Internetes marketingszakember, az "Elérhető nyelven" oldal szerkesztője
Megjelenés dátuma: 2017.11.21

« Melyik víz fagy le gyorsabban hidegen vagy melegen?”- próbáljon meg kérdést feltenni a barátainak, valószínűleg a legtöbbjük azt válaszolja, hogy a hideg víz gyorsabban fagy le - és hibázik.

Valójában, ha egyszerre két azonos alakú és térfogatú edényt tesz a fagyasztóba, amelyek közül az egyik hideg, a másik forró vizet tartalmaz, akkor a forró víz gyorsabban megfagy.

Egy ilyen kijelentés abszurdnak és ésszerűtlennek tűnhet. Logikus, hogy a meleg víznek először le kell hűlnie hidegre, és a hideg víznek ekkor már jéggé kell alakulnia.

Tehát miért kerüli el a meleg víz a hideg vizet a fagyás felé vezető úton? Próbáljuk meg kitalálni.

Megfigyelések és kutatások története

Az emberek ősidők óta megfigyelték a paradox hatást, de senki nem tulajdonított neki különösebb jelentőséget. Így az Arestotel, valamint Rene Descartes és Francis Bacon feljegyzéseiben feljegyezte a hideg és a meleg víz lefagyási sebességének ellentmondásait. Egy szokatlan jelenség gyakran megnyilvánult a mindennapi életben.

A jelenséget sokáig semmilyen módon nem tanulmányozták, és nem keltett nagy érdeklődést a tudósok körében.

A szokatlan hatás vizsgálata 1963-ban kezdődött, amikor egy érdeklődő tanzániai diák, Erasto Mpemba észrevette, hogy a jégkrémhez használt forró tej gyorsabban megfagy, mint a hideg tej. Abban a reményben, hogy magyarázatot kap a szokatlan hatás okaira, a fiatalember megkérdezte fizikatanárát az iskolában. A tanár azonban csak nevetett rajta.

Később Mpemba megismételte a kísérletet, de kísérletében már nem tejet, hanem vizet használt, és a paradox hatás ismét megismétlődött.

Hat évvel később, 1969-ben Mpemba feltette ezt a kérdést Dennis Osborne fizikaprofesszornak, aki az iskolájába érkezett. A professzor érdeklődött a fiatalember megfigyelése iránt, ennek eredményeként egy kísérletet végeztek, amely megerősítette a hatás jelenlétét, de ennek a jelenségnek az okait nem állapították meg.

Azóta a jelenséget ún Mpemba hatás.

A tudományos megfigyelések története során számos hipotézist állítottak fel a jelenség okairól.

Így 2012-ben a Brit Királyi Kémiai Társaság hipotézisversenyt hirdetett meg az Mpemba-effektus magyarázatára. A versenyen a világ minden tájáról érkeztek tudósok, összesen 22 000 tudományos közleményt regisztráltak. A cikkek lenyűgöző száma ellenére egyik sem tisztázta az Mpemba-paradoxont.

A legelterjedtebb az a változat volt, amely szerint a forró víz gyorsabban fagy meg, hiszen egyszerűen gyorsabban elpárolog, térfogata csökken, a térfogat csökkenésével pedig a hűtési sebessége nő. A legelterjedtebb verziót végül megcáfolták, mivel végeztek egy kísérletet, amelyben a párolgást kizárták, de a hatást mégis beigazolták.

Más tudósok úgy vélték, hogy az Mpemba-hatás oka a vízben oldott gázok elpárolgása. Véleményük szerint a melegítés során a vízben oldott gázok elpárolognak, ami miatt az nagyobb sűrűséget kap, mint a hideg víz. Mint ismeretes, a sűrűség növekedése a víz fizikai tulajdonságainak megváltozásához (a hővezető képesség növekedéséhez) vezet, és ezáltal a hűtési sebesség növekedéséhez.

