Britansko kraljevsko hemijsko društvo nudi nagradu od 1.000 funti svakome ko može naučno objasniti zašto u nekim slučajevima vruća voda smrzava se brže od hladnog.

“Savremena nauka još uvijek ne može odgovoriti na ovo naizgled jednostavno pitanje. Proizvođači sladoleda i barmeni koriste ovaj efekat u svom svakodnevnom radu, ali niko zapravo ne zna zašto radi. Ovaj problem je poznat milenijumima, filozofi poput Aristotela i Descartesa razmišljali su o tome”, rekao je predsjednik Britanskog kraljevskog hemijskog društva, profesor David Philips, citirano u saopštenju Društva.

Kako je afrički kuhar pobijedio britanskog profesora fizike

Ovo nije prvoaprilska šala, već surova fizička realnost. Današnja nauka, koja lako operiše galaksijama i crnim rupama, praveći divovske akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako elementarna voda "funkcioniše". Školski udžbenik nedvosmisleno kaže da je potrebno više vremena za hlađenje vrućeg tijela nego za hlađenje hladnog tijela. Ali za vodu, ovaj zakon se ne poštuje uvijek. Aristotel je skrenuo pažnju na ovaj paradoks u 4. veku pre nove ere. e. Evo šta je stari Grk napisao u knjizi „Meteorologica I“: „Činjenica da je voda prethodno zagrejana doprinosi njenom smrzavanju. Stoga su mnogi ljudi, kada žele brzo rashladiti toplu vodu, prvo ju staviti na sunce ... ”U srednjem vijeku, Francis Bacon i Rene Descartes pokušali su objasniti ovaj fenomen. Avaj, u tome nisu uspjeli ni veliki filozofi ni brojni naučnici koji su razvili klasičnu termičku fiziku, pa je tako nezgodna činjenica dugo bila "zaboravljena".

I tek 1968. godine „sjetili su se“ zahvaljujući školarcu Erastu Mpembi iz Tanzanije, daleko od svake nauke. Dok je studirao u školi kuvanja, 1963. godine, 13-godišnji Mpembe je dobio zadatak da napravi sladoled. Po tehnologiji je bilo potrebno mlijeko prokuhati, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a zatim staviti u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio marljiv učenik i oklijevao je. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po svim pravilima.

Kada je Mpemba svoje otkriće podijelio s profesorom fizike, ismijao ga je pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već student na Univerzitetu Dar es Salaam, bio je na predavanju poznatog fizičara Denisa G. Osbornea. Nakon predavanja, postavio je naučniku pitanje: „Ako uzmete dvije identične posude sa istom količinom vode, jednu na 35 °C (95 °F), a drugu na 100 °C (212 °F), i stavite u zamrzivaču, tada će se voda u vrućoj posudi brže smrznuti. Zašto?" Možete zamisliti reakciju britanskog profesora na pitanje mladića iz zaboravljene Tanzanije. Ismijavao je studenta. Međutim, Mpemba je bio spreman na takav odgovor i izazvao je naučnika da se kladi. Njihova svađa kulminirala je eksperimentalnim testom koji je pokazao da je Mpemba u pravu i da je Osborne poražen. Tako je student kuvar upisao svoje ime u istoriju nauke, i od sada se ovaj fenomen naziva "Mpemba efekat". Odbaciti ga, proglasiti ga kao da je "nepostojeće" ne radi. Fenomen postoji, i, kako je pesnik napisao, „ne u zub nogom“.

Jesu li za to krive čestice prašine i otopljene tvari?

Tokom godina, mnogi su pokušavali da razotkriju misteriju smrzavanja vode. Predloženo je čitav niz objašnjenja za ovaj fenomen: isparavanje, konvekcija, uticaj rastvorenih materija - ali nijedan od ovih faktora se ne može smatrati definitivnim. Jedan broj naučnika posvetio je čitav svoj život Mpemba efektu. Radnik Odjeljenja za radijacionu sigurnost Državni univerzitet New York - James Brownridge - in slobodno vrijeme proučava paradoks već više od jedne decenije. Nakon sto je izvršio stotine eksperimenata, naučnik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da se na 0°C voda samo superhladi i počinje da se smrzava kada temperatura padne ispod. Tačka smrzavanja regulirana je nečistoćama u vodi - one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, a to su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju svoju karakterističnu temperaturu nukleacije, kada se oko centara kristalizacije formiraju kristali leda. Kada je nekoliko elemenata istovremeno prisutno u vodi, tačka smrzavanja je određena onim sa najvišom temperaturom nukleacije.

