Caldul se răcește mai repede decât rece. De ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece? Efectul Mpemba

Apă- o substanță destul de simplă din punct de vedere chimic, cu toate acestea, are o serie de proprietăți neobișnuite care nu încetează să uimească oamenii de știință. Mai jos sunt câteva fapte despre care puțini oameni le știu.

1. Care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte?

Luați două recipiente cu apă: turnați apă fierbinte într-unul și apă rece în celălalt și puneți-le la congelator. Apa fierbinte va îngheța mai repede decât apa rece, deși în mod logic, ar fi trebuit să se transforme mai întâi în gheață apă rece: la urma urmei, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la o temperatură rece și apoi să se transforme în gheață, în timp ce apa rece nu trebuie să se răcească. De ce se întâmplă asta?

În 1963, un student din Tanzania pe nume Erasto B. Mpemba, în timp ce congela un amestec de înghețată preparat, a observat că amestecul fierbinte se solidifica mai repede în congelator decât cel rece. Când tânărul și-a împărtășit descoperirea cu un profesor de fizică, a râs doar de el. Din fericire, elevul a fost persistent și l-a convins pe profesor să efectueze un experiment, care i-a confirmat descoperirea: în anumite condiții apa fierbinteîntr-adevăr îngheață mai repede decât rece.

Acum, acest fenomen de înghețare a apei calde mai repede decât apa rece se numește „ Efectul Mpemba". Adevărat, cu mult înainte proprietate unică apa a fost remarcată de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes.

Oamenii de știință nu înțeleg pe deplin natura acestui fenomen, explicându-l fie prin diferența de hipotermie, evaporare, formare a gheții, convecție, fie prin efectul gazelor lichefiate asupra apei calde și reci.

2. Este capabilă să înghețe instantaneu

Toata lumea stie asta apă se transformă întotdeauna în gheață când este răcit la 0 °C ... cu excepția unor cazuri! Un astfel de caz, de exemplu, este suprarăcirea, care este o proprietate a foarte apă curată rămâne lichid chiar și atunci când este răcit sub punctul de îngheț. Acest fenomen devine posibil datorită faptului că mediul nu conține centre de cristalizare sau nuclee care ar putea provoca formarea de cristale de gheață. Și astfel apa rămâne în formă lichidă, chiar și atunci când este răcită la temperaturi sub zero grade Celsius.

procesul de cristalizare poate fi provocată, de exemplu, de bule de gaz, impurități (poluare), suprafața neuniformă a recipientului. Fără ele, apa va rămâne în stare lichidă. Când începe procesul de cristalizare, puteți urmări cum apa super-răcită se transformă instantaneu în gheață.

Rețineți că apa „supraîncălzită” rămâne, de asemenea, lichidă chiar și atunci când este încălzită peste punctul său de fierbere.

3. 19 stări ale apei

Fără ezitare, spune câți diferite state apa are? Dacă ai răspuns la trei: solid, lichid, gazos, atunci te înșeli. Oamenii de știință disting cel puțin 5 stări diferite ale apei în formă lichidă și 14 stări în formă înghețată.

Îți amintești conversația despre apa super-răcită? Deci, indiferent ce faci, la -38°C, chiar și cea mai pură apă super-răcită se va transforma brusc în gheață. Ce se întâmplă când temperatura scade și mai mult? La -120°C, ceva ciudat începe să se întâmple cu apa: devine super-vâscoasă sau vâscoasă, precum melasa, iar la temperaturi sub -135°C, se transformă în apă „sticlă” sau „sticoasă” – un solid care nu are. structură cristalină.

4. Apa îi surprinde pe fizicieni

La nivel molecular, apa este și mai surprinzătoare. În 1995, un experiment de împrăștiere a neutronilor realizat de oamenii de știință a dat un rezultat neașteptat: fizicienii au descoperit că neutronii direcționați către moleculele de apă „văd” cu 25% mai puțini protoni de hidrogen decât se aștepta.

S-a dovedit că la viteza de o attosecundă (10 -18 secunde) are loc un efect cuantic neobișnuit, iar formula chimică a apei în loc de H2O, devine H1.5O!

5. Memoria apei

Alternativă medicina oficială homeopatie afirmă că o soluție diluată medicament poate avea un efect terapeutic asupra organismului, chiar dacă factorul de diluție este atât de mare încât nu mai rămâne nimic în soluție decât molecule de apă. Susținătorii homeopatiei explică acest paradox cu un concept numit „ memoria apei”, conform căreia apa la nivel molecular are o „memorie” a unei substanțe odată dizolvată în ea și păstrează proprietățile unei soluții de concentrație inițială după ce nu mai rămâne în ea nici o moleculă de ingredient.

