1963-ban egy Erasto Mpemba nevű tanzániai iskolás feltett tanárának egy hülye kérdést: miért fagyott 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?" Osbornt érdekelte 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 azt állítja, 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

Tekintettel arra, hogy a meleg víz és a hideg levegő közötti hőmérsékletkülönbség nagyobb - ezért a hőátadás ebben az esetben intenzívebb, és a meleg víz gyorsabban lehűl.

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 fagy meg. 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 gyorsabban hűl le a párolgás és a nagyobb hőmérséklet-különbségek miatt. 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 ellentmondanak a korábbi adatoknak, miszerint a melegvíz a kevesebb kristályosodási centrum miatt nagyobb túlhűtést képes elérni. A vizet melegítve a benne oldott gázokat eltávolítják belőle, forralva pedig a benne oldott sók egy része 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 írják cikkükben, amely az arXiv.org preprint oldalon található, 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 ebből több szabadul fel. 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 erről a hatásról 1969-ben részletes leírást közölt a Physics Education-ban - 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 ...

Mpemba hatás(Mpemba Paradox) egy paradoxon, amely kimondja, hogy a meleg 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, de csak 1963-ban tapasztalta a tanzániai iskolás, Erasto Mpemba, hogy a forró fagylaltkeverék gyorsabban megfagy, mint a hideg.

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.

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 meghívta, hogy tartson előadást a fizikáról a diákoknak) a vízről: „Ha veszed két egyforma tartály egyenlő térfogatú vízzel úgy, hogy az egyikben a víz hőmérséklete 35 ° C, a másikban - 100 ° C, és tedd a fagyasztóba, majd a másodikban a víz gyorsabban megfagy. 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 ún Mpemba hatás.

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.

Ez azonban még nem jelent paradoxont, mivel az Mpemba-effektus az ismert fizikán belül is magyarázható. Íme néhány magyarázat az Mpemba-effektusra:

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, a hőmérséklet csökken annak a ténynek köszönhetően, hogy a vízfázisból a gőzfázisba való átmenet párolgási hője csökken.

hőmérséklet különbség

Tekintettel arra, hogy a meleg víz és a hideg levegő közötti hőmérsékletkülönbség nagyobb - így a hőcsere ebben az esetben intenzívebb és a meleg víz gyorsabban lehűl.

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? Hideg víz esetében, amely nem túlhűtött, a következő történik. Ebben az esetben az edény felületén vékony jégréteg képződik. Ez a jégréteg szigetelőként fog működni a víz és a hideg levegő között, és 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 hőmérsékletre állítjuk, 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 vízrétegeket, amelyek 4 C-os hőmérsékleten maradnak. , a további hűtés lassabb lesz.

A melegvíz esetében teljesen más a helyzet. A víz felszíni rétege gyorsabban lehűl a párolgás és a nagyobb hőmérséklet-különbség miatt. 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-effektusnak a konvekció ezen szemszögéből való magyarázatához szükséges lenne azt feltételezni, 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 vízrétegeket 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 ellentmondanak a korábbi adatoknak, miszerint a melegvíz a kevesebb kristályosodási centrum miatt nagyobb túlhűtést képes elérni. A vizet melegítve a benne oldott gázokat eltávolítják belőle, forralva pedig néhány benne oldott só kicsapódik.

Egyelőre csak egy dolgot lehet kijelenteni - ennek a hatásnak a megismétlődése alapvetően attól függ, hogy milyen körülmények között végzik a kísérletet. Pontosan azért, mert nem mindig reprodukálják.

Sok kutató terjesztette elő és terjeszti elő saját verzióját arra vonatkozóan, hogy a forró víz miért fagy le gyorsabban, mint a hideg. Paradoxonnak tűnik - elvégre ahhoz, hogy megfagyjon, a forró víznek először le kell hűlnie. A tény azonban továbbra is fennáll, és a tudósok különféleképpen magyarázzák.

