آنچه در مورد آب نمی دانستید ویدئو: کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد

21.11.2017 11.10.2018 الکساندر فیرتسف

« کدام آب سرد یا گرم سریعتر یخ می زند؟”- سعی کنید از دوستان خود یک سوال بپرسید، به احتمال زیاد اکثر آنها پاسخ خواهند داد که آب سرد سریعتر یخ می زند - و اشتباه می کنند.

در واقع اگر همزمان دو ظرف هم شکل و یک حجم را در فریزر قرار دهید که یکی آب سرد و دیگری گرم داشته باشد، سریعتر یخ می زند. آب گرم.

چنین اظهاراتی ممکن است پوچ و غیر منطقی به نظر برسد. به طور منطقی، آب گرم ابتدا باید تا دمای سرد خنک شود و آب سرد باید در این زمان به یخ تبدیل شود.

پس چرا آب گرم در مسیر یخ زدن از آب سرد سبقت می گیرد؟ بیایید سعی کنیم آن را بفهمیم.

تاریخچه مشاهدات و تحقیقات

مردم از زمان های قدیم تأثیر متناقض را مشاهده کرده اند، اما هیچ کس اهمیت زیادی به آن نداده است. بنابراین ناهماهنگی در میزان انجماد آب سرد و گرم در یادداشت های خود توسط آرستوتل و همچنین توسط رنه دکارت و فرانسیس بیکن ذکر شد. یک پدیده غیر معمول اغلب در زندگی روزمره خود را نشان می دهد.

برای مدت طولانی، این پدیده به هیچ وجه مورد مطالعه قرار نگرفت و علاقه زیادی در بین دانشمندان برانگیخت.

مطالعه این اثر غیرعادی در سال 1963 آغاز شد، زمانی که یک دانش آموز کنجکاو از تانزانیا، Erasto Mpemba، متوجه شد که شیر داغ برای بستنی سریعتر از شیر سرد یخ می زند. مرد جوان به امید دریافت توضیحی در مورد دلایل تأثیر غیرمعمول، از معلم فیزیک خود در مدرسه پرسید. اما معلم فقط به او خندید.

بعدها، مپمبا آزمایش را تکرار کرد، اما در آزمایش خود دیگر از شیر استفاده نکرد، بلکه از آب استفاده کرد و اثر متناقض دوباره تکرار شد.

شش سال بعد، در سال 1969، مپمبا این سوال را از پروفسور فیزیک دنیس آزبورن که به مدرسه او آمد، پرسید. استاد علاقه مند به مشاهده مرد جوان بود، در نتیجه آزمایشی انجام شد که وجود اثر را تأیید کرد، اما دلایل این پدیده مشخص نشد.

از آن زمان به بعد این پدیده نامیده شد اثر Mpemba.

در طول تاریخ مشاهدات علمی، فرضیه های بسیاری در مورد علل این پدیده مطرح شده است.

بنابراین در سال 2012، انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا مسابقه ای از فرضیه ها را برای توضیح اثر Mpemba اعلام کرد. دانشمندان از سراسر جهان در این مسابقه شرکت کردند که در مجموع 22000 نفر ثبت نام کردند آثار علمی. با وجود چنین تعداد قابل توجهی از مقالات، هیچ یک از آنها پارادوکس Mpemba را روشن نکردند.

رایج ترین نسخه این بود که بر اساس آن، آب گرم سریعتر یخ می زند، زیرا به سادگی سریعتر تبخیر می شود، حجم آن کوچکتر می شود و با کاهش حجم، سرعت خنک شدن آن افزایش می یابد. متداول ترین نسخه در نهایت رد شد، زیرا آزمایشی انجام شد که در آن تبخیر حذف شد، اما با این وجود اثر تأیید شد.

