Efekt Mpemba, nebo proč horká voda zmrzne rychleji než studená? Teplá a studená voda: tajemství zmrazení.

21.11.2017 11.10.2018 Alexandr Firtsev

« Která voda zamrzne rychleji studená nebo horká?“ - zkuste položit otázku svým přátelům, s největší pravděpodobností většina z nich odpoví, že studená voda zmrzne rychleji - a udělají chybu.

Ve skutečnosti, pokud současně vložíte dvě nádoby stejného tvaru a objemu do mrazničky, z nichž jedna bude mít studenou vodu a druhá horkou, pak horká voda zmrzne rychleji.

Takové prohlášení se může zdát absurdní a nerozumné. Pokud se budete řídit logikou, pak se horká voda musí nejprve ochladit na studenou teplotu a studená v této době by se již měla změnit v led.

Proč tedy horká voda na cestě k mrazu předběhne studenou vodu? Zkusme na to přijít.

Historie pozorování a výzkumu

Lidé pozorovali paradoxní účinek již od starověku, ale nikdo tomu nepřikládal velký význam. Takto Arrestotel, stejně jako Rene Descartes a Francis Bacon, ve svých poznámkách poznamenali, že rychlost mrazení studené a horké vody se neshoduje. Neobvyklý jev se často projevoval v každodenním životě.

Po dlouhou dobu nebyl tento jev nijak studován a mezi vědci nevzbudil velký zájem.

Studium neobvyklého účinku začalo v roce 1963, kdy si zvídavý student z Tanzanie Erasto Mpemba všiml, že horké mléko na zmrzlinu zmrzne rychleji než studené. V naději, že dostane vysvětlení důvodů neobvyklého účinku, se mladý muž zeptal svého učitele fyziky ve škole. Učitel se mu však jen vysmál.

Později Mpemba experiment zopakoval, ale ve svém experimentu už nepoužíval mléko, ale vodu a paradoxní efekt se opakoval znovu.

O 6 let později, v roce 1969, položil Mpemba tuto otázku profesorovi fyziky Dennisu Osbornovi, který přišel do jeho školy. Profesor se zajímal o pozorování mladého muže, v důsledku toho byl proveden experiment, který potvrdil účinek, ale důvody tohoto jevu nebyly stanoveny.

Od té doby se tomuto fenoménu říká Mpemba efekt.

V průběhu historie vědeckého pozorování bylo předloženo mnoho hypotéz o příčinách tohoto jevu.

V roce 2012 by tedy Britská královská chemická společnost vyhlásila soutěž o hypotézy vysvětlující efekt Mpemba. Soutěže se zúčastnili vědci z celého světa, celkem bylo přihlášeno 22 000 vědecké práce... Navzdory tak působivému počtu článků žádný z nich nevyjasnil paradox Mpemba.

Nejběžnější verzí bylo, že horká voda rychleji zmrzne, protože se jednoduše rychleji odpařuje, její objem se zmenšuje a jak se objem zmenšuje, zvyšuje se rychlost jejího ochlazování. Nejrozšířenější verze byla nakonec vyvrácena, protože byl prováděn experiment, při kterém bylo vyloučeno odpařování, ale účinek byl přesto potvrzen.

Jiní vědci se domnívali, že příčinou efektu Mpemba je odpařování plynů rozpuštěných ve vodě. Podle jejich názoru se plyny rozpuštěné ve vodě při zahřívání odpařují, díky čemuž získává vyšší hustotu než studená voda. Jak víte, zvýšení hustoty vede ke změně fyzikální vlastnosti vody (zvýšení tepelné vodivosti), a tedy zvýšení rychlosti ochlazování.

