Vruće hladi brže od hladnog. Zašto se topla voda smrzava brže od hladne? Mpemba učinak

Voda- prilično jednostavna tvar s kemijskog gledišta, međutim, ima niz neobičnih svojstava koja nikad ne prestaju zadiviti znanstvenike. U nastavku donosimo neke činjenice za koje malo ljudi zna.

1. Koja se voda brže smrzava - hladna ili topla?

Uzmite dvije posude s vodom: u jednu ulijte vruću vodu, au drugu hladnu i stavite ih u zamrzivač. Vruća voda će se smrznuti brže od hladne, iako je logično, prvo se trebala pretvoriti u led hladna voda: na kraju krajeva, topla voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a zatim se pretvoriti u led, dok se hladna voda ne mora ohladiti. Zašto se ovo događa?

Godine 1963. tanzanijski student po imenu Erasto B. Mpemba, dok je zamrzavao pripremljenu smjesu za sladoled, primijetio je da se vruća smjesa brže skrućuje u zamrzivaču nego hladna. Kada je mladić svoje otkriće podijelio s profesorom fizike, ovaj mu se samo nasmijao. Srećom, učenik je bio uporan i uvjerio učitelja da provede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima Vruća voda stvarno se smrzava brže od hladnoće.

Ovaj fenomen da se topla voda smrzava brže od hladne vode zove se " Mpemba učinak". Istina, puno prije toga jedinstveno svojstvo vodu primijetili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.

Znanstvenici ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u hipotermiji, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili učinku ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.

2. Ona se može trenutno smrznuti

To svi znaju voda uvijek se pretvara u led kada se ohladi na 0 °C ... osim u nekim slučajevima! Takav slučaj je, na primjer, superhlađenje, koje je svojstvo vrlo čista voda ostaju tekući čak i kada su ohlađeni ispod ledišta. Ovaj fenomen postaje moguć zbog činjenice da okolina ne sadrži kristalizacijske centre ili jezgre koje bi mogle izazvati stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tekućem obliku, čak i kada se ohladi na temperature ispod nula stupnjeva Celzijusa.

proces kristalizacije može biti izazvan, na primjer, mjehurićima plina, nečistoćama (zagađenje), neravnom površinom spremnika. Bez njih će voda ostati u tekućem stanju. Kada započne proces kristalizacije, možete vidjeti kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.

Imajte na umu da "pregrijana" voda također ostaje tekuća čak i kada se zagrije iznad točke vrenja.

3. 19 stanja vode

Bez oklijevanja navedite koliko različite države ima li vode? Ako ste odgovorili tri: čvrsto, tekuće, plinovito, onda ste u zabludi. Znanstvenici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tekućem obliku i 14 stanja u smrznutom stanju.

Sjećate li se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, što god učinili, na -38 °C, čak i najčišća super ohlađena voda će se odjednom pretvoriti u led. Što se događa s daljnjim padom temperature? Na -120°C s vodom se počinje događati nešto čudno: ona postaje superviskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama nižim od -135°C prelazi u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrstu tvar koja nema kristalnu strukturu.

4. Voda iznenađuje fizičare

Na molekularnoj razini, voda je još iznenađujuća. Godine 1995. eksperiment raspršivanja neutrona koji su proveli znanstvenici dao je neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje protona vodika nego što se očekivalo.

Pokazalo se da se brzinom od jedne atosekunde (10 -18 sekundi) događa neobičan kvantni efekt, a kemijska formula vode umjesto H2O, postaje H1.5O!

5. Memorija vode

Alternativa službena medicina homeopatija navodi da razrijeđena otopina medicinski proizvod može imati terapeutski učinak na tijelo, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko velik da u otopini nije ostalo ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom koji se zove " vodena memorija”, prema kojem voda na molekularnoj razini ima “sjećanje” na tvar koja je nekada bila otopljena u njoj te zadržava svojstva otopine početne koncentracije nakon što u njoj ne ostane niti jedna molekula sastojka.

Međunarodni tim znanstvenika predvođen profesoricom Madeleine Ennis s Kraljičinog sveučilišta u Belfastu, koji je kritizirao načela homeopatije, proveo je eksperiment 2002. kako bi opovrgao koncept jednom zauvijek. Rezultat je bio suprotan. Nakon toga, znanstvenici su rekli da su uspjeli dokazati stvarnost učinka " vodena memorija". Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom neovisnih stručnjaka nisu donijeli rezultate. Sporovi o postojanju fenomena " vodena memorija" nastaviti.