Emellett számos hipotézist állítottak fel, amelyek a víz keringésének sebességét a hőmérséklet függvényében írják le. Számos tanulmányban megpróbálták megállapítani a kapcsolatot a folyadékot tartalmazó tartályok anyaga között. Számos elmélet nagyon hihetőnek tűnt, de tudományosan nem tudták megerősíteni a kiindulási adatok hiánya, más kísérletek ellentmondásai miatt, vagy azért, mert az azonosított tényezők egyszerűen nem voltak összehasonlíthatóak a vízhűtés sebességével. Egyes tudósok munkájukban megkérdőjelezték a hatás létezését.

2013-ban a szingapúri Nanyang Technológiai Egyetem kutatói azt állították, hogy megfejtették az Mpemba-effektus rejtélyét. Tanulmányuk szerint a jelenség oka abban rejlik, hogy a hideg és a meleg víz molekulái közötti hidrogénkötésekben tárolt energia mennyisége jelentősen eltér.

A számítógépes szimulációs módszerek a következő eredményeket mutatták: minél magasabb a víz hőmérséklete, annál nagyobb a távolság a molekulák között a taszító erők növekedése miatt. Következésképpen a molekulák hidrogénkötései megnyúlnak, több energiát tárolva. Lehűléskor a molekulák közeledni kezdenek egymáshoz, és energiát szabadítanak fel a hidrogénkötésekből. Ebben az esetben az energia felszabadulása a hőmérséklet csökkenésével jár.

Spanyol fizikusok 2017 októberében egy másik tanulmány során rájöttek, hogy a hatás kialakulásában nagy szerepe van az anyag egyensúlyból való eltávolításának (erős melegítés az erős lehűlés előtt). Meghatározták azokat a feltételeket, amelyek mellett a hatás valószínűsége maximális. Ezenkívül spanyol tudósok megerősítették a fordított Mpemba-effektus létezését. Azt találták, hogy melegítéskor a hidegebb minta gyorsabban éri el a magas hőmérsékletet, mint a meleg.

A kimerítő információk és a számos kísérlet ellenére a tudósok folytatni kívánják a hatás tanulmányozását.

Mpemba hatás a való életben

Gondolkoztál már azon, hogy télen miért van a jégpálya meleg vízzel és miért nem hideg? Mint már megértette, ezt azért teszik, mert a forró vízzel megtöltött korcsolyapálya gyorsabban lefagy, mintha hideg vízzel lenne feltöltve. Ugyanezen okból a téli jégvárosok csúszdáit forró vízzel öntik le.

Így a jelenség létezésének ismerete lehetővé teszi az emberek számára, hogy időt takarítsanak meg a téli sportok helyszíneinek előkészítése során.

Ezenkívül az Mpemba-effektust néha az iparban is alkalmazzák - a vizet tartalmazó termékek, anyagok és anyagok fagyasztási idejének csökkentésére.

Azt, hogy melyik víz fagy meg gyorsabban, meleg vagy hideg, számos tényező befolyásolja, de maga a kérdés kissé furcsának tűnik. Nyilvánvaló, és a fizikából is ismert, hogy a forró víznek még időre van szüksége, hogy lehűljön a hasonló hideg víz hőmérsékletére ahhoz, hogy jéggé alakuljon. ez a szakasz kihagyható, és ennek megfelelően időben nyer.

De arra a kérdésre, hogy melyik víz fagy le gyorsabban - hideg vagy meleg - az utcán fagyban, az északi szélességi körök bármelyik lakója tudja. Valójában tudományosan kiderül, hogy mindenesetre a hideg víznek egyszerűen gyorsabban meg kell fagynia.

Így tett a fizikatanár is, akit 1963-ban Erasto Mpemba iskolás keresett meg azzal a kéréssel, hogy magyarázza el, miért fagy tovább a leendő fagylalt hideg keveréke, mint egy hasonló, de forró.

"Ez nem világfizika, hanem valamiféle Mpemba fizika"

Akkor a tanár csak nevetett ezen, de Deniss Osborne fizikaprofesszor, aki valamikor ugyanabba az iskolába járt, ahol Erasto is tanult, kísérletileg megerősítette egy ilyen hatás létezését, bár erre akkor még nem volt magyarázat. . 1969-ben egy népszerű tudományos folyóiratban megjelent a két férfi közös cikke, akik leírták ezt a különös hatást.

