Mpemba efekt alebo prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená? Mpembov efekt (Mpemba Paradox) je paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená voda, hoci počas procesu zmrazovania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore so zaužívanými predstavami, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá viac zohriatemu telesu na ochladenie na určitú teplotu viac času ako menej zohriatemu telesu na ochladenie na rovnakú teplotu. Tento jav si svojho času všimli aj Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, ale až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená. Erasto Mpemba ako študent strednej školy Magambi v Tanzánii vykonával praktickú prácu ako kuchár. Potreboval urobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s dokončením prvej časti úlohy meškal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie. Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwava sa profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar Es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) pýtal konkrétne na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. Prečo?" Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro, v roku 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýva Mpemba efekt. Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty. Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa teleso ochladí na teplotu okolia, by malo byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol v praxi mnohokrát potvrdený. Pri tomto efekte sa voda s teplotou 100°C ochladí na teplotu 0°C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35°C. To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre Mpembov efekt: Odparovanie Horúca voda sa rýchlejšie vyparuje z nádoby, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stráca 16 % svojej hmoty pri ochladení na 0 C. Účinok vyparovania je dvojaký. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie klesá. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy. Teplotný rozdiel Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi teplou vodou a studeným vzduchom je väčší, výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne. Podchladenie Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom pri teplotách pod bodom mrazu zostane tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote -20 C. Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštáliky ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, aby sa kryštály spontánne vytvorili. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie, pričom sa vytvorí kašovitý ľad, ktorý zamrzne a vytvorí ľad. Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie odstraňuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov. Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, sa stane nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade horúcej vody podrobenej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo. Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu. Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu. Konvekcia Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj tepelné straty, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola. Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri teplote 4 C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkeho času vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude slúžiť ako izolant, chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší. V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Okrem toho sú vrstvy studenej vody hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody zdvihne na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpemba efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C. Neexistuje však experimentálne údaje, ktoré by potvrdili túto hypotézu, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené procesom konvekcie. Plyny rozpustené vo vode Voda vždy obsahuje v sebe rozpustené plyny – kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode je pri vysokých teplotách nižšia. Preto, keď sa horúca voda ochladí, vždy obsahuje menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť. Tepelná vodivosť Tento mechanizmus môže zohrávať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladiacom priestore s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztopí ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zasa neroztopí sneh pod ňou. Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli skúmané v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu Mpembovho efektu – nikdy nezískali. Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach skúmal vplyv podchladzovacej vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie. Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda bola schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej. Zatiaľ možno konštatovať len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje. O. V. Mosin
Mpemba efekt(Mpembov paradox) - paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore so zaužívanými predstavami, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá viac zohriatemu telesu na ochladenie na určitú teplotu viac času ako menej zohriatemu telesu na ochladenie na rovnakú teplotu.
Tento jav si svojho času všimli aj Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, ale až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.
Erasto Mpemba ako študent strednej školy Magambi v Tanzánii vykonával praktickú prácu ako kuchár. Potreboval urobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s dokončením prvej časti úlohy meškal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.
Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwava sa profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar Es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) pýtal konkrétne na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. Prečo?" Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro, v roku 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýval Mpemba efekt.
Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.
Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa teleso ochladí na teplotu okolia, by malo byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol v praxi mnohokrát potvrdený. Pri tomto efekte sa voda s teplotou 100°C ochladí na teplotu 0°C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35°C.
To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:
Odparovanie
Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.
Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie klesá. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.
Teplotný rozdiel
Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi teplou vodou a studeným vzduchom je väčší, výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.
Podchladenie
Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom pri teplotách pod bodom mrazu zostane tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote –20 C.
Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštály ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, aby sa kryštály spontánne vytvorili. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie, pričom sa vytvorí kašovitý ľad, ktorý zamrzne a vytvorí ľad.
Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie odstraňuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.
Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, sa stane nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade horúcej vody podrobenej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.
Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.
Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.
