Hemija je bila jedan od mojih omiljenih predmeta u školi. Jednom nam je profesorica hemije dala vrlo čudan i težak zadatak. Dao nam je listu pitanja na koja smo morali odgovoriti u smislu hemije. Dobili smo nekoliko dana za ovaj zadatak i bilo nam je dozvoljeno da koristimo biblioteke i druge dostupne izvore informacija. Jedno od ovih pitanja odnosilo se na tačku smrzavanja vode. Ne sećam se tačno kako je zvučalo pitanje, ali radilo se o tome da ako uzmete dve drvene kante iste veličine, jednu sa toplom, drugu sa hladnom vodom (na tačno navedenoj temperaturi), i stavite ih u okruženju sa određenom temperaturom, koja će se brže smrznuti? Naravno, odmah se nametnuo odgovor - kanta hladne vode, ali nama se činilo previše jednostavno. Ali to nije bilo dovoljno da damo potpun odgovor, morali smo to dokazati sa hemijske tačke gledišta. I pored svih mojih razmišljanja i istraživanja, nisam mogao izvući logičan zaključak. Na današnji dan sam čak odlučio da preskočim ovu lekciju, tako da nikada nisam pronašao rješenje ove zagonetke.
Godine su prolazile, a ja sam naučio mnogo svakodnevnih mitova o tački ključanja i tački smrzavanja vode, a jedan mit je rekao: "topla voda se brže smrzava". Pogledao sam mnoge web stranice, ali informacije su bile previše oprečne. A to su bila samo mišljenja, neutemeljena sa stanovišta nauke. I odlučio sam da sprovedem svoje iskustvo. Pošto nisam mogao da nađem drvene kante, koristio sam zamrzivač, šporet, malo vode i digitalni termometar. O rezultatima svog iskustva govoriću malo kasnije. Prvo, podijelit ću s vama neke zanimljive argumente o vodi:
Topla voda se smrzava brže od hladne vode. Većina stručnjaka kaže da će se hladna voda smrznuti brže od tople vode. Ali jedan smiješan fenomen (tzv. Memba efekat), iz nepoznatih razloga, dokazuje suprotno: topla voda se smrzava brže od hladne vode. Jedno od nekoliko objašnjenja je proces isparavanja: ako se vrlo vruća voda stavi u hladno okruženje, tada će voda početi da isparava (preostala količina vode će se brže smrznuti). A prema zakonima hemije, ovo uopće nije mit, a najvjerovatnije je to ono što je učiteljica htjela čuti od nas.
Prokuvana voda se smrzava brže od vode iz slavine. Uprkos prethodnom objašnjenju, neki stručnjaci tvrde da bi prokuvana voda koja se ohladila na sobnu temperaturu trebala brže da se smrzne jer se kao rezultat ključanja smanjuje količina kiseonika.
Hladna voda ključa brže od tople vode. Ako se topla voda brže smrzava, hladna voda može brže ključati! To je u suprotnosti sa zdravim razumom i naučnici tvrde da to jednostavno ne može biti. Vruća voda iz slavine bi zapravo trebala ključati brže od hladne vode. Ali korištenjem tople vode za kuhanje ne štedite energiju. Možete koristiti manje plina ili struje, ali bojler će koristiti istu količinu energije koja je potrebna za zagrijavanje hladne vode. (Solarna energija je malo drugačija.) Kao rezultat zagrijavanja vode bojlerom, može doći do stvaranja taloga, pa će vodi trebati duže da se zagrije.
Ako u vodu dodate sol, brže će prokuvati. Sol povećava tačku ključanja (a samim tim i snižava tačku smrzavanja - zbog čega neke domaćice dodaju malo kamene soli u sladoled). Ali u ovom slučaju nas zanima još jedno pitanje: koliko dugo će voda ključati i može li se tačka ključanja u ovom slučaju popeti iznad 100 ° C). Uprkos tome što kuharice kažu, naučnici kažu da količina soli koju dodamo u kipuću vodu nije dovoljna da utiče na vrijeme ili temperaturu ključanja.
