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 paradoksalni 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 konkursu su učestvovali naučnici iz cijelog svijeta, ukupno je prijavljeno 22.000 naučnih radova. Uprkos tako impresivnom broju članaka, nijedan od njih nije razjasnio paradoks Mpemba.

Najčešća je bila verzija prema 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 fizičkih svojstava vode (povećanje toplinske provodljivosti), a time i do povećanja 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. istraživači sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru tvrdili su da su riješili 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 postići visoku temperaturu 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.

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, vremenom pobjeđuje.

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. . 1969. popularni naučni časopis objavio je zajednički članak dvojice muškaraca 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.

Upravo su pristupi rješavanju ovog paradoksa počeli 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 bržu brzinu 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, na taj način otežava 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 se dogodi situacija kada su rastvoreni hemijski elementi prisutni samo u toploj vodi, dok ih hladna voda ne poseduje, tada topla voda ima priliku da se zamrzne ranije. 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 u potpunosti odgovarale naučnicima, pa su nastavili da rade na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača u Singapuru 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.

U ovom članku ćemo pogledati zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Zagrijana voda smrzava se mnogo brže od hladne vode! Ovo neverovatno svojstvo vode, tačno objašnjenje za koje naučnici još uvek ne mogu da pronađu, poznato je od davnina. Na primjer, čak i kod Aristotela postoji opis zimskog ribolova: ribari su u rupe u ledu ubacivali štapove za pecanje, a kako bi se brže smrznuli, polivali su led toplom vodom. Naziv ovog fenomena dobio je po Erastu Mpembi 60-ih godina XX veka. Mnemba je primijetio čudan efekat dok je pravio sladoled i obratio se svom nastavniku fizike, dr. Denisu Osborneu, za objašnjenje. Mpemba i dr. Osborne eksperimentirali su s vodom na različitim temperaturama i zaključili da gotovo kipuća voda počinje da se smrzava mnogo brže od vode na sobnoj temperaturi. Drugi naučnici su izvodili sopstvene eksperimente i svaki put su dobijali slične rezultate.

Objašnjenje fizičkog fenomena

Ne postoji opšteprihvaćeno objašnjenje zašto se to dešava. Mnogi istraživači sugeriraju da se radi o prehlađenju tekućine, koje se događa kada njena temperatura padne ispod nule. Drugim riječima, ako se voda smrzne na temperaturi ispod 0°C, tada prehlađena voda može imati temperaturu od, na primjer, -2°C i dalje ostati tečna bez pretvaranja u led. Kada pokušamo da zamrznemo hladnu vodu, postoji šansa da će se u početku prehlađena, a tek nakon nekog vremena stvrdnuti. U zagrijanoj vodi se odvijaju drugi procesi. Njegova brža transformacija u led povezana je s konvekcijom.

Konvekcija- Ovo je fizička pojava u kojoj se topli donji slojevi tečnosti dižu, a gornji, ohlađeni, spuštaju.

1963. godine, školarac iz Tanzanije po imenu Erasto Mpemba postavio je svom učitelju glupo pitanje - zašto se topli sladoled smrzava brže od hladnog u njegovom zamrzivaču?

Erasto Mpemba je bio učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuhanjem. 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.

Obratio se profesoru fizike za pojašnjenje, ali se on samo nasmijao učeniku, rekavši sljedeće: "Ovo nije svjetska fizika, već fizika Mpemba." 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 učenicima 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 smrznuti brže. Zašto?" Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo su 1969. zajedno sa Mpembom objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada, efekat koji su otkrili naziva se Mpemba efekat.

Da li vas zanima zašto se to dešava? Pre samo nekoliko godina naučnici su uspeli da objasne ovaj fenomen...

Mpemba efekat (Mpemba Paradox) 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 uočili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes. 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 da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno 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.

Od tada su se pojavljivale različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada ostane manja količina, voda se brže stvrdne. Ova verzija je, zbog svoje jednostavnosti, postala najpopularnija, ali naučnici nisu bili u potpunosti zadovoljni.

Sada tim istraživača sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru, predvođen hemičarem Xi Zhangom, kaže da je riješio vjekovnu misteriju zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Kako su kineski stručnjaci otkrili, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.

Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koji su zajedno kovalentnim vezama, što na nivou čestica izgleda kao razmjena elektrona. Još jedna dobro poznata činjenica je da atome vodika privlače atomi kisika iz susjednih molekula – formiraju se vodikove veze.

U isto vrijeme, molekuli vode u cjelini se međusobno odbijaju. Naučnici iz Singapura su primijetili da što je voda toplija, to je veća udaljenost između molekula tečnosti zbog povećanja odbojnih sila. Kao rezultat toga, vodonične veze se rastežu i stoga skladište više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda ohladi – molekuli se približavaju jedni drugima. A povratak energije, kao što znate, znači hlađenje.

Evo hipoteza koje su iznijeli naučnici:

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, zbog isparavanja, njegova temperatura se smanjuje.

temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je prijenos topline u ovom slučaju intenzivniji 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, dešava se da se na njenoj površini formira tanak sloj leda koji deluje kao izolator između vode i hladnog vazduha i na taj način sprečava 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 u okruženje sa nižom temperaturom, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U ovim uslovima na površini vode će se za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na 4°C. Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji. U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i većih temperaturnih razlika. 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 stanovišta konvekcije, treba pretpostaviti da su hladni i topli slojevi vode razdvojeni 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 slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom.

gasovi rastvoreni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični 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 obezbjeđuju 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 više superhlađenja zbog manje kristalizacijskih centara. 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 značajno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment provodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.

A evo najvjerovatnijeg razloga.

Kao što hemičari pišu u svom članku, koji se može naći na stranici preprinta arXiv.org, vodonične veze su jače rastegnute u vrućoj nego u hladnoj vodi. Tako se ispostavlja da se više energije pohranjuje u vodoničnim vezama tople vode, što znači da se više energije oslobađa kada se ohladi na temperaturu ispod nule. Iz tog razloga, zamrzavanje je brže.

Do danas su naučnici riješili ovu zagonetku samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze za svoju verziju, onda se pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može smatrati zatvorenim.

Pozdrav dragi ljubitelji zanimljivosti. Danas ćemo razgovarati 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. U novijoj istoriji se za to vezuje 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, 1969. godine objavio detaljan opis ovog efekta u Obrazovanju fizike - 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 se nekoliko paralelnih procesa odvija zajedno, čiji se doprinos može razlikovati od specifičnih početnih uslova - ali sa ujednačenim 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"
• efekat izolacije - 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...