Konvekcia
Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj tepelné straty, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.
Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri teplote 4 C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkeho času vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude slúžiť ako izolant, chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší.
V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Okrem toho sú vrstvy studenej vody hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody zdvihne na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.
Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpembovho efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.
Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené procesom konvekcie.
Plyny rozpustené vo vode
Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode je pri vysokých teplotách nižšia. Preto, keď sa horúca voda ochladí, vždy obsahuje menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.
Tepelná vodivosť
Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladiacom priestore s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztopí ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zasa neroztopí sneh pod ňou.
Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli skúmané v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu Mpembovho efektu – nikdy nezískali.
Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach skúmal vplyv podchladzovacej vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.
Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda bola schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.
Zatiaľ možno konštatovať len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.
O. V. Mosin
Literárnezdrojov:
"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.
"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; máj 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995.
"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.
Voda je jedna z najúžasnejších kvapalín na svete, ktorá má nezvyčajné vlastnosti. Napríklad ľad, pevné skupenstvo kvapaliny, má špecifickú hmotnosť nižšiu ako samotná voda, čo umožnilo vznik a rozvoj života na Zemi. Okrem toho sa v pseudovedeckom a vedeckom svete diskutuje o tom, ktorá voda zamrzne rýchlejšie – horúca alebo studená. Každý, kto dokáže, že horúca kvapalina za určitých podmienok zamrzne rýchlejšie a vedecky podloží svoje riešenie, dostane od Britskej kráľovskej spoločnosti chemikov odmenu 1 000 libier.
Pozadie
Skutočnosť, že za určitých podmienok horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, bola zaznamenaná už v stredoveku. Francis Bacon a René Descartes vynaložili veľa úsilia na vysvetlenie tohto fenoménu. Z pohľadu klasickej tepelnej techniky sa však tento paradox vysvetliť nedá a snažili sa to ostýchavo ututlať. Impulzom na pokračovanie debaty bol trochu kuriózny príbeh, ktorý sa stal v roku 1963 tanzánijskému školákovi Erastovi Mpembovi. Jedného dňa, počas hodiny výroby dezertov v kuchárskej škole, chlapec, rozptýlený inými vecami, nestihol včas vychladnúť zmrzlinovú zmes a vložil do mrazničky horúci roztok cukru v mlieku. Na jeho prekvapenie sa výrobok ochladil o niečo rýchlejšie ako jeho spolužiaci, ktorí dodržiavali teplotný režim pri príprave zmrzliny.
V snahe pochopiť podstatu tohto javu sa chlapec obrátil na učiteľa fyziky, ktorý bez toho, aby zachádzal do podrobností, zosmiešňoval svoje kulinárske experimenty. Erasto sa však vyznačoval závideniahodnou húževnatosťou a pokračoval vo svojich experimentoch nie na mlieku, ale na vode. Presvedčil sa, že v niektorých prípadoch horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená.
Po vstupe na univerzitu v Dar es Salaame sa Erasto Mpembe zúčastnil prednášky profesora Dennisa G. Osbornea. Po jej skončení si študentka zamotala hlavu s problémom o rýchlosti zamŕzania vody v závislosti od jej teploty. D.G. Osborne zosmiešnil samotné položenie otázky a s nadhľadom vyhlásil, že každý chudobný študent vie, že studená voda zamrzne rýchlejšie. Prirodzená húževnatosť mladého muža sa však prejavila. Stavil sa s profesorom a navrhol vykonať experimentálny test priamo tu v laboratóriu. Erasto umiestnil do mrazničky dve nádoby s vodou, jednu s teplotou 95 °F (35 °C) a druhú s teplotou 212 °F (100 °C). Predstavte si prekvapenie profesora a okolitých „fanúšikov“, keď voda v druhej nádobe rýchlejšie zamrzla. Odvtedy sa tento jav nazýva „Mpembov paradox“.
