutub külmumisaeg lühemaks kui siis, kui võtaksime sama algmahu külma vett.
Sügavkülmik on juba ammu sulanud
Milline vesi külmub kiiremini ja miks see juhtub, võib mõjutada eksperimendis kasutatud külmiku sügavkülmikus esineda võiv lumevooder. Kui võtta kaks mahult identset anumat, kuid ühes neist on kuum vesi ja teises külm, sulatab kuuma veega anum selle all oleva lume, parandades seeläbi termotasandi kontakti külmiku seinaga. Külma vee anum ei saa seda teha. Kui külmikukambris sellist lumega vooderdust pole, peaks külm vesi kiiremini külmuma.
Ülemine - alumine
Samuti selgitatakse nähtust, mille kohaselt vesi külmub kiiremini – kuumalt või külmalt – järgmiselt. Teatud seadusi järgides hakkab külm vesi jäätuma ülemistest kihtidest, kui kuum vesi teeb vastupidist – 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 fotod amatöörkatsetest ja see on siin selgelt näha.
Kuumus kustub, tormab ülespoole ja seal kohtub see väga laheda kihiga. Soojuskiirgusele pole vaba teed, mistõttu jahutusprotsess muutub keeruliseks. Kuuma vee teel pole absoluutselt selliseid takistusi. Kumb külmub kiiremini - külm või kuum, mis määrab tõenäolise tulemuse? Võite vastust laiendada, öeldes, et igas vees on teatud aineid lahustunud.
Lisandid vees kui tulemust mõjutav tegur
Kui mitte petta ja kasutada sama koostisega vett, kus teatud ainete kontsentratsioonid on identsed, siis külm vesi peaks külmuma kiiremini. Aga kui lahustamisel tekib olukord keemilised elemendid on saadaval ainult kuumas vees ja külmas vees neid pole, siis on võimalus kuumal veel varem külmuda. Seda seletatakse asjaoluga, et vees lahustunud ained tekitavad kristallisatsioonitsentreid ja nende tsentrite vähese arvu korral on vee muutmine tahkeks olekuks keeruline. On isegi võimalik, et vesi on ülejahutatud, selles mõttes, et miinustemperatuuril on see vedelas olekus.
Kuid kõik need versioonid ilmselt teadlastele täielikult 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 teave, mille mõistmiseks peate omama mõningaid teadmisi keemiast, et mõista, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Nagu teada, koosneb see kahest H (vesiniku) aatomist ja ühest O (hapniku) aatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed.
Kuid ka ühe molekuli vesinikuaatomeid tõmbavad naabermolekulid, nende hapnikukomponent. Neid sidemeid nimetatakse vesiniksidemeteks.
Tasub meeles pidada, et samal ajal mõjuvad veemolekulid üksteisele tõrjuvalt. Teadlased märkisid, et kui vett kuumutatakse, suureneb selle molekulide vaheline kaugus ja seda soodustavad tõrjuvad jõud. Selgub, et kui hõivata külmas olekus molekulide vahel sama vahemaa, võib öelda, et need venivad ja neil on suurem energiavaru. Just see energiavaru vabaneb siis, kui veemolekulid hakkavad üksteisele lähemale liikuma, st toimub jahtumine. Selgub, et kuumas vees tekib suurem energiavaru ja selle suurem vabanemine miinustemperatuurini jahtumisel kiiremini kui külmas vees, mille energiavaru on väiksem. Niisiis, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum? Tänaval ja laboris peaks tekkima Mpemba paradoks ning kuum vesi peaks muutuma kiiremini jääks.
Kuid küsimus on endiselt lahtine
Sellel lahendusel on vaid teoreetiline kinnitus – kõik see on ilusate valemitega kirja pandud ja tundub usutav. Kuid kui katseandmed selle kohta, mille kohta vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt - hakatakse praktiliselt kasutama, ja nende tulemused esitatakse, võib Mpemba paradoksi küsimuse lugeda lõpetatuks.