Ефектът Мпемба или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената? Ефектът на Мпемба (парадокс на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода по време на процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура. Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. ученикът от Танзания Ерасто Мпемба открива, че горещата сладоледена смес замръзва по-бързо от студената. Като ученик в гимназия Магамби в Танзания, Ерасто Мпемба е работил на практика като готвач. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C. Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да се обясни в рамките на известната физика. Ето някои обяснения за ефекта Мпемба: Изпаряване Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема му, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C. Ефектът от изпарението е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, намалява. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява. Температурна разлика Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и горещата вода се охлажда по-бързо. Хипотермия Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от -20 C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да се образуват спонтанно кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне, за да образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се случва следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba. Конвекция Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е с по-малка плътност от водата при температура 4 C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, издигайки слоя топла вода към повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C. Въпреки това, няма експериментални данни, които биха потвърдили тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция. Газове, разтворени във вода Водата винаги съдържа разтворени газове в нея - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е по-ниска при високи температури. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт. Топлопроводимост Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу. Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но ясен отговор на въпроса кои от тях осигуряват стопроцентово възпроизвеждане на ефекта Мпемба, така и не е получен. Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се каже само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда. О. В. Мосин
Мпемба ефект(Парадоксът на Мпемба) - парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура.
Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. ученикът от Танзания Ерасто Мпемба открива, че горещата сладоледена смес замръзва по-бързо от студената.
Като ученик в гимназия Магамби в Танзания, Ерасто Мпемба е работил на практика като готвач. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология.
След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича Мпемба ефект.
Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури.
Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C.
Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да се обясни в рамките на известната физика. Ето някои обяснения за ефекта Мпемба:
Изпарение
Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C.
Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, намалява. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява.
Температурна разлика
Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо.
Хипотермия
Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от –20 C.
Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да се образуват спонтанно кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне, за да образува лед.
Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали.
Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се случва следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх.
Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед.
Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.
Конвекция
Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу.
Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е с по-малка плътност от водата при температура 4 C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен.
При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, издигайки слоя топла вода към повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата.
Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещи слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C.
Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция.
Газове, разтворени във вода
Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е по-ниска при високи температури. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.
Топлопроводимост
Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу.
Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но ясен отговор на въпроса кои от тях осигуряват стопроцентово възпроизвеждане на ефекта Мпемба, така и не е получен.
Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне.
В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват.
Засега може да се каже само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.
О. В. Мосин
Литературенизточници:
„Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода. Защо го прави?“, Джърл Уокър в The Amateur Scientist, Scientific American, том. 237, бр. 3, стр. 246-257; септември 1977 г.
„Замръзването на топла и студена вода“, Г.С. Кел в American Journal of Physics, Vol. 37, бр. 5, стр. 564-565; май 1969 г.
„Преохлаждане и ефектът на Мпемба“, Дейвид Ауербах, в American Journal of Physics, том. 63, бр. 10, стр. 882-885; октомври 1995 г.
„Ефектът Mpemba: Времената на замръзване на гореща и студена вода“, Charles A. Knight, в American Journal of Physics, том. 64, бр. 5, стр. 524; май 1996 г.
Водата е една от най-удивителните течности в света, която има необичайни свойства. Например, ледът, твърдо течно състояние, има специфично тегло, по-ниско от самата вода, което направи появата и развитието на живота на Земята до голяма степен възможно. Освен това в псевдонаучния и научен свят се водят дискусии коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Всеки, който успее да докаже, че горещата течност замръзва по-бързо при определени условия и научно обоснове своето решение, ще получи награда от £1000 от Британското кралско дружество на химиците.
Заден план
Фактът, че при редица условия топлата вода замръзва по-бързо от студената е забелязан още през Средновековието. Франсис Бейкън и Рене Декарт положиха много усилия, за да обяснят този феномен. Въпреки това, от гледна точка на класическата топлотехника, този парадокс не може да бъде обяснен и те се опитаха срамежливо да го премълчат. Импулсът за продължаване на дебата беше една малко любопитна история, която се случи с танзанийския ученик Ерасто Мпемба през 1963 г. Един ден, по време на урок по приготвяне на десерти в училище за готвачи, момчето, разсеяно от други неща, нямаше време да охлади сместа за сладолед навреме и постави горещ разтвор на захар в мляко във фризера. За негова изненада продуктът се охлади малко по-бързо от този на неговите състуденти, които спазваха температурния режим за приготвяне на сладолед.
Опитвайки се да разбере същността на явлението, момчето се обърна към учител по физика, който, без да навлиза в подробности, осмива кулинарните му експерименти. Ерасто обаче се отличаваше със завидна упоритост и продължи експериментите си не върху мляко, а върху вода. Той се убеди, че в някои случаи топлата вода замръзва по-бързо от студената.