Dodnes však neexistuje koherentná teoretická hypotéza vysvetľujúca „Mpembov paradox“. Nie je jasné, aké vonkajšie faktory, chemické zloženie vody, prítomnosť rozpustených plynov a minerálov v nej, ovplyvňujú rýchlosť tuhnutia kvapalín pri rôznych teplotách. Paradoxom “Mpemba efektu” je, že odporuje jednému zo zákonov objavených I. Newtonom, ktorý tvrdí, že čas chladenia vody je priamo úmerný teplotnému rozdielu medzi kvapalinou a prostredím. A ak všetky ostatné kvapaliny úplne dodržiavajú tento zákon, potom je voda v niektorých prípadoch výnimkou.
Prečo horúca voda mrzne rýchlejšie?T
Existuje niekoľko verzií, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Hlavné sú:
- horúca voda sa rýchlejšie odparuje, pričom sa jej objem zmenšuje a menší objem kvapaliny sa rýchlejšie ochladzuje - pri chladení vody z + 100°C na 0°C dosahujú objemové straty pri atmosférickom tlaku 15%;
- čím väčší je teplotný rozdiel, tým väčší je teplotný rozdiel, tým vyššia je intenzita výmeny tepla medzi kvapalinou a prostredím, takže dochádza k rýchlejšiemu úniku tepla vriacej vody;
- keď sa horúca voda ochladí, na jej povrchu sa vytvorí ľadová kôra, ktorá zabráni úplnému zamrznutiu a odpareniu kvapaliny;
- pri vysokých teplotách vody dochádza ku konvekčnému miešaniu, čím sa skracuje čas mrazenia;
- Plyny rozpustené vo vode znižujú bod tuhnutia a odoberajú energiu na tvorbu kryštálov – v horúcej vode nie sú rozpustené plyny.
Všetky tieto podmienky boli opakovane experimentálne testované. Najmä nemecký vedec David Auerbach zistil, že teplota kryštalizácie horúcej vody je o niečo vyššia ako teplota studenej vody, čo umožňuje rýchlejšie zamrznutie prvej. Neskôr však boli jeho experimenty kritizované a mnohí vedci sú presvedčení, že „Mpembov efekt“, ktorý určuje, ktorá voda mrzne rýchlejšie – horúca alebo studená, sa dá reprodukovať len za určitých podmienok, ktoré doteraz nikto nehľadal a nešpecifikoval.
Internetový obchodník, redaktor stránky „V dostupnom jazyku“
Dátum zverejnenia: 21. november 2017
« Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, studená alebo horúca?“- skúste položiť otázku svojim priateľom, s najväčšou pravdepodobnosťou väčšina z nich odpovie, že studená voda zamrzne rýchlejšie - a urobia chybu.
V skutočnosti, ak súčasne umiestnite do mrazničky dve nádoby rovnakého tvaru a objemu, z ktorých jedna obsahuje studenú vodu a druhá horúcu, potom je to horúca voda, ktorá zamrzne rýchlejšie.
Takéto vyhlásenie sa môže zdať absurdné a nerozumné. Ak sa budete riadiť logikou, tak horúca voda musí najprv vychladnúť na teplotu studenej vody a studená voda by sa už v tomto čase mala zmeniť na ľad.
Prečo teda horúca voda poráža studenú na ceste k zamrznutiu? Skúsme na to prísť.
História pozorovaní a výskumov
Ľudia tento paradoxný efekt pozorovali už od pradávna, no nikto mu neprikladal veľký význam. A tak Arestotle, ako aj René Descartes a Francis Bacon vo svojich poznámkach zaznamenali nezrovnalosti v rýchlosti zamŕzania studenej a horúcej vody. Nezvyčajný jav sa často objavoval v každodennom živote.
Úkaz dlho nebol nijako skúmaný a medzi vedcami nevzbudil veľký záujem.
Štúdium tohto nezvyčajného efektu sa začalo v roku 1963, keď si zvedavý školák z Tanzánie Erasto Mpemba všimol, že horúce mlieko na zmrzlinu mrzne rýchlejšie ako studené. V nádeji, že dostane vysvetlenie dôvodov neobvyklého efektu, sa mladý muž opýtal svojho učiteľa fyziky v škole. Učiteľ sa mu však iba vysmial.
