Mpemba efekt alebo prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená? Mpembov efekt (Mpembov 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. Efekt 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, aj keď 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. Studená voda však 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
Fenomén zmrazovania horúcej vody rýchlejším tempom ako studenej vody je vo vede známy ako Mpembov efekt. Veľké mysle ako Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes sa zamýšľali nad týmto paradoxným javom, no už tisíce rokov nikto nedokázal ponúknuť rozumné vysvetlenie tohto javu.
Až v roku 1963 si tento efekt všimol školák z Republiky Tanganika, Erasto Mpemba, na príklade zmrzliny, ale žiadny dospelý mu nedal vysvetlenie. Napriek tomu sa fyzici a chemici vážne zamysleli nad takýmto jednoduchým, no tak nepochopiteľným javom.
Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna bola nasledovná: časť horúcej vody sa najskôr jednoducho odparí a potom, keď jej zostane menej, voda rýchlejšie zamrzne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najobľúbenejšou, ale vedcov úplne neuspokojila.
Teraz tím výskumníkov z technologickej univerzity Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga tvrdí, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda zamŕza rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski experti, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.
Ako viete, molekuly vody pozostávajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka držaných pohromade kovalentnými väzbami, čo na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalším známym faktom je, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl – vznikajú vodíkové väzby.
Zároveň sa molekuly vody vo všeobecnosti navzájom odpudzujú. Vedci zo Singapuru si všimli: čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku zvýšenia odpudivých síl. V dôsledku toho sa vodíkové väzby naťahujú, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľní, keď sa voda ochladí – molekuly sa priblížia k sebe. A uvoľňovanie energie, ako je známe, znamená ochladzovanie.
Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý možno nájsť na predtlačovej stránke arXiv.org, v horúcej vode sú vodíkové väzby silnejšie ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že vo vodíkových väzbách horúcej vody sa ukladá viac energie, čo znamená, že pri ochladzovaní na mínusové teploty sa jej uvoľňuje viac. Z tohto dôvodu dochádza k rýchlejšiemu vytvrdzovaniu.
Vedci dodnes túto záhadu vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, otázku, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, možno považovať za uzavretú.
Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu ponúka odmenu 1 000 libier každému, kto vie vedecky vysvetliť, prečo horúca voda v niektorých prípadoch zamrzne rýchlejšie ako studená.
„Moderná veda stále nedokáže odpovedať na túto zdanlivo jednoduchú otázku. Zmrzlinári a barmani využívajú tento efekt pri svojej každodennej práci, no nikto vlastne nevie, prečo to funguje. Tento problém je známy už tisícročia a filozofi ako Aristoteles a Descartes o ňom uvažujú,“ povedal profesor David Phillips, prezident Britskej kráľovskej spoločnosti pre chémiu, citované v tlačovej správe spoločnosti.
Ako kuchár z Afriky porazil britského profesora fyziky
Toto nie je prvoaprílový žart, ale tvrdá fyzická realita. Moderná veda, ktorá ľahko pracuje s galaxiami a čiernymi dierami a stavia obrovské urýchľovače na hľadanie kvarkov a bozónov, nedokáže vysvetliť, ako elementárna voda „funguje“. Školská učebnica jasne hovorí, že ochladenie teplejšieho telesa trvá dlhšie ako ochladenie studeného telesa. Ale pre vodu sa tento zákon nie vždy dodržiava. Na tento paradox upozornil Aristoteles v 4. storočí pred Kristom. e. Staroveký Grék napísal vo svojej knihe Meteorologica I: „Skutočnosť, že voda je predhriata, spôsobuje jej zamrznutie. Preto mnohí ľudia, keď chcú rýchlejšie schladiť horúcu vodu, ju dajú najskôr na slnko...“ V stredoveku sa tento jav pokúšali vysvetliť Francis Bacon a Rene Descartes. Žiaľ, nepodarilo sa to ani veľkým filozofom, ani početným vedcom, ktorí vyvinuli klasickú termofyziku, a preto sa na takýto nepríjemný fakt dlho „zabudlo“.
