كانت الكيمياء من المواد المفضلة لدي في المدرسة. ذات مرة كلفنا مدرس الكيمياء بمهمة غريبة وصعبة للغاية. أعطانا قائمة بالأسئلة التي كان علينا الإجابة عليها من حيث الكيمياء. تم منحنا عدة أيام لهذه المهمة وسمح لنا باستخدام المكتبات وغيرها من مصادر المعلومات المتاحة. يتعلق أحد هذه الأسئلة بنقطة تجمد الماء. لا أتذكر بالضبط كيف بدا السؤال ، ولكن كان الأمر يتعلق بحقيقة أنك إذا أخذت دلاء خشبيين من نفس الحجم ، أحدهما بالماء الساخن والآخر بالماء البارد (عند درجة الحرارة المحددة بالضبط) ، ووضعهما في بيئة ذات درجة حرارة معينة ، أيهما سيتجمد بشكل أسرع؟ بالطبع ، اقترحت الإجابة نفسها على الفور - دلو من الماء البارد ، لكن بدا الأمر بسيطًا للغاية بالنسبة لنا. لكن هذا لم يكن كافيًا لإعطاء إجابة كاملة ، فقد احتجنا لإثبات ذلك من وجهة نظر كيميائية. على الرغم من كل تفكيري وبحثي ، لم أتمكن من التوصل إلى نتيجة منطقية. في هذا اليوم ، قررت تخطي هذا الدرس ، لذلك لم أجد حلًا لهذا اللغز مطلقًا.

مرت سنوات ، وتعلمت الكثير من الأساطير اليومية حول درجة غليان الماء ونقطة التجمد ، وقالت إحدى الأساطير: "الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع". لقد بحثت في العديد من المواقع الإلكترونية ولكن المعلومات كانت متضاربة للغاية. وكانت هذه مجرد آراء لا أساس لها من وجهة نظر العلم. وقررت إجراء تجربتي الخاصة. نظرًا لأنني لم أتمكن من العثور على دلاء خشبية ، فقد استخدمت ثلاجة وموقد مسطح وبعض الماء وميزان حرارة رقمي. سأتحدث عن نتائج تجربتي بعد قليل. أولاً ، سوف أشاطركم بعض الحجج الشيقة حول المياه:

يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد. يقول معظم الخبراء أن الماء البارد سيتجمد أسرع من الماء الساخن. لكن هناك ظاهرة مضحكة (ما يسمى بتأثير Memba) ، لأسباب غير معروفة ، تثبت عكس ذلك: الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد. إحدى التفسيرات العديدة هي عملية التبخر: إذا تم وضع الماء الساخن جدًا في بيئة باردة ، فسيبدأ الماء في التبخر (ستتجمد الكمية المتبقية من الماء بشكل أسرع). ووفقًا لقوانين الكيمياء ، هذه ليست أسطورة على الإطلاق ، وعلى الأرجح هذا ما أراد المعلم سماعه منا.

يتجمد الماء المغلي أسرع من ماء الصنبور. على الرغم من التفسير السابق ، يرى بعض الخبراء أن الماء المغلي الذي تم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة يجب أن يتجمد بشكل أسرع لأن كمية الأكسجين تقل نتيجة الغليان.

يغلي الماء البارد أسرع من الماء الساخن. إذا تجمد الماء الساخن بشكل أسرع ، فقد يغلي الماء البارد بشكل أسرع! هذا يتعارض مع الفطرة السليمة والعلماء يجادلون بأن هذا ببساطة لا يمكن أن يكون كذلك. يجب أن يغلي ماء الصنبور الساخن أسرع من الماء البارد. لكن باستخدام الماء الساخن في الغليان ، لا توفر الطاقة. يمكنك استخدام كمية أقل من الغاز أو الكهرباء ، لكن سخان المياه سيستخدم نفس كمية الطاقة اللازمة لتسخين الماء البارد. (الطاقة الشمسية مختلفة قليلاً). نتيجة لتسخين المياه بسخان المياه ، قد تتكون الرواسب ، لذلك سوف يستغرق الماء وقتًا أطول حتى يسخن.

إذا أضفت الملح إلى الماء ، فسوف يغلي بشكل أسرع. يزيد الملح من درجة الغليان (وبالتالي يقلل درجة التجمد - ولهذا السبب تضيف بعض ربات البيوت القليل من الملح الصخري إلى الآيس كريم). لكن في هذه الحالة ، نحن مهتمون بسؤال آخر: إلى متى سيغلي الماء وما إذا كانت نقطة الغليان في هذه الحالة يمكن أن ترتفع فوق 100 درجة مئوية). على الرغم مما تقوله كتب الطبخ ، يقول العلماء إن كمية الملح التي نضيفها إلى الماء المغلي لا تكفي للتأثير على وقت الغليان أو درجة حرارته.

