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

Évek teltek el, és rengeteg mindennapi mítoszt tanultam a víz forráspontjáról és fagyáspontjáról, és egy mítosz így szólt: forró víz gyorsabban lefagy. Sok webhelyet megnéztem, de az információk túlságosan ellentmondásosak voltak. És ezek csak vélemények voltak, a tudomány szempontjából megalapozatlanok. És úgy döntöttem, hogy saját tapasztalataimat folytatom. Mivel nem találtam favödröt, fagyasztót, főzőlapot, vizet és digitális hőmérőt használtam. Tapasztalataim eredményeiről kicsit később beszélek. Először is megosztok veled néhány érdekes érvet a vízzel kapcsolatban:

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

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

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

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

De itt van, amit kaptam:

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

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

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

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

link innen Érdekes tények a vízről mindent a vízről
a forum.ixbt.com fórumon javasoltak szerint ezt a hatást (a forró víz gyorsabb lefagyasztásának hatását, mint a hideg vizet) "Arisztotelész-Mpemba effektusnak" nevezik.

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

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

Erre a jelenségre annak idején Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes is felfigyelt, de csak 1963-ban tapasztalta a tanzániai iskolás, Erasto Mpemba, hogy a forró fagylaltkeverék gyorsabban megfagy, mint a hideg.

A Magamba tanulójaként Gimnázium Tanzániában Erasto Mpemba tette praktikus munka a konyhaművészetben. Házi fagylaltot kellett készítenie - felforralni a tejet, feloldani benne a cukrot, lehűteni szobahőmérsékletre, majd hűtőbe tenni megdermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem volt különösebben szorgalmas tanuló, és halogatta a feladat első részét. Attól tartva, hogy nem ér el időben az óra végére, a még forró tejet a hűtőbe tette. Meglepetésére még korábban fagyott meg, mint a társai adott technológiával elkészített teje.

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

Eddig senki sem tudja pontosan, hogyan magyarázza ezt a furcsa hatást. A tudósoknak nincs egyetlen verziója, bár sok van. A hideg és meleg víz tulajdonságainak különbségéről van szó, de még nem világos, hogy ebben az esetben mely tulajdonságok játszanak szerepet: a túlhűtés, a párolgás, a jégképződés, a konvekció vagy a cseppfolyósított gázok vízre gyakorolt ​​hatása különböző hőmérsékletek.

Az Mpemba-effektus paradoxona, hogy annak az időnek, amely alatt a test lehűl a környezeti hőmérsékletre, arányosnak kell lennie a test és a környezet közötti hőmérséklet-különbséggel. Ezt a törvényt Newton állapította meg, és azóta a gyakorlatban is sokszor megerősítették. Ugyanilyen hatás mellett a 100 °C-os víz gyorsabban hűl 0 °C-ra, mint az azonos mennyiségű 35 °C-os víz.

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

Párolgás

A forró víz gyorsabban elpárolog a tartályból, ezáltal csökken a térfogata, és egy kisebb térfogatú, azonos hőmérsékletű víz gyorsabban fagy meg. A 100 C-ra melegített víz 0 C-ra hűtve tömegének 16%-át veszíti el.

Párolgási hatás - kettős hatás. Először is csökken a hűtéshez szükséges víz tömege. Másodszor, a hőmérséklet csökken annak a ténynek köszönhetően, hogy a vízfázisból a gőzfázisba való átmenet párolgási hője csökken.

hőmérséklet különbség

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

hypothermia

Ha a vizet 0 C alá hűtjük, nem mindig fagy meg. Bizonyos körülmények között túlhűlhet, miközben fagypont alatti hőmérsékleten továbbra is folyékony marad. Egyes esetekben a víz még -20 C-on is folyékony maradhat.

Ennek a hatásnak az az oka, hogy ahhoz, hogy az első jégkristályok kialakulhassanak, kristályképződési központokra van szükség. Ha nem folyékony vízben vannak, akkor a túlhűtés addig folytatódik, amíg a hőmérséklet annyira le nem esik, hogy spontán kristályok keletkeznek. Amikor elkezdenek képződni a túlhűtött folyadékban, gyorsabban növekedni kezdenek, és jégzagyot képeznek, amely megfagyva jéggé alakul.