Azóta egyébként annak a kérdésnek, hogy melyik víz fagy le gyorsabban - meleg vagy hideg, saját neve van - a hatás, vagy paradoxon, Mpemba.

A kérdés már régóta fennáll

Ilyen jelenség természetesen korábban is előfordult, és más tudósok munkái is megemlítették. Nemcsak az iskolás fiút érdekelte ez a kérdés, hanem Rene Descartes, sőt Arisztotelész is gondolkodott rajta egy időben.

Íme csak megközelítések megoldására ez a paradoxon kezdett nézni csak a végén a huszadik században.

A paradoxon előfordulásának feltételei

A fagylalthoz hasonlóan nem csak a közönséges víz fagy meg a kísérlet során. Bizonyos feltételeknek teljesülniük kell ahhoz, hogy vitába kerüljön, melyik víz fagy le gyorsabban – hideg vagy meleg. Mi befolyásolja ezt a folyamatot?

Most, a 21. században több lehetőséget is felvetettek, amelyek megmagyarázhatják ezt a paradoxont. Hogy melyik víz fagy le gyorsabban, meleg vagy hideg, attól függhet, hogy nagyobb a párolgási sebessége, mint a hideg víznek. Így a térfogata csökken, és a térfogat csökkenésével a fagyási idő is rövidebb lesz, mintha hasonló kezdeti térfogatú hideg vizet vennénk.

A fagyasztó már régóta kiolvasztva

Hogy melyik víz fagy le gyorsabban, és miért, azt befolyásolhatja a kísérlethez használt hűtőszekrény fagyasztójában esetleg előforduló hóréteg. Ha két azonos térfogatú edényt veszünk, de az egyikben meleg, a másikban hideg víz van, akkor a melegvizes tartály megolvasztja alatta a havat, ezáltal javítva a hőszint érintkezését a hűtőszekrény falával. Egy hideg vizes tartály erre nem képes. Ha a hűtőszekrényben nincs ilyen hóval borított bélés, akkor a hideg víznek gyorsabban meg kell fagynia.

Felső - alsó

A következőképpen magyarázzuk azt a jelenséget is, amikor a víz gyorsabban fagy le - melegen vagy hidegen. Bizonyos törvények szerint a hideg víz a felső rétegekből fagyni kezd, amikor a forró víz fordítva - alulról felfelé kezd fagyni. Kiderült, hogy a hideg víz, amelynek tetején helyenként már jégréteg is van, így rontja a konvekciós és hősugárzási folyamatokat, megmagyarázva, hogy melyik víz fagy le gyorsabban - hideg vagy meleg. Mellékeltek egy fotót az amatőr kísérletekből, és itt jól látható.

A hő kimegy, felfelé hajlik, és ott találkozik egy nagyon hideg réteggel. A hősugárzásnak nincs szabad útja, így a hűtési folyamat megnehezül. A meleg víznek egyáltalán nincsenek ilyen akadályai az útjában. Melyik fagy le gyorsabban - hidegen vagy melegen, amelytől függ a várható kimenetel, arra a választ kibővítheti azzal, hogy minden vízben vannak oldva bizonyos anyagok.

A víz összetételében lévő szennyeződések, mint az eredményt befolyásoló tényező

Ha nem csal, és ugyanolyan összetételű vizet használ, ahol bizonyos anyagok koncentrációja azonos, akkor a hideg víznek gyorsabban meg kell fagynia. De ha olyan helyzet áll elő, hogy az oldott kémiai elemek csak a forró vízben vannak jelen, míg a hideg víz nem rendelkezik velük, akkor a forró víznek lehetősége van korábban megfagyni. Ez azzal magyarázható, hogy a vízben oldott anyagok kristályosodási centrumokat hoznak létre, és ezeknek a központoknak kevés száma esetén a víz szilárd halmazállapotúvá alakulása nehézkes. Még a víz túlhűtése is lehetséges, abban az értelemben, hogy nulla alatti hőmérsékleten folyékony halmazállapotú lesz.