Za eksperiment, Brownridge je uzeo dva uzorka vode iste temperature i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek zamrzne prije drugog - vjerovatno zbog različite kombinacije nečistoća.

Brownridge tvrdi da se topla voda brže hladi zbog veće razlike između temperatura vode i zamrzivača – to joj pomaže da dostigne tačku smrzavanja prije hladnom vodom dostiže svoju prirodnu tačku smrzavanja, koja je najmanje 5°C niža.

Međutim, Brownridgeovo rezonovanje postavlja mnoga pitanja. Stoga oni koji na svoj način mogu da objasne efekat Mpemba imaju priliku da konkurišu za hiljadu funti sterlinga od Britanskog kraljevskog hemijskog društva.

Mpemba efekat(Mpembin paradoks) je paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.

Ovu pojavu su u to vrijeme primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.

Kao student Magamba srednja škola u Tanzaniji, Erasto Mpemba praktičan rad u kulinarstvu. Morao je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwawa, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da studentima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 °C, a u drugoj - 100 °C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto? Ozborn se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo 1969. godine, zajedno sa Mpembom, objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.

Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.

Paradoks Mpemba efekta je to vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okruženje, treba biti proporcionalan temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je više puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.

Međutim, to još ne znači paradoks, budući da se efekat Mpemba može objasniti i u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:

Isparavanje

Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode iste temperature brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.

Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.

temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.

hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na -20 C.

Razlog za ovaj efekat je taj što su za početak formiranja prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led.

Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.

Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.

Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.

Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.

Konvekcija

Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.

Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , dalje hlađenje će biti sporije.

U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.

Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.

Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni konvekcijom.

gasovi rastvoreni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljen-dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi niža. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.

Toplotna provodljivost

Ovaj mehanizam može odigrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u frižider sa zamrzivačem u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava termički kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se brže uklanja iz posude za toplu vodu nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod sebe.

Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih pružaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.

Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići veće superhlađenje zbog manjeg broja centara kristalizacije. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.

Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta u suštini zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.

Internet marketer, urednik stranice "Na pristupačnom jeziku"
Datum objave: 21.11.2017

« Koja voda se brže smrzava hladna ili topla?”- pokušajte da postavite pitanje svojim prijateljima, najvjerovatnije će većina njih odgovoriti da se hladna voda brže smrzava - i pogriješiti.

Zapravo, ako u zamrzivač istovremeno stavite dvije posude istog oblika i zapremine, od kojih će jedna sadržavati hladnu vodu, a druga vruća, tada će se topla voda brže smrzavati.

Takva izjava može izgledati apsurdna i nerazumna. Logično, topla voda se prvo mora ohladiti na hladnu temperaturu, a hladna bi se već tada trebala pretvoriti u led.

Pa zašto topla voda prestiže hladnu na svom putu do smrzavanja? Pokušajmo to shvatiti.

Istorija posmatranja i istraživanja

Ljudi su od davnina posmatrali ovaj paradoksalan efekat, ali niko mu nije pridavao veliki značaj. Tako su nedosljednosti u brzini smrzavanja hladne i tople vode u svojim bilješkama zabilježili Arestotel, kao i Rene Descartes i Francis Bacon. U svakodnevnom životu često se manifestirala neobična pojava.

Dugo vremena ovaj fenomen nije ni na koji način proučavan i nije izazivao veliko interesovanje naučnika.

Proučavanje neobičnog efekta počelo je 1963. godine, kada je radoznali student iz Tanzanije, Erasto Mpemba, primijetio da se vruće mlijeko za sladoled smrzava brže od hladnog mlijeka. U nadi da će dobiti objašnjenje o razlozima neobičnog efekta, mladić je pitao svog profesora fizike u školi. Međutim, učiteljica mu se samo nasmijala.

Kasnije je Mpemba ponovio eksperiment, ali u svom eksperimentu više nije koristio mlijeko, već vodu, a paradoksalan efekat se ponovo ponovio.

Šest godina kasnije, 1969., Mpemba je ovo pitanje postavio profesoru fizike Dennisu Osborneu, koji je došao u njegovu školu. Profesor je bio zainteresiran za promatranje mladića, kao rezultat toga, proveden je eksperiment koji je potvrdio prisustvo efekta, ali razlozi za ovu pojavu nisu utvrđeni.

Od tada se taj fenomen naziva Mpemba efekat.