Voda ima mnoga druga neobična svojstva koja nismo obradili u ovom članku. Na primjer, gustoća vode varira s temperaturom (gustoća leda manja je od gustoće vode); voda ima prilično veliku površinsku napetost; u tekućem stanju voda je složena i dinamički promjenjiva mreža vodenih nakupina, a ponašanje klastera utječe na strukturu vode itd.

O ovim i mnogim drugim neočekivanim značajkama voda može se pročitati u članku Nenormalna svojstva vode”, čiji je autor Martin Chaplin, profesor na Sveučilištu u Londonu.

Fenomen stvrdnjavanja tople vode bržom brzinom od hladne vode poznat je u znanosti kao Mpemba efekt. Veliki umovi poput Aristotela, Francisa Bacona i Renea Descartesa razmišljali su o ovom paradoksalnom fenomenu, ali tisućljećima nitko još nije uspio ponuditi razumno objašnjenje za ovaj fenomen.

Tek 1963. godine školarac iz Republike Tanganjike, Erasto Mpemba, primijetio je ovaj učinak na primjeru sladoleda, ali mu nitko od odraslih nije dao objašnjenje. Ipak, fizičari i kemičari ozbiljno su razmišljali o tako jednostavnom, ali tako neshvatljivom fenomenu.

Od tada su se iznosile različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada ostane manja količina, voda se brže skrutne. Ova verzija je zbog svoje jednostavnosti postala najpopularnija, ali znanstvenici nisu bili potpuno zadovoljni.

Sada tim istraživača s Tehnološkog sveučilišta Nanyang u Singapuru, predvođen kemičarom Xi Zhangom, kaže da je riješio prastaru misteriju zašto se topla voda smrzava brže od hladne. Kako su otkrili kineski stručnjaci, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.

Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koje zajedno drže kovalentne veze, što na razini čestica izgleda kao izmjena elektrona. Još jedna dobro poznata činjenica je da atome vodika privlače atomi kisika iz susjednih molekula - to stvara vodikove veze.

U isto vrijeme, molekule vode kao cjelina odbijaju jedna drugu. Znanstvenici iz Singapura primijetili su da što je voda toplija, to je veći razmak između molekula tekućine zbog povećanja odbojnih sila. Zbog toga su vodikove veze rastegnute i stoga pohranjuju više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda hladi – molekule se približavaju jedna drugoj. A povratak energije, kao što znate, znači hlađenje.

Kao što kemičari pišu u svom članku, koji se može pronaći na stranici za preprint arXiv.org, vodikove veze su rastegnute jače u vrućoj vodi nego u hladnoj vodi. Stoga se ispostavlja da je više energije pohranjeno u vodikovim vezama vruće vode, što znači da se više energije oslobađa kada se ohladi na temperaturama ispod nule. Zbog toga je zamrzavanje brže.

Do danas su znanstvenici ovu zagonetku riješili samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze svoje verzije, onda se pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može smatrati zatvorenim.

Čini se jasnim da se hladna voda smrzava brže od tople vode, budući da pod jednakim uvjetima toploj vodi treba više vremena da se ohladi i potom smrzne. Međutim, tisuće godina promatranja, kao i moderni eksperimenti, pokazali su da vrijedi i suprotno: pod određenim uvjetima topla voda se smrzava brže od hladne vode. Znanstveni kanal Sciencium objašnjava ovaj fenomen:

Kao što je objašnjeno u videu iznad, fenomen gdje se topla voda smrzava brže od hladne vode poznat je kao Mpemba efekt, nazvan po Erastu Mpembi, studentu iz Tanzanije koji je 1963. godine napravio sladoled kao dio školski projekt. Učenici su smjesu vrhnja i šećera morali prokuhati, pustiti da se ohladi, a potom staviti u zamrzivač.