دانشمندان دیگر معتقد بودند که دلیل اثر Mpemba تبخیر گازهای محلول در آب است. به نظر آنها، در طول فرآیند گرمایش، گازهای حل شده در آب تبخیر می شوند و به همین دلیل مقدار بیشتری به دست می آید. تراکم بالااز سرد همانطور که مشخص است، افزایش چگالی منجر به تغییر می شود مشخصات فیزیکیآب (افزایش رسانایی حرارتی)، و در نتیجه افزایش سرعت خنک کننده.

علاوه بر این، تعدادی فرضیه ارائه شده است که سرعت گردش آب را به عنوان تابعی از دما توصیف می کند. در بسیاری از مطالعات، تلاش شد تا رابطه بین مواد ظروفی که مایع در آن قرار داشت، برقرار شود. بسیاری از نظریه ها بسیار قابل قبول به نظر می رسیدند، اما به دلیل فقدان داده های اولیه، تناقضات در آزمایشات دیگر، یا به دلیل این واقعیت که عوامل شناسایی شده به سادگی با سرعت خنک شدن آب قابل مقایسه نبودند، نمی توان آنها را از نظر علمی تأیید کرد. برخی از دانشمندان در آثار خود وجود این اثر را زیر سوال بردند.

در سال 2013، محققان از دانشگاه فناورینانیانگ در سنگاپور ادعا کرد که معمای اثر Mpemba را حل کرده است. بر اساس مطالعه آنها، دلیل این پدیده در این واقعیت نهفته است که مقدار انرژی ذخیره شده در پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب سرد و گرم به طور قابل توجهی متفاوت است.

روش های شبیه سازی کامپیوتری نتایج زیر را نشان داده اند: هر چه دمای آب بیشتر باشد، به دلیل افزایش نیروهای دافعه، فاصله بین مولکول ها بیشتر می شود. و در نتیجه، پیوندهای هیدروژنی مولکول ها کشیده می شوند و ذخیره می شوند مقدار زیادانرژی. هنگامی که سرد می شوند، مولکول ها شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند و انرژی را از پیوندهای هیدروژنی آزاد می کنند. در این حالت آزاد شدن انرژی با کاهش دما همراه است.

در اکتبر 2017، فیزیکدانان اسپانیایی، در جریان مطالعه دیگری، دریافتند که حذف ماده از حالت تعادل (گرمایش قوی قبل از سرد شدن قوی) است که نقش زیادی در شکل گیری اثر دارد. آنها شرایطی را تعیین کردند که در آن احتمال تأثیر حداکثر است. علاوه بر این، دانشمندان اسپانیایی وجود اثر معکوس Mpemba را تأیید کرده اند. آنها دریافتند که وقتی گرم می شود، یک نمونه سردتر می تواند سریعتر از یک نمونه گرم به دمای بالا برسد.

علیرغم اطلاعات جامع و آزمایش های متعدد، دانشمندان قصد دارند به مطالعه این اثر ادامه دهند.

اثر Mpemba در زندگی واقعی

آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا پیست یخ در زمستان پر آب می شود؟ آب گرمو سرد نیست؟ همانطور که قبلاً فهمیدید، آنها این کار را انجام می دهند زیرا یک پیست اسکیت پر از آب گرم سریعتر از زمانی که با آب سرد پر شود یخ می زند. به همین دلیل، سرسره ها در شهرهای یخی زمستانی با آب گرم ریخته می شوند.

بنابراین، دانش در مورد وجود این پدیده به مردم اجازه می دهد تا در زمان آماده سازی سایت ها برای ورزش های زمستانی صرفه جویی کنند.

علاوه بر این، اثر Mpemba گاهی اوقات در صنعت استفاده می شود - برای کاهش زمان انجماد محصولات، مواد و مواد حاوی آب.

اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند، گرم یا سرد، تحت تأثیر عوامل زیادی است، اما خود این سؤال کمی عجیب به نظر می رسد. فهمیده شده است و از فیزیک نیز مشخص است که آب گرم هنوز به زمان نیاز دارد تا تا دمای آب سرد مشابه خنک شود تا به یخ تبدیل شود. آب سرد می تواند از این مرحله بگذرد و بر این اساس، به موقع برنده می شود.