A forró víz a leginkább érzékeny a hipotermia kialakulására, mivel a melegítés eltávolítja az oldott gázokat és buborékokat, amelyek viszont a jégkristályok képződésének központjaként szolgálhatnak.

Miért fagy le gyorsabban a forró víz a hipotermia miatt? Hideg víz esetében, amely nem túlhűtött, a következő történik. Ebben az esetben az edény felületén vékony jégréteg képződik. Ez a jégréteg szigetelőként fog működni a víz és a hideg levegő között, és megakadályozza a további párolgást. A jégkristályok képződésének sebessége ebben az esetben kisebb lesz. Túlhűtésen áteső forró víz esetén a túlhűtött víznek nincs védő felületi jégrétege. Ezért a nyitott tetején keresztül sokkal gyorsabban veszít hőt.

Amikor a túlhűtési folyamat véget ér, és a víz megfagy, sokkal több hő veszít, és ezért több jég.

Ennek a hatásnak a kutatói közül sokan a hipotermiát tartják a fő tényezőnek az Mpemba-hatás esetében.

Konvekció

A hideg víz felülről kezd megfagyni, ami rontja a hősugárzás és a konvekció folyamatait, és ezáltal a hőveszteséget, míg a meleg víz alulról fagyni kezd.

Ezt a hatást a víz sűrűségének anomáliája magyarázza. A víznek van maximális sűrűség 4 C-on. Ha lehűtjük a vizet 4 C-ra és alacsonyabb hőmérsékletre helyezzük, a víz felszíni rétege gyorsabban megfagy. Mivel ez a víz kevésbé sűrű, mint a 4°C-os víz, a felszínen marad, és vékony hideg réteget képez. Ilyen körülmények között rövid ideig vékony jégréteg képződik a víz felszínén, de ez a jégréteg szigetelőként védi az alsó vízrétegeket, amelyek 4 C-os hőmérsékleten maradnak. , a további lehűlési folyamat lassabb lesz.

A melegvíz esetében teljesen más a helyzet. A víz felszíni rétege gyorsabban lehűl a párolgás és több különbség hőmérsékletek. Ezenkívül a hidegvizes rétegek sűrűbbek, mint a melegvizes rétegek, így a hidegvizes réteg lesüllyed, megemeli a réteget. meleg víz a felszínre. Ez a vízkeringés biztosítja a gyors hőmérséklet-csökkenést.

De miért nem éri el ez a folyamat az egyensúlyi pontot? Az Mpemba-effektusnak a konvekció ezen szemszögéből való magyarázatához szükséges lenne azt feltételezni, hogy a hideg és a meleg vízréteg elválik, és maga a konvekciós folyamat folytatódik. átlaghőmérséklet a víz hőmérséklete 4 C alá esik.

Nincs azonban olyan kísérleti bizonyíték, amely alátámasztja ezt a hipotézist, miszerint a hideg és a meleg vízrétegeket konvekció választja el egymástól.

vízben oldott gázok

A víz mindig tartalmaz benne oldott gázokat - oxigént és szén-dioxidot. Ezek a gázok képesek csökkenteni a víz fagyáspontját. Amikor a vizet melegítjük, ezek a gázok felszabadulnak a vízből, mivel vízben való oldhatóságuk at magas hőmérsékletű lent. Ezért a forró víz hűtésekor mindig kevesebb oldott gáz van benne, mint a fűtetlen vízben. hideg víz. Ezért a felmelegített víz fagypontja magasabb, és gyorsabban fagy meg. Ezt a tényezőt néha a fő tényezőnek tekintik az Mpemba-effektus magyarázatában, bár ezt a tényt nem igazolják kísérleti adatok.