След като влезе в университета в Дар ес Салаам, Ерасто Мпембе посети лекция на професор Денис Г. Осбърн. След завършването му студентът озадачи учения със задача за скоростта на замръзване на водата в зависимост от нейната температура. Д.Г. Озбърн се подиграва на самото поставяне на въпроса, заявявайки с апломб, че всеки беден ученик знае, че студената вода ще замръзне по-бързо. Но естествената упоритост на младия мъж се усети. Той се обзаложи с професора, предлагайки да проведе експериментален тест точно тук, в лабораторията. Erasto постави два контейнера с вода във фризера, единият при 95°F (35°C), а другият при 212°F (100°C). Представете си изненадата на професора и околните „фенове“, когато водата във втория контейнер замръзна по-бързо. Оттогава това явление е наречено „Парадоксът на Мпемба“.
Към днешна дата обаче няма последователна теоретична хипотеза, обясняваща „парадокса на Мпемба“. Не е ясно какви външни фактори, химичният състав на водата, наличието на разтворени газове и минерали в нея, влияят върху скоростта на замръзване на течности при различни температури. Парадоксът на „Ефекта на Мпемба“ е, че той противоречи на един от законите, открити от И. Нютон, който гласи, че времето за охлаждане на водата е право пропорционално на температурната разлика между течността и околната среда. И ако всички други течности напълно се подчиняват на този закон, тогава водата в някои случаи е изключение.
Защо горещата вода замръзва по-бързо?T
Има няколко версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Основните са:
- горещата вода се изпарява по-бързо, докато нейният обем намалява, а по-малък обем течност се охлажда по-бързо - при охлаждане на вода от + 100 ° C до 0 ° C обемните загуби при атмосферно налягане достигат 15%;
- колкото по-голяма е температурната разлика, толкова по-голяма е температурната разлика, толкова по-висока е интензивността на топлообмена между течността и околната среда, така че загубата на топлина от вряща вода става по-бързо;
- когато горещата вода се охлади, на повърхността й се образува ледена кора, която предотвратява пълното замръзване и изпаряване на течността;
- при високи температури на водата се получава конвекционно смесване, което намалява времето за замръзване;
- Газовете, разтворени във вода, понижават точката на замръзване, отнемайки енергия за образуване на кристали - в горещата вода няма разтворени газове.
Всички тези условия са многократно тествани експериментално. По-специално, немският учен Дейвид Ауербах откри, че температурата на кристализация на горещата вода е малко по-висока от тази на студената вода, което позволява на първата да замръзне по-бързо. По-късно обаче опитите му са критикувани и много учени са убедени, че „Ефектът на Мпемба“, който определя коя вода замръзва по-бързо – гореща или студена, може да се възпроизведе само при определени условия, които никой досега не е търсил и уточнявал.
Интернет маркетинг, редактор на сайта "На достъпен език"
Дата на публикуване: 21 ноември 2017 г
« Коя вода замръзва по-бързо, студена или гореща?„- опитайте да зададете въпрос на приятелите си, най-вероятно повечето от тях ще отговорят, че студената вода замръзва по-бързо - и ще направят грешка.
Всъщност, ако поставите едновременно два съда с еднаква форма и обем във фризера, единият от които съдържа студена вода, а другият гореща, тогава горещата вода ще замръзне по-бързо.
Подобно твърдение може да изглежда абсурдно и неразумно. Ако следвате логиката, тогава горещата вода трябва първо да се охлади до температурата на студената вода, а студената вода вече трябва да се превърне в лед по това време.
Така че защо топлата вода побеждава студената по пътя си към замръзване? Нека се опитаме да го разберем.
История на наблюденията и изследванията
Хората наблюдават този парадоксален ефект от древни времена, но никой не му придава особено значение. Така Арестотел, както и Рене Декарт и Франсис Бейкън, отбелязват в своите бележки несъответствията в скоростта на замръзване на студена и гореща вода. Необичайно явление често се появява в ежедневието.
Дълго време феноменът не беше изследван по никакъв начин и не предизвика особен интерес сред учените.
Изследването на този необичаен ефект започва през 1963 г., когато любознателен ученик от Танзания, Ерасто Мпемба, забелязва, че горещото мляко за сладолед замръзва по-бързо от студеното. Надявайки се да получи обяснение за причините за необичайния ефект, младежът попитал своя учител по физика в училище. Учителят обаче само му се изсмял.
По-късно Мпемба повторил експеримента, но в опита си вече не използвал мляко, а вода и парадоксалният ефект се повторил отново.