اما پاسخ به این سوال که کدام آب در یخبندان در خیابان سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم - هر ساکن عرض های شمالی می داند. در واقع، از نظر علمی، معلوم می شود که در هر صورت، آب سرد به سادگی باید سریعتر یخ بزند.

همینطور معلم فیزیک که در سال 1963 توسط دانش آموز Erasto Mpemba با او تماس گرفت تا توضیح دهد که چرا مخلوط سرد بستنی آینده طولانی تر از بستنی مشابه اما داغ یخ می زند.

"این فیزیک جهانی نیست، بلکه نوعی فیزیک Mpemba است"

در آن زمان معلم فقط به این موضوع خندید، اما دنیس آزبورن، استاد فیزیک، که زمانی به همان مدرسه ای می رفت که اراستو در آن تحصیل می کرد، به طور تجربی وجود چنین تأثیری را تأیید کرد، اگرچه در آن زمان هیچ توضیحی برای آن وجود نداشت. . در سال 1969 یک مجله علمی مشهور مقاله مشترکی از دو مرد منتشر کرد که این اثر عجیب و غریب را توصیف کردند.

از آن زمان، به هر حال، این سوال که کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد، نام خاص خود را دارد - اثر، یا پارادوکس، Mpemba.

این سوال برای مدت طولانی مطرح بوده است

طبیعتاً چنین پدیده ای قبلاً نیز رخ داده است و در آثار دانشمندان دیگر نیز به آن اشاره شده است. نه تنها دانش آموز به این سؤال علاقه مند بود، بلکه رنه دکارت و حتی ارسطو نیز زمانی در مورد آن فکر می کردند.

در اینجا فقط رویکردهایی برای حل این پارادوکس وجود دارد که فقط در پایان قرن بیستم شروع شد.

شرایط برای وقوع یک پارادوکس

مانند بستنی، فقط آب معمولی نیست که در طول آزمایش یخ می‌زند. برای شروع بحث در مورد اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم - باید شرایط خاصی وجود داشته باشد. چه چیزی بر این روند تأثیر می گذارد؟

اکنون، در قرن بیست و یکم، گزینه های متعددی مطرح شده است که می تواند این تناقض را توضیح دهد. اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند، گرم یا سرد، ممکن است به این واقعیت بستگی داشته باشد که میزان تبخیر آن بیشتر از آب سرد است. بنابراین، حجم آن کاهش می یابد و با کاهش حجم، زمان انجماد کمتر از زمانی است که حجم اولیه مشابهی از آب سرد بگیریم.

فریزر مدت زیادی است که یخ زدایی شده است

اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند، و چرا این کار را انجام می دهد، می تواند تحت تأثیر پوشش برفی که ممکن است در فریزر یخچال مورد استفاده برای آزمایش وجود داشته باشد، باشد. اگر دو ظرف را بردارید که از نظر حجم یکسان هستند، اما یکی از آنها آب گرم و دیگری آب سرد داشته باشد، ظرف با آب گرم، برف زیر را آب می کند و در نتیجه تماس سطح حرارتی با دیواره یخچال بهبود می یابد. ظرف با آب سردنمی تواند این کار را انجام دهد. اگر چنین پوششی با برف در یخچال وجود نداشته باشد، آب سرد باید سریعتر یخ بزند.

بالا - پایین

همچنین پدیده ای که آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - به شرح زیر توضیح داده شده است. با پیروی از قوانین خاصی، آب سرد از لایه های بالایی شروع به یخ زدن می کند، زمانی که آب گرم این کار را برعکس انجام می دهد - از پایین به بالا شروع به یخ زدن می کند. به نظر می رسد که آب سرد، داشتن یک لایه سرد در بالای آن با یخ که قبلاً در برخی مکان ها تشکیل شده است، بنابراین فرآیندهای همرفت و تابش حرارتی را بدتر می کند، در نتیجه توضیح می دهد که کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم. عکسی از آزمایشات آماتور پیوست شده است و در اینجا به وضوح قابل مشاهده است.