Hővezető

Ez a mechanizmus jelentős szerepet játszhat, ha vizet helyeznek a hűtőszekrény fagyasztóba kis tartályokban. Ilyen körülmények között megfigyelhető, hogy a forró vizet tartalmazó tartály megolvasztja az alatta lévő fagyasztó jegét, ezáltal javítva a fagyasztó falával való termikus érintkezést és a hővezető képességet. Ennek eredményeként a hő gyorsabban távozik a melegvíz-tartályból, mint a hidegből. A hideg vizes tartály viszont nem olvasztja meg alatta a havat.

Mindezeket (és más) körülményeket számos kísérletben tanulmányozták, de egyértelmű választ nem kaptak arra a kérdésre, hogy melyikük biztosítja az Mpemba-effektus 100%-os reprodukcióját.

Így például 1995-ben David Auerbach német fizikus a víz túlhűtésének hatását tanulmányozta erre a hatásra. Felfedezte, hogy a túlhűtött állapotot elérő forró víz magasabb hőmérsékleten fagy meg, mint a hideg víz, ezért gyorsabban, mint az utóbbi. De a hideg víz gyorsabban éri el a túlhűtött állapotot, mint a forró víz, ezáltal kompenzálja a korábbi lemaradást.

Ráadásul Auerbach eredményei ellentmondtak a korábbi adatoknak, miszerint a forró víz a kevesebb kristályosodási centrum miatt nagyobb túlhűtést képes elérni. A vizet melegítve a benne oldott gázokat eltávolítják belőle, forralva pedig a benne oldott sók egy része kicsapódik.

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

O. V. Mosin

Irodalmiforrások:

"A forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Miért teszi ezt?", Jearl Walker, The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237. sz. 3, 246-257. 1977. szeptember.

"A hideg és meleg víz megfagyása", G.S. Kell: American Journal of Physics, Vol. 37. sz. 5, 564-565. 1969. május.

"Túlhűtés és a Mpemba-effektus", David Auerbach, American Journal of Physics, 63. kötet, 10. szám, 882-885. o.; 1995. október.

"The Mpemba-effektus: A hideg és meleg víz fagyási ideje", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64. sz. 5, 524. o.; 1996. május.

Nyilvánvalónak tűnik, hogy a hideg víz gyorsabban fagy meg, mint a forró, mert egyenlő feltételekkel a forró víz hosszabb ideig tart lehűlni, majd megfagyni. A több ezer éves megfigyelések, valamint a modern kísérletek azonban bebizonyították, hogy ennek az ellenkezője is igaz: bizonyos körülmények között a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. A Sciencium tudományos csatorna megmagyarázza ezt a jelenséget:

Amint a fenti videóban kifejtjük, azt a jelenséget, amikor a forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg víz, Mpemba-effektusként ismert, Erasto Mpemba tanzániai diákról nevezték el, aki 1963-ban egy iskolai projekt keretében fagylaltot készített. A tejszín és cukor keverékét a tanulóknak fel kellett forralniuk, hagyniuk kihűlni, majd a fagyasztóba tenni.

Ehelyett Erasto azonnal melegre állította a keveréket, meg sem várva, hogy kihűljön. Ennek eredményeként 1,5 óra elteltével az ő keveréke már megfagyott, de a többi tanuló keveréke nem. A jelenség iránt érdeklődve Mpemba elkezdte tanulmányozni a kérdést Denis Osborn fizikaprofesszorral, és 1969-ben publikáltak egy tanulmányt, amely szerint a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Ez volt az első ilyen jellegű lektorált tanulmány, de magát a jelenséget említik Arisztotelész írásai, amelyek a Kr. e. 4. századra nyúlnak vissza. e. Francis Bacon és Descartes is felfigyelt erre a jelenségre tanulmányaiban.

