Mpemba efekt(Mpembov paradox) - paradox, ktorý hovorí, že horúca voda za určitých podmienok zamŕza rýchlejšie ako studená, hoci v procese zamŕzania musí prejsť teplotou studenej vody. Tento paradox je experimentálnym faktom, ktorý je v rozpore so zaužívanými predstavami, podľa ktorých za rovnakých podmienok trvá viac zohriatemu telesu na ochladenie na určitú teplotu viac času ako menej zohriatemu telesu na ochladenie na rovnakú teplotu.

Tento jav si svojho času všimli aj Aristoteles, Francis Bacon a Rene Descartes, ale až v roku 1963 tanzánsky školák Erasto Mpemba zistil, že horúca zmrzlinová zmes zamrzne rýchlejšie ako studená.

Erasto Mpemba ako študent strednej školy Magambi v Tanzánii vykonával praktickú prácu ako kuchár. Potreboval urobiť domácu zmrzlinu – uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom dať zamraziť do chladničky. Mpemba zjavne nebol mimoriadne usilovným študentom a s dokončením prvej časti úlohy meškal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa danej technológie.

Potom Mpemba experimentoval nielen s mliekom, ale aj s obyčajnou vodou. V každom prípade, už ako študent na strednej škole Mkwava sa profesora Dennisa Osbornea z University College v Dar Es Salaam (pozvaný riaditeľom školy, aby študentom prednášal o fyzike) pýtal konkrétne na vodu: „Ak si vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým objemom vody, takže v jednej z nich má voda teplotu 35 ° C a v druhej - 100 ° C a vložte ich do mrazničky, potom v druhej voda rýchlejšie zamrzne. Prečo?" Osborne sa začal o túto problematiku zaujímať a čoskoro, v roku 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svojich experimentov v časopise Physics Education. Odvtedy sa efekt, ktorý objavili, nazýval Mpemba efekt.

Doteraz nikto presne nevie, ako tento zvláštny efekt vysvetliť. Vedci nemajú jedinú verziu, aj keď ich je veľa. Všetko je to o rozdieloch vo vlastnostiach teplej a studenej vody, ale zatiaľ nie je jasné, ktoré vlastnosti hrajú v tomto prípade úlohu: rozdiel v podchladení, vyparovaní, tvorbe ľadu, konvekcii alebo vplyve skvapalnených plynov na vodu pri rozdielne teploty.

Paradoxom Mpemba efektu je, že čas, počas ktorého sa teleso ochladí na teplotu okolia, by malo byť úmerné teplotnému rozdielu medzi týmto telesom a prostredím. Tento zákon zaviedol Newton a odvtedy bol v praxi mnohokrát potvrdený. Pri tomto efekte sa voda s teplotou 100°C ochladí na teplotu 0°C rýchlejšie ako rovnaké množstvo vody s teplotou 35°C.

To však ešte neznamená paradox, keďže Mpembov efekt možno vysvetliť v rámci známej fyziky. Tu je niekoľko vysvetlení pre efekt Mpemba:

Odparovanie

Horúca voda sa z nádoby rýchlejšie odparuje, čím sa zmenšuje jej objem a menší objem vody pri rovnakej teplote rýchlejšie zamrzne. Voda zohriata na 100 C stratí pri ochladení na 0 C 16 % svojej hmoty.

Účinok odparovania je dvojitý. Po prvé, množstvo vody potrebné na chladenie klesá. A po druhé, teplota klesá v dôsledku toho, že klesá teplo vyparovania prechodu z vodnej fázy do parnej fázy.

Teplotný rozdiel

Vzhľadom na to, že teplotný rozdiel medzi teplou vodou a studeným vzduchom je väčší, výmena tepla je v tomto prípade intenzívnejšia a horúca voda rýchlejšie chladne.

Podchladenie

Keď sa voda ochladí pod 0 C, nie vždy zamrzne. Za určitých podmienok môže prejsť podchladením, pričom pri teplotách pod bodom mrazu zostane tekutý. V niektorých prípadoch môže voda zostať tekutá aj pri teplote –20 C.