De ezek a verziók nyilvánvalóan nem feleltek meg a tudósoknak, és továbbra is dolgoztak ezen a kérdésen. 2013-ban egy szingapúri kutatócsoport azt mondta, hogy megfejtették az ősrégi rejtélyt.

Kínai tudósok egy csoportja azt állítja, hogy ennek a hatásnak a titka abban rejlik, hogy mekkora energia raktározódik a vízmolekulák között annak kötéseiben, az úgynevezett hidrogénkötésekben.

A válasz kínai tudósoktól

További információk következnek, amelyek megértéséhez kémiai ismeretekre van szükség, hogy kitaláljuk, melyik víz fagy le gyorsabban - meleg vagy hideg. Mint tudják, két H (hidrogén) atomból és egy O (oxigén) atomból áll, amelyeket kovalens kötések tartanak össze.

De az egyik molekula hidrogénatomja vonzódik a szomszédos molekulákhoz, oxigénkomponensükhöz is. Ezeket a kötéseket hidrogénkötéseknek nevezzük.

Ugyanakkor érdemes megjegyezni, hogy ugyanakkor a vízmolekulák taszítóan hatnak egymásra. A tudósok megjegyezték, hogy amikor a vizet melegítik, megnő a molekulái közötti távolság, és ezt a taszító erők segítik elő. Kiderült, hogy hideg állapotban egy távolságot elfoglalva a molekulák között azt mondhatjuk, hogy megnyúlnak, és nagyobb az energiaellátásuk. Ez az energiatartalék szabadul fel, amikor a vízmolekulák közeledni kezdenek egymáshoz, vagyis lehűlés következik be. Kiderült, hogy a meleg vízben nagyobb energiaellátás, és nulla fok alá hűtve nagyobb felszabadulása gyorsabban megy végbe, mint a hideg vízben, amelynek kisebb az energiakészlete. Tehát melyik víz fagy le gyorsabban - hideg vagy meleg? Az utcán és a laboratóriumban fel kell lépnie a Mpemba paradoxonnak, és a forró víznek gyorsabban jéggé kell alakulnia.

De a kérdés még nyitott

Ennek a nyomnak csak elméleti megerősítése van - mindez gyönyörű képletekkel van megírva, és hihetőnek tűnik. De amikor a kísérleti adatokat, hogy melyik víz fagy le gyorsabban - hidegen vagy melegen, gyakorlati értelemben fogjuk értelmezni, és ezek eredményeit bemutatjuk, akkor az Mpemba-paradoxon kérdését lezártnak tekinthetjük.

Ebben a cikkben megvizsgáljuk, miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg.

A felmelegített víz sokkal gyorsabban fagy meg, mint a hideg! A víznek ezt a csodálatos tulajdonságát, amelynek pontos magyarázatát a tudósok még mindig nem találják, ősidők óta ismerték. Például már Arisztotelésznél is van leírás a téli horgászatról: a halászok horgászbotokat szúrtak a jégen lévő lyukakba, és hogy gyorsabban megfagyjanak, meleg vizet öntöttek a jégre. Ennek a jelenségnek a nevét Erasto Mpembáról nevezték el a XX. század 60-as éveiben. Mnemba fagylaltkészítés közben vette észre a furcsa hatást, és fizikatanárához, Dr. Denis Osborne-hoz fordult magyarázatért. Mpemba és Dr. Osborne különböző hőmérsékletű vízzel kísérletezett, és arra a következtetésre jutott, hogy a szinte forrásban lévő víz sokkal gyorsabban kezd megfagyni, mint a szobahőmérsékleten. Más tudósok elvégezték saját kísérleteiket, és minden alkalommal hasonló eredményeket értek el.

Fizikai jelenség magyarázata

Nincs általánosan elfogadott magyarázat arra, hogy ez miért történik. Sok kutató szerint minden a folyadék túlhűtéséről szól, ami akkor következik be, amikor a hőmérséklete fagypont alá süllyed. Más szóval, ha a víz 0 °C alatti hőmérsékleten megfagy, akkor a túlhűtött víz hőmérséklete például -2 °C lehet, és továbbra is folyékony marad anélkül, hogy jéggé alakulna. Amikor megpróbáljuk lefagyasztani a hideg vizet, előfordulhat, hogy először túlhűl, és csak egy idő után keményedik meg. A felmelegített vízben más folyamatok mennek végbe. Gyorsabb jéggé alakulása konvekcióval jár.

