Мпемба ефект(Парадоксът на Мпемба) - парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните идеи, според които при едни и същи условия на по-нагрято тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-слабо нагрято тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. ученикът от Танзания Ерасто Мпемба открива, че гореща смес за сладолед замръзва по-бързо от студена.

Като ученик в гимназия Магамби в Танзания, Ерасто Мпемба е работил на практика като готвач. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари млякото, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и се е забавил с изпълнението на първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададената технология.

След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, още като ученик в гимназията Mkwava, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар Ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) конкретно за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия водата да е с температура 35°C, а в другия - 100°C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. защо Осбърн се заинтересува от този въпрос и скоро, през 1969 г., той и Мпемба публикуват резултатите от своите експерименти в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича Мпемба ефект.

Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури.

Парадоксът на ефекта на Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При този ефект вода с температура 100°C се охлажда до температура 0°C по-бързо от същото количество вода с температура 35°C.

Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да се обясни в рамките на известната физика. Ето някои обяснения за ефекта Мпемба:

Изпарение

Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C.

Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, намалява. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява.

Температурна разлика

Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма, следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо.

Хипотермия

Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При някои условия може да претърпи свръхохлаждане, като продължава да остава течен при температури под нулата. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от –20 C.

Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако те не присъстват в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата падне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки киша, която ще замръзне и ще образува лед.

Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й премахва разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали.

Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се случва следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-ниска. В случай на гореща вода, подложена на преохлаждане, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх.

Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед.

Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.

Конвекция

Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу.

Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите при по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е с по-малка плътност от водата при температура 4 C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитавайки долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен.

При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, издигайки слоя топла вода към повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата.

Но защо този процес не достига равновесна точка? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би било необходимо да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C.

Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че студените и горещите слоеве вода са разделени от процеса на конвекция.

Газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да намаляват точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода е по-ниска при високи температури. Следователно, когато горещата вода се охлажда, тя винаги съдържа по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.

Топлопроводимост

Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризера на хладилното отделение в малки контейнери. При тези условия е наблюдавано, че съд с гореща вода разтопява леда във фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява от съд с гореща вода по-бързо, отколкото от студена. От своя страна съд със студена вода не топи снега отдолу.

Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но ясен отговор на въпроса кои от тях осигуряват стопроцентово възпроизвеждане на ефекта Мпемба, така и не е получен.

Например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва ефекта на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне.

В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на предишни данни, че горещата вода е успяла да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват.

Засега може да се каже само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

О. В. Мосин

Литературенизточници:

„Топлата вода замръзва по-бързо от студената вода. Защо го прави?“, Джърл Уокър в The Amateur Scientist, Scientific American, том. 237, бр. 3, стр. 246-257; септември 1977 г.

„Замръзването на топла и студена вода“, Г.S. Кел в American Journal of Physics, Vol. 37, бр. 5, стр. 564-565; май 1969 г.

„Преохлаждане и ефектът на Мпемба“, Дейвид Ауербах, в American Journal of Physics, том. 63, бр. 10, стр. 882-885; октомври 1995 г.

„Ефектът Mpemba: Времената на замръзване на гореща и студена вода“, Charles A. Knight, в American Journal of Physics, том. 64, бр. 5, стр. 524; май 1996 г.

Британското Кралско дружество по химия предлага награда от £1000 на всеки, който може научно да обясни защо горещата вода замръзва по-бързо от студената в някои случаи.

„Съвременната наука все още не може да отговори на този на пръв поглед прост въпрос. Производителите на сладолед и барманите използват този ефект в ежедневната си работа, но никой не знае защо работи. Този проблем е известен от хилядолетия, като философи като Аристотел и Декарт са мислили за него“, каза професор Дейвид Филипс, президент на Британското кралско дружество по химия, цитиран в прессъобщение на обществото.