Neskôr Mpemba experiment zopakoval, no vo svojom experimente už nepoužíval mlieko, ale vodu a paradoxný efekt sa opäť zopakoval.
O 6 rokov neskôr, v roku 1969, položil Mpemba túto otázku profesorovi fyziky Dennisovi Osbornovi, ktorý prišiel do jeho školy. Profesor sa zaujímal o pozorovanie mladého muža a v dôsledku toho sa uskutočnil experiment, ktorý potvrdil prítomnosť účinku, ale dôvody tohto javu neboli stanovené.
Odvtedy sa tomuto javu hovorí Mpemba efekt.
Počas histórie vedeckých pozorovaní bolo predložených veľa hypotéz o príčinách tohto javu.
Takže v roku 2012 Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu vyhlásila súťaž hypotéz vysvetľujúcich Mpembov efekt. Do súťaže sa zapojili vedci z celého sveta, celkovo bolo prihlásených 22 000 vedeckých prác. Napriek takémuto pôsobivému počtu článkov žiadny z nich nepriniesol objasnenie Mpembovho paradoxu.
Najbežnejšia verzia bola, podľa ktorej horúca voda zamŕza rýchlejšie, pretože sa jednoducho rýchlejšie vyparuje, jej objem sa zmenšuje a so zmenšujúcim sa objemom sa zvyšuje rýchlosť ochladzovania. Najbežnejšia verzia bola nakoniec vyvrátená, pretože sa uskutočnil experiment, pri ktorom bolo vyparovanie vylúčené, no účinok sa napriek tomu potvrdil.
Iní vedci sa domnievali, že príčinou Mpemba efektu bolo odparovanie plynov rozpustených vo vode. Podľa ich názoru sa počas procesu ohrevu odparujú plyny rozpustené vo vode, vďaka čomu získava vyššiu hustotu ako studená voda. Ako je známe, zvýšenie hustoty vedie k zmene fyzikálnych vlastností vody (zvýšenie tepelnej vodivosti), a teda k zvýšeniu rýchlosti ochladzovania.
Okrem toho bolo predložených niekoľko hypotéz popisujúcich rýchlosť cirkulácie vody v závislosti od teploty. Mnoho štúdií sa pokúšalo stanoviť vzťah medzi materiálom nádob, v ktorých sa kvapalina nachádzala. Mnohé teórie sa zdali veľmi pravdepodobné, ale nemohli byť vedecky potvrdené pre nedostatok počiatočných údajov, rozpory v iných experimentoch alebo preto, že zistené faktory jednoducho neboli porovnateľné s rýchlosťou ochladzovania vody. Niektorí vedci vo svojich prácach existenciu efektu spochybňovali.
V roku 2013 vedci z technologickej univerzity Nanyang v Singapure tvrdili, že vyriešili záhadu Mpemba efektu. Podľa ich výskumu dôvod javu spočíva v tom, že množstvo energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami studenej a horúcej vody je výrazne odlišné.
Metódy počítačového modelovania ukázali nasledujúce výsledky: čím vyššia je teplota vody, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami v dôsledku toho, že sa zvyšujú odpudivé sily. V dôsledku toho sa vodíkové väzby molekúl naťahujú a ukladajú viac energie. Po ochladení sa molekuly začnú približovať k sebe, čím sa uvoľní energia z vodíkových väzieb. V tomto prípade je uvoľňovanie energie sprevádzané poklesom teploty.
V októbri 2017 španielski fyzici v rámci inej štúdie zistili, že hlavnú úlohu pri vytváraní efektu zohráva odstránenie látky z rovnováhy (silné zahrievanie pred silným ochladením). Stanovili podmienky, za ktorých je pravdepodobnosť výskytu účinku maximálna. Vedci zo Španielska navyše potvrdili existenciu reverzného Mpemba efektu. Zistili, že pri zahriatí môže chladnejšia vzorka dosiahnuť vysokú teplotu rýchlejšie ako teplejšia.