Kromě toho byla předložena řada hypotéz popisujících rychlost cirkulace vody jako funkci teploty. V mnoha studiích byl učiněn pokus zjistit vztah mezi materiálem nádob, ve kterých byla kapalina umístěna. Mnoho teorií vypadalo velmi věrohodně, ale nebylo možné je vědecky potvrdit kvůli nedostatku počátečních dat, rozporům v jiných experimentech nebo kvůli skutečnosti, že odhalené faktory prostě nebyly srovnatelné s rychlostí vodního chlazení. Někteří vědci ve svých pracích existenci účinku zpochybnili.

V roce 2013 vědci z Technologická univerzita Nanyang v Singapuru řekl, že vyřešili záhadu efektu Mpemba. Podle jejich výzkumu důvod tohoto jevu spočívá v tom, že množství energie uložené ve vodíkových vazbách mezi molekulami studené a horké vody je výrazně odlišné.

Metody počítačová simulace ukázal následující výsledky: čím vyšší je teplota vody, tím větší je vzdálenost mezi molekulami v důsledku skutečnosti, že se odpudivé síly zvyšují. V důsledku toho se vodíkové vazby molekul natahují a ukládají více energie. Po ochlazení se molekuly začnou přibližovat k sobě a uvolňují energii Vodíkové vazby... V tomto případě je uvolnění energie doprovázeno poklesem teploty.

V říjnu 2017 španělští fyzici v průběhu své další studie zjistili, že velkou roli při tvorbě účinku hraje odstranění hmoty z rovnováhy (silné zahřívání před silným chlazením). Identifikovali podmínky, za nichž je pravděpodobnost účinku největší. Vědci ze Španělska navíc potvrdili existenci opačného efektu Mpemba. Zjistili, že při zahřátí může chladnější vzorek dosáhnout vysoké teploty rychleji než teplý.

Navzdory vyčerpávajícím informacím a četným experimentům hodlají vědci ve zkoumání účinku pokračovat.

Efekt Mpemba v reálném životě

Přemýšleli jste někdy nad tím, proč je v zimě ledová plocha zaplavena? horká voda spíše než zima? Jak jste již pochopili, dělají to, protože kluziště naplněné horkou vodou zmrzne rychleji, než kdyby bylo naplněno studenou vodou. Ze stejného důvodu jsou skluzavky v zimních ledových městech zaplaveny horkou vodou.

Znalost existence jevu tedy umožňuje lidem ušetřit čas při přípravě stanovišť pro zimní sporty.

Kromě toho se v průmyslu někdy používá efekt Mpemba - ke zkrácení doby zmrazení potravin, látek a materiálů obsahujících vodu.

Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují to, která voda zmrzne rychleji, horká nebo studená, ale samotná otázka se zdá trochu zvláštní. Z toho vyplývá, a z fyziky je známo, že horká voda stále potřebuje čas, aby se ochladila na teplotu srovnatelné studené vody, aby se proměnila v led. Ve studené vodě lze tuto fázi přeskočit a podle toho vítězí včas.

Ale odpověď na otázku, která voda mrzne rychleji - studená nebo horká - venku v mrazu, zná každý obyvatel severních zeměpisných šířek. Vědecky se ve skutečnosti ukazuje, že v každém případě musí studená voda prostě zmrznout rychleji.

Stejně uvažoval i učitel fyziky, kterého v roce 1963 oslovil školák Erasto Mpemba s žádostí o vysvětlení, proč studená směs budoucí zmrzliny zmrzne déle než podobná, ale horká.

"Toto není světová fyzika, ale nějaký druh fyziky Mpemba"

Tehdy se tomu učitel jen smál, ale Deniss Osborne, profesor fyziky, který svého času jel do stejné školy, kde studoval Erasto, experimentálně potvrdil existenci takového účinku, ačkoli tehdy pro to neexistovalo žádné vysvětlení. V roce 1969 v populární vědecký časopis byl zveřejněn společný článek těchto dvou lidí, kteří popsali tento zvláštní účinek.

Od té doby má mimochodem otázka, která voda zmrzne rychleji - horká nebo studená - svůj vlastní název - účinek nebo paradox Mpemby.