Как готвач от Африка победи британски професор по физика

Това не е първоаприлска шега, а сурова физическа реалност. Съвременната наука, която лесно оперира с галактики и черни дупки и изгражда гигантски ускорители за търсене на кварки и бозони, не може да обясни как „работи“ елементарната вода. Училищният учебник ясно казва, че охлаждането на по-горещо тяло отнема повече време, отколкото охлаждането на студено тяло. Но за водата този закон не винаги се спазва. Аристотел обръща внимание на този парадокс през 4 век пр.н.е. д. Ето какво пише древният грък в своята книга Meteorologica I: „Фактът, че водата е предварително загрята, я кара да замръзва. Затова много хора, когато искат по-бързо да охладят топлата вода, първо я излагат на слънце...” През Средновековието Франсис Бейкън и Рене Декарт се опитват да обяснят този феномен. Уви, нито великите философи, нито многобройните учени, развили класическата топлофизика, не успяха в това и затова такъв неудобен факт беше „забравен“ за дълго време.

И едва през 1968 г. те „се сетиха“ благодарение на ученика Ерасто Мпембе от Танзания, далеч от всякаква наука. Докато учи в училище по кулинарни изкуства през 1963 г., 13-годишният Mpembe получава задачата да направи сладолед. Според технологията беше необходимо да се свари млякото, да се разтвори в него захар, да се охлади до стайна температура и след това да се постави в хладилника за замръзване. Очевидно Мпемба не е бил прилежен ученик и се е поколебал. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзна дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по всички правила.

Когато Мпемба споделил откритието си с учителя си по физика, той му се изсмял пред целия клас. Мпемба си спомни обидата. Пет години по-късно, вече студент в университета в Дар ес Салаам, той посещава лекция на известния физик Денис Г. Осбърн. След лекцията той зададе въпрос на учения: „Ако вземете два еднакви съда с равни количества вода, единият при 35 °C (95 °F), а другият при 100 °C (212 °F), и ги поставите във фризера, тогава водата в горещ съд ще замръзне по-бързо. защо?" Можете да си представите реакцията на британски професор на въпрос на млад мъж от забравена от Бога Танзания. Той се подигра на ученика. Мпемба обаче бил готов на такъв отговор и предизвикал учения на облог. Спорът им завърши с експериментален тест, който потвърди, че Мпемба е прав и Осбърн е победен. Така чиракът готвач записа името си в историята на науката и от днес нататък това явление се нарича „ефектът на Мпемба“. Невъзможно е да го изхвърлите, да го обявите за „несъществуващ“. Феноменът съществува и, както е написал поетът, „не боли“.

Праховите частици и разтворените вещества ли са виновни?

През годините мнозина са се опитвали да разгадаят мистерията на замръзването на водата. Предложени са цял куп обяснения за това явление: изпарение, конвекция, влияние на разтворени вещества - но нито един от тези фактори не може да се счита за окончателен. Редица учени са посветили целия си живот на ефекта Мпемба. Джеймс Браунридж, член на Департамента по радиационна безопасност в Държавния университет на Ню Йорк, изучава парадокса в свободното си време от десетилетие. След провеждането на стотици експерименти, ученият твърди, че има доказателства за „вината“ на хипотермията. Браунридж обяснява, че при 0°C водата само се преохлажда и започва да замръзва, когато температурата падне под. Точката на замръзване се регулира от примесите във водата - те променят скоростта на образуване на ледени кристали. Примесите, като прахови частици, бактерии и разтворени соли, имат характерна температура на нуклеация, когато ледените кристали се образуват около центровете на кристализация. Когато няколко елемента присъстват във водата наведнъж, точката на замръзване се определя от този, който има най-висока температура на нуклеация.

За експеримента Браунридж взема две водни проби с еднаква температура и ги поставя във фризера. Той откри, че единият от екземплярите винаги замръзва преди другия, вероятно поради различна комбинация от примеси.