Konvekció- Ez egy olyan fizikai jelenség, amelyben a folyadék meleg alsó rétegei felemelkednek, a felső, lehűltek pedig leesnek.

1963-ban egy Erasto Mpemba nevű tanzániai iskolás feltett tanárának egy hülye kérdést: miért fagy meg gyorsabban a meleg fagylalt, mint a hideg fagylalt a fagyasztójában?

Erasto Mpemba a Tanzániai Magambin High School diákja volt, és gyakorlati főzési munkát végzett. Házi fagylaltot kellett készítenie - felforralni a tejet, feloldani benne a cukrot, lehűteni szobahőmérsékletre, majd hűtőbe tenni megdermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem volt különösebben szorgalmas tanuló, és halogatta a feladat első részét. Attól tartva, hogy nem ér el időben az óra végére, még forró tejet tett a hűtőbe. Meglepetésére még korábban megfagyott, mint a társai adott technológiával elkészített teje.

A fizikatanárhoz fordult pontosításért, de ő csak nevetett a diákon, mondván: "Ez nem világfizika, hanem Mpemba fizikája." Ezt követően Mpemba nemcsak tejjel, hanem közönséges vízzel is kísérletezett.

Mindenesetre, már az Mkwawa High School diákjaként megkérdezte Dennis Osborne professzort a Dar es Salaam-i Egyetemi Főiskoláról (az iskola igazgatója hívta meg, hogy tartson előadást a fizikáról a diákoknak) a vízről: „Ha vesz két egyforma tartályt egyenlő térfogatú vízzel úgy, hogy az egyikben a víz hőmérséklete 35 ° C, a másikban - 100 ° C, és tedd be a fagyasztóba, majd a másodikban a víz megfagy. gyorsabban. Miért?" Osborne felkeltette érdeklődését ez a kérdés, és hamarosan 1969-ben Mpembával együtt publikálták kísérleteik eredményeit a Physics Education folyóiratban. Azóta az általuk felfedezett hatást Mpemba-effektusnak nevezik.

Kíváncsi vagy, hogy miért történik ez? Néhány évvel ezelőtt a tudósoknak sikerült megmagyarázniuk ezt a jelenséget ...

Az Mpemba-effektus (Mpemba-paradoxon) egy paradoxon, amely kimondja, hogy a forró víz bizonyos körülmények között gyorsabban fagy meg, mint a hideg víz, bár a fagyás során át kell haladnia a hideg víz hőmérsékletét. Ez a paradoxon egy kísérleti tény, amely ellentmond a szokásos elképzeléseknek, miszerint azonos körülmények között egy forróbb testnek több időre van szüksége ahhoz, hogy egy bizonyos hőmérsékletre lehűljön, mint egy hidegebb testnek, hogy azonos hőmérsékletre lehűljön.

Erre a jelenségre annak idején Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes is felfigyelt. Eddig senki sem tudja pontosan, hogyan magyarázza ezt a furcsa hatást. A tudósoknak nincs egyetlen verziója, bár sok van. A hideg és meleg víz tulajdonságainak különbségéről van szó, de még nem világos, hogy ebben az esetben mely tulajdonságok játszanak szerepet: a túlhűtés, a párolgás, a jégképződés, a konvekció vagy a cseppfolyósított gázok vízre gyakorolt ​​hatása különböző hőmérsékletek. Az Mpemba-effektus paradoxona, hogy annak az időnek, amely alatt a test lehűl a környezeti hőmérsékletre, arányosnak kell lennie a test és a környezet közötti hőmérséklet-különbséggel. Ezt a törvényt Newton állapította meg, és azóta a gyakorlatban is sokszor megerősítették. Ugyanilyen hatás mellett a 100°C-os víz gyorsabban hűl 0°C-ra, mint az azonos mennyiségű 35°C-os víz.