O echipă internațională de oameni de știință condusă de profesorul Madeleine Ennis de la Universitatea Queen din Belfast, care a criticat principiile homeopatiei, a efectuat un experiment în 2002 pentru a infirma conceptul odată pentru totdeauna. Rezultatul a fost invers. După aceea, oamenii de știință au spus că au reușit să demonstreze realitatea efectului " memoria apei". Cu toate acestea, experimentele desfășurate sub supravegherea experților independenți nu au adus rezultate. Dispute despre existența fenomenului " memoria apei" continua.

Apa are multe alte proprietăți neobișnuite pe care nu le-am tratat în acest articol. De exemplu, densitatea apei variază în funcție de temperatură (densitatea gheții este mai mică decât cea a apei); apa are o tensiune superficială destul de mare; în stare lichidă, apa este o rețea complexă și în schimbare dinamică de clustere de apă, iar comportamentul clusterelor este cel care afectează structura apei etc.

Despre acestea și multe alte caracteristici neașteptate apă poate fi citit in articol Proprietăți anormale ale apei”, al cărui autor este Martin Chaplin, profesor la Universitatea din Londra.

Fenomenul de solidificare a apei calde într-un ritm mai rapid decât apa rece este cunoscut în știință ca efectul Mpemba. Minți atât de mari precum Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes s-au gândit la acest fenomen paradoxal, dar de milenii nimeni nu a fost încă în măsură să ofere o explicație rezonabilă pentru acest fenomen.

Abia în 1963, un școlar din Republica Tanganyika, Erasto Mpemba, a observat acest efect pe exemplul înghețatei, dar niciunul dintre adulți nu i-a dat o explicație. Cu toate acestea, fizicienii și chimiștii s-au gândit serios la un fenomen atât de simplu, dar atât de neînțeles.

De atunci, au fost exprimate diferite versiuni, dintre care una a fost următoarea: o parte din apa fierbinte pur și simplu se evaporă la început, iar apoi, când rămâne o cantitate mai mică, apa se solidifică mai repede. Această versiune, datorită simplității sale, a devenit cea mai populară, dar oamenii de știință nu au fost complet mulțumiți.

Acum, o echipă de cercetători de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore, condusă de chimistul Xi Zhang, spune că au rezolvat misterul vechi de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. După cum au descoperit experții chinezi, secretul constă în cantitatea de energie stocată în legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă.

După cum știți, moleculele de apă sunt formate dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen ținuți împreună prin legături covalente, care la nivel de particule arată ca un schimb de electroni. Un alt fapt binecunoscut este că atomii de hidrogen sunt atrași de atomii de oxigen din moleculele vecine - aceasta formează legături de hidrogen.

În același timp, moleculele de apă în ansamblu se resping reciproc. Oamenii de știință din Singapore au observat că, cu cât apa este mai caldă, cu atât distanța dintre moleculele lichidului este mai mare din cauza creșterii forțelor de respingere. Ca rezultat, legăturile de hidrogen sunt întinse și, prin urmare, stochează mai multă energie. Această energie este eliberată atunci când apa se răcește - moleculele se apropie unele de altele. Și întoarcerea energiei, după cum știți, înseamnă răcire.

După cum scriu chimiștii în articolul lor, care poate fi găsit pe site-ul arXiv.org preprint, legăturile de hidrogen sunt întinse mai puternic în apă caldă decât în ​​apă rece. Astfel, se dovedește că mai multă energie este stocată în legăturile de hidrogen ale apei fierbinți, ceea ce înseamnă că mai multă energie este eliberată atunci când este răcită la temperaturi sub zero. Din acest motiv, congelarea este mai rapidă.

Până în prezent, oamenii de știință au rezolvat această ghicitoare doar teoretic. Când prezintă dovezi convingătoare ale versiunii lor, atunci întrebarea de ce apa caldă îngheață mai repede decât apa rece poate fi considerată închisă.

Pare clar că apa rece îngheață mai repede decât apa caldă, deoarece în condiții egale apa fierbinte durează mai mult să se răcească și ulterior îngheață. Cu toate acestea, mii de ani de observații, precum și experimente moderne, au arătat că și contrariul este adevărat: în anumite condiții, apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Canalul științific Sciencium explică acest fenomen:

După cum se explică în videoclipul de mai sus, fenomenul în care apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece este cunoscut sub numele de efectul Mpemba, numit după Erasto Mpemba, un student din Tanzania care în 1963 a făcut înghețată ca parte a proiect scolar. Elevii au trebuit să aducă amestecul de smântână și zahăr la fiert, să-l lase să se răcească, apoi să îl pună la congelator.