Jelenleg több verzió is megmagyarázza ezt a tényt:

1. Mivel a forró vízben gyorsabb a párolgás, a térfogata csökken. Kisebb mennyiségű, azonos hőmérsékletű víz gyorsabban fagy meg.
2. A hűtő fagyasztórekesz hóborítású. A forró vizet tartalmazó edény megolvasztja alatta a havat. Ez javítja a fagyasztóval való termikus érintkezést.
3. A hideg víz lefagyása a forrótól eltérően felülről kezdődik. Ebben az esetben a konvekció és a hősugárzás, és ennek következtében a hőveszteség romlik.
4. A hideg vízben kristályosodási központok vannak - benne oldott anyagok. Kis mennyiségű vízben a jegesedés nehéz, bár ugyanakkor hipotermiája lehetséges - ha folyékony halmazállapotú nulla alatti hőmérsékleten.

Bár az igazság kedvéért elmondható, hogy ez a hatás nem mindig figyelhető meg. A hideg víz gyakran gyorsabban fagy meg, mint a forró víz.

Milyen hőmérsékleten fagy meg a víz

Miért fagy meg egyáltalán a víz? Bizonyos mennyiségű ásványi vagy szerves részecskét tartalmaz. Ezek lehetnek például nagyon finom homok-, por- vagy agyagszemcsék. Ahogy a levegő hőmérséklete csökken, ezek a részecskék központokká válnak, amelyek körül jégkristályok képződnek.

A kristályos magok szerepét a vizet tartalmazó edényben lévő légbuborékok és repedések is betölthetik. A víz jéggé alakulásának sebességét nagymértékben befolyásolja az ilyen központok száma - ha sok van belőlük, a folyadék gyorsabban megfagy. Normál körülmények között, normál légköri nyomás mellett a víz 0 fokos hőmérsékletű folyadékból szilárd halmazállapotúvá válik.

Az Mpemba effektus lényege

Az Mpemba-effektus paradoxonként értelmezhető, melynek lényege, hogy bizonyos körülmények között a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Erre a jelenségre Arisztotelész és Descartes is felfigyelt. Erasto Mpemba, egy tanzániai iskolás azonban csak 1963-ban állapította meg, hogy a forró fagylalt rövidebb idő alatt megfagy, mint a hideg fagylalt. Erre a következtetésre jutott a főzési feladat elvégzése közben.

A felforralt tejben fel kellett oldania a cukrot, majd lehűlés után be kellett tennie a hűtőbe dermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem különbözött különösebb szorgalomban, és későn kezdte el végrehajtani a feladat első részét. Ezért nem várta meg, amíg a tej kihűl, hanem forrón betette a hűtőbe. Nagyon meglepődött, amikor még gyorsabban lefagyott, mint az osztálytársaié, akik az adott technológiának megfelelően végezték a munkát.

Ez a tény nagyon érdekelte a fiatalembert, és kísérleteket kezdett sima vízzel. 1969-ben a Physics Education folyóirat publikálta Mpemba és Dennis Osborn, a Dar es Salaam Egyetem professzora által végzett kutatások eredményeit. Az általuk leírt hatás az Mpemba nevet kapta. A jelenségre azonban még ma sincs egyértelmű magyarázat. Minden tudós egyetért abban, hogy ebben a főszerep a hűtött és a meleg víz tulajdonságainak különbsége, de hogy pontosan mi, az nem ismert.

Szingapúri verzió

Az egyik szingapúri egyetem fizikusait is érdekelte az a kérdés, melyik víz fagy meg gyorsabban – meleg vagy hideg? Hszi Zhang vezette kutatócsoport pontosan a víz tulajdonságaival magyarázta ezt a paradoxont. Még mindig mindenki ismeri a víz összetételét az iskolából - egy oxigénatom és két hidrogénatom. Az oxigén bizonyos mértékig elektronokat von ki a hidrogénből, így a molekula egy bizonyos fajta "mágnes".

