Efectul Mpemba sau de ce îngheață apa fierbinte mai repede decât apa rece? Apă caldă și rece: secrete ale înghețului.

21.11.2017 11.10.2018 Alexandru Firtsev

« Care apă îngheață mai repede rece sau fierbinte?»- încercați să puneți o întrebare prietenilor dvs., cel mai probabil cei mai mulți dintre ei vor răspunde că apa rece îngheață mai repede - și va face o greșeală.

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

O astfel de afirmație poate părea absurdă și nerezonabilă. Dacă urmați logica, atunci apa fierbinte trebuie mai întâi să se răcească la o temperatură rece, iar frigul în acest moment ar fi trebuit să se transforme deja în gheață.

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 o mare importanță. Acesta este modul în care Arrestotel, precum și René Descartes și Francis Bacon, au remarcat în notele lor că nu există o coincidență a ratei de îngheț a apei calde și reci. 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 curioasă din Tanzania, Erasto Mpemba, a observat că înghețata fierbinte îngheață mai repede decât laptele rece. Sperând să obțină o explicație a motivelor efectului neobișnuit, tânărul și-a întrebat profesorul de fizică la școală. Cu toate acestea, 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.

6 ani mai târziu, în 1969, Mpemba a adresat această întrebare profesorului de fizică Dennis Osborne care a venit la școala sa. Profesorul a fost interesat de observarea tânărului, ca 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 observației științifice, au fost prezentate multe ipoteze cu privire la cauzele fenomenului.

Așadar, în 2012, Royal Chemical Society britanic ar fi anunțat o competiție pentru ipoteze care să explice efectul Mpemba. Oamenii de știință din întreaga lume au participat la concurs, în total 22.000 au fost înregistrați lucrări științifice... În ciuda unui număr atât de impresionant de articole, niciunul dintre ele nu a clarificat paradoxul Mpemba.

Cea mai obișnuită versiune a fost că apa fierbinte îngheță mai repede, deoarece pur și simplu se evaporă mai repede, volumul său devine mai mic și, pe măsură ce volumul scade, rata de răcire crește. Cea mai răspândită versiune a fost în cele din urmă respinsă deoarece s-a efectuat un experiment în care evaporarea a fost exclusă, dar efectul a fost totuși confirmat.

Alți oameni de știință au crezut că cauza efectului Mpemba este evaporarea gazelor dizolvate în apă. În opinia lor, gazele dizolvate în apă se evaporă în timpul încălzirii, datorită cărora capătă o densitate mai mare decât apa rece. După cum știți, o creștere a densității duce la o schimbare proprietăți fizice apă (creșterea conductivității termice) și, prin urmare, o creștere a ratei de răcire.

În plus, au fost prezentate o serie de ipoteze care descriu rata circulației apei în funcție de temperatură. În multe studii, s-a încercat stabilirea relației dintre materialul recipientelor în care se afla lichidul. Multe teorii păreau foarte plauzibile, dar nu a fost posibil să le confirmăm științific din cauza lipsei datelor inițiale, a contradicțiilor din alte experimente sau din cauza faptului că factorii dezvăluiți pur și simplu nu erau comparabili cu rata de răcire a apei. Unii oameni de știință din lucrările lor au pus la îndoială existența efectului.

În 2013, cercetătorii din Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore a spus că au rezolvat misterul efectului Mpemba. Potrivit cercetărilor lor, motivul fenomenului constă în faptul că cantitatea de energie stocată în legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă rece și fierbinte este semnificativ diferită.

Metode simulare computerizată a arătat următoarele rezultate: cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât este mai mare distanța dintre molecule datorită faptului că forțele de respingere cresc. În consecință, legăturile de hidrogen ale moleculelor sunt întinse, stocând mai multă energie. Când sunt răcite, moleculele încep să se apropie una de cealaltă, eliberând energie din legături de hidrogen... În acest caz, revenirea energiei este însoțită de o scădere a temperaturii.

În octombrie 2017, fizicienii spanioli, în cursul următorului lor studiu, au constatat că eliminarea materiei din echilibru (încălzire puternică înainte de răcirea puternică) joacă un rol important în formarea efectului. Ei au identificat condițiile în care probabilitatea ca efectul să fie mai mare. În plus, oamenii de știință din Spania au confirmat existența efectului opus Mpemba. Au descoperit că, atunci când este încălzită, o probă mai rece poate atinge o temperatură ridicată mai rapidă decât una caldă.

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

Efectul Mpemba în viața reală

V-ați întrebat vreodată de ce patinoarul este inundat iarna? apa fierbinte mai degrabă decât rece? După cum ați înțeles deja, fac acest lucru deoarece un patinoar plin 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 inundate cu apă fierbinte.