لكن هذا ما حصلت عليه:

الماء البارد: استخدمت ثلاثة أكواب زجاجية سعة 100 مل من الماء النقي: درجة حرارة غرفة واحدة (72 درجة فهرنهايت / 22 درجة مئوية) ، ومياه ساخنة واحدة (115 درجة فهرنهايت / 46 درجة مئوية) ، وواحدة مغلية (212 درجة فهرنهايت / 100 درجة مئوية) ج). لقد وضعت جميع الأكواب الثلاثة في الفريزر عند -18 درجة مئوية. وبما أنني عرفت أن الماء لن يتحول على الفور إلى جليد ، فقد حددت درجة التجمد بواسطة "العوامة الخشبية". عندما وضعت العصا في منتصف الزجاج ولم تعد تلامس القاعدة ، اعتقدت أن الماء قد تجمد. كنت أفحص النظارات كل خمس دقائق. وما هي نتائجي؟ تجمد الماء في الزجاج الأول بعد 50 دقيقة. تجمد الماء الساخن بعد 80 دقيقة. مسلوق - بعد 95 دقيقة. استنتاجاتي: بالنظر إلى الظروف في الفريزر والمياه التي استخدمتها ، لم أتمكن من إعادة إنتاج تأثير Memba.

لقد جربت أيضًا هذه التجربة باستخدام الماء المغلي سابقًا والمبرد إلى درجة حرارة الغرفة. تجمد في 60 دقيقة - لا يزال التجميد يستغرق وقتًا أطول من الماء البارد.

الماء المغلي: أخذت لترًا من الماء في درجة حرارة الغرفة وأشعلته في النار. تغلي في 6 دقائق. ثم قمت بتبريده إلى درجة حرارة الغرفة مرة أخرى وأضفته إلى درجة حرارة الغرفة الساخنة. بنفس النار ، يغلي الماء الساخن في 4 ساعات و 30 دقيقة. الخلاصة: كما هو متوقع ، الماء الساخن يغلي بشكل أسرع.

الماء المغلي (مع الملح): أضفت 2 ملاعق كبيرة من ملح الطعام إلى 1 لتر من الماء. تم غليها في 6 دقائق و 33 ثانية ، وكما أظهر الترمومتر فقد وصلت إلى درجة حرارة 102 درجة مئوية. لا شك أن الملح يؤثر على درجة الغليان ولكن ليس كثيرًا. الخلاصة: الملح في الماء لا يؤثر بشكل كبير على درجة الحرارة ووقت الغليان. أعترف بصراحة أنه من الصعب تسمية مطبخي بمختبر ، وربما تكون استنتاجاتي مخالفة للواقع. قد يقوم المجمد الخاص بي بتجميد الطعام بشكل غير متساو. قد تكون أكواب الزجاج الخاصة بي غير منتظمة ، وما إلى ذلك. ولكن مهما حدث في المختبر ، عندما يتعلق الأمر بتجميد أو غلي الماء في المطبخ ، فإن أهم شيء هو الفطرة السليمة.

ربط مع حقائق مثيرة للاهتمام حول Waterall حول الماء
كما هو مقترح في منتدى forum.ixbt.com ، فإن هذا التأثير (تأثير تجميد الماء الساخن أسرع من الماء البارد) يسمى "تأثير أرسطو مبيمبا"

أولئك. يتجمد الماء المغلي (المبرد) أسرع من الماء المغلي "الخام"

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمر بدرجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتعارض مع الأفكار المعتادة ، والتي بموجبها ، في ظل نفس الظروف ، يحتاج الجسم الأكثر حرارة إلى مزيد من الوقت ليبرد إلى درجة حرارة معينة أكثر من الجسم الأكثر برودة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.

لوحظ هذه الظاهرة في ذلك الوقت من قبل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت ، ولكن فقط في عام 1963 ، وجد تلميذ المدرسة التنزاني إيراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من المزيج البارد.

كان Erasto Mpemba طالبًا في مدرسة Magambin الثانوية في تنزانيا يقوم بأعمال الطبخ العملية. كان عليه أن يصنع آيس كريم منزلي الصنع - يغلي الحليب ، ويذوب السكر فيه ، ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومماطلًا في الجزء الأول من المهمة. خوفًا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الذي لا يزال ساخنًا في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة.