Azóta különböző verziók születtek, amelyek közül az egyik a következő volt: a forró víz egy része először egyszerűen elpárolog, majd ha kisebb mennyiség marad, a víz gyorsabban megszilárdul. Ez a változat egyszerűsége miatt a legnépszerűbb lett, de a tudósok nem voltak teljesen elégedettek.

A szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem kutatócsoportja, Xi Zhang vegyész vezetésével azt állítja, hogy megfejtették azt az ősi rejtélyt, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg víz. Kínai szakértők rájöttek, a titok a vízmolekulák közötti hidrogénkötésekben tárolt energia mennyiségében rejlik.

Mint tudják, a vízmolekulák egy oxigénatomból és két hidrogénatomból állnak, amelyeket kovalens kötések tartanak össze, ami részecskeszinten elektroncsereként néz ki. Egy másik jól ismert tény, hogy a hidrogénatomokat a szomszédos molekulák oxigénatomjai vonzzák – ilyenkor hidrogénkötések jönnek létre.

Ugyanakkor a vízmolekulák összességében taszítják egymást. Szingapúri tudósok észrevették, hogy minél melegebb a víz, annál nagyobb a távolság a folyadék molekulái között a taszítóerők növekedése miatt. Ennek eredményeként a hidrogénkötések megnyúlnak, és így több energiát tárolnak. Ez az energia akkor szabadul fel, amikor a víz lehűl – a molekulák közelednek egymáshoz. Az energia visszatérése pedig, mint tudod, hűtést jelent.

Íme a tudósok által felállított hipotézisek:

Párolgás

A forró víz gyorsabban elpárolog a tartályból, ezáltal csökken a térfogata, és egy kisebb térfogatú, azonos hőmérsékletű víz gyorsabban fagy meg. A 100°C-ra melegített víz 0°C-ra hűtve tömegének 16%-át veszíti el. A párolgási hatás kettős hatás. Először is csökken a hűtéshez szükséges víz tömege. Másodszor pedig a párolgás miatt a hőmérséklete csökken.

hőmérséklet különbség

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a meleg víz és a hideg levegő közötti hőmérsékletkülönbség nagyobb - ezért a hőátadás ebben az esetben intenzívebb, és a meleg víz gyorsabban hűl.

hypothermia
Ha a vizet 0°C alá hűtjük, nem mindig fagy meg. Bizonyos körülmények között túlhűlhet, miközben fagypont alatti hőmérsékleten továbbra is folyékony marad. Egyes esetekben a víz még -20°C-on is folyékony maradhat. Ennek a hatásnak az az oka, hogy ahhoz, hogy az első jégkristályok kialakulhassanak, kristályképződési központokra van szükség. Ha nincsenek folyékony vízben, akkor a túlhűtés addig folytatódik, amíg a hőmérséklet annyira le nem esik, hogy spontán kristályok keletkeznek. Amikor elkezdenek képződni a túlhűtött folyadékban, gyorsabban kezdenek növekedni, és jégzagyot képeznek, amely megfagyva jéggé alakul. A forró víz a leginkább érzékeny a hipotermia kialakulására, mivel a melegítés eltávolítja az oldott gázokat és buborékokat, amelyek viszont a jégkristályok képződésének központjaként szolgálhatnak. Miért fagy le gyorsabban a forró víz a hipotermia miatt? A nem túlhűtött hideg víz esetében az történik, hogy a felületén vékony jégréteg képződik, amely szigetelőként működik a víz és a hideg levegő között, és így megakadályozza a további párolgást. A jégkristályok képződésének sebessége ebben az esetben kisebb lesz. Túlhűtésen áteső forró víz esetén a túlhűtött víznek nincs védő felületi jégrétege. Ezért a nyitott tetején keresztül sokkal gyorsabban veszít hőt. Amikor a túlhűtési folyamat véget ér és a víz megfagy, sokkal több hőt veszítenek, és így több jég képződik. Ennek a hatásnak a kutatói közül sokan a hipotermiát tartják a fő tényezőnek az Mpemba-effektus esetében.
Konvekció