Umjesto toga, Erasto je smjesu stavio svoju smjesu, vruću, ne čekajući da se ohladi. Kao rezultat toga, nakon 1,5 sata, njegova smjesa je već bila zamrznuta, ali mješavine drugih učenika nisu. Zaintrigiran fenomenom, Mpemba je počeo proučavati to pitanje s profesorom fizike Denisom Osborneom, a 1969. objavili su rad u kojem se kaže da se topla voda smrzava brže od hladne. Ovo je bila prva recenzirana studija ove vrste, ali se sam fenomen spominje u Aristotelovim radovima koji datiraju iz 4. stoljeća prije Krista. e. Francis Bacon i Descartes također su primijetili ovaj fenomen u svojim studijama.

U videu je navedeno nekoliko opcija za objašnjenje onoga što se događa:

1. Mraz je dielektrik, pa smrznuta hladna voda bolje čuva toplinu nego topla čaša koja u dodiru s njom otapa led.
2. Hladna voda ima više otopljenih plinova od tople vode, a istraživači nagađaju da bi to moglo igrati ulogu u brzini hlađenja, iako još nije jasno kako.
3. Vruća voda gubi više molekula vode isparavanjem, ostavljajući ih manje za smrzavanje
4. Topla voda može se brže ohladiti zbog povećanih konvektivnih struja. Ta strujanja nastaju zato što se voda u čaši najprije ohladi na površini i stranama, uzrokujući da hladna voda tone, a topla se diže. U toploj čaši, konvektivne struje su aktivnije, što može utjecati na brzinu hlađenja.

No, 2016. godine provedeno je pažljivo kontrolirano istraživanje koje je pokazalo suprotno: topla voda smrzavala se puno sporije od hladne vode. Istodobno, znanstvenici su primijetili da promjena položaja termoelementa - uređaja koji određuje temperaturne razlike - za samo centimetar dovodi do pojave Mpemba efekta. Studija drugih sličnih radova pokazala je da je u svim slučajevima kada je primijećen ovaj učinak došlo do pomaka termoelementa unutar jednog centimetra.

21.11.2017 11.10.2018 Aleksandar Firtsev

« Koja se voda brže smrzava hladna ili topla?”- pokušajte postaviti pitanje svojim prijateljima, vjerojatno će većina njih odgovoriti da se hladna voda brže smrzava - i pogriješiti.

Naime, ako u zamrzivač istovremeno stavite dvije posude istog oblika i volumena, od kojih će jedna biti hladna voda, a druga topla, tada će se topla voda brže smrznuti.

Takva se izjava može činiti apsurdnom i nerazumnom. Logično, topla voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a hladna bi se već tada trebala pretvoriti u led.

Pa zašto topla voda prestiže hladnu na svom putu do smrzavanja? Pokušajmo to shvatiti.

Povijest opažanja i istraživanja

Ljudi su od davnina promatrali paradoksalni učinak, ali nitko mu nije pridavao veliku važnost. Tako su Arestotel, kao i Rene Descartes i Francis Bacon u svojim bilješkama primijetili nedosljednosti u brzini smrzavanja hladne i tople vode. Neobična pojava često se manifestirala u svakodnevnom životu.

Dugo vremena fenomen nije proučavan ni na koji način i nije izazvao veliki interes među znanstvenicima.

Proučavanje neobičnog učinka počelo je 1963. godine, kada je radoznali student iz Tanzanije, Erasto Mpemba, primijetio da se vruće mlijeko za sladoled smrzava brže od hladnog. U nadi da će dobiti objašnjenje razloga neobičnog učinka, mladić je pitao svog profesora fizike u školi. Međutim, učiteljica mu se samo nasmijala.

Kasnije je Mpemba ponovio eksperiment, ali u svom eksperimentu više nije koristio mlijeko, već vodu, te se paradoksalni učinak opet ponovio.

Šest godina kasnije, 1969., Mpemba je ovo pitanje postavio profesoru fizike Dennisu Osborneu, koji je došao u njegovu školu. Profesor je bio zainteresiran za promatranje mladića, kao rezultat toga, proveden je eksperiment koji je potvrdio prisutnost učinka, ali razlozi za ovaj fenomen nisu utvrđeni.

Od tada se taj fenomen naziva Mpemba učinak.

Kroz povijest znanstvenih promatranja iznesene su mnoge hipoteze o uzrocima pojave.

Tako će 2012. godine Britansko kraljevsko kemijsko društvo objaviti natječaj hipoteza za objašnjenje efekta Mpemba. U natjecanju su sudjelovali znanstvenici iz cijeloga svijeta, ukupno ih je bilo prijavljeno 22.000 znanstveni radovi. Unatoč tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio Mpemba paradoks.