Dôvodom tohto efektu je, že na to, aby sa začali vytvárať prvé kryštály ľadu, sú potrebné centrá tvorby kryštálov. Ak nie sú prítomné v kvapalnej vode, podchladenie bude pokračovať, kým teplota neklesne natoľko, aby sa kryštály spontánne vytvorili. Keď sa začnú tvoriť v podchladenej kvapaline, začnú rásť rýchlejšie, pričom sa vytvorí kašovitý ľad, ktorý zamrzne a vytvorí ľad.

Horúca voda je najviac náchylná na podchladenie, pretože jej zahrievanie odstraňuje rozpustené plyny a bubliny, ktoré zase môžu slúžiť ako centrá pre tvorbu ľadových kryštálikov.

Prečo podchladenie spôsobuje rýchlejšie zamrznutie horúcej vody? V prípade studenej vody, ktorá nie je podchladená, sa stane nasledovné. V tomto prípade sa na povrchu nádoby vytvorí tenká vrstva ľadu. Táto vrstva ľadu bude pôsobiť ako izolant medzi vodou a studeným vzduchom a zabráni ďalšiemu vyparovaniu. Rýchlosť tvorby ľadových kryštálov bude v tomto prípade nižšia. V prípade horúcej vody podrobenej podchladeniu nemá podchladená voda ochrannú povrchovú vrstvu ľadu. Preto cez otvorený vrch oveľa rýchlejšie stráca teplo.

Keď sa proces podchladenia skončí a voda zamrzne, stratí sa oveľa viac tepla, a preto sa vytvorí viac ľadu.

Mnohí výskumníci tohto účinku považujú hypotermiu za hlavný faktor v prípade Mpemba efektu.

Konvekcia

Studená voda začína zamŕzať zhora, čím sa zhoršujú procesy vyžarovania a prúdenia tepla, a tým aj tepelné straty, zatiaľ čo horúca voda začína zamŕzať zdola.

Tento efekt sa vysvetľuje anomáliou v hustote vody. Voda má maximálnu hustotu pri 4 C. Ak vodu schladíte na 4 C a dáte ju na nižšiu teplotu, povrchová vrstva vody rýchlejšie zamrzne. Pretože je táto voda menej hustá ako voda pri teplote 4 C, zostane na povrchu a vytvorí tenkú studenú vrstvu. Za týchto podmienok sa na povrchu vody v priebehu krátkeho času vytvorí tenká vrstva ľadu, ktorá však bude slúžiť ako izolant, chrániaci spodné vrstvy vody, ktoré zostanú pri teplote 4 C. Preto bude ďalší proces chladenia pomalší.

V prípade teplej vody je situácia úplne iná. Povrchová vrstva vody sa rýchlejšie ochladí v dôsledku vyparovania a väčšieho teplotného rozdielu. Okrem toho sú vrstvy studenej vody hustejšie ako vrstvy horúcej vody, takže vrstva studenej vody klesne, čím sa vrstva teplej vody zdvihne na povrch. Táto cirkulácia vody zabezpečuje rýchly pokles teploty.

Prečo však tento proces nedosiahne rovnovážny bod? Pre vysvetlenie Mpembovho efektu z tohto pohľadu konvekcie by bolo potrebné predpokladať, že studená a horúca vrstva vody sa oddelí a samotný konvekčný proces pokračuje po poklese priemernej teploty vody pod 4 C.

Neexistujú však žiadne experimentálne dôkazy na podporu tejto hypotézy, že studené a horúce vrstvy vody sú oddelené procesom konvekcie.

Plyny rozpustené vo vode

Voda vždy obsahuje rozpustené plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tieto plyny majú schopnosť znižovať bod tuhnutia vody. Pri ohrievaní vody sa tieto plyny uvoľňujú z vody, pretože ich rozpustnosť vo vode je pri vysokých teplotách nižšia. Preto, keď sa horúca voda ochladí, vždy obsahuje menej rozpustených plynov ako v neohriatej studenej vode. Preto je bod tuhnutia ohriatej vody vyšší a rýchlejšie zamrzne. Tento faktor sa niekedy považuje za hlavný pri vysvetľovaní Mpembovho efektu, hoci neexistujú žiadne experimentálne údaje potvrdzujúce túto skutočnosť.