A hideg víz felülről kezd megfagyni, ami rontja a hősugárzás és a konvekció folyamatait, és ezáltal a hőveszteséget, míg a meleg víz alulról fagyni kezd. Ezt a hatást a víz sűrűségének anomáliája magyarázza. A víz maximális sűrűsége 4°C-on van. Ha a vizet 4°C-ra hűtjük és alacsonyabb hőmérsékletű környezetbe helyezzük, a felszíni vízréteg gyorsabban megfagy. Mivel ez a víz kevésbé sűrű, mint a 4°C-os víz, a felszínen marad, és vékony hideg réteget képez. Ilyen körülmények között rövid időre vékony jégréteg képződik a víz felszínén, de ez a jégréteg szigetelőként védi az alsó, 4°C-os vízrétegeket. Ezért a további hűtési folyamat lassabb lesz. A melegvíz esetében teljesen más a helyzet. A víz felszíni rétege a párolgás és a nagyobb hőmérséklet-különbségek miatt gyorsabban lehűl. Ezenkívül a hidegvizes rétegek sűrűbbek, mint a melegvizes rétegek, így a hidegvizes réteg lesüllyed, és a melegvizes réteget a felszínre emeli. Ez a vízkeringés biztosítja a gyors hőmérséklet-csökkenést. De miért nem éri el ez a folyamat az egyensúlyi pontot? Az Mpemba-effektus konvekció szempontjából történő magyarázatához feltételeznünk kell, hogy a hideg és a meleg vízréteg elválik, és maga a konvekciós folyamat folytatódik, miután az átlagos vízhőmérséklet 4°C alá csökken. Nincs azonban olyan kísérleti bizonyíték, amely alátámasztja ezt a hipotézist, miszerint a hideg és a meleg víz rétegeit konvekció választja el egymástól.

vízben oldott gázok

A víz mindig tartalmaz benne oldott gázokat - oxigént és szén-dioxidot. Ezek a gázok képesek csökkenteni a víz fagyáspontját. A víz felmelegítésekor ezek a gázok felszabadulnak a vízből, mert vízben való oldhatóságuk magas hőmérsékleten alacsonyabb. Ezért a forró víz hűtésekor mindig kevesebb oldott gáz van benne, mint a fűtetlen hideg vízben. Ezért a felmelegített víz fagyáspontja magasabb, és gyorsabban fagy meg. Néha ezt a tényezőt tekintik a fő tényezőnek az Mpemba-effektus magyarázatában, bár ezt a tényt nem igazolják kísérleti adatok.

Hővezető

Ez a mechanizmus jelentős szerepet játszhat, amikor vizet helyeznek a hűtőszekrény fagyasztóba kis tartályokban. Ilyen körülmények között megfigyelhető, hogy a forró vizet tartalmazó tartály megolvasztja az alatta lévő fagyasztó jegét, ezáltal javítva a fagyasztó falával való termikus érintkezést és a hővezető képességet. Ennek eredményeként a hő gyorsabban távozik a melegvíz-tartályból, mint a hidegből. A hideg vizes tartály viszont nem olvasztja meg alatta a havat. Mindezeket (és más) körülményeket számos kísérletben tanulmányozták, de egyértelmű választ nem kaptak arra a kérdésre, hogy melyikük biztosítja az Mpemba-effektus 100%-os reprodukcióját. Így például 1995-ben David Auerbach német fizikus a víz túlhűtésének hatását tanulmányozta erre a hatásra. Felfedezte, hogy a túlhűtött állapotot elérő forró víz magasabb hőmérsékleten fagy meg, mint a hideg víz, ezért gyorsabban, mint az utóbbi. De a hideg víz gyorsabban éri el a túlhűtött állapotot, mint a forró víz, ezáltal kompenzálja a korábbi lemaradást. Ráadásul Auerbach eredményei ellentmondtak a korábbi adatoknak, miszerint a forró víz a kevesebb kristályosodási centrum miatt nagyobb túlhűtést képes elérni. A víz melegítésekor a benne oldott gázok kiürülnek belőle, forralva pedig néhány benne oldott só kicsapódik. Egyelőre csak egy dolgot lehet állítani - ennek a hatásnak a megismétlődése jelentősen függ a kísérlet végrehajtásának körülményeitől. Pontosan azért, mert nem mindig reprodukálják.

