Kimya okulda en sevdiğim derslerden biriydi. Bir keresinde bir kimya öğretmeni bize çok garip ve zor bir görev verdi. Bize kimya açısından cevaplamamız gereken soruların bir listesini verdi. Bu görev için bize birkaç gün verildi ve kütüphaneleri ve diğer mevcut bilgi kaynaklarını kullanmamıza izin verildi. Bu sorulardan biri suyun donma noktasıyla ilgiliydi. Sorunun kulağa nasıl geldiğini tam olarak hatırlamıyorum, ancak aynı boyutta iki tahta kova alırsanız, biri sıcak, diğeri soğuk su (tam olarak belirtilen sıcaklıkta) ve bunları yerleştirin. belli bir sıcaklığa sahip bir ortamda hangisi daha hızlı donar? Tabii ki, cevap hemen kendini önerdi - bir kova soğuk su, ama bize çok basit görünüyordu. Ancak bu tam bir cevap vermek için yeterli değildi, kimyasal açıdan kanıtlamamız gerekiyordu. Tüm düşüncelerime ve araştırmalarıma rağmen mantıklı bir sonuç çıkaramadım. Bu gün, bu dersi atlamaya bile karar verdim, bu yüzden bu bilmecenin çözümünü asla bulamadım.
Yıllar geçti ve suyun kaynama noktası ve donma noktası hakkında birçok günlük efsane öğrendim ve bir efsane şöyle dedi: "sıcak su daha hızlı donar." Birçok web sitesine baktım ama bilgiler çok çelişkili. Ve bunlar sadece bilim açısından temelsiz görüşlerdi. Ve kendi deneyimimi yürütmeye karar verdim. Tahta kova bulamadığım için dondurucu, set üstü ocak, biraz su ve dijital termometre kullandım. Biraz sonra deneyimlerimin sonuçları hakkında konuşacağım. İlk olarak, sizinle su hakkında bazı ilginç argümanları paylaşacağım:
Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Çoğu uzman, soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donacağını söylüyor. Ancak komik bir fenomen (sözde Memba etkisi), bilinmeyen nedenlerle bunun tam tersini kanıtlıyor: Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Birkaç açıklamadan biri buharlaşma sürecidir: çok sıcak su soğuk bir ortama konursa, su buharlaşmaya başlar (kalan su daha hızlı donar). Ve kimya yasalarına göre, bu bir efsane değil ve büyük olasılıkla öğretmenin bizden duymak istediği şey buydu.
Kaynamış su, musluk suyundan daha hızlı donar. Daha önceki açıklamaya rağmen bazı uzmanlar, kaynama sonucu oksijen miktarının azalması nedeniyle oda sıcaklığına soğuyan kaynamış suyun daha hızlı donması gerektiğini savunuyor.
Soğuk su, sıcak sudan daha hızlı kaynar. Sıcak su daha hızlı donarsa, soğuk su daha hızlı kaynar! Bu sağduyuya aykırıdır ve bilim adamları bunun basitçe olamayacağını savunuyorlar. Sıcak musluk suyu aslında soğuk sudan daha hızlı kaynatılmalıdır. Ancak kaynatmak için sıcak su kullanarak enerji tasarrufu sağlamıyorsunuz. Daha az gaz veya elektrik kullanabilirsiniz, ancak şofben soğuk suyu ısıtmak için gereken enerjiyle aynı miktarda kullanacaktır. (Güneş enerjisi biraz farklıdır.) Suyun şofben ile ısıtılması sonucunda tortu oluşabilir, bu nedenle suyun ısınması daha uzun sürer.
Suya tuz eklerseniz daha çabuk kaynar. Tuz kaynama noktasını arttırır (ve bu nedenle donma noktasını düşürür - bu nedenle bazı ev kadınları dondurmaya biraz kaya tuzu ekler). Ancak bu durumda, başka bir soruyla ilgileniyoruz: su ne kadar kaynar ve bu durumda kaynama noktası 100 ° C'nin üzerine çıkabilir mi). Yemek kitaplarının söylediklerine rağmen, bilim adamları kaynayan suya eklediğimiz tuz miktarının kaynamanın süresini veya sıcaklığını etkilemek için yeterli olmadığını söylüyorlar.