În schimb, Erasto și-a pus amestecul deodată, fierbinte, fără să aștepte să se răcească. Ca urmare, după 1,5 ore, amestecul lui era deja înghețat, dar amestecurile altor studenți nu. Intrigat de fenomen, Mpemba a început să studieze problema cu profesorul de fizică Denis Osborn, iar în 1969 au publicat o lucrare care spunea că apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Acesta a fost primul studiu revizuit de colegi de acest fel, dar fenomenul în sine este menționat în lucrările lui Aristotel datând din secolul al IV-lea î.Hr. e. Francis Bacon și Descartes au remarcat și ei acest fenomen în studiile lor.

Videoclipul prezintă mai multe opțiuni pentru a explica ce se întâmplă:

1. Înghețul este un dielectric și, prin urmare, apa rece înghețată stochează căldura mai bine decât un pahar cald care topește gheața în contact cu ea.
2. Apa rece are mai multe gaze dizolvate decât apa caldă, iar cercetătorii speculează că acest lucru ar putea juca un rol în viteza de răcire, deși nu este încă clar cum.
3. Apa fierbinte pierde mai multe molecule de apă prin evaporare, lăsând mai puține să înghețe
4. apa calda se poate răci mai repede datorită curenților convectivi crescuti. Acești curenți apar deoarece apa din sticlă se răcește mai întâi la suprafață și pe părțile laterale, determinând să se scufunde apa rece și să crească apa fierbinte. Într-un pahar cald, curenții convectivi sunt mai activi, ceea ce poate afecta viteza de răcire.

Totuși, în 2016, a fost realizat un studiu atent controlat, care a arătat contrariul: apa caldă a înghețat mult mai lent decât apa rece. În același timp, oamenii de știință au observat că o schimbare a locației unui termocuplu - un dispozitiv care determină diferențele de temperatură - cu doar un centimetru duce la apariția efectului Mpemba. Un studiu al altor lucrări similare a arătat că, în toate cazurile în care a fost observat acest efect, a existat o deplasare a termocuplului într-un centimetru.

21.11.2017 11.10.2018 Alexandru Firtsev

« Care apă îngheață mai repede rece sau fierbinte?”- încearcă să pui o întrebare prietenilor tăi, cel mai probabil majoritatea dintre ei vor răspunde că apa rece îngheață mai repede - și vor face o greșeală.

De fapt, dacă puneți simultan două vase de aceeași formă și volum în congelator, dintre care unul va conține apă rece și celălalt fierbinte, atunci apa fierbinte va îngheța mai repede.

O astfel de afirmație poate părea absurdă și nerezonabilă. În mod logic, apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la temperatura rece, iar apa rece ar trebui să se transforme deja în gheață în acest moment.

Deci, de ce apa fierbinte depășește apa rece în drum spre îngheț? Să încercăm să ne dăm seama.

Istoria observațiilor și cercetărilor

Oamenii au observat efectul paradoxal din cele mai vechi timpuri, dar nimeni nu i-a acordat prea multă importanță. Așadar, neconcordanțe în rata de înghețare a apei reci și calde au fost remarcate în notele lor de către Arestotel, precum și de Rene Descartes și Francis Bacon. Un fenomen neobișnuit s-a manifestat adesea în viața de zi cu zi.

Multă vreme, fenomenul nu a fost studiat în niciun fel și nu a trezit prea mult interes în rândul oamenilor de știință.

Studiul efectului neobișnuit a început în 1963, când un student curios din Tanzania, Erasto Mpemba, a observat că laptele fierbinte pentru înghețată îngheață mai repede decât laptele rece. În speranța de a obține o explicație a motivelor efectului neobișnuit, tânărul și-a întrebat profesorul de fizică de la școală. Totuși, profesorul a râs doar de el.

Mai târziu, Mpemba a repetat experimentul, dar în experimentul său nu a mai folosit lapte, ci apă, iar efectul paradoxal s-a repetat din nou.

Șase ani mai târziu, în 1969, Mpemba i-a adresat această întrebare profesorului de fizică Dennis Osborne, care a venit la școala sa. Profesorul a fost interesat de observarea tânărului, drept urmare, a fost efectuat un experiment care a confirmat prezența efectului, dar motivele acestui fenomen nu au fost stabilite.