Tepelná vodivosť

Tento mechanizmus môže hrať významnú úlohu, keď je voda umiestnená v chladiacom priestore s mrazničkou v malých nádobách. Za týchto podmienok bolo pozorované, že nádoba s horúcou vodou roztopí ľad v mrazničke pod ňou, čím sa zlepší tepelný kontakt so stenou mrazničky a tepelná vodivosť. Vďaka tomu sa teplo z nádoby na teplú vodu odvádza rýchlejšie ako zo studenej. Nádoba so studenou vodou zasa neroztopí sneh pod ňou.

Všetky tieto (ale aj iné) podmienky boli skúmané v mnohých experimentoch, no jednoznačnú odpoveď na otázku – ktoré z nich poskytujú stopercentnú reprodukciu Mpembovho efektu – nikdy nezískali.

Napríklad v roku 1995 nemecký fyzik David Auerbach skúmal vplyv podchladzovacej vody na tento efekt. Zistil, že horúca voda, ktorá dosiahne podchladený stav, zamrzne pri vyššej teplote ako studená voda, a teda rýchlejšie ako studená voda. Ale studená voda dosiahne podchladený stav rýchlejšie ako horúca voda, čím kompenzuje predchádzajúce oneskorenie.

Navyše Auerbachove výsledky boli v rozpore s predchádzajúcimi údajmi, že horúca voda bola schopná dosiahnuť väčšie podchladenie vďaka menšiemu počtu kryštalizačných centier. Pri zohrievaní vody sa z nej odstraňujú plyny v nej rozpustené a pri varení sa vyzrážajú niektoré soli rozpustené v nej.

Zatiaľ možno konštatovať len jedno - reprodukcia tohto efektu výrazne závisí od podmienok, za ktorých sa experiment uskutočňuje. Práve preto, že nie vždy sa reprodukuje.

O. V. Mosin

Literárnezdrojov:

"Horúca voda mrzne rýchlejšie ako studená. Prečo to robí?", Jearl Walker v The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, č. 3, str. 246-257; september 1977.

"Zmrazenie teplej a studenej vody", G.S. Kell v American Journal of Physics, Vol. 37, č. 5, str. 564-565; máj 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, v American Journal of Physics, Vol. 63, č. 10, str. 882-885; október 1995.

"Mpembov efekt: mrazivé časy horúcej a studenej vody", Charles A. Knight, v American Journal of Physics, Vol. 64, č. 5, str. 524; máj 1996.

Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu ponúka odmenu 1 000 libier každému, kto dokáže vedecky vysvetliť, prečo horúca voda v niektorých prípadoch zamrzne rýchlejšie ako studená.

„Moderná veda stále nedokáže odpovedať na túto zdanlivo jednoduchú otázku. Zmrzlinári a barmani využívajú tento efekt pri svojej každodennej práci, no nikto vlastne nevie, prečo to funguje. Tento problém je známy už tisícročia a filozofi ako Aristoteles a Descartes o ňom uvažujú,“ povedal profesor David Phillips, prezident Britskej kráľovskej spoločnosti pre chémiu, citované v tlačovej správe spoločnosti.