Ama işte aldığım şey:
Soğuk su: Üç adet 100 ml'lik cam beher saf su kullandım: bir oda sıcaklığı (72°F/22°C), bir sıcak su (115°F/46°C) ve bir kaynatılmış (212°F/100°) C). Üç bardağı da -18°C'de dondurucuya koydum. Ve suyun hemen buza dönüşmeyeceğini bildiğim için, “tahta şamandıra” ile donma derecesini belirledim. Bardağın ortasına yerleştirilen çubuk artık tabana değmediğinde suyun donmuş olduğuna inandım. Her beş dakikada bir bardakları kontrol ettim. Ve sonuçlarım neler? İlk bardaktaki su 50 dakika sonra dondu. Sıcak su 80 dakika sonra dondu. Haşlanmış - 95 dakika sonra. Sonuçlarım: Dondurucudaki koşullar ve kullandığım su düşünüldüğünde Memba etkisini yeniden oluşturamadım.
Bu deneyi daha önce kaynamış, oda sıcaklığına soğutulmuş su ile de denedim. 60 dakikada dondu - donması soğuk sudan daha uzun sürdü.
Kaynamış su: Oda sıcaklığında bir litre su alıp ateşe verdim. 6 dakikada pişti. Sonra tekrar oda sıcaklığına soğutup sıcak olana ekledim. Aynı ateşle 4 saat 30 dakikada sıcak su kaynadı. Sonuç: beklendiği gibi, sıcak su çok daha hızlı kaynar.
Kaynamış su (tuzlu): 1 litre suya 2 büyük yemek kaşığı sofra tuzu ekledim. 6 dakika 33 saniyede kaynadı ve termometrenin gösterdiği gibi 102°C sıcaklığa ulaştı. Kuşkusuz, tuz kaynama noktasını etkiler, ancak çok fazla değil. Sonuç: Sudaki tuz, sıcaklığı ve kaynama süresini büyük ölçüde etkilemez. Mutfağıma laboratuvar demenin zor olduğunu dürüstçe kabul ediyorum ve belki de sonuçlarım gerçeğe aykırıdır. Dondurucum yiyecekleri eşit olmayan şekilde dondurabilir. Cam gözlüklerim düzensiz olabilir, vb. Ama laboratuvarda ne olursa olsun, mutfakta suyun dondurulması veya kaynatılması söz konusu olduğunda en önemli şey sağduyudur.
su hakkında ilginç gerçeklerle bağlantı su hakkında her şey
forum.ixbt.com forumunda önerildiği gibi, bu etki (sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı dondurulmasının etkisi) "Aristoteles-Mpemba etkisi" olarak adlandırılır.
Şunlar. kaynamış su (soğutulmuş) "ham" sudan daha hızlı donar
Mpemba etkisi(Mpemba paradoksu) - belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradoks. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasından daha fazla zamana ihtiyaç duyduğuna dair olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.
Bu fenomen o zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi, ancak sadece 1963'te Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba, sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti.
Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde pratik yemek pişirme çalışmaları yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri eritin, oda sıcaklığına soğutun ve sonra dondurmak için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle çalışkan bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünde erteledi. Dersin sonunda zamanında yetişemeyeceğinden korkarak hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha önce dondu.
Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sıradan suyla da deney yaptı. Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi'nde bir öğrenci olarak, Darüsselam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermesi için davet edildi) su hakkında sordu: "Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece birinde su 35 ° C, diğerinde - 100 ° C olur ve dondurucuya koyun, sonra ikincisinde su donar daha hızlı Neden? Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını "Fizik Eğitimi" dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkinin adı Mpemba etkisi.
Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Bilim adamlarının birçok versiyonu olmasına rağmen tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özellikleri arasındaki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi. farklı sıcaklıklar.
Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuması için geçen sürenin, bu vücut ve çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından kurulmuştur ve o zamandan beri pratikte birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki suya göre 0°C'ye daha hızlı soğur.
Bununla birlikte, Mpemba etkisi bilinen fizik içinde de açıklanabileceğinden, bu henüz bir paradoks anlamına gelmez. İşte Mpemba etkisi için bazı açıklamalar:
buharlaşma
Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşır, böylece hacmi azalır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100 C'ye ısıtılan su, 0 C'ye soğutulduğunda kütlesinin % 16'sını kaybeder.
Buharlaşma etkisi çift etkidir. İlk olarak, soğutma için gerekli su kütlesi azaltılır. İkincisi, su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer.
sıcaklık farkı
Sıcak su ve soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha büyük olması nedeniyle - bu durumda ısı değişimi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur.
hipotermi
Su 0 C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda su -20 C'de bile sıvı kalabilir.
Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlaması için sıcaklık yeterince düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve buzu oluşturmak üzere donacak bir buz eriyiği oluşturacaklar.
Sıcak su, hipotermiye karşı en hassastır, çünkü ısıtma, çözünmüş gazları ve kabarcıkları ortadan kaldırır ve bu da buz kristallerinin oluşum merkezleri olarak işlev görebilir.
Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda, kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası, su ve soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşum hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle, üstü açık olduğu için çok daha hızlı ısı kaybeder.
Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur.
Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.
Konveksiyon
Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçlerini ve dolayısıyla ısı kaybını kötüleştirir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar.
Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallikle açıklanmaktadır. Su 4 C'de maksimum yoğunluğa sahiptir. Suyu 4 C'ye soğutur ve daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır, ancak bu buz tabakası, 4 C sıcaklıkta kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. , daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.
Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su katmanları, sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı batarak ılık su katmanını yüzeye çıkarır. Bu su sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar.
Fakat bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini bu konveksiyon açısından açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiğini varsaymak gerekir.
Bununla birlikte, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.
suda çözünen gazlar
Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında, bu gazlar yüksek sıcaklıkta suda çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde her zaman ısıtılmamış soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.
Termal iletkenlik
Bu mekanizma, su küçük kaplarda bir buzdolabı dondurucusuna yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında içinde sıcak su bulunan kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği ve bu sayede dondurucunun duvarı ile ısıl teması ve ısıl iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabından ısı, soğuk olandan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren kap, altındaki karı eritmez.
Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100'ünü yeniden ürettiği sorusuna kesin bir cevap alınamamıştır.
Örneğin, 1995'te Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder.
Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle sıcak suyun daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair daha önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içindeki çözünmüş gazlar uzaklaştırılır ve kaynatıldığında içinde çözünen bazı tuzlar çöker.
Şimdiye kadar sadece bir şey iddia edilebilir - bu etkinin yeniden üretimi, esas olarak deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Kesinlikle çünkü her zaman yeniden üretilmiyor.
O. V. Mosin
edebikaynaklar:
"Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Neden böyle yapıyor?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Cilt. 237, hayır. 3, sayfa 246-257; Eylül, 1977.
"Sıcak ve Soğuk Suyun Dondurulması", G.S. Kell, American Journal of Physics, Vol. 37, hayır. 5, sayfa 564-565; Mayıs 1969.
"Süper soğutma ve Mpemba etkisi", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, hayır. 10, sayfa 882-885; Ekim, 1995.
"Mpemba etkisi: Sıcak ve soğuk suyun donma süreleri", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, hayır. 5, sayfa 524; Mayıs, 1996.
Soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donduğu açıktır, çünkü eşit koşullar altında sıcak suyun soğuması ve ardından donması daha uzun sürer. Bununla birlikte, binlerce yıllık gözlemler ve modern deneyler, bunun tersinin de doğru olduğunu göstermiştir: belirli koşullar altında sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Bilim kanalı Sciencium bu fenomeni şöyle açıklıyor:
Yukarıdaki videoda açıklandığı gibi, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olayı, 1963 yılında bir okul projesi kapsamında dondurma yapan Tanzanya'lı bir öğrenci olan Erasto Mpemba'nın adını taşıyan Mpemba etkisi olarak bilinir. Öğrencilerden krema ve şeker karışımını kaynatıp soğumaya bırakmaları ve ardından dondurucuya koymaları gerekiyordu.