Ennek eredményeként a víz bizonyos molekulái enyhén vonzódnak egymáshoz, és hidrogénkötés köti össze őket. Erőssége sokszor kisebb, mint a kovalens kötésé. Szingapúri kutatók úgy vélik, hogy az Mpemba-paradoxon magyarázata éppen a hidrogénkötésekben rejlik. Ha a vízmolekulákat nagyon szorosan egymáshoz helyezzük, akkor a molekulák közötti ilyen erős kölcsönhatás deformálhatja a kovalens kötést magának a molekulának a közepén.

De amikor a vizet melegítjük, a megkötött molekulák kissé eltávolodnak egymástól. Ennek eredményeként a kovalens kötések relaxációja a molekulák közepén történik a felesleges energia visszatérésével és a legalacsonyabb energiaszintre való átállással. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a forró víz gyorsan lehűl. Legalábbis ezt mutatják a szingapúri tudósok elméleti számításai.

Azonnali vízfagyasztás – 5 hihetetlen trükk: Videó

A kémia volt az egyik kedvenc tantárgyam az iskolában. Egyszer egy kémiatanár nagyon furcsa és nehéz feladatot adott nekünk. Adott nekünk egy listát azokról a kérdésekről, amelyekre kémiával kapcsolatban meg kellett válaszolnunk. Több napot kaptunk erre a feladatra, és használhattuk a könyvtárakat és más elérhető információforrásokat. Az egyik ilyen kérdés a víz fagyáspontjára vonatkozott. Nem emlékszem pontosan, hogy hangzott a kérdés, de arról szólt, hogy ha veszel két egyforma méretű favödröt, az egyikben forró, a másikban hideg (pontosan a megadott hőmérsékletű) víz, és elhelyezed. egy bizonyos hőmérsékletű környezetben melyik fagy meg gyorsabban? Természetesen a válasz azonnal felvetette magát - egy vödör hideg víz, de nekünk túl egyszerűnek tűnt. De ez nem volt elég a teljes válaszhoz, kémiai szempontból kellett bizonyítanunk. Minden gondolkodásom és kutatásom ellenére nem tudtam logikus következtetést levonni. Ezen a napon még úgy döntöttem, hogy kihagyom ezt a leckét, így soha nem találtam meg a megoldást erre a rejtvényre.

Teltek-múltak az évek, és rengeteg mindennapi mítoszt tanultam a víz forráspontjáról és fagyáspontjáról, és az egyik mítosz azt mondta: "a forró víz gyorsabban fagy meg." Sok webhelyet megnéztem, de az információk túlságosan ellentmondásosak voltak. És ezek csak vélemények voltak, a tudomány szempontjából megalapozatlanok. És úgy döntöttem, hogy saját tapasztalataimat folytatom. Mivel nem találtam favödröt, fagyasztót, főzőlapot, vizet és digitális hőmérőt használtam. Tapasztalataim eredményeiről kicsit később beszélek. Először is megosztok veled néhány érdekes érvet a vízzel kapcsolatban:

A forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. A legtöbb szakértő szerint a hideg víz gyorsabban fagy meg, mint a meleg. De egy vicces jelenség (az úgynevezett Memba-effektus), ismeretlen okokból, az ellenkezőjét bizonyítja: a forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. A számos magyarázat közül az egyik a párolgási folyamat: ha nagyon forró vizet helyezünk hideg környezetbe, akkor a víz elkezd elpárologni (a maradék víz gyorsabban megfagy). És a kémia törvényei szerint ez egyáltalán nem mítosz, és valószínűleg ezt akarta hallani tőlünk a tanár.

A forralt víz gyorsabban fagy meg, mint a csapvíz. A korábbi magyarázat ellenére egyes szakértők azzal érvelnek, hogy a szobahőmérsékletre hűtött forralt víznek gyorsabban meg kell fagynia, mert a forralás csökkenti az oxigén mennyiségét.