Ako kuchár z Afriky porazil britského profesora fyziky

Toto nie je prvoaprílový žart, ale tvrdá fyzická realita. Moderná veda, ktorá ľahko pracuje s galaxiami a čiernymi dierami a stavia obrovské urýchľovače na hľadanie kvarkov a bozónov, nedokáže vysvetliť, ako elementárna voda „funguje“. Školská učebnica jasne hovorí, že ochladenie teplejšieho telesa trvá dlhšie ako ochladenie studeného telesa. Ale pre vodu sa tento zákon nie vždy dodržiava. Na tento paradox upozornil Aristoteles v 4. storočí pred Kristom. e. Staroveký Grék napísal vo svojej knihe Meteorologica I: „Skutočnosť, že voda je predhriata, spôsobuje jej zamrznutie. Preto mnohí ľudia, keď chcú rýchlejšie schladiť horúcu vodu, dajú ju najskôr na slnko...“ V stredoveku sa tento jav pokúšali vysvetliť Francis Bacon a Rene Descartes. Žiaľ, nepodarilo sa to ani veľkým filozofom, ani početným vedcom, ktorí vyvinuli klasickú termofyziku, a preto sa na takýto nepríjemný fakt dlho „zabudlo“.

A až v roku 1968 si „spomenuli“ vďaka školákovi Erastovi Mpembemu z Tanzánie, ďaleko od akejkoľvek vedy. Počas štúdia na kuchárskej umeleckej škole v roku 1963 dostal 13-ročný Mpembe za úlohu vyrábať zmrzlinu. Podľa technológie bolo potrebné uvariť mlieko, rozpustiť v ňom cukor, ochladiť na izbovú teplotu a potom vložiť do chladničky zmraziť. Mpemba zrejme nebol usilovným študentom a váhal. Zo strachu, že to do konca hodiny nestihne, dal ešte horúce mlieko do chladničky. Na jeho prekvapenie zamrzlo ešte skôr ako mlieko jeho súdruhov, pripravené podľa všetkých pravidiel.

Keď sa Mpemba o svoj objav podelil so svojím učiteľom fyziky, vysmial ho pred celou triedou. Mpemba si spomenul na urážku. O päť rokov neskôr, už ako študent univerzity v Dar es Salaame, navštívil prednášku slávneho fyzika Denisa G. Osbornea. Po prednáške položil vedcovi otázku: „Ak vezmete dve rovnaké nádoby s rovnakým množstvom vody, jednu s teplotou 35 °C (95 °F) a druhú s teplotou 100 °C (212 °F), a umiestnite ich v mrazničke, potom Voda v horúcej nádobe zamrzne rýchlejšie. Prečo?" Viete si predstaviť reakciu britského profesora na otázku mladého muža z Bohom zabudnutej Tanzánie. Robil si srandu zo študenta. Mpemba bol však na takúto odpoveď pripravený a vyzval vedca na stávku. Ich spor sa skončil experimentálnym testom, ktorý potvrdil, že Mpemba mal pravdu a Osborne porazil. Kuchársky učeň sa tak zapísal do histórie vedy a odteraz sa tento jav nazýva „Mpemba efekt“. Nie je možné ho zahodiť, vyhlásiť ho za „neexistujúci“. Fenomén existuje, a ako napísal básnik, „nebolí“.

Sú na vine prachové častice a roztoky?

V priebehu rokov sa mnohí pokúšali odhaliť záhadu mrznúcej vody. Bolo navrhnutých celý rad vysvetlení tohto javu: vyparovanie, konvekcia, vplyv rozpustených látok – ale žiadny z týchto faktorov nemožno považovať za definitívny. Množstvo vedcov zasvätilo Mpembovmu efektu celý svoj život. James Brownridge, člen Katedry radiačnej bezpečnosti na Štátnej univerzite v New Yorku, študuje paradox vo svojom voľnom čase už desaťročie. Po vykonaní stoviek experimentov vedec tvrdí, že má dôkazy o „vine“ podchladenia. Brownridge vysvetľuje, že pri 0 °C sa voda iba podchladí a začne zamŕzať, keď teplota klesne pod. Bod tuhnutia je regulovaný nečistotami vo vode – menia rýchlosť tvorby ľadových kryštálikov. Nečistoty, ako sú prachové častice, baktérie a rozpustené soli, majú charakteristickú nukleačnú teplotu, keď sa okolo kryštalizačných centier tvoria kryštály ľadu. Keď je vo vode prítomných niekoľko prvkov naraz, bod tuhnutia je určený tým, ktorý má najvyššiu nukleačnú teplotu.