Bunun yerine, Erasto karışımını soğumasını beklemeden hemen sıcak hale getirdi. Sonuç olarak, 1.5 saat sonra karışımı zaten donmuştu, ancak diğer öğrencilerin karışımları değildi. Fenomenin ilgisini çeken Mpemba, konuyu fizik profesörü Denis Osborn ile incelemeye başladı ve 1969'da ılık suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu söyleyen bir makale yayınladılar. Bu, bu türden ilk hakemli çalışmaydı, ancak olgunun kendisinden, Aristoteles'in MÖ 4. yüzyıla kadar uzanan makalelerinde bahsedildi. e. Francis Bacon ve Descartes da çalışmalarında bu fenomene dikkat çekmişlerdir.
Video, neler olduğunu açıklamak için çeşitli seçenekler listeler:
- Frost bir dielektriktir ve bu nedenle ayaz soğuk su, temas halinde buzu eriten ılık bir bardaktan daha iyi ısı depolar.
- Soğuk su, ılık sudan daha fazla çözünmüş gaza sahiptir ve araştırmacılar, bunun nasıl olduğu henüz net olmasa da, soğutma hızında bir rol oynayabileceğini düşünüyorlar.
- Sıcak su, buharlaşma yoluyla daha fazla su molekülü kaybeder ve donacak daha az su kalır
- Sıcak su, artan konvektif akımlar nedeniyle daha hızlı soğuyabilir. Bu akımlar, bardaktaki suyun önce yüzeyde ve kenarlarda soğuması, soğuk suyun çökmesine ve sıcak suyun yükselmesine neden olduğu için oluşur. Sıcak bir bardakta, konvektif akımlar daha aktiftir ve bu da soğutma hızını etkileyebilir.
Bununla birlikte, 2016 yılında, tam tersini gösteren dikkatlice kontrol edilen bir çalışma yapıldı: sıcak su, soğuk suya göre çok daha yavaş dondu. Aynı zamanda, bilim adamları, bir termokuplun (sıcaklık farklılıklarını belirleyen bir cihaz) konumunda sadece bir santimetrelik bir değişikliğin Mpemba etkisinin ortaya çıkmasına yol açtığını fark ettiler. Diğer benzer çalışmalarla ilgili bir çalışma, bu etkinin gözlemlendiği tüm durumlarda, termokuplun bir santimetre içinde yer değiştirmesinin olduğunu göstermiştir.
1963'te Tanzanya'dan Erasto Mpemba adlı bir okul çocuğu öğretmenine aptalca bir soru sordu - neden sıcak dondurma dondurucudaki soğuk dondurmadan daha hızlı dondu?
Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde pratik yemek pişirme çalışmaları yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri eritin, oda sıcaklığına soğutun ve sonra dondurmak için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle çalışkan bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünde erteledi. Dersin sonunda zamanında yetişemeyeceğinden korkarak buzdolabına hala sıcak süt koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha önce dondu.
Açıklama için fizik öğretmenine döndü, ancak öğrenciye sadece güldü ve şunları söyledi: "Bu dünya fiziği değil, Mpemba'nın fiziği." Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sıradan suyla da deney yaptı.
Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi'nde bir öğrenci olarak, Dar es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermesi için davet edildi) su hakkında sordu: “Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece birinde su 35 ° C, diğerinde - 100 ° C olur ve dondurucuya koyun, sonra ikincisinde su donar Daha hızlı. Neden?" Osborn bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını Fizik Eğitimi dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkiye Mpemba etkisi denir.
Bunun neden olduğunu merak ediyor musunuz? Sadece birkaç yıl önce, bilim adamları bu fenomeni açıklamayı başardılar ...