A videó több lehetőséget is felsorol a történések magyarázatára:

1. A fagy dielektrikum, ezért a fagyos hideg víz jobban tárolja a hőt, mint egy meleg üveg, amely a vele érintkezve megolvasztja a jeget.
2. A hideg vízben több oldott gáz van, mint a meleg vízben, és a kutatók azt feltételezik, hogy ez szerepet játszhat a lehűlés sebességében, bár még nem világos, hogyan.
3. A forró víz több vízmolekulát veszít a párolgás következtében, így kevesebb a fagynivaló
4. A meleg víz gyorsabban lehűlhet a megnövekedett konvektív áramok miatt. Ezek az áramlatok azért keletkeznek, mert az üvegben lévő víz először a felületen és az oldalakon hűl le, aminek következtében a hideg víz lesüllyed, a forró víz pedig felemelkedik. A meleg üvegben a konvektív áramok aktívabbak, ami befolyásolhatja a lehűlés sebességét.

2016-ban azonban végeztek egy gondosan ellenőrzött vizsgálatot, amely az ellenkezőjét mutatta: a meleg víz sokkal lassabban fagyott meg, mint a hideg. Ugyanakkor a tudósok észrevették, hogy a hőelem - a hőmérséklet-különbségeket meghatározó eszköz - helyének mindössze egy centiméteres változása az Mpemba-effektus megjelenéséhez vezet. Más hasonló munkák tanulmányozása kimutatta, hogy minden olyan esetben, amikor ezt a hatást észlelték, a hőelem egy centiméteren belül elmozdult.

1963-ban egy Erasto Mpemba nevű tanzániai iskolás megkérdezte tanárát hülye kérdés Miért fagy meg gyorsabban a meleg fagylalt, mint a hideg fagylalt a fagyasztójában?

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

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

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

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

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

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

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

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

Mint tudják, a vízmolekulák egy oxigénatomból és két hidrogénatomból állnak, amelyeket kovalens kötések tartanak össze, ami részecskeszinten úgy néz ki, mint egy elektroncsere. Egy másik ismert tény az, hogy a hidrogénatomokat a szomszédos molekulák oxigénatomjai vonzzák – ebben az esetben hidrogénkötések jönnek létre.

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

Íme a tudósok által felállított hipotézisek:

Párolgás

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

hőmérséklet különbség

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

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

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

vízben oldott gázok

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

Hővezető

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

És itt van a legvalószínűbb ok.

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

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

Víz- kémiai szempontból meglehetősen egyszerű anyag, azonban számos szokatlan tulajdonsággal rendelkezik, amelyek soha nem szűnnek meg ámulatba ejteni a tudósokat. Az alábbiakban felsorolunk néhány tényt, amelyekről kevesen tudnak.

1. Melyik víz fagy le gyorsabban - hideg vagy meleg?

Vegyünk két edény vizet: az egyikbe öntsünk forró, a másikba hideg vizet, és helyezzük a fagyasztóba. A forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg, bár logikusan a hideg víznek előbb jéggé kellett volna alakulnia: a forró víznek ugyanis először hidegre kell hűlnie, majd jéggé kell alakulnia, míg a hidegnek nem kell lehűlnie. Miért történik ez?

1963-ban egy Erasto B. Mpemba nevű tanzániai diák egy elkészített fagylaltkeverék fagyasztása közben észrevette, hogy a forró keverék gyorsabban megszilárdul a fagyasztóban, mint a hideg. Amikor a fiatalember megosztotta felfedezését egy fizikatanárral, csak nevetett rajta. Szerencsére a diák kitartó volt, és meggyőzte a tanárt, hogy végezzen kísérletet, ami megerősítette felfedezését: bizonyos körülmények között a meleg víz valóban gyorsabban fagy meg, mint a hideg.

Ezt a jelenséget, amikor a forró víz gyorsabban fagy, mint a hideg víz, az úgynevezett " Mpemba hatás". Igaz, jóval előtte egyedi ingatlan a vizet Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes jegyezte fel.

A tudósok nem teljesen értik ennek a jelenségnek a természetét, vagy a hipotermia, a párolgás, a jégképződés, a konvekció, vagy a cseppfolyósított gázok hideg és meleg vízre gyakorolt ​​hatásával magyarázzák.