گرما خاموش می شود و به سمت بالا می رود و در آنجا با یک لایه بسیار خنک برخورد می کند. هیچ مسیر آزاد برای تشعشع گرما وجود ندارد، بنابراین فرآیند خنک سازی دشوار می شود. آب گرم مطلقاً چنین موانعی در مسیر خود ندارد. کدامیک سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم، که نتیجه احتمالی به آن بستگی دارد، می توانید پاسخ را با گفتن اینکه هر آب دارای مواد خاصی در آن حل شده است، گسترش دهید.

ناخالصی های موجود در ترکیب آب به عنوان یک عامل موثر بر نتیجه

اگر تقلب نکنید و از آب با همان ترکیب استفاده نکنید، جایی که غلظت برخی از مواد یکسان است، آب سرد باید سریعتر یخ بزند. اما اگر وضعیتی رخ دهد که منحل شود عناصر شیمیاییفقط در آب گرم موجود است، در حالی که آب سرد آنها را ندارد، پس امکان یخ زدن زودتر آب گرم وجود دارد. این امر با این واقعیت توضیح داده می شود که مواد محلول در آب مراکز تبلور ایجاد می کنند و با تعداد کمی از این مراکز، تبدیل آب به حالت جامد دشوار است. حتی ابرسرد کردن آب نیز امکان پذیر است، به این معنا که در دماهای زیر صفر در حالت مایع خواهد بود.

اما ظاهراً همه این نسخه ها تا آخر به صلاح دانشمندان نبود و آنها به کار روی این موضوع ادامه دادند. در سال 2013، تیمی از محققان در سنگاپور گفتند که این معمای قدیمی را حل کرده اند.

گروهی از دانشمندان چینی ادعا می کنند که راز این اثر در مقدار انرژی است که بین مولکول های آب در پیوندهای آن ذخیره می شود که پیوند هیدروژنی نامیده می شود.

پاسخ دانشمندان چینی

اطلاعات بیشتر در ادامه خواهد آمد، برای درک آنها لازم است دانشی در شیمی داشته باشیم تا بفهمیم کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد. همانطور که می دانید، از دو اتم H (هیدروژن) و یک اتم O (اکسیژن) تشکیل شده است که توسط پیوندهای کووالانسی در کنار هم قرار دارند.

اما اتم‌های هیدروژن یک مولکول به مولکول‌های همسایه یعنی جزء اکسیژن آنها نیز جذب می‌شوند. به این پیوندها پیوند هیدروژنی می گویند.

در عین حال، شایان ذکر است که در همان زمان، مولکول های آب به طور دافعه بر روی یکدیگر عمل می کنند. دانشمندان خاطرنشان کردند که وقتی آب گرم می شود، فاصله بین مولکول های آن افزایش می یابد و این توسط نیروهای دافعه تسهیل می شود. به نظر می رسد که با اشغال یک فاصله بین مولکول ها در حالت سرد، می توان گفت که آنها کشیده می شوند و منبع انرژی بیشتری دارند. این ذخیره انرژی است که زمانی که مولکول های آب شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند، آزاد می شود، یعنی خنک شدن اتفاق می افتد. معلوم می‌شود که منبع انرژی بیشتر در آب گرم و آزاد شدن بیشتر آن هنگام سرد شدن تا دمای زیر صفر، سریع‌تر از آب سرد، که منبع کمتری از چنین انرژی دارد، اتفاق می‌افتد. بنابراین کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم؟ در خیابان و آزمایشگاه، پارادوکس Mpemba باید رخ دهد و آب گرم باید سریعتر به یخ تبدیل شود.

اما سوال همچنان باز است

فقط تأیید نظری این سرنخ وجود دارد - همه اینها در فرمول های زیبا نوشته شده است و قابل قبول به نظر می رسد. اما زمانی که داده های تجربی، که آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد، به معنای عملی قرار گیرد و نتایج آنها ارائه شود، آنگاه می توان سؤال پارادوکس Mpemba را بسته در نظر گرفت.