De atunci, fenomenul a fost numit Efectul Mpemba.

De-a lungul istoriei observațiilor științifice au fost înaintate numeroase ipoteze cu privire la cauzele fenomenului.

Așa că în 2012, Societatea Regală Britanică de Chimie avea să anunțe un concurs de ipoteze pentru a explica efectul Mpemba. La competiție au participat oameni de știință din întreaga lume, în total s-au înscris 22.000 lucrări științifice. În ciuda unui număr atât de impresionant de articole, niciunul dintre ele nu a clarificat paradoxul Mpemba.

Cea mai comună versiune a fost conform căreia, apa fierbinte îngheață mai repede, deoarece pur și simplu se evaporă mai repede, volumul său devine mai mic și, pe măsură ce volumul scade, viteza de răcire crește. Cea mai comună versiune a fost în cele din urmă respinsă, deoarece a fost efectuat un experiment în care evaporarea a fost exclusă, dar efectul a fost totuși confirmat.

Alți oameni de știință credeau că motivul efectului Mpemba este evaporarea gazelor dizolvate în apă. În opinia lor, în timpul procesului de încălzire, gazele dizolvate în apă se evaporă, datorită cărora capătă o densitate mai mare decât apa rece. După cum se știe, o creștere a densității duce la o schimbare proprietăți fizice apă (creșterea conductibilității termice) și, prin urmare, crește viteza de răcire.

În plus, au fost înaintate o serie de ipoteze care descriu viteza de circulație a apei în funcție de temperatură. În multe studii, s-a încercat să se stabilească relația dintre materialul recipientelor în care se afla lichidul. Multe teorii păreau foarte plauzibile, dar nu au putut fi confirmate științific din cauza lipsei datelor inițiale, a contradicțiilor din alte experimente sau datorită faptului că factorii identificați pur și simplu nu erau comparabili cu viteza de răcire a apei. Unii oameni de știință în lucrările lor au pus sub semnul întrebării existența efectului.

În 2013, cercetătorii de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore au susținut că au rezolvat misterul efectului Mpemba. Potrivit studiului lor, motivul fenomenului constă în faptul că cantitatea de energie stocată în legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă rece și cea caldă diferă semnificativ.

Metodele de simulare pe calculator au arătat următoarele rezultate: cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât distanța dintre molecule este mai mare datorită faptului că forțele de respingere cresc. Și, în consecință, legăturile de hidrogen ale moleculelor sunt întinse, depozitând cantitate mare energie. Când sunt răcite, moleculele încep să se apropie unele de altele, eliberând energie din legăturile de hidrogen. În acest caz, eliberarea de energie este însoțită de o scădere a temperaturii.

În octombrie 2017, fizicienii spanioli, în cursul unui alt studiu, au descoperit că eliminarea materiei din echilibru (încălzire puternică înainte de răcire puternică) joacă un rol important în formarea efectului. Ei au determinat condițiile în care probabilitatea efectului este maximă. În plus, oamenii de știință din Spania au confirmat existența efectului invers Mpemba. Ei au descoperit că, atunci când este încălzită, o probă mai rece poate atinge o temperatură ridicată mai repede decât una caldă.

În ciuda informațiilor exhaustive și a numeroaselor experimente, oamenii de știință intenționează să continue să studieze efectul.

Efectul Mpemba în viața reală

Te-ai întrebat vreodată de ce patinoarul este inundat iarna? apa fierbinte si nu frig? După cum ați înțeles deja, ei fac acest lucru deoarece un patinoar umplut cu apă fierbinte va îngheța mai repede decât dacă ar fi umplut cu apă rece. Din același motiv, toboganele din orașele de gheață de iarnă sunt turnate cu apă fierbinte.

Astfel, cunoașterea existenței fenomenului permite oamenilor să economisească timp în pregătirea site-urilor pentru vederi de iarnă sport.

În plus, efectul Mpemba este uneori folosit în industrie - pentru a reduce timpul de înghețare a produselor, substanțelor și materialelor care conțin apă.