Pre experiment Brownridge odobral dve vzorky vody s rovnakou teplotou a umiestnil ich do mrazničky. Zistil, že jeden z exemplárov vždy zamrzol skôr ako druhý, pravdepodobne v dôsledku inej kombinácie nečistôt.

Brownridge hovorí, že horúca voda sa ochladzuje rýchlejšie, pretože je väčší rozdiel medzi teplotou vody a mrazničky – to jej pomáha dosiahnuť bod mrazu skôr, ako studená voda dosiahne svoj prirodzený bod mrazu, ktorý je aspoň o 5 °C nižší.

Brownridgeova úvaha však vyvoláva veľa otázok. Preto tí, ktorí si dokážu vysvetliť Mpembov efekt po svojom, majú šancu súťažiť o tisíc libier šterlingov od Britskej kráľovskej spoločnosti pre chémiu.

Existuje veľa faktorov, ktoré ovplyvňujú, ktorá voda zamrzne rýchlejšie, či je horúca alebo studená, ale samotná otázka sa zdá byť trochu zvláštna. Z toho vyplýva, a to je známe z fyziky, že horúca voda ešte potrebuje čas na ochladenie na teplotu porovnávanej studenej vody, aby sa zmenila na ľad. Táto fáza môže byť preskočená, a preto vyhrá včas.

Ale odpoveď na otázku, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - studená alebo horúca - vonku v chlade, pozná každý obyvateľ severných zemepisných šírok. V skutočnosti sa vedecky ukazuje, že v každom prípade studená voda jednoducho rýchlejšie zamrzne.

Učiteľ fyziky, ktorého v roku 1963 oslovil školák Erasto Mpemba, si myslel to isté so žiadosťou o vysvetlenie, prečo studená zmes budúcej zmrzliny zmrzne dlhšie ako podobná, no horúca.

"Toto nie je univerzálna fyzika, ale nejaký druh fyziky Mpemba"

Učiteľ sa tomu vtedy iba zasmial, ale profesor fyziky Deniss Osborne, ktorý svojho času navštevoval rovnakú školu, kde študoval Erasto, experimentálne potvrdil prítomnosť takéhoto účinku, hoci vtedy na to nebolo žiadne vysvetlenie. V roku 1969 vyšiel v populárnom vedeckom časopise spoločný článok týchto dvoch ľudí, ktorí opísali tento zvláštny efekt.

Odvtedy, mimochodom, otázka, ktorá voda mrzne rýchlejšie - horúca alebo studená - má svoj vlastný názov - Mpemba efekt alebo paradox.

Otázka je tu už dlho

Prirodzene, takýto jav sa už predtým vyskytol a bol spomenutý v prácach iných vedcov. O túto problematiku sa zaujímal nielen školák, ale svojho času o nej uvažoval aj René Descartes a dokonca aj Aristoteles.

No prístupy k riešeniu tohto paradoxu začali hľadať až na konci dvadsiateho storočia.

Podmienky pre vznik paradoxu

Rovnako ako pri zmrzline, pri experimente nezamrzne len obyčajná voda. Aby sa mohli začať hádať, ktorá voda zamrzne rýchlejšie - studená alebo horúca, musia byť prítomné určité podmienky. Čo ovplyvňuje priebeh tohto procesu?

Teraz, v 21. storočí, bolo predložených niekoľko možností, ktoré môžu vysvetliť tento paradox. Ktorá voda zamrzne rýchlejšie, horúca alebo studená, môže závisieť od skutočnosti, že má vyššiu rýchlosť odparovania ako studená voda. Zmenšuje sa teda jej objem a pri zmenšovaní objemu sa doba mrazenia skracuje, ako keby sme odobrali rovnaký počiatočný objem studenej vody.

Už je to nejaký čas, čo ste odmrazili mrazničku.