Kroz historiju naučnih opservacija, postavljane su mnoge hipoteze o uzrocima ovog fenomena.

Tako bi 2012. godine Britansko kraljevsko hemijsko društvo objavilo takmičenje hipoteza za objašnjenje Mpemba efekta. Na takmičenju su učestvovali naučnici iz cijelog svijeta, a prijavljeno je ukupno 22.000 naučni radovi. Uprkos tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio paradoks Mpemba.

Najčešća je bila verzija po kojoj se topla voda brže smrzava, jer jednostavno brže isparava, njen volumen postaje manji, a kako se volumen smanjuje, brzina hlađenja se povećava. Najčešća verzija je na kraju opovrgnuta, budući da je proveden eksperiment u kojem je isključeno isparavanje, ali je učinak ipak potvrđen.

Drugi naučnici su vjerovali da je razlog za efekat Mpemba isparavanje plinova otopljenih u vodi. Po njihovom mišljenju, tokom procesa zagrevanja, gasovi rastvoreni u vodi isparavaju, zbog čega ona dobija veću gustinu od hladne vode. Kao što je poznato, povećanje gustine dovodi do promjene fizička svojstva vode (povećanje toplotne provodljivosti), a samim tim i povećanje brzine hlađenja.

Osim toga, iznesene su brojne hipoteze koje opisuju brzinu cirkulacije vode kao funkciju temperature. U mnogim studijama pokušano je da se utvrdi odnos između materijala posuda u kojima se nalazila tečnost. Mnoge teorije izgledale su vrlo uvjerljivo, ali nisu mogle biti znanstveno potvrđene zbog nedostatka početnih podataka, kontradikcija u drugim eksperimentima ili zbog činjenice da identificirani faktori jednostavno nisu bili uporedivi sa brzinom hlađenja vodom. Neki naučnici su u svojim radovima doveli u pitanje postojanje efekta.

2013. godine istraživači iz Tehnološki univerzitet Nanyang u Singapuru je tvrdio da je riješio misteriju Mpemba efekta. Prema njihovoj studiji, razlog za ovaj fenomen leži u činjenici da se količina energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula hladne i tople vode značajno razlikuje.

Metode kompjuterske simulacije pokazale su sljedeće rezultate: što je temperatura vode viša, to je rastojanje između molekula veće zbog činjenice da se sile odbijanja povećavaju. Posljedično, vodonične veze molekula se rastežu, čuvajući više energije. Kada se ohlade, molekuli počinju da se približavaju jedni drugima, oslobađajući energiju iz vodoničnih veza. U ovom slučaju, oslobađanje energije je praćeno smanjenjem temperature.

U oktobru 2017. španski fizičari su, u toku jedne druge studije, otkrili da je uklanjanje materije iz ravnoteže (snažno zagrijavanje prije jakog hlađenja) ono što igra veliku ulogu u formiranju efekta. Odredili su uslove pod kojima je verovatnoća efekta maksimalna. Osim toga, naučnici iz Španije su potvrdili postojanje obrnutog Mpemba efekta. Otkrili su da kada se zagrije, hladniji uzorak može doprijeti visoke temperature brže od toplog.

Uprkos iscrpnim informacijama i brojnim eksperimentima, naučnici nameravaju da nastave sa proučavanjem efekta.

Mpemba efekat u stvarnom životu

Da li ste se ikada zapitali zašto se zimi klizalište puni toplom, a ne hladnom vodom? Kao što ste već shvatili, to rade jer će se klizalište napunjeno toplom vodom smrznuti brže nego da je napunjeno hladnom vodom. Iz istog razloga se tobogani u zimskim ledenim gradovima prelijevaju toplom vodom.

Dakle, saznanje o postojanju ovog fenomena omogućava ljudima da uštede vrijeme prilikom pripreme terena za zimske sportove.

Osim toga, Mpemba efekat se ponekad koristi u industriji - za smanjenje vremena smrzavanja proizvoda, tvari i materijala koji sadrže vodu.

Zdravo dragi ljubavnici zanimljivosti. Danas ćemo pričati o. Ali mislim da pitanje postavljeno u naslovu može izgledati jednostavno apsurdno – ali treba li uvijek nepodijeljeno vjerovati ozloglašenom „zdravom razumu“, a ne strogo postavljenom iskustvu testiranja. Hajde da pokušamo da shvatimo zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Istorijat

Da u pitanju smrzavanja hladne i tople vode “nije sve čisto” pominju Aristotelova djela, zatim su slične napomene napravili F. Bacon, R. Descartes i J. Black. IN novija istorija Ovaj efekat je dobio naziv "Mpemba paradoks" - po imenu školarca iz Tanganjike, Erasta Mpembe, koji je isto pitanje postavio gostujućem profesoru fizike.