Astfel, cunoașterea existenței fenomenului permite oamenilor să economisească timp atunci când pregătesc site-uri pentru sporturi de iarnă.

În plus, efectul Mpemba este uneori utilizat în industrie - pentru a reduce timpul de congelare a alimentelor, substanțelor și materialelor care conțin apă.

Mulți factori influențează apa care îngheață mai repede, fierbinte sau rece, dar întrebarea în sine pare puțin ciudată. Se presupune, și acest lucru se știe din fizică, că apa fierbinte are încă nevoie de timp pentru a se răcori la temperatura apei reci comparabile pentru a se transforma în gheață. În apă rece, această etapă poate fi omisă și, în consecință, câștigă la timp.

Dar răspunsul la întrebarea despre care apa îngheață mai repede - rece sau fierbinte - în afara înghețului, cunoaște orice locuitor din latitudinile nordice. De fapt, din punct de vedere științific, se dovedește că, în orice caz, apa rece trebuie să înghețe mai repede.

Profesorul de fizică, care a fost abordat de școlarul Erasto Mpemba în 1963 cu o cerere de a explica de ce amestecul rece de înghețată viitoare îngheață mai mult decât unul similar, dar fierbinte, a gândit la fel.

„Aceasta nu este fizica lumii, ci un fel de fizică Mpemba”

În acel moment, profesorul râdea doar de acest lucru, dar Deniss Osborne, un profesor de fizică care la un moment dat a condus la aceeași școală în care a studiat Erasto, a confirmat experimental existența unui astfel de efect, deși atunci nu exista nicio explicație pentru acest lucru. În 1969 în popular jurnal stiintific un articol comun a fost publicat de aceste două persoane care au descris acest efect aparte.

De atunci, apropo, întrebarea despre care apa îngheață mai repede - fierbinte sau rece - își are propriul nume - efectul sau paradoxul Mpemba.

Întrebarea a apărut de mult timp

Bineînțeles, un astfel de fenomen a avut loc înainte și a fost menționat în lucrările altor oameni de știință. Nu doar școlarul era interesat de această problemă, dar Rene Descartes și chiar Aristotel s-au gândit la asta la vremea lor.

Iată doar abordări pentru rezolvarea acestui paradox care a început să se uite doar la sfârșitul secolului al XX-lea.

Condiții pentru un paradox

La fel ca în cazul înghețatei, nu doar apa obișnuită îngheță în timpul experimentului. Anumite condiții trebuie să fie prezente pentru a începe să vă argumentați care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte. Ce influențează cursul acestui proces?

Acum, în secolul 21, au fost propuse mai multe opțiuni care pot explica acest paradox. Care apă îngheață mai repede, caldă sau rece, poate depinde de faptul că are o rată de evaporare mai rapidă decât apa rece. Astfel, volumul său scade și, odată cu scăderea volumului, timpul de îngheț devine mai scurt decât dacă luăm un volum inițial similar de apă rece.

Decongelați congelatorul mult timp

Care apă îngheață mai repede și de ce se întâmplă, poate fi influențată de căptușeala de zăpadă care poate fi găsită în congelatorul frigiderului folosit pentru experiment. Dacă luați două recipiente cu volum identic, dar unul dintre ele conține apă fierbinte, iar celălalt conține apă rece, recipientul cu apă fierbinte va topi zăpada sub el, îmbunătățind astfel contactul nivelului termic cu peretele frigiderul. Un recipient cu apă rece nu poate face asta. Dacă nu există o astfel de căptușeală cu zăpadă în compartimentul frigiderului, apa rece ar trebui să înghețe mai repede.

Sus jos

De asemenea, fenomenul căruia apa îngheață mai repede - cald sau rece, este explicat după cum urmează. Urmând anumite legi, apa rece începe să înghețe din straturile superioare, când apa fierbinte o face invers - începe să înghețe de jos în sus. În același timp, se dovedește că apa rece, având un strat rece deasupra cu gheață deja formată pe alocuri, agravează astfel procesele de convecție și radiații termice, acest lucru explică care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte. Fotografia din experimentele amatorilor este atașată și este clar vizibilă aici.

Căldura se stinge, tindând în sus, și acolo întâlnește un strat foarte răcit. Nu există o cale liberă pentru radiația de căldură, astfel încât procesul de răcire devine dificil. Apa fierbinte nu are astfel de obstacole în drum. Care dintre ele îngheață mai repede - rece sau fierbinte, de care depinde rezultatul probabil, puteți extinde răspunsul prin faptul că orice apă are anumite substanțe dizolvate în ea.