Ktorá voda zamrzne rýchlejšie a prečo sa to stane, môže byť ovplyvnené snehovou výstelkou, ktorá sa môže nachádzať v mrazničke chladničky použitej na experiment. Ak vezmete dve nádoby, ktoré majú rovnaký objem, ale jedna z nich obsahuje horúcu vodu a druhá studenú, nádoba s horúcou vodou roztopí sneh pod ňou, čím sa zlepší kontakt tepelnej hladiny so stenou chladničky. Nádoba so studenou vodou to nedokáže. Ak v chladiacom priestore takéto obloženie snehom nie je, studená voda by mala rýchlejšie zamrznúť.

Hore - dole

Tiež jav, ktorého voda rýchlejšie zamrzne - horúca alebo studená - je vysvetlený nasledovne. Pri dodržaní určitých zákonov začína studená voda zamŕzať z horných vrstiev, kým horúca voda naopak – začína zamŕzať zdola nahor. Ukazuje sa, že studená voda, ktorá má na vrchu studenú vrstvu s už vytvoreným ľadom, tak zhoršuje procesy konvekcie a tepelného žiarenia, čím sa vysvetľuje, ktorá voda mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca. Fotografie z amatérskych experimentov sú priložené a je to tu jasne viditeľné.

Teplo ide von, rúti sa nahor a tam sa stretáva s veľmi chladnou vrstvou. Neexistuje žiadna voľná cesta pre tepelné žiarenie, takže proces chladenia sa stáva ťažkým. Horúca voda nemá v ceste absolútne žiadne takéto prekážky. Ktorá z nich mrzne rýchlejšie - studená alebo horúca, čo určuje pravdepodobný výsledok? Odpoveď môžete rozšíriť tým, že každá voda má v sebe rozpustené určité látky.

Nečistoty vo vode ako faktor ovplyvňujúci výsledok

Ak nebudete podvádzať a použijete vodu s rovnakým zložením, kde sú koncentrácie určitých látok totožné, tak by studená voda mala zamrznúť rýchlejšie. Ale ak nastane situácia, že rozpustené chemické prvky sú prítomné iba v horúcej vode a studená voda ich nemá, potom má horúca voda možnosť skôr zamrznúť. Vysvetľuje sa to tým, že rozpustené látky vo vode vytvárajú kryštalizačné centrá a pri malom počte týchto centier je premena vody do tuhého skupenstva náročná. Je dokonca možné, že voda bude podchladená v tom zmysle, že pri mínusových teplotách bude v tekutom stave.

Všetky tieto verzie však vedcom zjavne úplne nevyhovovali a pokračovali v práci na tejto otázke. V roku 2013 tím výskumníkov v Singapure povedal, že vyriešili starú záhadu.

Skupina čínskych vedcov tvrdí, že tajomstvo tohto efektu spočíva v množstve energie, ktorá je uložená medzi molekulami vody v jej väzbách, nazývaných vodíkové väzby.

Odpoveď čínskych vedcov

Nasleduje informácia, na pochopenie ktorej potrebujete mať nejaké znalosti z chémie, aby ste pochopili, ktorá voda mrzne rýchlejšie – horúca alebo studená. Ako je známe, pozostáva z dvoch atómov H (vodíka) a jedného atómu O (kyslíka), ktoré sú držané pohromade kovalentnými väzbami.

Ale aj atómy vodíka jednej molekuly sú priťahované k susedným molekulám, k ich kyslíkovej zložke. Tieto väzby sa nazývajú vodíkové väzby.

Stojí za to pripomenúť, že molekuly vody na seba súčasne pôsobia odpudivo. Vedci poznamenali, že keď sa voda zahrieva, vzdialenosť medzi jej molekulami sa zväčšuje, čo je uľahčené odpudivými silami. Ukazuje sa, že tým, že v studenom stave medzi molekulami zaberajú rovnakú vzdialenosť, možno povedať, že sa naťahujú a majú väčší prísun energie. Práve táto energetická rezerva sa uvoľní, keď sa molekuly vody začnú približovať k sebe, to znamená, že dôjde k ochladeniu. Ukazuje sa, že väčšia zásoba energie v horúcej vode a jej väčšie uvoľnenie pri ochladzovaní na mínusové teploty nastáva rýchlejšie ako v studenej vode, ktorá má menšiu zásobu takejto energie. Ktorá voda teda zamrzne rýchlejšie – studená alebo horúca? Na ulici aj v laboratóriu by malo dôjsť k Mpembovmu paradoxu a horúca voda by sa mala rýchlejšie zmeniť na ľad.