بعد ذلك ، جربت Mpemba ليس فقط مع الحليب ، ولكن أيضًا بالماء العادي. على أي حال ، لكونه طالبًا بالفعل في مدرسة مكافا الثانوية ، فقد سأل الأستاذ دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (بدعوة من مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) حول المياه: "إذا تأخذ وعاءين متطابقين مع كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في إحداهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، وتضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء أسرع لماذا؟ أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما في عام 1969 ، مع Mpemba ، نشروا نتائج تجاربهم في مجلة "Physics Education". منذ ذلك الحين ، تم استدعاء التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.

حتى الآن ، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. العلماء ليس لديهم نسخة واحدة ، على الرغم من وجود العديد منها. يتعلق الأمر كله بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد ، ولكن لم يتضح بعد الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الاختلاف في التبريد الفائق أو التبخر أو تكوين الجليد أو الحمل الحراري أو تأثير الغازات المسالة على الماء في درجات حرارة مختلفة.

تكمن المفارقة في تأثير مبيمبا في أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع اختلاف درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. تم وضع هذا القانون من قبل نيوتن ومنذ ذلك الحين تم تأكيده عدة مرات في الممارسة العملية. في نفس التأثير ، يبرد الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية أسرع من نفس كمية الماء عند 35 درجة مئوية.

ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني بعد وجود مفارقة ، حيث يمكن أيضًا تفسير تأثير مبيمبا ضمن الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء بنفس درجة الحرارة بشكل أسرع. يفقد الماء المسخن إلى 100 درجة مئوية 16٪ من كتلته عند تبريده إلى 0 درجة مئوية.

تأثير التبخر له تأثير مزدوج. أولاً ، يتم تقليل كتلة الماء المطلوبة للتبريد. وثانياً ، تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة تبخر الانتقال من طور الماء إلى طور البخار.

الفرق في درجة الحرارة

نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم

عندما يتم تبريد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية ، فإنه لا يتجمد دائمًا. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يخضع للتبريد الفائق مع الاستمرار في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. في بعض الحالات ، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.

والسبب في هذا التأثير هو أنه من أجل أن تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، هناك حاجة إلى مراكز لتكوين البلورات. إذا لم تكن في الماء السائل ، فسيستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات بالتشكل تلقائيًا. عندما تبدأ في التكون في السائل فائق التبريد ، فإنها ستبدأ في النمو بشكل أسرع ، وتشكل طينًا جليديًا يتجمد ليشكل ثلجًا.

الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض درجة الحرارة لأن تسخينه يزيل الغازات الذائبة والفقاعات ، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.

لماذا يتسبب انخفاض حرارة الجسم في تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد ، الذي لا يتم تبريده بشكل فائق ، يحدث ما يلي. في هذه الحالة ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل طبقة الجليد هذه كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن الذي يخضع للتبريد الفرعي ، لا يحتوي الماء المبرد تحت التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. لذلك ، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع من خلال الجزء العلوي المفتوح.

عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء ، يُفقد قدر أكبر من الحرارة وبالتالي يتشكل المزيد من الجليد.

يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.

الحمل

يبدأ الماء البارد في التجمد من الأعلى ، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري ، وبالتالي فقدان الحرارة ، بينما يبدأ الماء الساخن في التجمد من الأسفل.

يفسر هذا التأثير من خلال شذوذ في كثافة الماء. كثافة الماء قصوى عند 4 درجة مئوية إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعه في درجة حرارة منخفضة ، فإن الطبقة السطحية من الماء ستتجمد بشكل أسرع. لأن هذه المياه أقل كثافة من الماء عند 4 درجات مئوية ، فإنها ستبقى على السطح مكونة طبقة باردة رقيقة. في ظل هذه الظروف ، ستتكون طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستعمل كعامل عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجة مئوية. ، ستكون عملية التبريد الإضافية أبطأ.

في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. ستبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر والاختلاف الكبير في درجات الحرارة. أيضًا ، طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن ، لذلك ستغرق طبقة الماء البارد ، مما يرفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن دوران الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.

لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير Mpemba من وجهة النظر هذه للحمل الحراري ، يجب على المرء أن يفترض أنه تم فصل طبقات الماء الباردة والساخنة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد أن ينخفض ​​متوسط ​​درجة حرارة الماء عن 4 درجة مئوية.