Impuritățile din apă ca factor care afectează rezultatul

Dacă nu trișați și nu folosiți apă cu aceeași compoziție, unde concentrațiile anumitor substanțe sunt identice, atunci apa rece ar trebui să înghețe mai repede. Dar dacă apare o situație când este dizolvată elemente chimice disponibil numai în apă fierbinte, iar apa rece nu le are, atunci există posibilitatea ca apa fierbinte să înghețe mai devreme. Acest lucru se explică prin faptul că substanțele dizolvate din apă creează centre de cristalizare și, cu un număr mic de acești centri, transformarea apei într-o stare solidă este dificilă. Este chiar posibilă răcirea excesivă a apei, în sensul că la temperaturi sub zero zero va fi în stare lichidă.

Dar toate aceste versiuni, aparent, nu se potriveau complet oamenilor de știință și au continuat să lucreze la această problemă. În 2013, o echipă de cercetători din Singapore a declarat că a rezolvat un mister vechi.

Un grup de oameni de știință chinezi susțin că secretul acestui efect constă în cantitatea de energie stocată între moleculele de apă în legăturile sale, numite legături de hidrogen.

Indici de la oamenii de știință chinezi

Aceasta este urmată de informații, pentru a înțelege care este necesar să aveți unele cunoștințe în chimie pentru a afla ce apă îngheață mai repede - cald sau rece. După cum știți, este format din doi atomi de H (hidrogen) și un atom de O (oxigen), ținuți împreună prin legături covalente.

Dar și atomii de hidrogen ai unei molecule sunt atrași de moleculele vecine, de componenta lor de oxigen. Aceste legături sunt numite legături de hidrogen.

Merită să ne amintim că, în același timp, moleculele de apă sunt respingătoare între ele. Oamenii de știință au observat că atunci când apa este încălzită, distanța dintre moleculele sale crește și acest lucru este facilitat doar de forțele respingătoare. Se pare că, ocupând o distanță între molecule în stare rece, s-ar putea spune, se întind și au o sursă mai mare de energie. Acest depozit de energie este eliberat atunci când moleculele de apă încep să se apropie una de cealaltă, adică are loc răcirea. Se pare că o cantitate mai mare de energie în apa fierbinte și o eliberare mai mare atunci când este răcită la temperaturi sub zero, are loc mai repede decât în ​​apa rece, care are mai puțină energie. Deci, care apă îngheață mai repede - rece sau fierbinte? Pe stradă și în laborator, ar trebui să apară paradoxul Mpemba, iar apa fierbinte ar trebui să se transforme în gheață mai repede.

Dar întrebarea este încă deschisă

Există doar o confirmare teoretică a acestui indiciu - toate acestea sunt scrise în formule frumoase și par plauzibile. Dar când datele experimentale, care apa îngheață mai repede - fierbinte sau rece, sunt puse într-un sens practic și rezultatele lor sunt prezentate, atunci problema paradoxului Mpemba poate fi considerată închisă.

Societatea Regală Britanică de Chimie oferă un premiu de 1.000 de lire sterline oricui poate explica punct științific vezi de ce, în unele cazuri, apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece.

„Știința modernă încă nu poate răspunde la această întrebare aparent simplă. Producătorii de înghețată și barmanii folosesc acest efect în lor Munca zilnica dar nimeni nu știe cu adevărat de ce funcționează. Această problemă este cunoscută de milenii, filozofi precum Aristotel și Descartes s-au gândit la aceasta ”, a declarat președintele Societății Regale Britanice de Chimie, profesorul David Philips, citat într-un comunicat de presă al Societății.

Cum un bucătar din Africa a învins un profesor britanic de fizică

Aceasta nu este o glumă a lui Fool April, ci o realitate fizică dură. Știința actuală, care funcționează cu ușurință cu galaxii și găuri negre, construiește accelerații uriașe pentru a căuta quark și bosoni, nu poate explica cum „funcționează” apa elementară. Un manual școlar afirmă fără echivoc că un corp mai cald durează mai mult să se răcească decât un corp mai rece. Dar pentru apă, această lege nu este întotdeauna respectată. Aristotel a atras atenția asupra acestui paradox în secolul al IV-lea î.Hr. e. Așa scria vechiul grec în cartea Meteorologica I: „Faptul că apa este preîncălzită îl face să înghețe. Prin urmare, mulți oameni, când vor să răcească rapid apa fierbinte, o pun mai întâi la soare ... ”În Evul Mediu, Francis Bacon și René Descartes au încercat să explice acest fenomen. Din păcate, nici marii filozofi, nici numeroși oameni de știință care au dezvoltat fizica termică clasică nu au reușit în acest sens și, prin urmare, acest fapt incomod a fost „uitat” mult timp.