Ale otázka je stále otvorená

Existuje iba teoretické potvrdenie tohto riešenia - to všetko je napísané v krásnych vzorcoch a zdá sa byť pravdepodobné. Keď sa však experimentálne údaje, o ktorých voda zmrazuje rýchlejšie - horúca alebo studená - prakticky použijú a prezentujú sa ich výsledky, možno otázku Mpembovho paradoxu považovať za uzavretú.

Dobrý deň, milí milovníci zaujímavých faktov. Dnes sa s vami porozprávame o. Myslím si však, že otázka položená v nadpise sa môže zdať jednoducho absurdná – treba však vždy bezvýhradne dôverovať notoricky známemu „zdravému rozumu“ a nie striktne zavedeným testovacím experimentom. Skúsme prísť na to, prečo horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená?

Historický odkaz

Že v problematike mrazivej studenej a horúcej vody „nie všetko je čisté“ sa spomínalo v dielach Aristotela, potom podobné poznámky urobili F. Bacon, R. Descartes a J. Black. V nedávnej histórii dostal tento efekt názov „Mpembov paradox“ – pomenovaný po školákovi z Tanganiky Erastovi Mpembovi, ktorý rovnakú otázku položil hosťujúcemu profesorovi fyziky.

Chlapcova otázka nevznikla z ničoho, ale z čisto osobných pozorovaní procesu chladenia zmrzlinových zmesí v kuchyni. Samozrejme, že prítomní spolužiaci spolu s učiteľkou Mpembu rozosmiali - po experimentálnom teste osobne profesorom D. Osbornom sa z nich však „vyparila“ túžba robiť si srandu z Erasta. Okrem toho Mpemba spolu s profesorom publikoval v roku 1969 podrobný popis tohto efektu v Physics Education - a odvtedy je vyššie uvedený názov zafixovaný vo vedeckej literatúre.

Čo je podstatou javu?

Usporiadanie experimentu je celkom jednoduché: ak sú všetky ostatné veci rovnaké, testujú sa identické tenkostenné nádoby, ktoré obsahujú presne rovnaké množstvá vody, líšia sa len teplotou. Nádoby sa vložia do chladničky, po ktorej sa zaznamená čas, kým sa v každej z nich vytvorí ľad. Paradoxom je, že v nádobe s pôvodne teplejšou kvapalinou sa to deje rýchlejšie.


Ako to vysvetľuje moderná fyzika?

Paradox nemá univerzálne vysvetlenie, pretože súčasne prebieha niekoľko paralelných procesov, ktorých prínos sa môže líšiť v závislosti od konkrétnych počiatočných podmienok - ale s jednotným výsledkom:

  • schopnosť kvapaliny podchladzovať - ​​spočiatku studená voda je náchylnejšia na podchladenie, t.j. zostáva tekutý, keď je jeho teplota už pod bodom mrazu
  • zrýchlené chladenie - para z horúcej vody sa premieňa na ľadové mikrokryštály, ktoré pri páde zrýchľujú proces a fungujú ako dodatočný „externý výmenník tepla“
  • izolačný efekt - na rozdiel od teplej vody, studená voda zamŕza zhora, čo vedie k zníženiu prenosu tepla konvekciou a sálaním

Existuje množstvo ďalších vysvetlení (naposledy Britská kráľovská spoločnosť pre chémiu usporiadala súťaž o najlepšiu hypotézu nedávno, v roku 2012) - ale stále neexistuje jednoznačná teória pre všetky prípady kombinácií vstupných podmienok...