ومع ذلك ، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة بالحمل الحراري.

الغازات المذابة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. هذه الغازات لديها القدرة على خفض درجة تجمد الماء. عندما يتم تسخين الماء ، يتم إطلاق هذه الغازات من الماء لأن قابليتها للذوبان في الماء عند درجة حرارة عالية أقل. لذلك ، عندما يتم تبريد الماء الساخن ، هناك دائمًا عدد أقل من الغازات المذابة فيه مقارنة بالماء البارد غير الساخن. لذلك ، تكون درجة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في شرح تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

توصيل حراري

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عندما يتم وضع الماء في الثلاجة المجمدة في حاويات صغيرة. في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن الحاوية التي تحتوي على الماء الساخن تذوب ثلج المجمد تحتها ، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري بجدار الفريزر والتوصيل الحراري. نتيجة لذلك ، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن أسرع من الحاوية الباردة. في المقابل ، الحاوية بالماء البارد لا تذوب الثلج تحتها.

تمت دراسة كل هذه الظروف (بالإضافة إلى غيرها) في العديد من التجارب ، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة 100٪ لتأثير مبيمبا.

لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1995 ، درس الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ تأثير التبريد الفائق للماء على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن ، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد ، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق أسرع من الماء الساخن ، وبالتالي يعوض التأخر السابق.

بالإضافة إلى ذلك ، تناقضت نتائج Auerbach مع البيانات السابقة بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي تترسب بعض الأملاح فيه.

حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل أساسي على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

O. V. Mosin

أدبيمصادر:

"الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد. لماذا يفعل ذلك؟" ، Jearl Walker in The Amateur Scientist، Scientific American، Vol. 237 ، لا. 3 ، ص 246-257 ؛ سبتمبر 1977.

"تجميد الماء الساخن والبارد" ، ز.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 37 ، لا. 5 ، ص 564-565 ؛ مايو 1969.

"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا" ، ديفيد أويرباخ ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 63 ، لا. 10 ، ص 882-885 ؛ أكتوبر 1995.

"تأثير مبيمبا: أوقات التجمد في الماء الساخن والبارد" ، تشارلز إيه نايت ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 64 ، لا. 5 ، ص 524 ؛ مايو 1996.

يبدو من الواضح أن الماء البارد يتجمد أسرع من الماء الساخن ، لأنه في ظل ظروف متساوية ، يستغرق الماء الساخن وقتًا أطول ليبرد ثم يتجمد لاحقًا. ومع ذلك ، فقد أظهرت آلاف السنين من الملاحظات ، وكذلك التجارب الحديثة ، أن العكس هو الصحيح أيضًا: في ظل ظروف معينة ، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. توضح قناة العلوم Sciencium هذه الظاهرة:

كما هو موضح في الفيديو أعلاه ، فإن ظاهرة تجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد تُعرف باسم تأثير مبيمبا ، الذي سمي على اسم إيراستو مبيمبا ، وهو طالب من تنزانيا صنع الآيس كريم كجزء من مشروع مدرسي في عام 1963. كان على الطلاب إحضار خليط الكريمة والسكر ليغلي ، وتركه يبرد ، ثم وضعه في الفريزر.

بدلًا من ذلك ، وضع إيراستو الخليط دفعة واحدة ، ساخنًا ، دون انتظار حتى يبرد. نتيجة لذلك ، بعد 1.5 ساعة ، تم تجميد خليطه بالفعل ، لكن خليط الطلاب الآخرين لم يتم تجميده. مفتونًا بهذه الظاهرة ، بدأ مبيمبا في دراسة المشكلة مع أستاذ الفيزياء دينيس أوزبورن ، وفي عام 1969 نشروا ورقة تقول إن الماء الدافئ يتجمد أسرع من الماء البارد. كانت هذه أول دراسة تمت مراجعتها من قبل الأقران من هذا النوع ، لكن الظاهرة نفسها مذكورة في أوراق أرسطو التي يعود تاريخها إلى القرن الرابع قبل الميلاد. ه. لاحظ فرانسيس بيكون وديكارت أيضًا هذه الظاهرة في دراستهما.

