Mpemba efekat(Mpembin paradoks) je paradoks koji to kaže vruća voda pod nekim uslovima smrzava se brže od hladnoće, iako mora proći temperaturu hladnom vodom tokom procesa zamrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su svojevremeno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.
Biti student Magambinske srednja škola u Tanzaniji je to učinio Erasto Mpemba praktičan rad u kuvanju. Trebalo 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 kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa obična voda. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dva identična kontejnera sa jednake zapremine zalijte tako da u jednom voda ima temperaturu od 35°C, a u drugom - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugom voda brže smrzavati. Zašto?" Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.
Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu kada različite temperature.
Paradoks Mpemba efekta je to vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okruženje, mora biti proporcionalna temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C.
Međutim, to još ne znači paradoks, jer se Mpemba efekat može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Efekat isparavanja - dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.
Temperaturna razlika
Zbog temperaturne razlike između vruća voda i više je hladnog vazduha - stoga je razmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
Hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od –20 C.
Razlog za ovaj efekat je taj što su za formiranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led.
Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena 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 toplotnog zračenja i konvekcije, a time i gubitka toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.
Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalna gustina na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na temperaturi od 4 C, ona će ostati 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, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 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 veća razlika temperature Osim toga, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj toplu vodu na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon prosječna temperatura voda će pasti ispod 4 C.
Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.
Gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova rastvorljivost u vodi veća visoke temperature ispod. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži 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 igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod.
Svi ovi (kao i drugi) uslovi proučavani su u mnogim eksperimentima, ali jasan odgovor na pitanje - koji od njih obezbeđuju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobijen.
Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene 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 bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće superhlađenje 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 konstatovati samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
O. V. Mosin
Literaryizvori:
"Topla voda se smrzava brže od hladne vode. Zašto to radi?", Jearl Walker u The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, br. 3, str. 246-257; Septembra 1977.
"Zamrzavanje tople i hladne vode", G.S. Kell u American Journal of Physics, Vol. 37, br. 5, str. 564-565; maj 1969.
„Prehlađenje i Efekat Mpemba", David Auerbach, u American Journal of Physics, Vol. 63, br. 10, str. 882-885; oktobar, 1995.
"Efekat Mpemba: vremena smrzavanja tople i hladne vode", Charles A. Knight, u American Journal of Physics, Vol. 64, br. 5, str. 524; maj 1996.
Voda je jedna od najneverovatnijih tečnosti na svetu, koja ima neobična svojstva. Na primjer, led, čvrsto stanje tečnosti, ima specifičnu težinu nižu od same vode, što je u velikoj mjeri omogućilo nastanak i razvoj života na Zemlji. Osim toga, u pseudonaučnom i naučnom svijetu vode se rasprave o tome koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Svako ko može da dokaže da se vruća tečnost pod određenim uslovima brže smrzava i naučno potkrepi svoje rešenje dobiće nagradu od 1.000 funti od Britanskog kraljevskog društva hemičara.
Pozadina
Činjenica da se u nizu uslova topla voda smrzava brže od hladne uočena je još u srednjem veku. Francis Bacon i René Descartes uložili su mnogo truda da objasne ovaj fenomen. Međutim, sa stanovišta klasične toplotne tehnike, ovaj paradoks se ne može objasniti, a oni su to pokušali stidljivo prećutati. Poticaj za nastavak debate bila je pomalo čudna priča koja se dogodila tanzanijskom školarcu Erastu Mpembi 1963. godine. Jednog dana, tokom lekcije o pravljenju poslastica u školi kuvara, dečak, ometen drugim stvarima, nije stigao da na vreme ohladi smesu za sladoled i stavi vruć rastvor šećera u mleku u zamrzivač. Na njegovo iznenađenje, proizvod se ohladio nešto brže nego kod njegovih kolega praktičara koji su primijetili temperaturni režim pravljenje sladoleda.
Pokušavajući shvatiti suštinu fenomena, dječak se obratio profesoru fizike, koji je, ne ulazeći u detalje, ismijavao njegove kulinarske eksperimente. Međutim, Erasto se odlikovao zavidnom upornošću i nastavio svoje eksperimente ne na mlijeku, već na vodi. Uvjerio se da se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.
Nakon upisa na Univerzitet Dar es Salaam, Erasto Mpembe je prisustvovao predavanju profesora Dennisa G. Osbornea. Nakon njegovog završetka, student je naučnika zbunio problemom o brzini smrzavanja vode u zavisnosti od njene temperature. D.G. Osborne je ismijao samo postavljanje pitanja, izjavivši s aplomom da svaki siromašni student zna da će se hladna voda brže smrznuti. Međutim, mladićeva prirodna upornost dala je do znanja. Opkladio se sa profesorom, predlažući da se provede eksperimentalni test upravo ovdje u laboratoriji. Erasto je stavio dvije posude s vodom u zamrzivač, jednu na 95°F (35°C), a drugu na 212°F (100°C). Zamislite iznenađenje profesora i okolnih „navijača“ kada se voda u drugom kontejneru brže smrzla. Od tada se ovaj fenomen naziva “Paradoks Mpemba”.