Ali evo šta sam dobio:
Hladna voda: Koristio sam tri staklene čaše od 100 ml pročišćene vode: jednu sobnu temperaturu (72°F/22°C), jednu toplu vodu (115°F/46°C) i jednu prokuvanu (212°F/100°C) C). Sve tri čaše sam stavila u zamrzivač na -18°C. A pošto sam znao da se voda neće odmah pretvoriti u led, odredio sam stepen smrzavanja „drvenim plovkom“. Kad štap, postavljen u sredinu čaše, više nije dodirivao podnožje, vjerovao sam da se voda smrzla. Provjeravao sam naočare svakih pet minuta. I kakvi su moji rezultati? Voda u prvoj čaši se smrzla nakon 50 minuta. Topla voda se smrzla nakon 80 minuta. Kuvano - nakon 95 minuta. Moji zaključci: S obzirom na uslove u zamrzivaču i vodu koju sam koristio, nisam uspeo da reproduciram Memba efekat.
Isprobao sam i ovaj eksperiment sa prethodno prokuvanom vodom ohlađenom na sobnu temperaturu. Smrznuo se za 60 minuta - i dalje mu je trebalo više vremena nego hladnoj vodi da se smrzne.
Prokuvana voda: Uzeo sam litar vode sobne temperature i zapalio. Prokuvala je za 6 minuta. Zatim sam ponovo ohladila na sobnu temperaturu i dodala u vruću. Na istoj vatri vrela je voda 4 sata i 30 minuta. Zaključak: očekivano, topla voda ključa mnogo brže.
Prokuvana voda (sa solju): na 1 litar vode dodala sam 2 velike kašike kuhinjske soli. Proključao je za 6 minuta i 33 sekunde, a kako je pokazao termometar dostigao je temperaturu od 102°C. Nesumnjivo, sol utiče na tačku ključanja, ali ne mnogo. Zaključak: sol u vodi ne utiče mnogo na temperaturu i vrijeme ključanja. Iskreno priznajem da je moju kuhinju teško nazvati laboratorijom, a možda su moji zaključci suprotni stvarnosti. Moj zamrzivač može neravnomjerno zamrznuti hranu. Moje staklene naočare mogu biti nepravilne itd. Ali šta god da se dogodi u laboratoriji, kada je u pitanju zamrzavanje ili ključanje vode u kuhinji, najvažniji je zdrav razum.
link sa zanimljivim činjenicama o vodi sve o vodi
kao što je predloženo na forumu forum.ixbt.com, ovaj efekat (efekat smrzavanja tople vode brže od hladne vode) se naziva "Aristotel-Mpemba efekat"
One. prokuvana voda (ohlađena) smrzava se brže od "sirova"
Mpemba efekat(Mpemba paradox) - paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su u to vrijeme primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.
Erasto Mpemba je bio učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuhanjem. Morao je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C, i stavite ih u zamrzivač, onda će se u drugoj voda smrznuti brže, zašto? Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo su 1969. godine zajedno sa Mpembom 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, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.
Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.
Međutim, to još ne znači paradoks, jer se efekat Mpemba može objasniti i 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 iste temperature brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, 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 zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na -20 C.
Razlog za ovaj efekat je taj što su za početak formiranja prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počeće da rastu brže, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led.
Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, 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 manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.
Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.
Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.
Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , dalji proces hlađenja će biti sporiji.
U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, trebalo bi 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 konvekcijom.
gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi niža. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.
Toplotna provodljivost
Ovaj mehanizam može odigrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u frižider sa zamrzivačem u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava 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 sebe.
Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih pružaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.
Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.
Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići veće prehlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.
Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta u suštini 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; maja 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", 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.