Și abia în 1968 și-au „amintit” datorită școlarului Erasto Mpemba din Tanzania, departe de orice știință. În timp ce studia la școala de bucătărie, în 1963, Mpembe, în vârstă de 13 ani, a primit sarcina de a face înghețată. Conform tehnologiei, a fost necesar să fierbeți laptele, să dizolvați zahărul în el, să îl răciți la temperatura camerei și apoi să îl puneți în frigider pentru a îngheța. Aparent, Mpemba nu a fost un student sârguincios și a ezitat. Temându-se că nu va ajunge la timp până la sfârșitul lecției, a pus laptele fierbinte în frigider. Spre surprinderea lui, a înghețat chiar mai devreme decât laptele tovarășilor săi, pregătit conform tuturor regulilor.

Când Mpemba a împărtășit descoperirea sa cu un profesor de fizică, s-a făcut de râs în fața întregii clase. Mpemba și-a amintit răul. Cinci ani mai târziu, deja student la universitatea din Dar es Salaam, a fost la o prelegere a celebrului fizician Denis G. Osborne. După prelegere, el i-a pus omului de știință o întrebare: „Dacă luați două recipiente identice cu cantități egale de apă, unul la 35 ° C (95 ° F) și celălalt la 100 ° C (212 ° F) și le puneți în congelator, apoi apa dintr-un recipient fierbinte va îngheța mai repede. De ce?" Vă puteți imagina reacția unui profesor britanic la întrebarea unui tânăr din Tanzania părăsită de Dumnezeu. S-a făcut de râs pe elev. Totuși, Mpemba a fost pregătit pentru un astfel de răspuns și l-a provocat pe omul de știință să parieze. Disputa lor s-a încheiat cu un test experimental care a confirmat corectitudinea lui Mpemba și înfrângerea lui Osborne. Așadar, bucătarul elev și-a înscris numele în istoria științei și, de acum înainte, acest fenomen este numit „efectul Mpemba”. Este imposibil să-l aruncați, să-l declarați ca și cum nu ar exista. Fenomenul există și, așa cum a scris poetul, „nu până la dinți”.

Particulele de praf și solutele sunt de vină?

De-a lungul anilor, mulți au încercat să dezvăluie misterul înghețării apei. S-au propus o grămadă de explicații pentru acest fenomen: evaporarea, convecția, efectul solutelor - dar niciunul dintre acești factori nu poate fi considerat definitiv. O serie de oameni de știință și-au dedicat întreaga viață efectului Mpemba. Angajat al Departamentului pentru Siguranța Radiologică Universitate de stat New York - James Brownridge - în timp liber studiază paradoxul de peste un deceniu. După efectuarea a sute de experimente, omul de știință susține că are dovezi ale „vinovăției” hipotermiei. Brownridge explică faptul că la 0 ° C, apa este doar răcită și începe să înghețe când temperatura scade sub. Punctul de îngheț este controlat de impuritățile din apă - acestea modifică rata de formare a cristalelor de gheață. Impuritățile, și acestea sunt boabe de praf, bacterii și săruri dizolvate, au o temperatură de nucleație caracteristică pentru ele, când se formează cristale de gheață în jurul centrelor de cristalizare. Când există mai multe elemente în apă simultan, punctul de îngheț este determinat de cel cu cea mai mare temperatură de nucleație.

Pentru experiment, Brownridge a luat două probe de apă de aceeași temperatură și le-a plasat într-un congelator. El a descoperit că unul dintre exemplare îngheață întotdeauna înaintea celuilalt - probabil din cauza unei combinații diferite de impurități.

Brownridge susține că apa fierbinte se răcește mai repede datorită diferență mai mareîntre temperaturile apei și congelatorului - acest lucru îl ajută să atingă punctul de îngheț înainte ca apa rece să atingă punctul său natural de îngheț, care este cu cel puțin 5 ° C mai mic.

Cu toate acestea, raționamentul lui Brownridge ridică multe întrebări. Prin urmare, cei care pot explica efectul Mpemba în felul lor au șansa de a concura pentru o mie de lire sterline de la British Royal Chemical Society.

Buna dragi iubiti fapte interesante... Astăzi vom vorbi despre. Dar cred că întrebarea din titlu poate părea pur și simplu absurdă - dar ar trebui să aveți întotdeauna încredere completă în cei notorii " bun simț"Și nu o experiență de testare stabilită riguros. Să încercăm să ne dăm seama de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece?