Međutim, do danas ne postoji koherentna teorijska hipoteza koja objašnjava „Paradoks Mpemba“. Nije jasno koji su spoljni faktori hemijski sastav voda, prisustvo otopljenih gasova u njoj i minerali utiču na brzinu smrzavanja tečnosti na različitim temperaturama. Paradoks “Mpemba efekta” je u tome što je u suprotnosti sa jednim od zakona koje je otkrio I. Newton, a koji kaže da je vrijeme hlađenja vode direktno proporcionalno temperaturnoj razlici između tečnosti i okoline. A ako se sve druge tekućine u potpunosti pridržavaju ovog zakona, tada je voda u nekim slučajevima izuzetak.
Zašto se topla voda brže smrzava?T
Postoji nekoliko verzija zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Glavni su:
- topla voda brže isparava, dok se njen volumen smanjuje, a manji volumen tekućine se brže hladi - pri hlađenju vode od + 100°C do 0°C, zapreminski gubici pri atmosferskom pritisku dostižu 15%;
- što je veća temperaturna razlika, veća je temperaturna razlika, veći je intenzitet razmjene topline između tekućine i okoline, pa se gubitak topline kipuće vode brže događa;
- kada se vruća voda ohladi, na njenoj površini se formira kora leda, koja sprječava da se tekućina potpuno zamrzne i ispari;
- pri visokim temperaturama vode dolazi do konvekcionog miješanja, smanjujući vrijeme smrzavanja;
- Gasovi rastvoreni u vodi snižavaju tačku smrzavanja, uklanjajući energiju za formiranje kristala - u vrućoj vodi nema rastvorenih gasova.
Svi ovi uslovi su više puta eksperimentalno testirani. Konkretno, njemački naučnik David Auerbach otkrio je da je temperatura kristalizacije tople vode nešto viša od one hladne vode, što omogućava bržem smrzavanju prve. Međutim, kasnije su njegovi eksperimenti bili kritikovani i mnogi naučnici su uvereni da se „efekat Mpemba“, koji određuje koja voda se brže smrzava - topla ili hladna, može reprodukovati samo pod određenim uslovima, koje do sada niko nije tražio i precizirao.
Mpemba efekat(Mpembin paradoks) je paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode tokom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su svojevremeno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.
Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba je radio kao kuhar. Trebalo 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 kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.
Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u 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 treba biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C.
Međutim, to još ne znači paradoks, jer se Mpemba efekat može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.
Temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog vazduha veća, samim tim je i razmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
Hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od –20 C.
Razlog za ovaj efekat je taj što su za formiranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led.
Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena 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 toplotnog zračenja i konvekcije, a time i gubitka toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.
Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na temperaturi od 4 C, ona će ostati 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, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 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 veće temperaturne razlike. Osim toga, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli sloj 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 hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.
Gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi niža na visokim temperaturama. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži 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 igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod.
Svi ovi (kao i drugi) uslovi proučavani su u mnogim eksperimentima, ali jasan odgovor na pitanje - koji od njih obezbeđuju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobijen.
Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene 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 bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće superhlađenje 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 konstatovati samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
Efekat Mpemba ili zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode? Efekat Mpemba (Mpemba Paradox) je paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode tokom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu. Ovu pojavu su svojevremeno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne. Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba je radio kao kuhar. Trebalo 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 kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji. Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada, efekat koji su otkrili naziva se Mpemba efekat. Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u 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 treba biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C. Međutim, to još ne znači paradoks, jer se Mpemba efekat može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba: isparavanje Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C. Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare. Temperaturna razlika Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog vazduha veća, samim tim je i razmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi. Hipotermija Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od -20 C. Razlog za ovaj efekat je taj što su potrebni centri za formiranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli formirati. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led. Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena 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 toplotnog zračenja i konvekcije, a samim tim i gubitak toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo. Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na temperaturi od 4 C, ona će ostati 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, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 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 veće temperaturne razlike. Osim toga, 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 bi se objasnio Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno 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, nema eksperimentalni podaci koji bi potvrdili ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije. Gasovi rastvoreni u vodi Voda uvek sadrži gasove rastvorene u vodi - kiseonik i ugljen-dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi niža na visokim temperaturama. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži 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 igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod. Svi ovi (kao i drugi) uslovi proučavani su u mnogim eksperimentima, ali jasan odgovor na pitanje - koji od njih obezbeđuju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobijen. Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene 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 bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće superhlađenje 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 konstatovati samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek. O. V. Mosin
Mnogi istraživači su iznijeli i iznose vlastite verzije o tome zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Činilo bi se kao paradoks - na kraju krajeva, da bi se smrznula, vruća voda se prvo mora ohladiti. Međutim, činjenica ostaje činjenica, a naučnici to objašnjavaju na različite načine.