يسرد الفيديو عدة خيارات لشرح ما يحدث:

1. يعتبر الصقيع عازلًا للكهرباء ، وبالتالي فإن الماء البارد يخزن الحرارة بشكل أفضل من الزجاج الدافئ الذي يذوب الثلج عند ملامسته له.
2. يحتوي الماء البارد على غازات مذابة أكثر من الماء الدافئ ، ويتكهن الباحثون بأن هذا قد يلعب دورًا في معدل التبريد ، على الرغم من أنه لم يتضح بعد كيف.
3. يفقد الماء الساخن المزيد من جزيئات الماء من خلال التبخر ، مما يترك القليل من التجمد
4. يمكن أن يبرد الماء الدافئ بشكل أسرع بسبب زيادة التيارات الحرارية. تحدث هذه التيارات لأن الماء في الزجاج يبرد أولاً على السطح والجوانب ، مما يتسبب في غرق الماء البارد وارتفاع الماء الساخن. في الزجاج الدافئ ، تكون التيارات الحرارية أكثر نشاطًا ، مما قد يؤثر على معدل التبريد.

ومع ذلك ، في عام 2016 ، تم إجراء دراسة مضبوطة بعناية ، والتي أظهرت عكس ذلك: الماء الساخن يتجمد بشكل أبطأ بكثير من الماء البارد. في الوقت نفسه ، لاحظ العلماء أن التغيير في موقع المزدوج الحراري - الجهاز الذي يحدد الاختلافات في درجات الحرارة - بمقدار سنتيمتر واحد فقط يؤدي إلى ظهور تأثير مبيمبا. أظهرت دراسة لأعمال أخرى مماثلة أنه في جميع الحالات التي لوحظ فيها هذا التأثير ، كان هناك إزاحة للمزدوجة الحرارية في حدود سنتيمتر واحد.

في عام 1963 ، سأل تلميذ من تنزانيا يُدعى إيراستو مبيمبا معلمه سؤالًا غبيًا - لماذا تجمد الآيس كريم الدافئ أسرع من الآيس كريم البارد في الفريزر؟

كان Erasto Mpemba طالبًا في مدرسة Magambin الثانوية في تنزانيا يقوم بأعمال الطبخ العملية. كان عليه أن يصنع آيس كريم منزلي الصنع - يغلي الحليب ، ويذوب السكر فيه ، ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومماطلًا في الجزء الأول من المهمة. خوفا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة.

التفت إلى مدرس الفيزياء للتوضيح ، لكنه سخر فقط من الطالب قائلاً: "هذه ليست فيزياء العالم ، بل فيزياء مبيمبا". بعد ذلك ، جربت Mpemba ليس فقط مع الحليب ، ولكن أيضًا بالماء العادي.

على أي حال ، لكونه طالبًا في مدرسة مكفافا الثانوية ، فقد سأل الأستاذ دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعا إليه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) حول المياه: "إذا تأخذ وعاءين متطابقين مع كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في إحداهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، وتضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه المشكلة وسرعان ما نشروا في عام 1969 مع مبيمبا نتائج تجاربهم في مجلة Physics Education. ومنذ ذلك الحين ، أطلق على التأثير الذي اكتشفوه اسم تأثير مبيمبا.

هل أنت فضولي لمعرفة سبب حدوث ذلك؟ منذ بضع سنوات فقط ، تمكن العلماء من تفسير هذه الظاهرة ...

يعتبر تأثير Mpemba (Mpemba Paradox) مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمر بدرجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتعارض مع الأفكار المعتادة ، والتي بموجبها ، في ظل نفس الظروف ، يحتاج الجسم الأكثر حرارة إلى مزيد من الوقت ليبرد إلى درجة حرارة معينة أكثر من الجسم الأكثر برودة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.

لوحظ هذه الظاهرة في ذلك الوقت من قبل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت. حتى الآن ، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. العلماء ليس لديهم نسخة واحدة ، على الرغم من وجود العديد منها. يتعلق الأمر كله بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد ، ولكن لم يتضح بعد الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الاختلاف في التبريد الفائق أو التبخر أو تكوين الجليد أو الحمل الحراري أو تأثير الغازات المسالة على الماء في درجات حرارة مختلفة. تكمن المفارقة في تأثير مبيمبا في أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع اختلاف درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. تم وضع هذا القانون من قبل نيوتن ومنذ ذلك الحين تم تأكيده عدة مرات في الممارسة العملية. في نفس التأثير ، يبرد الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية أسرع من نفس كمية الماء عند 35 درجة مئوية.

منذ ذلك الحين ، تم التعبير عن إصدارات مختلفة ، كان أحدها على النحو التالي: جزء من الماء الساخن يتبخر ببساطة في البداية ، وبعد ذلك ، عندما تبقى كمية أقل ، يتجمد الماء بشكل أسرع. أصبح هذا الإصدار ، بسبب بساطته ، هو الأكثر شعبية ، لكن العلماء لم يكونوا راضين تمامًا.