Dječakovo pitanje nije proizašlo iz nule, već iz čisto ličnih zapažanja procesa hlađenja mješavine sladoleda u kuhinji. Naravno, prisutni drugovi iz razreda, zajedno sa učiteljicom, smijali su se Mpembi - međutim, nakon eksperimentalne provjere profesora D. Osbornea lično, iz njih je "isparila" želja da se rugaju Erastu. Štaviše, Mpemba je zajedno sa profesorom objavio detaljan opis ovog efekta u Obrazovanju fizike 1969. godine - i od tada je gornji naziv fiksiran u naučnoj literaturi.

Šta je suština fenomena?

Postavka eksperimenta je prilično jednostavna: pod istim uvjetima, testiraju se identične posude tankih stijenki, u kojima se nalaze striktno jednake količine vode, koje se razlikuju samo po temperaturi. Posude se stavljaju u frižider, nakon čega se u svakoj od njih bilježi vrijeme prije stvaranja leda. Paradoks je da se u posudi sa inicijalno toplijom tečnošću to dešava brže.

Kako savremena fizika ovo objašnjava?

Paradoks nema univerzalno objašnjenje, budući da ih je nekoliko paralelni procesi, čiji doprinos se može razlikovati od specifičnih početni uslovi- ali sa istim rezultatom:

• sposobnost tečnosti da se prehladi - u početku hladna voda je sklonija hipotermiji, tj. ostaje tečno kada je njegova temperatura već ispod tačke smrzavanja
• ubrzano hlađenje - para iz tople vode pretvara se u mikrokristale leda, koji, kada se vraćaju, ubrzavaju proces, radeći kao dodatni "vanjski izmjenjivač topline"
• izolacijski učinak - za razliku od tople vode, hladna voda se smrzava odozgo, što dovodi do smanjenja prijenosa topline konvekcijom i zračenjem

Postoji niz drugih objašnjenja (posljednji put je takmičenje za najbolju hipotezu nedavno, 2012. godine održalo Britansko kraljevsko društvo za hemiju) - ali još uvijek ne postoji jednoznačna teorija za sve slučajeve kombinacije ulaznih uslova...

Koja se voda brže smrzava, topla ili hladna, utiče mnogo faktora, ali samo pitanje deluje malo čudno. Podrazumijeva se, a poznato je iz fizike, da toploj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu uporedive hladne vode da bi se pretvorila u led. ova faza se može preskočiti i, shodno tome, ona pobjeđuje na vrijeme.

Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - na ulici u mrazu, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, naučno se ispostavilo da u svakom slučaju hladna voda jednostavno mora brže da se smrzne.

Tako je i nastavnik fizike, kojem se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba sa molbom da objasni zašto se hladna mješavina budućeg sladoleda smrzava duže od slične, ali vruće.

"Ovo nije svjetska fizika, već neka vrsta Mpemba fizike"

U to vrijeme se učitelj samo nasmijao na ovo, ali Deniss Osborne, profesor fizike, koji je svojevremeno išao u istu školu u kojoj je studirao Erasto, eksperimentalno je potvrdio postojanje takvog efekta, iako za to tada nije bilo objašnjenja. . Godine 1969. u popularnom naučni časopis objavio zajednički članak ove dvije osobe koji su opisali ovaj neobičan efekat.

Od tada, inače, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, ima svoje ime - efekat, ili paradoks, Mpemba.

Pitanje postoji već dugo vremena

Naravno, takva pojava se dešavala i ranije, a spominjala se iu radovima drugih naučnika. Ne samo da je školarac bio zainteresovan za ovo pitanje, već su o njemu svojevremeno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.

Evo samo pristupe rješavanju ovog paradoksa počeli su gledati tek krajem dvadesetog vijeka.

Uslovi za pojavu paradoksa

Kao i kod sladoleda, nije samo obična voda ta koja se smrzava tokom eksperimenta. Moraju postojati određeni uslovi da bi se počelo raspravljati koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća. Šta utiče na ovaj proces?