Otázka vyvstala dlouho

K tomuto jevu přirozeně došlo dříve a byl zmíněn v pracích jiných vědců. O tuto problematiku se zajímal nejen školák, ale Rene Descartes a dokonce i Aristoteles o ní ve své době přemýšleli.

Zde jsou jen přístupy k řešení tohoto paradoxu se začaly hledat až na konci dvacátého století.

Podmínky pro vznik paradoxu

Stejně jako u zmrzliny, i při experimentu nezamrzá jen obyčejná voda. Aby se mohli začít hádat, která voda zmrzne rychleji - studená nebo horká, musí být splněny určité podmínky. Co ovlivňuje průběh tohoto procesu?

Nyní, v 21. století, bylo předloženo několik možností, které mohou tento paradox vysvětlit. Která voda zamrzne rychleji, horká nebo studená, může záviset na tom, že má rychlejší odpařování než studená voda. Jeho objem tedy klesá a s poklesem objemu se doba zmrazování zkracuje, než kdybychom vzali podobný počáteční objem studené vody.

Mrazničku odmrazujte na dlouhou dobu

Která voda zamrzne rychleji a proč se to stane, může být ovlivněno sněhovou podšívkou, která se nachází v mrazáku chladničky použité pro experiment. Pokud vezmete dvě nádoby, které mají stejný objem, ale jedna z nich obsahuje horkou vodu a druhá studenou vodu, nádoba s horkou vodou pod ní roztaje sníh, čímž se zlepší kontakt tepelné hladiny se stěnou lednice. Nádoba na studenou vodu to nedokáže. Pokud v chladicím prostoru není taková podšívka se sněhem, studená voda by měla zmrznout rychleji.

Nahoře - dole

Také fenomén, ve kterém voda zmrzne rychleji - horká nebo studená, je vysvětlen následovně. Při dodržování určitých zákonů začíná studená voda z horních vrstev mrznout, zatímco horká to dělá naopak - začíná mrznout zdola nahoru. Současně se ukazuje, že studená voda, která má navrchu studenou vrstvu s místy již vytvořeným ledem, tedy zhoršuje konvekční procesy a tepelné záření, to vysvětluje, která voda zmrzne rychleji - studená nebo horká. Foto z amatérských experimentů je přiloženo a je to zde jasně vidět.

Teplo zhasíná, směřuje vzhůru, a tam se setkává s velmi ochlazenou vrstvou. Neexistuje žádná volná cesta pro tepelné záření, takže proces chlazení je obtížný. Horká voda na cestě žádné takové překážky nemá. Který z nich zamrzne rychleji - studený nebo horký, na kterém závisí pravděpodobný výsledek, můžete odpověď rozšířit tím, že jakákoli voda má v sobě rozpuštěné určité látky.

Nečistoty ve vodě jako faktor ovlivňující výsledek

Pokud nepodvádíte a používáte vodu se stejným složením, kde jsou koncentrace určitých látek identické, pak by studená voda měla zmrznout rychleji. Pokud ale při rozpuštění nastane situace chemické prvky k dispozici pouze v horké vodě a studená voda je nemá, pak existuje možnost, že horká voda dříve zmrzne. To je vysvětleno skutečností, že rozpuštěné látky ve vodě vytvářejí krystalizační centra a s malým počtem těchto center je transformace vody do pevného stavu obtížná. Je dokonce možné podchlazení vody v tom smyslu, že při teplotách pod nulou bude v kapalném stavu.

Ale všechny tyto verze očividně vědcům úplně nevyhovovaly a pokračovali v práci na tomto problému. V roce 2013 tým výzkumníků v Singapuru uvedl, že vyřešili letitou záhadu.

Skupina čínských vědců tvrdí, že tajemství tohoto účinku spočívá v množství energie, která je uložena mezi molekulami vody v jejích vazbách, nazývaných vodíkové vazby.