Mpemba etkisi (Mpemba Paradoksu), sıcak suyun belirli koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasından daha fazla zamana ihtiyaç duyduğuna dair olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.
Bu fenomen o zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi. Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Bilim adamlarının birçok versiyonu olmasına rağmen tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özellikleri arasındaki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisi. farklı sıcaklıklar. Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuması için geçen sürenin, bu vücut ve çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından kurulmuştur ve o zamandan beri pratikte birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki suya göre 0°C'ye daha hızlı soğur.
O zamandan beri, farklı versiyonlar ifade edildi, bunlardan biri şuydu: sıcak suyun bir kısmı önce basitçe buharlaşır ve daha sonra, daha küçük bir miktar kaldığında su daha hızlı katılaşır. Bu versiyon, sadeliği nedeniyle en popüler oldu, ancak bilim adamları tamamen tatmin olmadılar.
Şimdi, Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden kimyager Xi Zhang liderliğindeki bir araştırma ekibi, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna dair asırlık gizemi çözdüklerini söylüyor. Çinli uzmanların keşfettiği gibi, sır, su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarında depolanan enerji miktarında yatmaktadır.
Bildiğiniz gibi, su molekülleri bir oksijen atomu ile iki hidrojen atomunun kovalent bağlarla bir arada tutulmasından oluşur ve parçacık seviyesinde elektron alışverişi gibi görünür. Bir başka iyi bilinen gerçek, hidrojen atomlarının komşu moleküllerden oksijen atomlarına çekilmesidir - bu durumda hidrojen bağları oluşur.
Aynı zamanda, su molekülleri bir bütün olarak birbirini iter. Singapurlu bilim adamları, su ne kadar sıcaksa, itici kuvvetlerdeki artıştan dolayı sıvının molekülleri arasındaki mesafenin o kadar büyük olduğunu fark ettiler. Sonuç olarak, hidrojen bağları gerilir ve bu nedenle daha fazla enerji depolar. Bu enerji su soğuduğunda açığa çıkar - moleküller birbirine yaklaşır. Ve enerjinin geri dönüşü, bildiğiniz gibi, soğuma anlamına gelir.
İşte bilim insanlarının öne sürdüğü hipotezler:
buharlaşma
Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşır, böylece hacmi azalır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100°C'ye ısıtılan su, 0°C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder. Buharlaşma etkisi çift etkidir. İlk olarak, soğutma için gerekli su kütlesi azaltılır. İkincisi, buharlaşma nedeniyle sıcaklığı düşer.
sıcaklık farkı
Sıcak su ve soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha büyük olması nedeniyle - bu nedenle, bu durumda ısı transferi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur.
hipotermi
Su 0°C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda su -20°C'de bile sıvı kalabilir. Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlaması için sıcaklık yeterince düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve buzu oluşturmak üzere donacak bir buz eriyiği oluşturacaklar. Sıcak su, hipotermiye karşı en hassastır, çünkü ısıtma, çözünmüş gazları ve kabarcıkları ortadan kaldırır ve bu da buz kristallerinin oluşum merkezleri olarak işlev görebilir. Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda, yüzeyinde su ile soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi gören ve böylece daha fazla buharlaşmayı önleyen ince bir buz tabakası oluşur. Bu durumda buz kristallerinin oluşum hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle, üstü açık olduğu için çok daha hızlı ısı kaybeder. Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur. Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.
Konveksiyon
Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçlerini ve dolayısıyla ısı kaybını kötüleştirir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar. Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallikle açıklanmaktadır. Su 4°C'de maksimum yoğunluğa sahiptir. Suyu 4°C'ye soğutur ve daha düşük sıcaklığa sahip bir ortama koyarsanız, yüzeydeki su tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır, ancak bu buz tabakası, 4°C'de kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. Bu nedenle, daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır. Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkları nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su katmanları, sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı batarak ılık su katmanını yüzeye çıkarır. Bu su sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar. Fakat bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyon açısından açıklamak için, suyun soğuk ve sıcak katmanlarının ayrıldığı ve ortalama su sıcaklığı 4°C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiği varsayılacaktır. Ancak, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.
suda çözünen gazlar
Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında, bu gazlar yüksek sıcaklıkta suda çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde her zaman ısıtılmamış soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.