Napriek obsiahlym informáciám a početným experimentom majú vedci v úmysle pokračovať v skúmaní účinku.
Mpemba efekt v reálnom živote
Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo je v zime klzisko naplnené horúcou vodou a nie studenou? Ako ste už pochopili, robia to preto, že klzisko naplnené horúcou vodou zamrzne rýchlejšie, ako keby bolo naplnené studenou vodou. Z rovnakého dôvodu sa v zimných ľadových mestách nalieva horúca voda do šmykľaviek.
Znalosť existencie fenoménu teda umožňuje ľuďom ušetriť čas pri príprave lokalít pre zimné športy.
Okrem toho sa v priemysle niekedy používa Mpembov efekt na skrátenie doby tuhnutia produktov, látok a materiálov obsahujúcich vodu.
Jeden z mojich obľúbených predmetov v škole bola chémia. Raz nám učiteľ chémie dal veľmi zvláštnu a ťažkú úlohu. Dal nám zoznam otázok, na ktoré sme museli odpovedať z hľadiska chémie. Na túto úlohu sme dostali niekoľko dní a mohli sme využívať knižnice a iné dostupné zdroje informácií. Jedna z týchto otázok sa týkala bodu mrazu vody. Už si presne nepamätám, ako tá otázka znela, ale išlo o to, že ak vezmete dve drevené vedrá rovnakej veľkosti, jedno s horúcou vodou, druhé so studenou (s presne udanou teplotou) a vložíte ich do prostredie s určitou teplotou, ktorá z nich bude rýchlejšie mrznúť? Samozrejme, odpoveď sa hneď navrhla – vedro studenej vody, no zdalo sa nám to príliš jednoduché. Na úplnú odpoveď to však nestačilo, potrebovali sme to dokázať z chemického hľadiska. Napriek všetkému premýšľaniu a skúmaniu som nedokázal dospieť k logickému záveru. V ten deň som sa dokonca rozhodol túto lekciu vynechať, takže som sa nikdy nenaučil riešenie tejto hádanky.
Roky plynuli a ja som sa naučil mnoho každodenných mýtov o bode varu a bode tuhnutia vody a jeden mýtus hovoril: „horúca voda zamrzne rýchlejšie“. Pozrel som si veľa webových stránok, ale informácie boli príliš protichodné. A boli to len názory, z vedeckého hľadiska nepodložené. A rozhodol som sa uskutočniť svoj vlastný experiment. Keďže som nenašiel drevené vedrá, použil som mrazničku, sporák, trochu vody a digitálny teplomer. O výsledkoch mojej skúsenosti vám poviem trochu neskôr. Najprv sa s vami podelím o niekoľko zaujímavých argumentov o vode:
Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Väčšina odborníkov tvrdí, že studená voda zamrzne rýchlejšie ako horúca. Jeden vtipný jav (takzvaný Memba efekt) však z neznámych dôvodov dokazuje opak: Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Jedným z niekoľkých vysvetlení je proces vyparovania: ak sa veľmi horúca voda umiestni do chladného prostredia, voda sa začne odparovať (zvyšné množstvo vody rýchlejšie zamrzne). A podľa zákonov chémie to vôbec nie je mýtus a s najväčšou pravdepodobnosťou to chcel od nás učiteľ počuť.
Prevarená voda zamrzne rýchlejšie ako voda z vodovodu. Napriek predchádzajúcemu vysvetleniu niektorí odborníci tvrdia, že prevarená voda, ktorá vychladla na izbovú teplotu, by mala rýchlejšie zamrznúť, pretože varom sa znižuje množstvo kyslíka.