الآن فريق من الباحثين من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة ، بقيادة الكيميائي Xi Zhang ، يقولون إنهم تمكنوا من حل اللغز القديم حول سبب تجمد الماء الدافئ بشكل أسرع من الماء البارد. كما اكتشف الخبراء الصينيون ، يكمن السر في كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

كما تعلم ، تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واثنين من ذرات الهيدروجين مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية ، والتي تبدو على مستوى الجسيمات وكأنها تبادل للإلكترونات. حقيقة أخرى معروفة هي أن ذرات الهيدروجين تنجذب إلى ذرات الأكسجين من الجزيئات المجاورة - في هذه الحالة ، تتشكل الروابط الهيدروجينية.

في الوقت نفسه ، تتنافر جزيئات الماء ككل. لاحظ علماء من سنغافورة أنه كلما زادت درجة حرارة الماء ، زادت المسافة بين جزيئات السائل بسبب زيادة قوى التنافر. نتيجة لذلك ، تتمدد روابط الهيدروجين ، وبالتالي تخزن المزيد من الطاقة. يتم إطلاق هذه الطاقة عندما يبرد الماء - تقترب الجزيئات من بعضها البعض. وعودة الطاقة ، كما تعلم ، تعني التبريد.

فيما يلي الفرضيات التي طرحها العلماء:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء بنفس درجة الحرارة بشكل أسرع. يفقد الماء المسخن حتى 100 درجة مئوية 16٪ من كتلته عند تبريده إلى درجة 0 درجة مئوية. تأثير التبخر له تأثير مزدوج. أولاً ، يتم تقليل كتلة الماء المطلوبة للتبريد. وثانياً ، بسبب التبخر ، تنخفض درجة حرارته.

الفرق في درجة الحرارة

نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي ، يكون نقل الحرارة في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم
عندما يتم تبريد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية ، فإنه لا يتجمد دائمًا. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يخضع للتبريد الفائق مع الاستمرار في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. في بعض الحالات ، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية. والسبب في هذا التأثير هو أنه من أجل أن تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، هناك حاجة إلى مراكز لتكوين البلورات. إذا لم تكن في الماء السائل ، فسيستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات بالتشكل تلقائيًا. عندما تبدأ في التكون في السائل فائق التبريد ، فإنها ستبدأ في النمو بشكل أسرع ، وتشكل طينًا جليديًا يتجمد ليشكل ثلجًا. الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض درجة الحرارة لأن تسخينه يزيل الغازات الذائبة والفقاعات ، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد. لماذا يتسبب انخفاض حرارة الجسم في تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد غير المبرد ، ما يحدث هو أن طبقة رقيقة من الجليد تتشكل على سطحه ، تعمل كعازل بين الماء والهواء البارد ، وبالتالي تمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن الذي يخضع للتبريد الفرعي ، لا يحتوي الماء المبرد تحت التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. لذلك ، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع من خلال الجزء العلوي المفتوح. عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء ، يُفقد قدر أكبر من الحرارة وبالتالي يتشكل المزيد من الجليد. يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.
الحمل

يبدأ الماء البارد في التجمد من الأعلى ، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري ، وبالتالي فقدان الحرارة ، بينما يبدأ الماء الساخن في التجمد من الأسفل. يفسر هذا التأثير من خلال شذوذ في كثافة الماء. كثافة الماء قصوى عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة ، فسوف تتجمد الطبقة السطحية من الماء بشكل أسرع. لأن هذه المياه أقل كثافة من الماء عند 4 درجات مئوية ، فإنها ستبقى على السطح مكونة طبقة باردة رقيقة. في ظل هذه الظروف ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند 4 درجات مئوية. لذلك ، ستكون عملية التبريد الإضافية أبطأ. في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. ستبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر والاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة. أيضًا ، طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن ، لذلك ستغرق طبقة الماء البارد ، مما يرفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن دوران الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة. لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير Mpemba من وجهة نظر الحمل الحراري ، من المفترض أن يتم فصل طبقات الماء الباردة والساخنة وتستمر عملية الحمل الحراري نفسها بعد انخفاض متوسط ​​درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية. ومع ذلك ، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء البارد والساخن مفصولة بالحمل الحراري.