Termal iletkenlik
Bu mekanizma, su küçük kaplarda bir buzdolabı dondurucusuna yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında içinde sıcak su bulunan kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği ve bu sayede dondurucunun duvarı ile ısıl teması ve ısıl iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabından ısı, soğuk olandan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren kap, altındaki karı eritmez. Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100'ünü yeniden ürettiği sorusuna net bir yanıt alınamamıştır. Örneğin, 1995'te Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş bir duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder. Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle sıcak suyun daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair daha önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içindeki çözünmüş gazlar çıkarılır ve kaynatıldığında içinde çözünen bazı tuzlar çöker. Şimdiye kadar sadece bir şey iddia edilebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi, deneyin gerçekleştirildiği koşullara önemli ölçüde bağlıdır. Kesinlikle çünkü her zaman yeniden üretilmiyor.
Ve işte en olası sebep.
Kimyagerlerin arXiv.org önbaskı sitesinde bulunabilecek makalelerinde yazdığı gibi, hidrojen bağları sıcak suda soğuk suya göre daha güçlü şekilde gerilir. Böylece, sıcak suyun hidrojen bağlarında daha fazla enerji depolandığı ortaya çıkıyor, bu da sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazlasının salındığı anlamına geliyor. Bu nedenle donma daha hızlıdır.
Bilim adamları bugüne kadar bu bilmeceyi sadece teorik olarak çözdüler. Versiyonlarının ikna edici kanıtlarını sunduklarında, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu sorusu kapalı olarak kabul edilebilir.
su- kimyasal açıdan oldukça basit bir madde, ancak bilim adamlarını şaşırtmaktan asla vazgeçmeyen bir dizi olağandışı özelliğe sahiptir. Aşağıda çok az kişinin bildiği bazı gerçekler var.
1. Hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı?
İki kap su alın: birine sıcak su, diğerine soğuk su dökün ve dondurucuya koyun. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar, ancak mantıksal olarak, soğuk suyun önce buza dönüşmesi gerekir: sonuçta, sıcak suyun önce soğuk sıcaklığa kadar soğuması ve ardından buza dönüşmesi gerekirken, soğuk suyun soğuması gerekmez. Bu neden oluyor?
1963 yılında Erasto B. Mpemba adlı Tanzanyalı bir öğrenci, hazırlanmış bir dondurma karışımını dondururken, sıcak karışımın dondurucuda soğuktan daha hızlı katılaştığını fark etti. Genç adam keşfini bir fizik öğretmeniyle paylaştığında ona sadece güldü. Neyse ki, öğrenci ısrarcıydı ve öğretmeni, keşfini doğrulayan bir deney yapmaya ikna etti: belirli koşullar altında, sıcak su gerçekten soğuk sudan daha hızlı donar.
Şimdi bu sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olgusuna " Mpemba etkisi". Doğru, ondan çok önce, suyun bu eşsiz özelliği Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından not edildi.
Bilim adamları, bu fenomenin doğasını tam olarak anlamıyorlar, bunu ya hipotermi, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon ya da sıvılaştırılmış gazların sıcak ve soğuk su üzerindeki etkisi arasındaki farkla açıklıyorlar.