Vodítko od čínských vědců

Poté následují informace, pro jejichž pochopení je nutné mít určité znalosti z chemie, abychom zjistili, která voda zmrzne rychleji - horká nebo studená. Jak víte, skládá se ze dvou atomů H (vodík) a jednoho atomu O (kyslíku) držených pohromadě kovalentními vazbami.

Ale také atomy vodíku jedné molekuly jsou přitahovány k sousedním molekulám, ke své kyslíkové složce. Těmto vazbám se říká vodíkové vazby.

Stojí za připomenutí, že molekuly vody se zároveň navzájem odpuzují. Vědci poznamenali, že když se voda ohřívá, vzdálenost mezi jejími molekulami se zvětšuje, a to je usnadněno právě odpudivými silami. Ukazuje se, že zabírající jednu vzdálenost mezi molekulami ve studeném stavu, dalo by se říci, natahují se a mají větší zásobu energie. Je to tento zásobník energie, který se uvolňuje, když se molekuly vody začínají přibližovat k sobě, to znamená, že dochází k ochlazování. Ukazuje se, že větší přísun energie v horké vodě a její větší uvolnění při ochlazení na teploty pod nulou nastává rychleji než ve studené vodě, která má takové energie méně. Která voda tedy zamrzne rychleji - studená nebo horká? Na ulici a v laboratoři by měl nastat paradox Mpemba a horká voda by se měla rychleji změnit v led.

Ale otázka je stále otevřená

Existuje pouze teoretické potvrzení této stopy - to vše je napsáno krásnými vzorci a zdá se to věrohodné. Ale když jsou experimentální data, která voda zmrzne rychleji - horká nebo studená, uvedena do praktického smyslu a jsou uvedeny jejich výsledky, pak lze otázku paradoxu Mpemby považovat za uzavřenou.

Britská královská chemická společnost nabízí odměnu 1 000 GBP každému, kdo to dokáže vysvětlit vědecký bod podívejte se, proč v některých případech horká voda zmrzne rychleji než studená voda.

"Moderní věda stále nemůže odpovědět na tuto zdánlivě jednoduchou otázku." Výrobci zmrzliny a barmani tento efekt používají ve svých denní práce ale nikdo opravdu neví, proč to funguje. Tento problém je znám po tisíciletí, filozofové jako Aristoteles a Descartes o něm přemýšleli, “uvedl prezident Britské královské společnosti pro chemii profesor David Philips, citovaný v tiskové zprávě Společnosti.

Jak kuchař z Afriky porazil britského profesora fyziky

Nejde o aprílový žert, ale o drsnou fyzickou realitu. Současná věda, která snadno operuje s galaxiemi a černými dírami, staví obří urychlovače pro hledání kvarků a bosonů, nedokáže vysvětlit, jak elementární voda „funguje“. Ve školní učebnici se jednoznačně uvádí, že teplejšímu tělu trvá ochlazení déle než chladnějšímu tělu. Ale u vody není tento zákon vždy dodržován. Na tento paradox upozornil Aristoteles ve 4. století před naším letopočtem. NS. To napsal starověký Řek v knize Meteorologica I: „Skutečnost, že je voda předehřátá, přimrzne. Proto mnoho lidí, když chce rychle ochladit horkou vodu, nejprve ji postaví na slunce ... “Ve středověku se tento jev pokusili vysvětlit Francis Bacon a René Descartes. To se bohužel nepodařilo ani velkým filosofům, ani četným vědcům, kteří vyvinuli klasickou tepelnou fyziku, a proto byl tento nepříjemný fakt na dlouhou dobu „zapomenut“.

A teprve v roce 1968 si „vzpomněli“ díky školákovi Erastovi Mpembovi z Tanzanie, daleko od jakékoli vědy. Během studia na kuchařské škole měl v roce 1963 třináctiletý Mpembe za úkol vyrobit zmrzlinu. Podle technologie bylo nutné vařit mléko, rozpustit v něm cukr, ochladit ho na pokojovou teplotu a poté dát do lednice zmrazit. Mpemba zjevně nebyl pilným studentem a váhal. V obavě, že do konce hodiny nebude včas, dal horké mléko do lednice. K jeho překvapení zmrzlo ještě dříve než mléko jeho soudruhů, připravené podle všech pravidel.