Studená voda vrie rýchlejšie ako horúca voda. Ak horúca voda zamrzne rýchlejšie, potom možno studená voda rýchlejšie vrie! To je v rozpore so zdravým rozumom a vedci tvrdia, že to jednoducho nemôže byť. Horúca voda z vodovodu by v skutočnosti mala vrieť rýchlejšie ako studená voda. Ale použitie horúcej vody na varenie nešetrí energiu. Môžete spotrebovať menej plynu alebo svetla, ale ohrievač vody spotrebuje rovnaké množstvo energie, aké je potrebné na ohrev studenej vody. (So slnečnou energiou je situácia trochu iná). V dôsledku ohrevu vody ohrievačom vody sa môže objaviť sediment, takže ohrev vody bude trvať dlhšie.
Ak do vody pridáte soľ, bude vrieť rýchlejšie. Soľ zvyšuje bod varu (a podľa toho znižuje bod tuhnutia – preto si niektoré gazdinky pridávajú do zmrzliny trochu kamennej soli). Ale v tomto prípade nás zaujíma iná otázka: ako dlho bude voda vrieť a či bod varu v tomto prípade môže stúpnuť nad 100 ° C). Napriek tomu, čo hovoria kuchárske knihy, vedci tvrdia, že množstvo soli, ktoré pridávame do vriacej vody, nestačí na ovplyvnenie doby alebo teploty varu.
Ale tu je to, čo som dostal:
Studená voda: Použil som tri 100 ml sklenené poháre čistenej vody: jeden pohár s izbovou teplotou (72 °F/22 °C), jeden s horúcou vodou (115 °F/46 °C) a jeden s prevarenou vodou (212 °F/100 °C). Všetky tri poháre som dala do mrazničky na -18°C. A keďže som vedel, že voda sa hneď nezmení na ľad, určil som stupeň zamrznutia pomocou „dreveného plaváka“. Keď sa tyčinka umiestnená v strede pohára už nedotýkala základne, považoval som vodu za zamrznutú. Kontroloval som okuliare každých päť minút. A aké sú moje výsledky? Voda v prvom pohári zamrzla po 50 minútach. Horúca voda zamrzla po 80 minútach. Varené - po 95 minútach. Moje zistenia: Vzhľadom na podmienky v mrazničke a použitú vodu som nebol schopný reprodukovať efekt Memba.
Tento experiment som vyskúšal aj s predtým prevarenou vodou, ktorá vychladla na izbovú teplotu. Zamrzol do 60 minút – aj tak to trvalo dlhšie ako zamrznutie studenej vody.
Prevarená voda: Vzal som liter vody izbovej teploty a dal som ju na oheň. Za 6 minút sa to uvarilo. Potom som ju schladil späť na izbovú teplotu a pridal som ju do nej, kým bola horúca. Pri tom istom ohni sa horúca voda uvarila za 4 hodiny a 30 minút. Záver: Podľa očakávania horúca voda vrie oveľa rýchlejšie.
Prevarená voda (so soľou): Na 1 liter vody som pridala 2 veľké polievkové lyžice kuchynskej soli. Uvaril za 6 minút 33 sekúnd a ako ukázal teplomer, dosiahol teplotu 102°C. Soľ nepochybne ovplyvňuje bod varu, ale nie veľmi. Záver: soľ vo vode veľmi neovplyvňuje teplotu a čas varu. Úprimne priznávam, že moju kuchyňu možno len ťažko nazvať laboratóriom a možno moje závery odporujú realite. Moja mraznička nemusí zmraziť potraviny rovnomerne. Moje sklenené okuliare môžu mať nepravidelný tvar atď. Ale bez ohľadu na to, čo sa deje v laboratóriu, pri zmrazovaní alebo varení vody v kuchyni je najdôležitejší zdravý rozum.
prepojenie so zaujímavými faktami o vode, všetko o vode
ako sa uvádza na fóre forum.ixbt.com, tento efekt (efekt zmrazovania horúcej vody rýchlejšie ako studenej vody) sa nazýva „Aristotelov-Mpembov efekt“
Tie. Prevarená voda (chladená) zamrzne rýchlejšie ako „surová“ voda