2. Anında donabilir
bunu herkes biliyor su 0 °C'ye soğutulduğunda her zaman buza dönüşür ... bazı durumlar dışında! Böyle bir durum, örneğin, çok saf suyun donma noktasının altındaki bir sıcaklığa soğutulduğunda bile sıvı kalması özelliği olan aşırı soğutmadır. Bu fenomen, ortamın buz kristallerinin oluşumunu tetikleyebilecek kristalizasyon merkezleri veya çekirdekleri içermemesi nedeniyle mümkün olur. Böylece su, sıfır santigrat derecenin altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda bile sıvı halde kalır.
kristalleşme süreciörneğin gaz kabarcıkları, kirlilikler (kirlilik), kabın pürüzlü yüzeyi tarafından kışkırtılabilir. Onlar olmadan su sıvı halde kalacaktır. Kristalleşme süreci başladığında, süper soğutulmuş suyun nasıl anında buza dönüştüğünü izleyebilirsiniz.
"Aşırı ısıtılmış" suyun, kaynama noktasının üzerinde ısıtıldığında bile sıvı kaldığını unutmayın.
3. 19 su durumu
Tereddüt etmeden, suyun kaç farklı hali olduğunu söyleyin? Üç cevap verdiyseniz: katı, sıvı, gaz, o zaman yanılıyorsunuz. Bilim adamları, sıvı haldeki suyun en az 5 farklı halini ve donmuş halde 14 halini ayırt eder.
Süper soğutulmuş su hakkındaki konuşmayı hatırlıyor musunuz? Yani ne yaparsanız yapın -38°C'de en saf süper soğutulmuş su bile aniden buza dönüşecektir. Sıcaklık daha da düşerse ne olur? -120°C'de suya garip bir şey olmaya başlar: Su, melas gibi süper viskoz veya viskoz hale gelir ve -135°C'nin altındaki sıcaklıklarda "camsı" veya "camsı" suya dönüşür. kristal yapı.
4. Su fizikçileri şaşırtıyor
Moleküler düzeyde, su daha da şaşırtıcıdır. 1995'te bilim adamları tarafından yürütülen bir nötron saçılması deneyi beklenmedik bir sonuç verdi: fizikçiler, su moleküllerine yönelik nötronların beklenenden %25 daha az hidrojen protonu "gördüğünü" buldular.
Bir attosaniye (10-18 saniye) hızında olağandışı bir kuantum etkisinin meydana geldiği ve bunun yerine suyun kimyasal formülünün ortaya çıktığı ortaya çıktı. H2O, H1.5O olur!
5. Su hafızası
Resmi tıbba alternatif homeopati Bir ilacın seyreltik çözeltisinin, seyreltme faktörü o kadar büyük olsa bile, çözeltide su moleküllerinden başka hiçbir şey kalmasa bile, vücut üzerinde terapötik bir etkiye sahip olabileceğini savunuyor. Homeopati savunucuları bu paradoksu " su hafızası”, buna göre moleküler seviyedeki su, içinde çözündükten sonra bir maddenin “hafızasına” sahiptir ve içinde tek bir bileşen molekülü kalmadıktan sonra ilk konsantrasyonun bir çözeltisinin özelliklerini korur.
Homeopati ilkelerini eleştiren Belfast Queen Üniversitesi'nden Profesör Madeleine Ennis liderliğindeki uluslararası bir bilim adamları ekibi, 2002 yılında kavramı kesin olarak çürütmek için bir deney yaptı. Sonuç tam tersiydi. Bundan sonra bilim adamları, etkinin gerçekliğini kanıtlamayı başardıklarını söylediler" su hafızası". Ancak bağımsız uzmanların gözetiminde yapılan deneyler sonuç getirmedi. Fenomenin varlığı hakkında anlaşmazlıklar " su hafızası" devam et.
Su, bu makalede ele almadığımız birçok olağandışı özelliğe sahiptir. Örneğin, suyun yoğunluğu sıcaklığa göre değişir (buzun yoğunluğu suyunkinden daha azdır); su oldukça büyük bir yüzey gerilimine sahiptir; sıvı halde, su karmaşık ve dinamik olarak değişen su kümeleri ağıdır ve suyun yapısını vb. etkileyen kümelerin davranışıdır.
Bunlar ve diğer birçok beklenmedik özellik hakkında su makalede okunabilir Suyun anormal özellikleri”, yazarı Londra Üniversitesi'nde profesör olan Martin Chaplin.