الغازات المذابة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. هذه الغازات لديها القدرة على خفض درجة تجمد الماء. عندما يتم تسخين الماء ، يتم إطلاق هذه الغازات من الماء لأن قابليتها للذوبان في الماء عند درجة حرارة عالية أقل. لذلك ، عندما يتم تبريد الماء الساخن ، هناك دائمًا عدد أقل من الغازات المذابة فيه مقارنة بالماء البارد غير الساخن. لذلك ، تكون درجة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في شرح تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

توصيل حراري

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عندما يتم وضع الماء في الثلاجة المجمدة في حاويات صغيرة. في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن الحاوية التي تحتوي على الماء الساخن تذوب ثلج المجمد تحتها ، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري بجدار الفريزر والتوصيل الحراري. نتيجة لذلك ، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن أسرع من الحاوية الباردة. في المقابل ، الحاوية بالماء البارد لا تذوب الثلج تحتها. تمت دراسة كل هذه الظروف (بالإضافة إلى غيرها) في العديد من التجارب ، ولكن لم يتم الحصول على إجابة لا لبس فيها على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة 100٪ لتأثير مبيمبا. لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1995 ، درس الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ تأثير التبريد الفائق للماء على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن ، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد ، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق أسرع من الماء الساخن ، وبالتالي يعوض التأخر السابق. بالإضافة إلى ذلك ، تناقضت نتائج Auerbach مع البيانات السابقة بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي تترسب بعض الأملاح فيه. حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم إجراء التجربة في ظلها. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

وإليك السبب الأكثر ترجيحًا.

كما كتب الكيميائيون في مقالتهم ، والتي يمكن العثور عليها في موقع arXiv.org ، فإن الروابط الهيدروجينية تتمدد بقوة أكبر في الماء الساخن منها في الماء البارد. وهكذا ، اتضح أنه يتم تخزين المزيد من الطاقة في روابط الهيدروجين الخاصة بالماء الساخن ، مما يعني أن المزيد منها يتم إطلاقه عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر. لهذا السبب ، يكون التجميد أسرع.

حتى الآن ، حل العلماء هذا اللغز من الناحية النظرية فقط. عندما يقدمون دليلاً مقنعًا على نسختهم ، يمكن اعتبار السؤال عن سبب تجميد الماء الساخن أسرع من الماء البارد مغلقًا.

ماء- مادة بسيطة إلى حد ما من وجهة نظر كيميائية ، ومع ذلك ، لها عدد من الخصائص غير العادية التي لا تتوقف أبدًا عن إبهار العلماء. فيما يلي بعض الحقائق التي يعرفها القليل من الناس.

1. أي ماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟

خذ إناءين من الماء: صب الماء الساخن في إحداهما والماء البارد في الأخرى ، وضعيهما في الفريزر. سوف يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه منطقياً ، يجب أن يتحول الماء البارد إلى جليد أولاً: بعد كل شيء ، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة حرارة باردة ، ثم يتحول إلى ثلج ، بينما الماء البارد لا يحتاج إلى التبريد. لماذا يحدث هذا؟

في عام 1963 ، لاحظ طالب تنزاني يدعى Erasto B. Mpemba ، أثناء تجميد خليط محضر من الآيس كريم ، أن المزيج الساخن يتجمد بشكل أسرع في المجمد من المزيج البارد. عندما شارك الشاب اكتشافه مع مدرس الفيزياء ، سخر منه فقط. لحسن الحظ ، كان الطالب مثابرًا وأقنع المعلم بإجراء تجربة ، والتي أكدت اكتشافه: في ظل ظروف معينة ، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.

الآن تسمى ظاهرة تجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد " تأثير مبيمبا". صحيح ، قبله بوقت طويل ، لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الخاصية الفريدة للمياه.

لا يفهم العلماء طبيعة هذه الظاهرة تمامًا ، ويشرحونها إما باختلاف انخفاض درجة حرارة الجسم ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسيلة على الماء الساخن والبارد.

2. إنها قادرة على التجميد على الفور

الجميع يعرف هذا ماءيتحول دائمًا إلى جليد عند التبريد إلى 0 درجة مئوية ... إلا في بعض الحالات! مثل هذه الحالة ، على سبيل المثال ، هي التبريد الفائق ، وهي خاصية الماء النقي جدًا ليظل سائلاً حتى عند تبريده إلى درجة حرارة أقل من درجة التجمد. تصبح هذه الظاهرة ممكنة بسبب حقيقة أن البيئة لا تحتوي على مراكز تبلور أو نوى يمكن أن تثير تكوين بلورات الجليد. وهكذا يبقى الماء في صورة سائلة ، حتى عند تبريده إلى درجات حرارة أقل من صفر درجة مئوية.