Čini se jasnim da se hladna voda smrzava brže od tople vode, jer pod jednakim uslovima toploj vodi treba duže da se ohladi, a zatim i zamrzne. Međutim, hiljade godina posmatranja, kao i savremeni eksperimenti, pokazali su da je i suprotno: pod određenim uslovima, topla voda se smrzava brže od hladne vode. Naučni kanal Sciencium objašnjava ovaj fenomen:
Kao što je objašnjeno u videu iznad, fenomen u kojem se topla voda smrzava brže od hladne poznat je kao Mpemba efekat, nazvan po Erastu Mpembi, učeniku iz Tanzanije koji je napravio sladoled u sklopu školskog projekta 1963. godine. Učenici su morali da proključaju mešavinu pavlake i šećera, ostave da se ohladi, a zatim stave u zamrzivač.
Umjesto toga, Erasto je smjesu smjesu postavio vrućom, ne čekajući da se ohladi. Kao rezultat toga, nakon 1,5 sata, njegova mješavina je već bila zamrznuta, ali mješavine drugih učenika nisu. Zaintrigiran ovim fenomenom, Mpemba je počeo da proučava to pitanje sa profesorom fizike Denisom Osbornom, a 1969. godine objavili su rad u kojem se kaže da se topla voda smrzava brže od hladne vode. Ovo je bila prva recenzirana studija ove vrste, ali se sam fenomen spominje u Aristotelovim radovima koji datiraju iz 4. vijeka prije nove ere. e. Francis Bacon i Descartes su također primijetili ovaj fenomen u svojim studijama.
Video prikazuje nekoliko opcija za objašnjenje šta se dešava:
- Mraz je dielektrik, pa stoga smrznuta hladna voda pohranjuje toplinu bolje od tople čaše koja topi led u dodiru s njom.
- Hladna voda ima više rastvorenih gasova od tople vode, a istraživači spekulišu da bi to moglo da igra ulogu u brzini hlađenja, iako još nije jasno kako.
- Vruća voda gubi više molekula vode kroz isparavanje, ostavljajući manje za zamrzavanje
- Topla voda se može brže ohladiti zbog povećanih konvektivnih struja. Ove struje nastaju jer se voda u čaši prvo hladi na površini i bočnim stranama, uzrokujući da hladna voda tone, a topla da raste. U toploj čaši, konvektivne struje su aktivnije, što može uticati na brzinu hlađenja.
Međutim, 2016. godine provedeno je pažljivo kontrolirano istraživanje koje je pokazalo suprotno: topla voda se smrzavala mnogo sporije od hladne vode. Istovremeno, naučnici su primijetili da promjena lokacije termoelementa - uređaja koji određuje temperaturne razlike - za samo centimetar dovodi do pojave Mpemba efekta. Studija drugog sličnog rada pokazala je da je u svim slučajevima kada je uočen ovaj efekat, došlo do pomaka termoelementa unutar jednog centimetra.
1963. godine, školarac iz Tanzanije po imenu Erasto Mpemba postavio je svom učitelju glupo pitanje - zašto se topli sladoled smrzavao brže od hladnog u njegovom zamrzivaču?
Erasto Mpemba je bio učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuhanjem. Morao je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadatka. Bojeći se da neće stići na vrijeme do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Obratio se profesoru fizike za pojašnjenje, ali se učeniku samo nasmijao, rekavši sljedeće: "Ovo nije svjetska fizika, već fizika Mpembe." Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom.
U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C, i stavite ih u zamrzivač, onda će se u drugoj voda smrznuti brže. Zašto?" Osborn se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo su 1969. zajedno sa Mpembom objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada, efekat koji su otkrili naziva se Mpemba efekat.
Da li vas zanima zašto se to dešava? Pre samo nekoliko godina naučnici su uspeli da objasne ovaj fenomen...
Mpemba efekat (Mpemba Paradox) je paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu su pojavu u to vrijeme uočili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes. Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U istom efektu, voda na 100°C se hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.
Od tada su se pojavljivale različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada ostane manja količina, voda se brže stvrdne. Ova verzija je, zbog svoje jednostavnosti, postala najpopularnija, ali naučnici nisu bili u potpunosti zadovoljni.
Sada tim istraživača sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru, predvođen hemičarem Xi Zhangom, kaže da je riješio vjekovnu misteriju zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Kako su kineski stručnjaci otkrili, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.
Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koji se drže zajedno kovalentnim vezama, što na nivou čestica izgleda kao razmjena elektrona. Još jedna dobro poznata činjenica je da se atomi vodika privlače atomima kisika iz susjednih molekula – u ovom slučaju nastaju vodikove veze.
U isto vrijeme, molekuli vode u cjelini se međusobno odbijaju. Naučnici iz Singapura su primijetili da što je voda toplija, to je veća udaljenost između molekula tečnosti zbog povećanja odbojnih sila. Kao rezultat toga, vodikove veze se rastežu i stoga skladište više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda ohladi – molekuli se približavaju jedni drugima. A povratak energije, kao što znate, znači hlađenje.
Evo hipoteza koje su iznijeli naučnici:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode iste temperature brže se smrzava. Voda zagrijana na 100°C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0°C. Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo se smanjuje masa vode koja je potrebna za hlađenje. I drugo, zbog isparavanja, njegova temperatura se smanjuje.
temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je prijenos topline u ovom slučaju intenzivniji i topla voda se brže hladi.
hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0°C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uslovima, može se podvrgnuti prehlađenju dok nastavlja da ostane tečan na temperaturama ispod tačke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na -20°C. Razlog za ovaj efekat je taj što su za početak formiranja prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano formirati. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počeće da rastu brže, formirajući ledenu bljuzgavicu koja će se smrznuti i formirati led. Topla voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena, dešava se da se na njenoj površini formira tanak sloj leda koji deluje kao izolator između vode i hladnog vazduha i na taj način sprečava dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti manja. U slučaju tople vode koja je podhlađena, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh. Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda. Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo. Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4°C. Ako vodu ohladite na 4°C i stavite je u okruženje s nižom temperaturom, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gusta od vode na 4°C, ostat će na površini, formirajući tanak hladan sloj. U tim uslovima će se na površini vode za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode, koji će ostati na 4°C. Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji. U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i većih temperaturnih razlika. Takođe, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Za objašnjenje Mpemba efekta sa stanovišta konvekcije, pretpostavilo bi se da su hladni i topli slojevi vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4°C. Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom.
gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi gasovi imaju sposobnost da snize tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi niža. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.
Toplotna provodljivost
Ovaj mehanizam može odigrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u frižider sa zamrzivačem u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led zamrzivača ispod, čime se poboljšava 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 sebe. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih pružaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven. Tako je, na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj prehlađenja vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje. Osim toga, Auerbachovi rezultati su u suprotnosti sa ranijim podacima da topla voda može postići veće prehlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj. Za sada se može tvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment provodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
A evo najvjerovatnijeg razloga.
Kao što kemičari pišu u svom članku, koji se može naći na stranici preprinta arXiv.org, vodonične veze su jače rastegnute u vrućoj nego u hladnoj vodi. Tako se ispostavlja da je više energije pohranjeno u vodoničnim vezama tople vode, što znači da se više energije oslobađa kada se ohladi na temperaturu ispod nule. Iz tog razloga, zamrzavanje je brže.
Do danas su naučnici ovu zagonetku riješili samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze za svoju verziju, onda se pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može smatrati zatvorenim.
Voda- prilično jednostavna supstanca s kemijske točke gledišta, međutim, ima niz neobičnih svojstava koja ne prestaju oduševljavati znanstvenike. Ispod su neke činjenice za koje malo ljudi zna.
1. Koja voda se brže smrzava - hladna ili topla?
Uzmite dvije posude s vodom: u jednu sipajte toplu vodu, a u drugu hladnu i stavite u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne, iako je logično da je hladna voda prvo trebala da se pretvori u led: na kraju krajeva, topla voda mora prvo da se ohladi na nisku temperaturu, a zatim da se pretvori u led, dok hladna voda ne mora da se hladi. Zašto se ovo dešava?