Браунридж казва, че горещата вода се охлажда по-бързо, защото има по-голяма разлика между температурата на водата и фризера - това й помага да достигне точката си на замръзване, преди студената вода да достигне естествената си точка на замръзване, която е поне с 5°C по-ниска.

Разсъжденията на Браунридж обаче повдигат много въпроси. Следователно тези, които могат да обяснят ефекта на Мпемба по свой начин, имат шанс да се състезават за хиляда лири стерлинги от Британското кралско дружество по химия.

Има много фактори, които влияят коя вода замръзва по-бързо, топла или студена, но самият въпрос изглежда малко странен. Изводът, и това е известно от физиката, е, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на студената вода, която се сравнява, за да се превърне в лед. Този етап може да бъде пропуснат и съответно тя печели във времето.

Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - навън в студа, знае всеки жител на северните ширини. Всъщност, от научна гледна точка се оказва, че във всеки случай студената вода просто е длъжна да замръзне по-бързо.

Учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г., помисли същото с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва повече от подобна, но гореща.

„Това не е универсална физика, а някакъв вид физика на Мпемба“

По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осборн, професор по физика, който по едно време посети същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди наличието на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това. През 1969 г. в популярно научно списание е публикувана съвместна статия на тези двама души, които описват този особен ефект.

Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - има свое име - ефектът на Мпемба или парадокс.

Въпросът стои отдавна

Естествено, подобно явление се е случвало и преди и е споменато в трудовете на други учени. Не само ученикът се интересуваше от този въпрос, но Рене Декарт и дори Аристотел също мислеха за това по едно време.

Но те започнаха да търсят подходи за разрешаване на този парадокс едва в края на ХХ век.

Условия за възникване на парадокс

Както при сладоледа, по време на експеримента не замръзва просто обикновена вода. Трябва да са налице определени условия, за да започнем да спорим коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща. Какво влияе върху хода на този процес?

Сега, в 21-ви век, бяха представени няколко варианта, които могат да обяснят този парадокс. Коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, може да зависи от факта, че има по-висока скорост на изпарение от студената вода. Така нейният обем намалява и с намаляването на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем същия първоначален обем студена вода.

Мина известно време, откакто размразихте фризера.

Коя вода замръзва по-бързо и защо това се случва може да се повлияе от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземете два еднакви по обем контейнера, но единият съдържа топла вода, а другият студена, съдът с гореща вода ще разтопи снега отдолу, като по този начин ще подобри контакта на термичното ниво със стената на хладилника. Съд със студена вода не може да направи това. Ако в хладилното отделение няма такава облицовка със сняг, студената вода трябва да замръзне по-бързо.

Отгоре - отдолу

Също така, феноменът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, се обяснява по следния начин. Следвайки определени закони, студената вода започва да замръзва от горните слоеве, когато горещата вода прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. Оказва се, че студената вода, имайки студен слой отгоре с вече образуван на места лед, по този начин влошава процесите на конвекция и топлинно излъчване, като по този начин обяснява коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща. Приложени са снимки от любителски експерименти, като това се вижда ясно тук.

Топлината излиза, бърза нагоре и там среща много хладен слой. Няма свободен път за топлинно излъчване, така че процесът на охлаждане става труден. Топлата вода няма абсолютно никакви такива препятствия по пътя си. Кое замръзва по-бързо - студено или горещо, от което зависи вероятният резултат, можете да разширите отговора, като кажете, че всяка вода има определени вещества, разтворени в нея.

Примесите във водата като фактор, влияещ върху резултата

Ако не изневерите и използвате вода със същия състав, където концентрациите на определени вещества са идентични, тогава студената вода трябва да замръзне по-бързо. Но ако възникне ситуация, при която разтворените химични елементи присъстват само в гореща вода, а студената вода ги няма, тогава горещата вода има възможност да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените вещества във водата създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори водата да е преохладена, в смисъл при минусови температури да е в течно състояние.

Но всички тези версии очевидно не отговарят напълно на учените и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековна мистерия.