عملية التبلوريمكن استفزازها ، على سبيل المثال ، عن طريق فقاعات الغاز ، والشوائب (التلوث) ، وسطح الحاوية غير المستوي. بدونها ، سيبقى الماء في حالة سائلة. عندما تبدأ عملية التبلور ، يمكنك مشاهدة كيف يتحول الماء شديد التبريد على الفور إلى ثلج.

لاحظ أن الماء "شديد السخونة" يظل سائلاً أيضًا حتى عند تسخينه فوق درجة غليانه.

3. 19 دولة من الماء

بدون تردد ، حدد عدد الدول المختلفة للمياه؟ إذا أجبت بثلاثة: صلب ، سائل ، غازي ، فأنت مخطئ. يميز العلماء ما لا يقل عن 5 حالات مختلفة من الماء في شكل سائل و 14 حالة في شكل متجمد.

تذكر الحديث عن المياه فائقة التبريد؟ لذلك ، بغض النظر عن ما تفعله ، عند درجة حرارة -38 درجة مئوية ، حتى أنقى المياه فائقة البرودة ستتحول فجأة إلى ثلج. ماذا يحدث عندما تنخفض درجة الحرارة أكثر؟ عند درجة حرارة -120 درجة مئوية ، يبدأ شيء غريب في حدوث الماء: يصبح شديد اللزوجة أو لزجًا ، مثل دبس السكر ، وعند درجات حرارة أقل من -135 درجة مئوية ، يتحول إلى ماء "زجاجي" أو "زجاجي" - مادة صلبة تفتقر هيكل بلوري.

4. الماء يفاجئ علماء الفيزياء

على المستوى الجزيئي ، الماء أكثر إثارة للدهشة. في عام 1995 ، أعطت تجربة تشتت النيوترونات التي أجراها العلماء نتيجة غير متوقعة: وجد الفيزيائيون أن النيوترونات الموجهة إلى جزيئات الماء "ترى" 25٪ من بروتونات الهيدروجين أقل مما كان متوقعًا.

اتضح أنه عند سرعة أتوثانية واحدة (10-18 ثانية) يحدث تأثير كمي غير عادي ، والصيغة الكيميائية للماء بدلاً من H2O، يصبح H1.5O!

5. ذاكرة الماء

بديل للطب الرسمي علاج بالمواد الطبيعيةيجادل بأن المحلول المخفف لدواء ما يمكن أن يكون له تأثير علاجي على الجسم ، حتى لو كان عامل التخفيف كبيرًا جدًا بحيث لا يتبقى شيء في المحلول سوى جزيئات الماء. يشرح أنصار المعالجة المثلية هذه المفارقة بمفهوم يسمى " ذاكرة الماء"، حيث يكون للماء على المستوى الجزيئي" ذاكرة "لمادة بمجرد إذابته فيه ويحتفظ بخصائص محلول التركيز الأولي بعد عدم بقاء جزيء مكون واحد فيه.

أجرى فريق دولي من العلماء بقيادة البروفيسور مادلين إينيس من جامعة كوينز في بلفاست ، الذي انتقد مبادئ المعالجة المثلية ، تجربة في عام 2002 لدحض هذا المفهوم إلى الأبد. كانت النتيجة عكس ذلك. بعد ذلك قال العلماء إنهم تمكنوا من إثبات حقيقة التأثير " ذاكرة الماء". ومع ذلك ، فإن التجارب التي أجريت تحت إشراف خبراء مستقلين لم تسفر عن نتائج. الخلافات حول وجود الظاهرة " ذاكرة الماء" استمر.

يحتوي الماء على العديد من الخصائص غير العادية الأخرى التي لم نقم بتغطيتها في هذه المقالة. على سبيل المثال ، تختلف كثافة الماء باختلاف درجة الحرارة (كثافة الجليد أقل من كثافة الماء) ؛ الماء لديه توتر سطحي كبير إلى حد ما ؛ في الحالة السائلة ، الماء عبارة عن شبكة معقدة ومتغيرة ديناميكيًا من مجموعات المياه ، وسلوك المجموعات هو الذي يؤثر على بنية الماء ، إلخ.

حول هذه والعديد من الميزات الأخرى غير المتوقعة ماءيمكن قراءتها في المقال خصائص الماء الشاذة"، مؤلفه مارتن شابلن ، الأستاذ بجامعة لندن.