A až v roku 1968 si „spomenuli“ vďaka školákovi Erastovi Mpembemu z Tanzánie, ďaleko od akejkoľvek vedy. Počas štúdia na kuchárskej umeleckej škole v roku 1963 dostal 13-ročný Mpembe za úlohu vyrábať zmrzlinu. Podľa technológie bolo potrebné uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom vložiť do chladničky zmraziť. Mpemba zrejme nebol usilovným študentom a váhal. 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 všetkých pravidiel.
Keď sa Mpemba o svoj objav podelil so svojím učiteľom fyziky, vysmial ho pred celou triedou. Mpemba si spomenul na urážku. O päť rokov neskôr, už ako študent univerzity v Dar es Salaame, navštívil prednášku slávneho fyzika Denisa G. Osbornea. Po prednáške položil vedcovi otázku: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým množstvom vody, jednu s teplotou 35 °C (95 °F) a druhú s teplotou 100 °C (212 °F), a umiestnite ich v mrazničke, potom Voda v horúcej nádobe zamrzne rýchlejšie. Prečo?" Viete si predstaviť reakciu britského profesora na otázku mladého muža z Bohom zabudnutej Tanzánie. Robil si srandu zo študenta. Mpemba bol však na takúto odpoveď pripravený a vyzval vedca na stávku. Ich spor sa skončil experimentálnym testom, ktorý potvrdil, že Mpemba mal pravdu a Osborne porazil. Kuchársky učeň sa tak zapísal do histórie vedy a odteraz sa tento jav nazýva „Mpemba efekt“. Nie je možné ho zahodiť, vyhlásiť ho za „neexistujúci“. Fenomén existuje, a ako napísal básnik, „nebolí“.
Sú na vine prachové častice a roztoky?
V priebehu rokov sa mnohí pokúšali odhaliť záhadu mrznúcej vody. Bolo navrhnutých celý rad vysvetlení tohto javu: vyparovanie, konvekcia, vplyv rozpustených látok – ale žiadny z týchto faktorov nemožno považovať za definitívny. Množstvo vedcov zasvätilo Mpembovmu efektu celý svoj život. James Brownridge, člen Katedry radiačnej bezpečnosti na Štátnej univerzite v New Yorku, študuje paradox vo svojom voľnom čase už desaťročie. Po vykonaní stoviek experimentov vedec tvrdí, že má dôkazy o „vine“ podchladenia. Brownridge vysvetľuje, že pri 0 °C sa voda iba podchladí a začne zamŕzať, keď teplota klesne pod. Bod tuhnutia regulujú nečistoty vo vode – menia rýchlosť tvorby ľadových kryštálikov. Nečistoty, ako sú prachové častice, baktérie a rozpustené soli, majú charakteristickú nukleačnú teplotu, keď sa okolo kryštalizačných centier tvoria kryštály ľadu. Keď je vo vode prítomných niekoľko prvkov naraz, bod tuhnutia je určený tým, ktorý má najvyššiu nukleačnú teplotu.
Pre experiment Brownridge odobral dve vzorky vody s rovnakou teplotou a umiestnil ich do mrazničky. Zistil, že jeden z exemplárov vždy zamrzol skôr ako druhý, pravdepodobne kvôli inej kombinácii nečistôt.
Brownridge hovorí, že horúca voda sa ochladzuje rýchlejšie, pretože je väčší rozdiel medzi teplotou vody a mrazničky – to jej pomáha dosiahnuť bod mrazu skôr, ako studená voda dosiahne svoj prirodzený bod mrazu, ktorý je aspoň o 5 °C nižší.
Brownridgeova úvaha však vyvoláva veľa otázok. Preto tí, ktorí si dokážu vysvetliť Mpembov efekt po svojom, majú šancu súťažiť o tisíc libier šterlingov od Britskej kráľovskej spoločnosti pre chémiu.