Група китайски учени твърдят, че тайната на този ефект се крие в количеството енергия, което се съхранява между водните молекули в нейните връзки, наречени водородни връзки.

Отговорът на китайски учени

Следва информация, за да разберете, че трябва да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както е известно, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), свързани заедно чрез ковалентни връзки.

Но също така водородните атоми на една молекула се привличат към съседните молекули, към техния кислороден компонент. Тези връзки се наричат ​​водородни връзки.

Струва си да се помни, че в същото време водните молекули имат отблъскващ ефект една върху друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че като заемат еднакво разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, че се разтягат и имат по-голям запас от енергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започват да се приближават една към друга, тоест настъпва охлаждане. Оказва се, че по-големият запас от енергия в горещата вода и по-голямото й освобождаване при охлаждане до минусови температури се случва по-бързо, отколкото в студената вода, която има по-малък запас от такава енергия. И така, коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща? На улицата и в лабораторията трябва да се случи парадоксът на Мпемба и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.

Но въпросът все още е отворен

Има само теоретично потвърждение на това решение - всичко това е написано в красиви формули и изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни за това коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена - се използват на практика и резултатите от тях се представят, тогава въпросът за парадокса на Мпемба може да се счита за приключен.

Здравейте, скъпи любители на интересни факти. Днес ще говорим с вас за. Но мисля, че въпросът, поставен в заглавието, може да изглежда просто абсурден - но трябва ли винаги да се доверявате безразделно на прословутия „здрав разум“, а не на строго установен тестов експеримент. Нека се опитаме да разберем защо топлата вода замръзва по-бързо от студената?

Исторически фон

Че по въпроса за замразяването на студена и гореща вода „не всичко е чисто“ се споменава в трудовете на Аристотел, след това подобни бележки са направени от Ф. Бейкън, Р. Декарт и Дж. Блек. В новата история този ефект е наречен „Парадоксът на Мпемба“ - на името на ученик от Танганайка, Ерасто Мпемба, който задал същия въпрос на гостуващ професор по физика.

Въпросът на момчето не възникна от нищото, а от чисто лични наблюдения върху процеса на охлаждане на сладоледените смеси в кухнята. Разбира се, съучениците, които присъстваха там, заедно с училищния учител, накараха Мпемба да се смее - но след експериментален тест лично от професор Д. Осборн, желанието да се подиграват на Ерасто се „изпари“ от тях. Освен това Мпемба, заедно с професор, публикува подробно описание на този ефект във Physics Education през 1969 г. - и оттогава гореспоменатото име е фиксирано в научната литература.

Каква е същността на явлението?

Постановката на експеримента е доста проста: при равни други условия се изпитват еднакви тънкостенни съдове, съдържащи абсолютно равни количества вода, различаващи се само по температура. Съдовете се зареждат в хладилника, след което се записва времето до образуването на лед във всеки от тях. Парадоксът е, че в съд с първоначално по-гореща течност това става по-бързо.


Как съвременната физика обяснява това?

Парадоксът няма универсално обяснение, тъй като няколко паралелни процеса протичат заедно, чийто принос може да варира в зависимост от конкретните начални условия - но с еднакъв резултат:

  • способността на течността да преохлажда - първоначално студената вода е по-склонна към преохлаждане, т.е. остава течен, когато температурата му вече е под точката на замръзване
  • ускорено охлаждане - парата от гореща вода се трансформира в ледени микрокристали, които при падане обратно ускоряват процеса, работейки като допълнителен „външен топлообменник“
  • изолационен ефект - за разлика от горещата вода, студената вода замръзва отгоре, което води до намаляване на топлопредаването чрез конвекция и радиация

Има редица други обяснения (последният път, когато Британското кралско дружество по химия проведе конкурс за най-добра хипотеза беше наскоро, през 2012 г.) - но все още няма недвусмислена теория за всички случаи на комбинации от входни условия...