Apa este unul dintre cele mai uimitoare lichide din lume, care are proprietăți neobișnuite. De exemplu, gheața este o stare solidă de lichid gravitație specifică mai jos decât apa însăși, ceea ce a făcut posibilă în multe privințe apariția și dezvoltarea vieții pe Pământ. În plus, în lumea aproape științifică, și într-adevăr în lumea științifică, există discuții despre care apa îngheață mai repede - caldă sau rece. Cine dovedește înghețarea mai rapidă a unui lichid fierbinte în anumite condiții și își justifică științific decizia va primi un premiu de 1.000 de lire sterline de la Societatea Regală Britanică de Chimiști.

fundal

Faptul că, în mai multe condiții, apa caldă este înaintea apei rece în ceea ce privește rata de îngheț, a fost observat încă din Evul Mediu. Francis Bacon și René Descartes au depus mult efort în explicarea acestui fenomen. Cu toate acestea, din punctul de vedere al ingineriei termice clasice, acest paradox nu poate fi explicat și au încercat să-l tacă cu timiditate. Impulsul pentru continuarea disputei a fost o poveste oarecum curioasă care i s-a întâmplat școlarului tanzanian Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) în 1963. Odată, în timpul unei lecții de preparare a deserturilor la o școală de gătit, un băiat, distras de alte lucruri, nu a avut timp să răcească la timp amestecul de înghețată și să pună o soluție de zahăr în lapte fierbinte în congelator. Spre surprinderea lui, produsul sa răcit ceva mai repede decât cel al colegilor săi practicanți care au observat regim de temperatură preparat de inghetata.

Încercând să înțeleagă esența fenomenului, băiatul a apelat la un profesor de fizică, care, fără a intra în detalii, și-a ridiculizat experimentele culinare. Cu toate acestea, Erasto s-a remarcat printr-o perseverență de invidiat și și-a continuat experimentele nu pe lapte, ci pe apă. S-a asigurat că în unele cazuri apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece.

Intrând la Universitatea din Dar es Salaam, Erasto Mpembe a participat la o prelegere susținută de profesorul Dennis G. Osborne. După absolvire, studentul l-a nedumerit pe om de știință cu problema ratei de îngheț a apei în funcție de temperatura acesteia. D.G. Osborne a ridiculizat chiar formularea întrebării, afirmând cu aplomb că orice învins știe că apa rece va îngheța mai repede. Totuși, tenacitatea firească a tânărului s-a făcut simțită. A făcut un pariu cu profesorul, oferindu-se să facă un test experimental aici, în laborator. Erasto a pus două recipiente cu apă în congelator, unul la 95°F (35°C) și celălalt la 212°F (100°C). Care a fost surpriza profesorului și a „fanilor” din jur când apa din al doilea recipient a înghețat mai repede. De atunci, acest fenomen a fost numit „Paradoxul Mpemba”.

Cu toate acestea, până în prezent nu există o ipoteză teoretică coerentă care să explice „Paradoxul Mpemba”. Nu este clar care factori externi, compoziție chimică apă, prezența gazelor dizolvate și a mineralelor în ea afectează viteza de înghețare a lichidelor la diferite temperaturi. Paradoxul „Efectului Mpemba” este că acesta contrazice una dintre legile descoperite de I. Newton, care afirmă că timpul de răcire al apei este direct proporțional cu diferența de temperatură dintre lichid și mediu. Și dacă toate celelalte lichide sunt complet supuse acestei legi, atunci apa în unele cazuri este o excepție.

De ce apa fierbinte îngheață mai repede?T

Există mai multe versiuni ale motivului pentru care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Principalele sunt:

• apa fierbinte se evaporă mai repede, în timp ce volumul ei scade, iar un volum mai mic de lichid se răcește mai repede - când apa este răcită de la + 100 ° C la 0 ° C, pierderile de volum la presiunea atmosferică ajung la 15%;
• rata schimbului de căldură între lichid și mediu inconjurator cu cât este mai mare, cu atât diferența de temperatură este mai mare, astfel încât pierderea de căldură a apei clocotite trece mai repede;
• când apa fierbinte se răcește, pe suprafața ei se formează o crustă de gheață, care împiedică înghețarea și evaporarea completă a lichidului;
• la temperatura ridicata apa este amestecarea sa prin convecție, reducând timpul de îngheț;
• gazele dizolvate în apă scad punctul de îngheț, luând energie pentru formarea cristalelor - nu există gaze dizolvate în apa fierbinte.

Toate aceste condiții au fost supuse verificărilor experimentale repetate. În special, omul de știință german David Auerbach a descoperit că temperatura de cristalizare a apei calde este puțin mai mare decât cea a apei rece, ceea ce face posibilă înghețarea primei mai rapid. Cu toate acestea, ulterior experimentele sale au fost criticate și mulți oameni de știință sunt convinși că „Efectul Mpemba” despre care apa îngheață mai repede - caldă sau rece, nu poate fi reprodus decât în ​​anumite condiții, pe care nimeni nu le-a căutat și concretizat până acum.