اثر Mpemba(پارادوکس Mpemba) - پارادوکسی که بیان می کند که آب گرم در شرایط خاص سریعتر از آب سرد یخ می زند، اگرچه در فرآیند انجماد باید از دمای آب سرد عبور کند. این پارادوکس یک واقعیت تجربی است که با ایده‌های معمولی در تناقض است که بر اساس آن، در شرایط یکسان، جسم داغ‌تر به زمان بیشتری برای خنک شدن تا دمای معینی نیاز دارد تا جسم خنک‌تر تا در همان دما خنک شود.

این پدیده در آن زمان توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت، اما تنها در سال 1963، دانش آموز تانزانیایی Erasto Mpemba متوجه شد که مخلوط بستنی داغ سریعتر از بستنی سرد منجمد می شود.

به عنوان شاگرد ماگامبا دبیرستاندر تانزانیا، Erasto Mpemba انجام داد کار عملیدر هنر آشپزی او مجبور شد بستنی خانگی درست کند - شیر را بجوشاند، شکر را در آن حل کند، آن را تا دمای اتاق خنک کند و سپس آن را در یخچال قرار دهد تا منجمد شود. ظاهراً مپمبا دانش آموز سخت کوشی خاصی نبود و در بخش اول تکلیف به تعویق انداخت. از ترس اینکه تا پایان درس سر وقت نرسد، شیر هنوز داغ را در یخچال گذاشت. در کمال تعجب، شیر حتی زودتر از شیر رفقای خود که بر اساس یک فناوری خاص تهیه شده بود، یخ زد.

پس از آن، Mpemba نه تنها با شیر، بلکه با آب ساده نیز آزمایش کرد. در هر صورت، او که قبلاً دانش‌آموز دبیرستان مکواوا بود، از پروفسور دنیس آزبورن از کالج دانشگاه دارالسلام (دعوت شده توسط مدیر مدرسه برای ایراد سخنرانی در مورد فیزیک برای دانش‌آموزان) در مورد آب پرسید: «اگر دو ظرف یکسان با حجم های مساوی آب بردارید به طوری که در یکی از آنها دمای آب 35 درجه سانتیگراد و در دیگری - 100 درجه سانتیگراد باشد و آنها را در فریزر قرار دهید سپس در دومی آب یخ بزند. سریعتر چرا؟ آزبورن به این موضوع علاقه مند شد و به زودی در سال 1969 به همراه Mpemba نتایج آزمایشات خود را در مجله "Physics Education" منتشر کردند. از آن زمان، اثری که آنها کشف کردند نامیده می شود اثر Mpemba.

تا به حال هیچ کس دقیقاً نمی داند چگونه این اثر عجیب را توضیح دهد. دانشمندان یک نسخه واحد ندارند، اگرچه تعداد زیادی وجود دارد. همه چیز در مورد تفاوت در خواص آب سرد و گرم است، اما هنوز مشخص نیست که کدام خواص در این مورد نقش دارند: تفاوت در فوق خنک شدن، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا تأثیر گازهای مایع بر روی آب در دماهای مختلف

پارادوکس اثر Mpemba این است که در طی آن بدن تا درجه حرارت خنک می شود محیط، باید متناسب با اختلاف دمای این جسم و محیط باشد. این قانون توسط نیوتن ایجاد شد و از آن زمان تاکنون بارها در عمل تایید شده است. در همین اثر، آب در 100 درجه سانتیگراد سریعتر از همان مقدار آب در دمای 35 درجه سانتیگراد تا 0 درجه سانتیگراد خنک می شود.