Najčešća je bila verzija prema kojoj se topla voda brže smrzava, budući da jednostavno brže isparava, njen volumen postaje manji, a kako se volumen smanjuje, brzina njezinog hlađenja raste. Najčešća verzija je na kraju opovrgnuta jer je proveden eksperiment u kojem je isključeno isparavanje, no učinak je ipak potvrđen.

Drugi su znanstvenici vjerovali da je razlog Mpemba efekta isparavanje plinova otopljenih u vodi. Po njihovom mišljenju, tijekom procesa zagrijavanja plinovi otopljeni u vodi isparavaju, zbog čega ona dobiva veću gustoću od hladne vode. Kao što je poznato, povećanje gustoće dovodi do promjene fizička svojstva vode (povećanje toplinske vodljivosti), a time i povećanje brzine hlađenja.

Osim toga, iznesene su brojne hipoteze koje opisuju brzinu cirkulacije vode kao funkciju temperature. U mnogim istraživanjima pokušao se utvrditi odnos između materijala posuda u kojima se tekućina nalazila. Mnoge su se teorije činile vrlo uvjerljivima, ali se nisu mogle znanstveno potvrditi zbog nedostatka početnih podataka, kontradikcija u drugim eksperimentima ili zbog činjenice da identificirani čimbenici jednostavno nisu bili usporedivi s brzinom hlađenja vode. Neki su znanstvenici u svojim radovima doveli u pitanje postojanje efekta.

Godine 2013. istraživači s Tehnološkog sveučilišta Nanyang u Singapuru tvrdili su da su riješili misterij Mpemba efekta. Prema njihovoj studiji, razlog fenomena leži u činjenici da se količina energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula hladne i tople vode značajno razlikuje.

Metode računalne simulacije pokazale su sljedeće rezultate: što je viša temperatura vode, to je veći razmak između molekula zbog činjenice da se povećavaju odbojne sile. I posljedično, vodikove veze molekula rastežu se, pohranjujući velika količina energije. Kada se ohlade, molekule se počinju približavati jedna drugoj, oslobađajući energiju iz vodikovih veza. U ovom slučaju oslobađanje energije prati smanjenje temperature.

U listopadu 2017. godine španjolski fizičari su tijekom još jedne studije otkrili da veliku ulogu u nastanku efekta igra uklanjanje materije iz ravnoteže (jako zagrijavanje prije jakog hlađenja). Odredili su uvjete pod kojima je vjerojatnost učinka maksimalna. Osim toga, znanstvenici iz Španjolske potvrdili su postojanje obrnutog efekta Mpemba. Otkrili su da kada se zagrije, hladniji uzorak može postići visoku temperaturu brže od toplog.

Unatoč iscrpnim informacijama i brojnim eksperimentima, znanstvenici namjeravaju nastaviti proučavati učinak.

Mpemba efekt u stvarnom životu

Jeste li se ikada zapitali zašto je klizalište zimi poplavljeno Vruća voda a nije hladno? Kao što ste već shvatili, to rade jer će se klizalište ispunjeno vrućom vodom brže smrznuti nego da je napunjeno hladnom vodom. Iz istog razloga se tobogani u zimskim ledenim gradovima polijevaju vrućom vodom.

Dakle, znanje o postojanju fenomena omogućuje ljudima da uštede vrijeme u pripremi mjesta za zimski pogledi sportski.

Osim toga, Mpemba efekt se ponekad koristi u industriji - za smanjenje vremena smrzavanja proizvoda, tvari i materijala koji sadrže vodu.

Voda je jedna od najčudesnijih tekućina na svijetu, koja ima neobična svojstva. Na primjer, led je kruto stanje tekućine specifična gravitacija niže od same vode, što je umnogome omogućilo nastanak i razvoj života na Zemlji. Osim toga, u gotovo znanstvenom, pa i znanstvenom svijetu, vode se rasprave o tome koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Tko dokaže brže smrzavanje vruće tekućine pod određenim uvjetima i znanstveno potkrijepi svoju odluku, dobit će nagradu od 1000 funti od britanskog Kraljevskog društva kemičara.