Godine 1963. tanzanijski student po imenu Erasto B. Mpemba, dok je zamrzavao pripremljenu smjesu za sladoled, primijetio je da se vruća smjesa brže stvrdnula u zamrzivaču od hladne. Kada je mladić podijelio svoje otkriće sa profesorom fizike, samo mu se nasmijao. Na sreću, učenik je bio uporan i uvjerio učitelja da sprovede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima, topla voda se zaista smrzava brže od hladne vode.
Sada se ovaj fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne zove " Mpemba efekat". Istina, mnogo prije njega ovo jedinstveno svojstvo vode zabilježili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.
Naučnici ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u hipotermiji, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili učinkom ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.
2. Može se odmah smrznuti
Svi to znaju vode uvijek se pretvara u led kada se ohladi na 0 °C ... osim u nekim slučajevima! Takav slučaj je, na primjer, superhlađenje, što je svojstvo vrlo čiste vode da ostane tečna čak i kada se ohladi na temperaturu ispod nule. Ova pojava postaje moguća zbog činjenice da okolina ne sadrži centre kristalizacije ili jezgre koje bi mogle izazvati stvaranje kristala leda. I tako voda ostaje u tečnom obliku, čak i kada se ohladi na temperature ispod nula stepeni Celzijusa.
proces kristalizacije može izazvati, na primjer, mjehuriće plina, nečistoće (zagađenje), neravnu površinu posude. Bez njih, voda će ostati u tečnom stanju. Kada započne proces kristalizacije, možete gledati kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.
Imajte na umu da "pregrijana" voda također ostaje tečna čak i kada se zagrije iznad tačke ključanja.
3. 19 stanja vode
Bez oklijevanja navedite koliko različitih stanja ima voda? Ako ste odgovorili tri: čvrsta, tečna, gasovita, onda se varate. Naučnici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tečnom obliku i 14 stanja u zamrznutom obliku.
Sjećate se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, šta god da radite, na -38 °C, čak i najčistija super ohlađena voda će se iznenada pretvoriti u led. Šta se dešava ako temperatura dalje pada? Na -120°C vodi se nešto čudno događa: postaje superviskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama ispod -135°C pretvara se u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrstu supstancu kojoj nedostaje kristalna struktura.
4. Voda iznenađuje fizičare
Na molekularnom nivou, voda je još više iznenađujuća. 1995. godine, eksperiment raspršivanja neutrona koji su sproveli naučnici dao je neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje vodonikovih protona nego što se očekivalo.
Pokazalo se da se brzinom od jedne atosekunde (10-18 sekundi) dešava neobičan kvantni efekat, a hemijska formula vode umesto H2O, postaje H1.5O!
5. Memorija vode
Alternativa službenoj medicini homeopatija tvrdi da razrijeđena otopina lijeka može imati terapeutski učinak na tijelo, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko velik da u otopini ne ostaje ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom koji se zove " pamćenje vode“, prema kojem voda na molekularnom nivou ima “pamćenje” supstancije jednom otopljene u njoj i zadržava svojstva otopine početne koncentracije nakon što u njoj ne ostane niti jedan molekul sastojka.
Međunarodni tim naučnika na čelu sa profesoricom Madeleine Ennis sa Queen's univerziteta u Belfastu, koja je kritikovala principe homeopatije, izveo je eksperiment 2002. godine kako bi jednom zauvijek opovrgao koncept. Rezultat je bio suprotan. Nakon toga, naučnici su rekli da su uspjeli dokazati realnost efekta " pamćenje vode". Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom nezavisnih stručnjaka nisu dali rezultate. Sporovi o postojanju fenomena" pamćenje vode» nastavi.
Voda ima mnoga druga neobična svojstva koja nismo pokrili u ovom članku. Na primjer, gustina vode varira s temperaturom (gustina leda je manja od gustine vode); voda ima prilično veliku površinsku napetost; u tečnom stanju voda je složena i dinamički promenljiva mreža vodenih klastera, a ponašanje klastera utiče na strukturu vode itd.
O ovim i mnogim drugim neočekivanim karakteristikama vode može se pročitati u članku Anomalna svojstva vode“, čiji je autor Martin Chaplin, profesor na Univerzitetu u Londonu.