És itt van a legvalószínűbb ok.

Ahogy a vegyészek az arXiv.org preprint oldalon található cikkükben írják, a hidrogénkötések erősebben húzódnak forró vízben, mint hideg vízben. Így kiderül, hogy a forró víz hidrogénkötéseiben több energia raktározódik el, ami azt jelenti, hogy nulla fok alá hűtve több szabadul fel belőle. Emiatt a fagyasztás gyorsabb.

A mai napig a tudósok csak elméletileg oldották meg ezt a rejtvényt. Amikor meggyőző bizonyítékokat mutatnak be verziójukra, akkor lezártnak tekinthető az a kérdés, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg.

Helló, kedves érdekes tények szerelmesei. Ma arról fogunk beszélni. De úgy gondolom, hogy a címben feltett kérdés egyszerűen abszurdnak tűnhet - de mindig osztatlanul bízni kell a hírhedt "józan észben", és nem egy szigorúan meghatározott tesztelési tapasztalatban. Próbáljuk kitalálni, hogy miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg víz?

Történeti hivatkozás

Hogy a fagyos hideg és meleg víz kérdésében „nem minden tiszta” Arisztotelész műveiben szerepelt, majd F. Bacon, R. Descartes és J. Black is hasonló megjegyzéseket tett. A közelmúltban a „Mpemba-paradoxon” elnevezést ehhez a jelenséghez fűzték – egy tanganyikai iskolás, Erasto Mpemba nevére, aki ugyanezt a kérdést tette fel egy vendég fizikaprofesszornak.

A fiú kérdése nem a semmiből merült fel, hanem a fagylaltkeverékek konyhában történő hűtésének folyamatával kapcsolatos tisztán személyes megfigyelésekből. Természetesen az ott jelenlévő osztálytársak az iskolai tanárral együtt kinevették Mpembát – D. Osborne professzor személyesen végzett kísérleti ellenőrzése után azonban "elpárolgott" belőlük a vágy, hogy Erastót gúnyolják. Sőt, Mpemba a professzorral közösen 1969-ben részletes leírást is közölt erről a hatásról a Fizikaoktatásban - azóta a fenti elnevezés rögzül a tudományos irodalomban.

Mi a jelenség lényege?

A kísérlet felépítése meglehetősen egyszerű: más dolgok egyenlősége mellett azonos vékonyfalú edényeket vizsgálnak, amelyekben szigorúan egyenlő mennyiségű víz van, csak hőmérsékletben különböznek egymástól. Az edényeket a hűtőszekrénybe töltik, majd mindegyikben rögzítik a jégképződés előtti időt. A paradoxon az, hogy egy kezdetben forróbb folyadékkal rendelkező edényben ez gyorsabban történik.

Hogyan magyarázza ezt a modern fizika?

A paradoxonnak nincs univerzális magyarázata, hiszen több párhuzamos folyamat megy végbe együtt, amelyek hozzájárulása eltérhet a konkrét kezdeti feltételektől - de egységes eredménnyel:

• a folyadék túlhűtési képessége - kezdetben a hideg víz hajlamosabb a hipotermiára, pl. folyékony marad, ha hőmérséklete már a fagypont alatt van
• gyorsított hűtés - a forró víz gőze jég mikrokristályokká alakul, amelyek visszaesve felgyorsítják a folyamatot, további "külső hőcserélőként" működve
• szigetelő hatás - a meleg vízzel ellentétben a hideg víz felülről lefagy, ami a konvekció és a sugárzás hatására a hőátadás csökkenéséhez vezet

Számos más magyarázat is létezik (a legjobb hipotézis versenyét legutóbb a Brit Királyi Kémiai Társaság tartotta a közelmúltban, 2012-ben) - de még mindig nincs egyértelmű elmélet a beviteli feltételek kombinációinak minden esetére ...