2. Azonnal képes megfagyni

Ezt mindenki tudja víz 0 °C-ra hűtve mindig jéggé válik ... kivéve néhány esetet! Ilyen eset például a túlhűtés, ami a nagyon tiszta víz fagypont alá hűtve is folyékony marad. Ezt a jelenséget az teszi lehetővé, hogy környezet nem tartalmaz kristályosodási központokat vagy magokat, amelyek jégkristályok képződését idézhetik elő. Így a víz folyékony formában marad, még akkor is, ha nulla Celsius-fok alá hűtjük.

kristályosodási folyamat kiválthatja például gázbuborékok, szennyeződések (szennyeződés), a tartály egyenetlen felülete. Ezek nélkül a víz folyékony állapotban marad. Amikor beindul a kristályosodási folyamat, megnézheti, hogyan válik a szuperhűtött víz azonnal jéggé.

Vegye figyelembe, hogy a "túlhevített" víz akkor is folyékony marad, ha a forráspontja fölé melegítjük.

3. A víz 19 állapota

Habozás nélkül nevezze meg, hány különböző halmazállapotú a víz? Ha hármat válaszoltál: szilárd, folyékony, gáznemű, akkor tévedsz. A tudósok a víznek legalább 5 különböző halmazállapotát különböztetik meg folyékony és 14 fagyott formában.

Emlékszel a szuperhűtött vízről szóló beszélgetésre? Tehát bármit is csinál, -38 °C-on még a legtisztább szuperhűtött víz is hirtelen jéggé változik. Mi történik, ha tovább csökken a hőmérséklet? -120 °C-on valami furcsa történik a vízzel: szuperviszkózussá vagy viszkózussá válik, mint a melasz, és -135 °C alatti hőmérsékleten "üveges" vagy "üveges" vízzé válik - szilárd anyaggá, amiből hiányzik. kristályos szerkezet.

4. A víz meglepi a fizikusokat

A molekuláris szinten a víz még jobban meglep. 1995-ben a tudósok által végzett neutronszórási kísérlet váratlan eredményt hozott: a fizikusok azt találták, hogy a vízmolekulák felé irányított neutronok a vártnál 25%-kal kevesebb hidrogén protont „látnak”.

Kiderült, hogy egy attoszekundum (10-18 másodperc) sebességgel szokatlan kvantumhatás lép fel, és kémiai formula helyette vizet H2O, H1,5O lesz!

5. Víz memória

Alternatív hivatalos orvoslás homeopátia kimondja, hogy híg oldat gyógyszerkészítmény terápiás hatást fejthet ki a szervezetre, még akkor is, ha a hígítási tényező olyan nagy, hogy az oldatban nem marad más, csak vízmolekulák. A homeopátia hívei ezt a paradoxont ​​a " víz memória”, amely szerint a víz molekuláris szinten „memóriája” van egy benne oldott anyagnak, és megőrzi a kezdeti koncentrációjú oldat tulajdonságait, miután egyetlen összetevő molekula sem marad benne.

A homeopátia alapelveit kritizáló Madeleine Ennis, a Belfasti Queen Egyetem professzora által vezetett nemzetközi tudóscsoport 2002-ben kísérletet végzett, hogy végleg cáfolja a koncepciót. Az eredmény az ellenkezője lett. Ezt követően a tudósok azt mondták, hogy sikerült bizonyítaniuk a hatás valóságát. víz memória". A független szakértők felügyelete mellett végzett kísérletek azonban nem hoztak eredményt. Viták a jelenség létezéséről " víz memória" folytatni.

A víznek sok más szokatlan tulajdonsága is van, amelyekre ebben a cikkben nem tértünk ki. Például a víz sűrűsége a hőmérséklet függvényében változik (a jég sűrűsége kisebb, mint a vízé); víznek elég nagy méretű felületi feszültség; folyékony halmazállapotban a víz egy összetett és dinamikusan változó vízklaszter-hálózat, és a klaszterek viselkedése befolyásolja a víz szerkezetét stb.

Ezekről és sok más váratlan funkcióról víz a cikkben olvasható A víz rendellenes tulajdonságai”, amelynek szerzője Martin Chaplin, a Londoni Egyetem professzora.