A hideg víz gyorsabban felforr, mint a forró víz. Ha a forró víz gyorsabban lefagy, akkor a hideg víz gyorsabban felforrhat! Ez ellentétes a józan ésszel, és a tudósok azzal érvelnek, hogy ez egyszerűen nem lehetséges. A forró csapvíznek gyorsabban kell forrnia, mint a hideg víznek. De ha forró vizet használ a forraláshoz, nem takarít meg energiát. Lehet, hogy kevesebb gázt vagy áramot használ, de a vízmelegítő ugyanannyi energiát használ fel, mint amennyi a hideg víz felmelegítéséhez szükséges. (A napenergia egy kicsit más.) A víz bojlerrel történő melegítése következtében üledék képződhet, így tovább tart a víz felmelegedése.

Ha sót adunk a vízhez, gyorsabban felforr. A só növeli a forráspontot (és ezért csökkenti a fagyáspontot – ezért egyes háziasszonyok egy kis kősót adnak a fagylalthoz). De ebben az esetben egy másik kérdés érdekel: meddig fog forrni a víz, és hogy a forráspont ebben az esetben 100 ° C fölé emelkedhet-e. Annak ellenére, amit a szakácskönyvek írnak, a tudósok azt mondják, hogy a forrásban lévő vízhez hozzáadott só mennyisége nem elegendő ahhoz, hogy befolyásolja a forralás idejét vagy hőmérsékletét.

De itt van, amit kaptam:

Hideg víz: Három 100 ml-es főzőpohár tisztított vizet használtam: egy szobahőmérsékletű (22 °C), egy forró víz (115 °F/46 °C) és egy forralt (212 °F/100 °C). C). Mindhárom poharat a fagyasztóba tettem -18°C-ra. És mivel tudtam, hogy a víz nem válik azonnal jéggé, ezért a „fa úszó” segítségével határoztam meg a fagyás mértékét. Amikor a pohár közepére helyezett pálcika már nem érintette a talpat, azt hittem, hogy a víz megfagyott. Öt percenként megnéztem a szemüveget. És mik az eredményeim? Az első pohárban lévő víz 50 perc múlva megfagyott. A forró víz 80 perc után megfagyott. Főtt - 95 perc múlva. Következtetéseim: Figyelembe véve a fagyasztó körülményeit és a használt vizet, nem tudtam reprodukálni a Memba hatást.

Ezt a kísérletet korábban felforralt, szobahőmérsékletűre hűtött vízzel is kipróbáltam. 60 perc alatt megdermedt – még mindig tovább tartott, mint a hideg vízben.

Forralt víz: vettem egy liter szobahőmérsékletű vizet, és tűzre tettem. 6 perc alatt felforrt. Ezután ismét szobahőmérsékletűre hűtöttem és a forróhoz adtam. Ugyanazzal a tűzzel a forró víz 4 óra 30 perc alatt felforrt. Következtetés: a várakozásoknak megfelelően a forró víz sokkal gyorsabban forr.

Forralt víz (sóval): 1 liter vízhez tettem 2 nagy evőkanál konyhasót. 6 perc 33 másodperc alatt felforrt, és ahogy a hőmérő mutatta, elérte a 102°C-ot. A só kétségtelenül befolyásolja a forráspontot, de nem sokat. Következtetés: a vízben lévő só nem befolyásolja jelentősen a hőmérsékletet és a forrási időt. Bevallom őszintén, hogy a konyhámat nehéz laboratóriumnak nevezni, és talán a következtetéseim ellentétesek a valósággal. A fagyasztóm egyenetlenül lefagyaszthatja az élelmiszereket. Lehet, hogy szabálytalan az üvegszemüvegem stb. De bármi is történik a laboratóriumban, amikor víz fagyasztásáról vagy forralásáról van szó a konyhában, a legfontosabb a józan ész.

link érdekes tényekkel a vízről és a vízről
a forum.ixbt.com fórumon javasoltak szerint ezt a hatást (a meleg víz gyorsabb lefagyasztásának hatását, mint a hideg vizet) "Arisztotelész-Mpemba effektusnak" nevezik.

Azok. a forralt víz (hűtve) gyorsabban lefagy, mint a "nyers"