Když Mpemba sdílel svůj objev s učitelem fyziky, dělal si z něj legraci před celou třídou. Mpemba si to zranění pamatoval. O pět let později, již jako student univerzity v Dar es Salaamu, byl na přednášce slavného fyzika Denise G. Osborna. Po přednášce položil vědci otázku: „Pokud vezmete dvě stejné nádoby se stejným množstvím vody, jednu při 35 ° C (95 ° F) a druhou při 100 ° C (212 ° F), dejte je do mrazáku, pak voda v horké nádobě zmrzne rychleji. Proč?" Dokážete si představit reakci britského profesora na otázku mladého muže z Bohem zapomenuté Tanzanie. Dělal si ze studenta legraci. Mpemba však byl na takovou odpověď připraven a vyzval vědce ke sázce. Jejich spor skončil experimentálním testem, který potvrdil správnost Mpemby a porážku Osborna. Kuchař-žák tedy zapsal své jméno do dějin vědy a od nynějška se tomuto jevu říká „efekt Mpemba“. Chcete-li to zahodit, deklarovat to, jako by „neexistující“ nefungovalo. Tento jev existuje, a jak básník napsal, „ne po zuby“.

Mohou za to prach a rozpuštěné látky?

Během let se mnozí pokusili rozluštit záhadu mrazivé vody. Pro tento jev byla navržena celá řada vysvětlení: odpařování, konvekce, vliv rozpuštěných látek - žádný z těchto faktorů však nelze považovat za konečný. Řada vědců zasvětila celý svůj život efektu Mpemba. Zaměstnanec odboru radiační bezpečnosti Státní univerzita New York - James Brownridge - in volný čas studuje paradox více než deset let. Po provedení stovek experimentů vědec tvrdí, že má důkazy o „vině“ hypotermie. Brownridge vysvětluje, že při 0 ° C je voda pouze podchlazená a začne mrznout, když teplota klesne pod. Bod tuhnutí je řízen nečistotami ve vodě - mění rychlost tvorby ledových krystalů. Nečistoty, a to jsou zrnka prachu, bakterie a rozpuštěné soli, mají pro ně charakteristickou teplotu nukleace, kdy se kolem center krystalizace tvoří krystaly ledu. Pokud je ve vodě několik prvků najednou, je bod tuhnutí určen tím, který má nejvyšší teplotu nukleace.

Pro experiment Brownridge vzal dva vzorky vody o stejné teplotě a umístil je do mrazničky. Zjistil, že jeden ze vzorků vždy zamrzne před druhým - pravděpodobně kvůli jiné kombinaci nečistot.

Brownridge tvrdí, že horká voda chladne rychleji větší rozdíl mezi teplotami vody a mrazničky - to jí pomáhá dosáhnout bodu mrazu, než studená voda dosáhne přirozeného bodu mrazu, který je nejméně o 5 ° C nižší.

Brownridgeova úvaha však vyvolává mnoho otázek. Proto ti, kteří dokážou vysvětlit efekt Mpemba po svém, mají šanci soutěžit o tisíc liber od British Royal Chemical Society.

Ahoj milí milenci zajímavosti... Dnes budeme mluvit o. Myslím si však, že otázka v názvu se může zdát jednoduše absurdní - ale měli byste vždy zcela věřit notoricky známému “ zdravý rozum“, A ne přísně nastavený testovací zážitek. Pokusme se zjistit, proč horká voda zmrzne rychleji než studená?

Historický odkaz

Že v otázce zmrazení studené a horké vody „ne všechno je čisté“ bylo zmíněno ve spisech Aristotela, pak podobné poznámky učinili F. Bacon, R. Descartes a J. Black. V nedávná historie tento efekt dostal název „Mpembův paradox“ - podle jména studenta z Tanganiky Erasta Mpemby, který stejnou otázku položil hostujícímu profesorovi fyziky.