Glavne verzije
On ovog trenutka Postoji nekoliko verzija koje objašnjavaju ovu činjenicu:
- Budući da topla voda brže isparava, njen volumen se smanjuje. A smrzavanje manje količine vode na istoj temperaturi dolazi brže.
- Odeljak zamrzivača frižidera ima oblogu za sneg. Kontejner sa toplom vodom topi snijeg ispod. Ovo poboljšava termički kontakt sa zamrzivačem.
- Zamrzavanje hladne vode, za razliku od tople vode, počinje na vrhu. Istovremeno se pogoršavaju konvekcija i toplinsko zračenje, a samim tim i gubitak topline.
- Hladna voda sadrži centre kristalizacije - tvari otopljene u njoj. Ako je njihov sadržaj u vodi mali, zaleđivanje je teško, iako je u isto vrijeme moguće prehlađenje - kada na temperaturama ispod nule ima tečno stanje.
Iako se pošteno može reći da ovaj efekat se ne posmatra uvek. Vrlo često se hladna voda smrzava brže od tople vode.
Na kojoj temperaturi se voda smrzava
Zašto se voda uopšte smrzava? Sadrži određenu količinu mineralnih ili organskih čestica. To mogu biti, na primjer, vrlo male čestice pijeska, prašine ili gline. Kako temperatura zraka opada, ove čestice su centri oko kojih se formiraju kristali leda.
Ulogu jezgri kristalizacije mogu imati i mjehurići zraka i pukotine u posudi u kojoj se nalazi voda. Na brzinu procesa pretvaranja vode u led u velikoj mjeri utječe broj takvih centara - ako ih ima mnogo, tekućina se brže smrzava. At normalnim uslovima, sa normalnim atmosferski pritisak, voda prelazi u čvrsto stanje iz tečnosti na temperaturi od 0 stepeni.
Suština Mpemba efekta
Efekat Mpemba je paradoks, čija je suština da se u određenim okolnostima topla voda smrzava brže od hladne vode. Ovu pojavu su uočili Aristotel i Descartes. Međutim, tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba utvrdio je da je vrućem sladoledu potrebno više vremena da se zamrzne. kratko vrijeme nego hladno. Ovaj zaključak je napravio dok je ispunjavao zadatak kuhanja.
Šećer je morao otopiti u prokuvanom mlijeku i nakon što ga je ohladio staviti u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv i kasno je počeo da izvršava prvi deo zadatka. Stoga nije čekao da se mlijeko ohladi, već je vruće stavio u frižider. Bio je veoma iznenađen kada se smrznuo čak i brže nego kod njegovih kolega iz razreda koji su radili po zadatoj tehnologiji.
Ova činjenica je veoma zainteresovala mladića i počeo je eksperimente sa običnom vodom. Godine 1969. časopis Physics Education objavio je rezultate istraživanja Mpembe i profesora Dennisa Osbornea sa Univerziteta Dar Es Salaam. Efekat koji su opisali dobio je naziv Mpemba. Međutim, ni danas nema jasnog objašnjenja za ovaj fenomen. Svi naučnici se slažu da glavnu ulogu u tome imaju razlike u svojstvima rashlađene i tople vode, ali šta tačno nije poznato.
Singapurska verzija
Fizičare sa jednog od singapurskih univerziteta zanimalo je i pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna? Tim istraživača na čelu sa Xi Zhangom objasnio je ovaj paradoks upravo svojstvima vode. Svi iz škole znaju sastav vode - atom kiseonika i dva atoma vodika. Kisik u određenoj mjeri odvlači elektrone od vodonika, tako da je molekula određena vrsta “magneta”.
Kao rezultat toga, određeni molekuli u vodi se malo privlače jedni prema drugima i ujedinjuju ih vodikovom vezom. Njegova snaga je mnogo puta manja od snage kovalentne veze. Singapurski istraživači vjeruju da objašnjenje za Mpembin paradoks leži upravo u vodoničnim vezama. Ako su molekuli vode postavljeni vrlo čvrsto zajedno, onda tako snažna interakcija između molekula može deformirati kovalentnu vezu u sredini samog molekula.
Ali kada se voda zagrije, vezani molekuli se malo udaljavaju jedan od drugog. Kao rezultat, dolazi do relaksacije kovalentnih veza u sredini molekula uz oslobađanje viška energije i prijelaz na niži energetski nivo. To dovodi do činjenice da se topla voda počinje brzo hladiti. Barem, to pokazuju teorijske proračune singapurskih naučnika.
Trenutačno zamrzavanje vode - 5 nevjerovatnih trikova: Video