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 tepelné straty vriacej vody nastávajú rýchlejšie;
- 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.
V roku 1963 položil tanzánsky školák menom Erasto Mpemba svojmu učiteľovi hlúpu otázku – prečo teplá zmrzlina v jeho mrazničke zamrzla 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.
Obrátil sa na učiteľa fyziky so žiadosťou o vysvetlenie, ale ten sa študentovi iba vysmial a povedal: „Toto nie je univerzálna fyzika, ale fyzika Mpemba. 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.
Zaujíma vás, prečo sa to deje? Len pred pár rokmi sa vedcom podarilo tento jav vysvetliť...
Mpembov efekt (Mpembov 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 vo svojej dobe všimli Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes. 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.
Odvtedy boli vyjadrené rôzne verzie, z ktorých jedna bola nasledovná: časť horúcej vody sa najskôr jednoducho odparí a potom, keď jej zostane menej, voda rýchlejšie zamrzne. Táto verzia sa vďaka svojej jednoduchosti stala najobľúbenejšou, ale vedcov úplne neuspokojila.
Teraz tím výskumníkov z technologickej univerzity Nanyang v Singapure pod vedením chemika Xi Zhanga tvrdí, že vyriešili odvekú záhadu, prečo teplá voda zamŕza rýchlejšie ako studená. Ako zistili čínski experti, tajomstvo spočíva v množstve energie uloženej vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody.
Ako viete, molekuly vody pozostávajú z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka držaných pohromade kovalentnými väzbami, čo na úrovni častíc vyzerá ako výmena elektrónov. Ďalším známym faktom je, že atómy vodíka sú priťahované k atómom kyslíka zo susedných molekúl – vznikajú vodíkové väzby.
Zároveň sa molekuly vody vo všeobecnosti navzájom odpudzujú. Vedci zo Singapuru si všimli: čím je voda teplejšia, tým väčšia je vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny v dôsledku zvýšenia odpudivých síl. V dôsledku toho sa vodíkové väzby naťahujú, a preto ukladajú viac energie. Táto energia sa uvoľní, keď sa voda ochladí – molekuly sa priblížia k sebe. A uvoľňovanie energie, ako je známe, znamená ochladzovanie.
Tu sú predpoklady predložené vedcami:
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, v dôsledku vyparovania sa jeho teplota znižuje.
Teplotný rozdiel
Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi horúcou 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, dochádza k nasledovnému: na jej povrchu sa vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá pôsobí ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom, a tým zabraňuje 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 umiestnite ju do prostredia s nižšou teplotou, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože táto voda má menšiu hustotu ako voda pri 4 °C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkej doby vytvorí tenká vrstva ľadu, ale táto vrstva ľadu bude pôsobiť 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. Vrstvy studenej vody sú tiež hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody dostane na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty. Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpembovho efektu z 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, aj keď 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 jednoznačná odpoveď na otázku - ktoré z nich zabezpečujú 100% reprodukciu Mpembovho efektu - sa nikdy nepodarilo získať. 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. Studená voda však 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.
Ale ako sa hovorí, najpravdepodobnejší dôvod.
Ako píšu chemici vo svojom článku, ktorý možno nájsť na predtlačovej stránke arXiv.org, vodíkové väzby sú silnejšie v horúcej vode ako v studenej vode. Ukazuje sa teda, že vo vodíkových väzbách horúcej vody sa ukladá viac energie, čo znamená, že pri ochladzovaní na mínusové teploty sa jej uvoľňuje viac. Z tohto dôvodu dochádza k rýchlejšiemu vytvrdzovaniu.
Vedci dodnes túto záhadu vyriešili len teoreticky. Keď predložia presvedčivé dôkazy o svojej verzii, otázku, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená, možno považovať za uzavretú.