6 години по-късно, през 1969 г., Мпемба задава този въпрос на професора по физика Денис Осбърн, който идва в неговото училище. Професорът се заинтересува от наблюдението на младия мъж и в резултат на това беше проведен експеримент, който потвърди наличието на ефекта, но причините за това явление не бяха установени.
Оттогава явлението се нарича Мпемба ефект.
През цялата история на научните наблюдения са изказани много хипотези за причините за това явление.
Така че през 2012 г. Британското кралско дружество по химия ще обяви конкурс на хипотези, обясняващи ефекта на Мпемба. В конкурса участваха учени от цял свят, регистрирани бяха общо 22 000 научни статии. Въпреки толкова внушителния брой статии, нито една от тях не внесе яснота в парадокса на Мпемба.
Най-разпространената версия беше, че горещата вода замръзва по-бързо, тъй като просто се изпарява по-бързо, обемът й става по-малък и с намаляването на обема скоростта на охлаждане се увеличава. Най-често срещаната версия в крайна сметка беше опровергана, тъй като беше проведен експеримент, в който изпарението беше изключено, но въпреки това ефектът беше потвърден.
Други учени смятат, че причината за ефекта Мпемба е изпарението на газове, разтворени във вода. Според тях по време на процеса на нагряване газовете, разтворени във водата, се изпаряват, поради което тя придобива по-висока плътност от студената вода. Както е известно, увеличаването на плътността води до промяна във физичните свойства на водата (увеличаване на топлопроводимостта) и следователно до увеличаване на скоростта на охлаждане.
Освен това са представени редица хипотези, описващи скоростта на циркулация на водата в зависимост от температурата. Много изследвания се опитват да установят връзката между материала на контейнерите, в които се намира течността. Много теории изглеждаха много правдоподобни, но не можеха да бъдат научно потвърдени поради липса на първоначални данни, противоречия в други експерименти или защото идентифицираните фактори просто не бяха сравними със скоростта на охлаждане на водата. Някои учени в своите трудове поставиха под въпрос съществуването на ефекта.
През 2013 г. изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур твърдят, че са разрешили мистерията на ефекта Мпемба. Според тяхното изследване причината за феномена се крие във факта, че количеството енергия, съхранявано във водородните връзки между молекулите на студена и гореща вода, е значително различно.
Методите за компютърно моделиране показаха следните резултати: колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите поради факта, че силите на отблъскване се увеличават. Следователно водородните връзки на молекулите се разтягат, съхранявайки повече енергия. Когато се охладят, молекулите започват да се приближават една до друга, освобождавайки енергия от водородните връзки. В този случай освобождаването на енергия е придружено от намаляване на температурата.
През октомври 2017 г. испански физици в хода на друго изследване установиха, че основна роля при формирането на ефекта играе извеждането на веществото от равновесие (силно нагряване преди силно охлаждане). Те определиха условията, при които вероятността за възникване на ефекта е максимална. Освен това учени от Испания потвърдиха съществуването на обратния ефект на Мпемба. Те установиха, че при нагряване по-студена проба може да достигне висока температура по-бързо от по-топлата.
Въпреки изчерпателната информация и множеството експерименти учените възнамеряват да продължат да изучават ефекта.
Mpemba ефект в реалния живот
Чудили ли сте се защо през зимата пързалката се пълни с топла вода, а не със студена? Както вече разбирате, те правят това, защото пързалка, пълна с гореща вода, ще замръзне по-бързо, отколкото ако е пълна със студена вода. По същата причина гореща вода се излива в пързалките в зимните ледени градове.
По този начин знанието за съществуването на феномена позволява на хората да спестят време при подготовката на обекти за зимни спортове.
В допълнение, ефектът Mpemba понякога се използва в индустрията за намаляване на времето за замразяване на продукти, вещества и материали, съдържащи вода.
Един от любимите ми предмети в училище беше химията. Веднъж учител по химия ни даде много странна и трудна задача. Той ни даде списък с въпроси, на които трябваше да отговорим по химия. Дадоха ни няколко дни за тази задача и ни позволиха да използваме библиотеки и други налични източници на информация. Един от тези въпроси се отнася до точката на замръзване на водата. Не помня как точно прозвуча въпросът, но ставаше дума за това, че ако вземете две еднакви дървени кофи, едната с топла вода, другата със студена (с точно посочена температура) и ги поставите в среда с определена температура, коя ще Ще замръзнат ли по-бързо? Разбира се, отговорът веднага се подсказа - кофа със студена вода, но ни се стори твърде прост. Но това не беше достатъчно, за да се даде пълен отговор; трябваше да го докажем от химическа гледна точка. Въпреки цялото ми мислене и проучване, не можах да стигна до логично заключение. Дори реших да пропусна този урок този ден, така че никога не научих решението на тази загадка.