Pozadina

Još u srednjem vijeku uočeno je da je topla voda u nizu uvjeta ispred hladne vode u pogledu brzine smrzavanja. Francis Bacon i René Descartes uložili su mnogo truda u objašnjenje ovog fenomena. Međutim, sa stajališta klasične toplinske tehnike ovaj se paradoks ne može objasniti i oni su ga pokušali sramežljivo zašutjeti. Povod za nastavak spora bila je pomalo čudna priča koja se dogodila tanzanijskom školarcu Erastu Mpembi (Erasto Mpemba) 1963. godine. Jednom, na satu spravljanja slastica u školi kuhanja, dječak, zauzet drugim stvarima, nije stigao na vrijeme ohladiti smjesu za sladoled i staviti otopinu šećera u vrućem mlijeku u zamrzivač. Na njegovo iznenađenje, proizvod se ohladio nešto brže od proizvoda njegovih kolega praktikanata koji su promatrali temperaturni režim priprema sladoleda.

Pokušavajući shvatiti bit fenomena, dječak se obratio učitelju fizike, koji je, ne ulazeći u detalje, ismijavao njegove kulinarske eksperimente. Međutim, Erasto se odlikovao zavidnom upornošću i nastavio svoje eksperimente više ne na mlijeku, već na vodi. Uvjerio se da se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.

Ulaskom na Sveučilište u Dar es Salaamu, Erasto Mpembe je pohađao predavanje profesora Dennisa G. Osbornea. Nakon diplome, student je zbunio znanstvenika problemom brzine smrzavanja vode ovisno o njezinoj temperaturi. D.G. Osborne je ismijao samo postavljanje pitanja, s aplombom ustvrdivši da svaki gubitnik zna da će se hladna voda brže smrznuti. Međutim, osjetila se prirodna upornost mladića. Kladio se s profesorom, ponudivši mu da provede eksperimentalno ispitivanje ovdje, u laboratoriju. Erasto je stavio dvije posude s vodom u zamrzivač, jednu na 95°F (35°C), a drugu na 212°F (100°C). Kakvo je bilo iznenađenje profesora i okolnih "navijača" kada se voda u drugoj posudi brže smrznula. Od tada se ovaj fenomen naziva "Mpemba Paradoks".

Međutim, do danas ne postoji koherentna teorijska hipoteza koja objašnjava "Mpemba paradoks". Nije jasno koji vanjski faktori, kemijski sastav voda, prisutnost otopljenih plinova i minerala u njoj utječu na brzinu smrzavanja tekućina na različitim temperaturama. Paradoks "Mpemba efekta" je u tome što je u suprotnosti s jednim od zakona koje je otkrio I. Newton, a koji kaže da je vrijeme hlađenja vode izravno proporcionalno razlici temperature između tekućine i okoline. I ako su sve druge tekućine potpuno podložne ovom zakonu, onda je voda u nekim slučajevima iznimka.

Zašto se topla voda brže smrzava?t

Postoji nekoliko verzija zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Glavni su:

• vruća voda brže isparava, dok se njezin volumen smanjuje, a manji volumen tekućine se brže hladi - kada se voda ohladi s + 100 ° C na 0 ° C, gubici volumena pri atmosferskom tlaku dosežu 15%;
• brzina izmjene topline između tekućine i okoliššto je veća, to je veća temperaturna razlika, tako da gubitak topline kipuće vode prolazi brže;
• kada se vruća voda hladi, na površini se formira ledena kora koja sprječava potpuno smrzavanje i isparavanje tekućine;
• na visoka temperatura voda je njezino konvekcijsko miješanje, smanjujući vrijeme smrzavanja;
• plinovi otopljeni u vodi snižavaju točku ledišta, uzimajući energiju za stvaranje kristala - u vrućoj vodi nema otopljenih plinova.

Svi ovi uvjeti podvrgnuti su ponovljenoj eksperimentalnoj provjeri. Konkretno, njemački znanstvenik David Auerbach otkrio je da je temperatura kristalizacije vruće vode nešto viša od one hladne vode, što omogućuje brže zamrzavanje prve. Međutim, kasnije su njegovi eksperimenti bili kritizirani, a mnogi su znanstvenici uvjereni da se “Mpemba efekt” o kojem se voda brže smrzava - topla ili hladna, može reproducirati samo pod određenim uvjetima, što do sada nitko nije tražio i konkretizirao.