Sada, u 21. veku, izneto je nekoliko opcija koje mogu da objasne ovaj paradoks. Koja voda se brže smrzava, topla ili hladna, može zavisiti od činjenice da ima veću stopu isparavanja od hladne vode. Tako se njegov volumen smanjuje, a smanjenjem volumena vrijeme smrzavanja postaje kraće nego ako uzmemo sličnu početnu zapreminu hladne vode.

Zamrzivač je odavno odmrznut

Koja se voda brže smrzava i zašto se to dešava, može uticati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču frižidera koji se koristi za eksperiment. Ako uzmete dvije posude identične zapremine, ali će jedna imati toplu vodu, a druga hladnu vodu, posuda sa toplom vodom će otopiti snijeg ispod sebe, čime će se poboljšati kontakt termičke razine sa zidom hladnjaka. Posuda za hladnu vodu to ne može. Ako u frižideru nema takve obloge sa snijegom, hladna voda bi se trebala brže smrzavati.

Vrh - dno

Također, fenomen da se voda brže smrzava - topla ili hladna, objašnjava se na sljedeći način. Po određenim zakonima, hladna voda počinje da se smrzava iz gornjih slojeva, kada topla voda radi obrnuto - počinje da se smrzava odozdo prema gore. Ispostavilo se da hladna voda, sa hladnim slojem na vrhu sa već formiranim ledom na nekim mestima, pogoršava procese konvekcije i toplotnog zračenja, čime se objašnjava koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća. U prilogu je fotografija iz amaterskih eksperimenata, a ovdje je jasno vidljiva.

Toplota nestaje, težeći prema gore, i tamo se susreće sa vrlo hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplotno zračenje, pa proces hlađenja postaje težak. Topla voda apsolutno nema takve barijere na svom putu. Koja se brže smrzava - hladna ili vruća, od čega zavisi vjerojatni ishod, odgovor možete proširiti rekavši da svaka voda ima otopljene određene tvari.

Nečistoće u sastavu vode kao faktor koji utiče na ishod

Ako ne varate i koristite vodu istog sastava, gdje su koncentracije pojedinih supstanci identične, onda bi hladna voda trebala brže smrzavati. Ali ako dođe do situacije kada se rastvori hemijski elementi dostupno samo u toploj vodi, dok ih hladna voda nema, tada postoji mogućnost da se topla voda ranije zamrzne. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju centre kristalizacije, a s malim brojem ovih centara otežana je transformacija vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i prehlađenje vode, u smislu da će na temperaturama ispod nule biti u tečnom stanju.

Ali sve ove verzije, očigledno, nisu do kraja odgovarale naučnicima, pa su nastavili da rade na ovom pitanju. 2013. godine tim istraživača iz Singapura rekao je da su riješili vjekovnu misteriju.

Grupa kineskih naučnika tvrdi da tajna ovog efekta leži u količini energije koja je uskladištena između molekula vode u njenim vezama, nazvanim vodonične veze.

Odgovor kineskih naučnika

Slijedit će daljnje informacije za čije je razumijevanje potrebno poznavanje hemije kako bi se utvrdilo koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Kao što znate, sastoji se od dva atoma H (vodonika) i jednog O (kiseonika) atoma koji se drže zajedno kovalentnim vezama.

Ali atome vodika jedne molekule privlače i susjedni molekuli, njihova komponenta kisika. Ove veze se nazivaju vodonične veze.

Istovremeno, vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekuli vode djeluju odbojno jedni na druge. Naučnici su primijetili da kada se voda zagrije, udaljenost između njenih molekula se povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispostavilo se da se, zauzimajući jednu udaljenost između molekula u hladnom stanju, može reći da se protežu i imaju veću zalihu energije. Upravo ta rezerva energije se oslobađa kada se molekuli vode počnu približavati jedni drugima, odnosno dolazi do hlađenja. Pokazalo se da se veća zaliha energije u toploj vodi, i njeno veće oslobađanje pri hlađenju na temperaturu ispod nule, dešava brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju zalihu te energije. Dakle, koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća? Na ulici i u laboratoriji bi se trebao dogoditi paradoks Mpemba, a topla voda bi se trebala brže pretvoriti u led.

Ali pitanje je i dalje otvoreno

Postoji samo teorijska potvrda ovog traga - sve je to napisano prekrasnim formulama i izgleda uvjerljivo. Ali kada se eksperimentalni podaci, koja voda brže smrzava - topla ili hladna, budu stavljeni u praktičan smisao i njihovi rezultati budu predstavljeni, tada će se pitanje o Mpembinom paradoksu moći smatrati zatvorenim.