Chlapcova otázka nevznikla od nuly, ale z čistě osobních pozorování procesu chlazení zmrzlinových směsí v kuchyni. Samozřejmě tam byli i spolužáci, kteří tam byli školní učitel Smějící se Mpemba - po experimentálním ověření osobně profesorem D. Osbornem, touhou vysmívat se Erastovi se ale „vypařili“. Mpemboy spolu s profesorem v roce 1969 ve Fyzikální výchově publikovali podrobný popis tohoto efektu - a od té doby se výše uvedené jméno ve vědecké literatuře zaseklo.

Jaká je podstata jevu?

Nastavení experimentu je docela jednoduché: všechny ostatní věci jsou stejné, testují se identické tenkostěnné nádoby, ve kterých je přísně stejné množství vody, lišící se pouze teplotou. Nádoby se naloží do chladničky, poté se načasuje doba, než se v každé z nich vytvoří led. Paradoxem je, že v nádobě s původně teplejší kapalinou se to děje rychleji.

Jak to moderní fyzika vysvětluje?

Paradox nemá univerzální vysvětlení, protože několik paralelních procesů probíhá společně, jejichž přínos se může lišit od konkrétních počáteční podmínky- ale s konzistentním výsledkem:

• schopnost kapaliny podchladit - zpočátku je studená voda náchylnější k podchlazení, tj. zůstává tekutý, když je jeho teplota již pod bodem mrazu
• zrychlené chlazení - pára z horké vody se přeměňuje na ledové mikrokrystaly, které při zpětném chodu proces urychlují a fungují jako další „externí výměník tepla“
• izolační efekt - na rozdíl od horké vody studená voda shora zmrzne, což vede ke snížení přenosu tepla konvekcí a sáláním

Existuje řada dalších vysvětlení ( naposledy The British Royal Society of Chemistry uspořádala soutěž o nejlepší hypotézu nedávno, v roce 2012) - ale stále neexistuje jednoznačná teorie pro všechny případy kombinací vstupních podmínek ...

V tomto článku se podíváme na otázku, proč horká voda zmrzne rychleji než studená.

Horká voda zmrzne mnohem rychleji než studená voda! Tato úžasná vlastnost vody, pro kterou vědci nemohou najít přesné vysvětlení, je známá již od starověku. Například i v Aristotelovi je popis zimního rybaření: rybáři zasouvali rybářské pruty do děr v ledu, a aby dříve zamrzli, nalili na led teplou vodu. Název tohoto jevu dostal jméno Erasto Mpemba v 60. letech 20. století. Mnemba si při přípravě zmrzliny všiml zvláštního účinku a obrátil se o vysvětlení na svého učitele fyziky, doktora Denise Osborna. Mpemba a Dr. Osborne experimentovali s vodou o různých teplotách a dospěli k závěru, že téměř vroucí voda začíná mrznout mnohem rychleji než voda při pokojové teplotě. Jiní vědci prováděli vlastní experimenty a pokaždé dosáhli podobných výsledků.

Vysvětlení fyzikálního jevu

Neexistuje obecně přijímané vysvětlení, proč se to děje. Mnoho vědců naznačuje, že je to všechno o podchlazení kapaliny, ke kterému dochází, když její teplota klesne pod bod mrazu. Jinými slovy, pokud voda zmrzne při teplotách pod 0 ° C, pak může mít podchlazená voda teplotu například -2 ° C a zároveň zůstane kapalná, aniž by se změnila v led. Když se pokusíme zmrazit studenou vodu, existuje možnost, že bude nejprve podchlazena a až po chvíli ztvrdne. Další procesy probíhají v ohřáté vodě. Jeho rychlejší přeměna na led je spojena s konvekcí.

Proudění- Jedná se o fyzikální jev, při kterém stoupají teplé spodní vrstvy kapaliny a horní, ochlazené, klesají.