Referință istorică

Că în problema înghețării apei calde și reci „nu totul este curat” a fost menționat în scrierile lui Aristotel, apoi note similare au fost făcute de F. Bacon, R. Descartes și J. Black. ÎN Istoria recentă acest efect a fost denumit „paradoxul lui Mpemba” - după numele unui student din Tanganyika, Erasto Mpemba, care a adresat aceeași întrebare unui profesor vizitator de fizică.

Întrebarea băiatului a apărut nu de la zero, ci din observații pur personale ale procesului de răcire a amestecurilor de înghețată în bucătărie. Desigur, colegii de clasă care erau prezenți acolo, împreună cu profesor de școală Râzând Mpemba - cu toate acestea, după verificarea experimentală personală de către profesorul D. Osborne, dorința de a-și bate joc de Erasto, ei s-au „evaporat”. Mai mult, Mpemboy, împreună cu un profesor în 1969 în Educație fizică, au publicat o descriere detaliată a acestui efect - și de atunci numele menționat anterior a rămas în literatura științifică.

Care este esența fenomenului?

Setarea experimentului este destul de simplă: toate celelalte lucruri fiind egale, se testează aceleași vase cu pereți subțiri, în care există cantități de apă strict egale, care diferă doar în ceea ce privește temperatura. Vasele sunt încărcate în frigider, după care se cronometrează timpul până la formarea gheții în fiecare dintre ele. Paradoxul este că într-un vas cu un lichid inițial mai fierbinte, acest lucru se întâmplă mai repede.

Cum explică fizica modernă acest lucru?

Paradoxul nu are o explicație universală, deoarece mai multe procese paralele continuă împreună, a căror contribuție poate diferi de cea specifică condiții inițiale- dar cu un rezultat consistent:

• capacitatea unui lichid de a face hipotermie - inițial apa rece este mai predispusă la hipotermie, adică rămâne lichid când temperatura sa este deja sub punctul de îngheț
• răcire accelerată - aburul din apa fierbinte este transformat în microcristale de gheață, care, la căderea înapoi, accelerează procesul, funcționând ca un „schimbător de căldură extern” suplimentar
• efect de izolare - spre deosebire de apa fierbinte, apa rece ingheata de sus, ceea ce duce la o scadere a transferului de caldura prin convectie si radiatii

Există o serie de alte explicații ( ultima data Societatea Regală Britanică de Chimie a organizat recent un concurs pentru cea mai bună ipoteză, în 2012) - dar nu există încă o teorie fără echivoc pentru toate cazurile de combinații de condiții de intrare ...

În acest articol ne vom uita la întrebarea de ce apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece.

Apa fierbinte ingheata mult mai repede decat apa rece! Această proprietate uimitoare a apei, pentru care oamenii de știință nu pot găsi o explicație exactă, a fost cunoscută din cele mai vechi timpuri. De exemplu, chiar și în Aristotel, există o descriere a pescuitului de iarnă: pescarii au introdus undițele în găurile din gheață și, astfel încât să înghete mai degrabă, au turnat apă caldă pe gheață. Numele acestui fenomen a fost dat de numele lui Erasto Mpemba în anii 60 ai secolului XX. Mnemba a observat un efect ciudat când pregătea înghețată și s-a adresat profesorului său de fizică, dr. Denis Osborne, pentru o explicație. Mpemba și Dr. Osborne au experimentat cu apă de diferite temperaturi și au ajuns la concluzia că apa aproape clocotită începe să înghețe mult mai repede decât apa la temperatura camerei. Alți oameni de știință și-au desfășurat propriile experimente și au obținut rezultate similare de fiecare dată.

Explicarea fenomenului fizic

Nu există nicio explicație general acceptată de ce se întâmplă acest lucru. Mulți cercetători sugerează că întregul punct se află în hipotermia lichidului, care apare atunci când temperatura acestuia scade sub punctul de îngheț. Cu alte cuvinte, dacă apa îngheață la temperaturi sub 0 ° C, atunci apa supraîncălzită poate avea o temperatură de, de exemplu, -2 ° C și în același timp să rămână lichidă fără să se transforme în gheață. Când încercăm să congelăm apa rece, există posibilitatea ca aceasta să fie mai întâi răcită și să se întărească doar după un timp. Alte procese au loc în apă încălzită. Transformarea sa mai rapidă în gheață este asociată cu convecția.

Convecție- acesta este un fenomen fizic în care straturile inferioare calde ale lichidului se ridică, iar cele superioare, răcite, cad.