Минаха години и научих много ежедневни митове за точката на кипене и точката на замръзване на водата, а един мит гласи: „топлата вода замръзва по-бързо“. Разгледах много уебсайтове, но информацията беше твърде противоречива. И това бяха само мнения, необосновани от научна гледна точка. И реших да проведа свой собствен експеримент. Тъй като не можах да намеря дървени кофи, използвах фризера, печката, малко вода и цифров термометър. Ще ви разкажа за резултатите от моя опит малко по-късно. Първо, ще споделя с вас някои интересни аргументи за водата:
Топлата вода замръзва по-бързо от студената. Повечето експерти казват, че студената вода ще замръзне по-бързо от горещата вода. Но един забавен феномен (т.нар. Мемба ефект) по неизвестни причини доказва обратното: горещата вода замръзва по-бързо от студената. Едно от няколкото обяснения е процесът на изпаряване: ако много гореща вода се постави в студена среда, водата ще започне да се изпарява (останалото количество вода ще замръзне по-бързо). И според законите на химията това изобщо не е мит и най-вероятно учителят е искал да чуе от нас това.
Преварената вода замръзва по-бързо от чешмяната. Въпреки предишното обяснение, някои експерти твърдят, че преварената вода, която е охладена до стайна температура, трябва да замръзне по-бързо, тъй като кипенето намалява количеството кислород.
Студената вода завира по-бързо от горещата. Ако горещата вода замръзва по-бързо, тогава може би студената вода завира по-бързо! Това противоречи на здравия разум и учените казват, че това просто не може да бъде. Горещата чешмяна вода всъщност трябва да кипи по-бързо от студената вода. Но използването на гореща вода за кипене не пести енергия. Може да използвате по-малко газ или светлина, но бойлерът ще използва същото количество енергия, необходимо за загряване на студена вода. (При слънчевата енергия ситуацията е малко по-различна). В резултат на нагряване на водата от бойлера може да се появи утайка, така че водата ще се загрее по-дълго.
Ако добавите сол към водата, тя ще заври по-бързо. Солта повишава точката на кипене (и съответно понижава точката на замръзване – затова някои домакини добавят малко каменна сол към сладоледа си). Но в този случай се интересуваме от друг въпрос: колко време ще кипи водата и дали температурата на кипене в този случай може да се повиши над 100 ° C). Въпреки това, което се казва в готварските книги, учените казват, че количеството сол, което добавяме към врящата вода, не е достатъчно, за да повлияе на времето или температурата на кипене.
Но ето какво получих:
Студена вода: Използвах три стъклени чаши от 100 ml пречистена вода: една чаша със стайна температура (72°F/22°C), една с гореща вода (115°F/46°C) и една с преварена вода (212 °F/100°C). Сложих и трите чаши във фризера на -18°C. И тъй като знаех, че водата няма веднага да се превърне в лед, определих степента на замръзване с помощта на „дървен поплавък“. Когато пръчката, поставена в центъра на чашата, вече не докосваше основата, смятах, че водата е замръзнала. Проверявах очилата на всеки пет минути. И какви са моите резултати? Водата в първата чаша замръзна след 50 минути. Горещата вода замръзна след 80 минути. Варени - след 95 минути. Моите открития: Предвид условията във фризера и водата, която използвах, не успях да възпроизведа ефекта на Мемба.
Пробвах и този експеримент с предварително преварена вода, охладена до стайна температура. Замръзна в рамките на 60 минути - все пак замръзването отне повече време от студената вода.
Преварена вода: Взех литър вода със стайна температура и я сложих на огъня. Сварява се за 6 минути. След това го охладих обратно до стайна температура и го добавих към него, докато беше горещ. Със същия огън горещата вода заври за 4 часа и 30 минути. Заключение: Както се очаква, топлата вода завира много по-бързо.
Преварена вода (със сол): сложих 2 големи супени лъжици готварска сол на 1 литър вода. Завира за 6 минути 33 секунди и, както показва термометърът, достига температура от 102°C. Несъмнено солта влияе на точката на кипене, но не много. Заключение: солта във водата не влияе значително на температурата и времето на кипене. Честно признавам, че кухнята ми трудно може да се нарече лаборатория и може би заключенията ми противоречат на реалността. Моят фризер може да не замразява храната равномерно. Моите стъклени очила може да са били с неправилна форма и т.н. Но каквото и да се случва в лабораторията, когато става въпрос за замразяване или кипене на вода в кухнята, най-важното е здравият разум.
връзка с интересни факти за водата всичко за водата
както се предлага във форума forum.ixbt.com, този ефект (ефектът от замръзване на гореща вода по-бързо от студена вода) се нарича „ефект на Аристотел-Мпемба“
Тези. Преварената вода (охладена) замръзва по-бързо от "суровата" вода