با این حال، این هنوز به معنای پارادوکس نیست، زیرا اثر Mpemba را نیز می توان بر حسب آن توضیح داد فیزیک معروف. در اینجا چند توضیح برای اثر Mpemba آورده شده است:

تبخیر

آب داغ سریعتر از ظرف تبخیر می شود و در نتیجه حجم آن کاهش می یابد و حجم کمتری از آب با همان دما سریعتر یخ می زند. آبی که تا دمای 100 درجه سانتیگراد گرم می شود، با سرد شدن تا دمای 0 درجه سانتیگراد، 16 درصد از جرم خود را از دست می دهد.

اثر تبخیر - اثر دوگانه. ابتدا جرم آب مورد نیاز برای خنک سازی کاهش می یابد. و ثانیاً به دلیل کاهش گرمای تبخیر انتقال از فاز آب به فاز بخار، دما کاهش می یابد.

اختلاف دما

با توجه به اینکه اختلاف دمای آب گرم و هوای سرد بیشتر است - بنابراین تبادل حرارت در این حالت شدیدتر است و آب گرم سریعتر خنک می شود.

هیپوترمی

هنگامی که آب زیر صفر درجه سانتیگراد سرد می شود، همیشه یخ نمی زند. تحت شرایط خاص، می‌تواند در حالی که در دماهای زیر نقطه انجماد مایع باقی می‌ماند، تحت ابرسرد شدن قرار گیرد. در برخی موارد، آب حتی در دمای 20- درجه سانتیگراد می تواند مایع باقی بماند.

دلیل این اثر این است که برای اینکه اولین بلورهای یخ شروع به تشکیل شدن کنند، به مراکز تشکیل بلور نیاز است. اگر آنها در آب مایع نباشند، ابرسرد شدن تا زمانی ادامه می یابد که دما به اندازه ای کاهش یابد که کریستال ها شروع به تشکیل خود به خود کنند. هنگامی که آنها در مایع فوق سرد شده شروع به تشکیل می کنند، سریعتر رشد می کنند و لجن یخی تشکیل می دهند که یخ می زند و یخ را تشکیل می دهد.

آب گرم بیشتر مستعد هیپوترمی است زیرا گرمایش گازها و حباب های محلول را از بین می برد که به نوبه خود می توانند به عنوان مراکز تشکیل کریستال های یخ عمل کنند.

چرا هیپوترمی باعث یخ زدن سریعتر آب گرم می شود؟ در مورد آب سرد که فوق خنک نیست، موارد زیر رخ می دهد. در این صورت لایه نازکی از یخ روی سطح ظرف تشکیل می شود. این لایه یخ به عنوان عایق بین آب و هوای سرد عمل می کند و از تبخیر بیشتر جلوگیری می کند. سرعت تشکیل کریستال های یخ در این حالت کمتر خواهد بود. در مورد آب گرم که تحت خنک‌سازی فرعی قرار می‌گیرد، آب سرد شده دارای لایه سطحی محافظ یخ نیست. بنابراین، گرما را از طریق قسمت باز بسیار سریعتر از دست می دهد.

هنگامی که فرآیند فوق خنک کننده به پایان می رسد و آب یخ می زند، گرمای بسیار بیشتری از دست می رود و بنابراین یخ بیشتری تشکیل می شود.

بسیاری از محققین این اثر هیپوترمی را عامل اصلی در مورد اثر Mpemba می دانند.

همرفت

آب سرد از بالا شروع به یخ زدن می کند، در نتیجه فرآیندهای تابش گرما و همرفت و در نتیجه از دست دادن گرما بدتر می شود، در حالی که آب گرم از پایین شروع به یخ زدن می کند.

این اثر با یک ناهنجاری در چگالی آب توضیح داده می شود. حداکثر چگالی آب در 4 درجه سانتیگراد است. اگر آب را تا 4 درجه سانتیگراد خنک کنید و در دمای کمتری قرار دهید، لایه سطحی آب سریعتر یخ میزند. از آنجایی که این آب در دمای 4 درجه سانتی گراد چگالی کمتری نسبت به آب دارد، روی سطح باقی می ماند و یک لایه نازک سرد تشکیل می دهد. در این شرایط لایه نازکی از یخ برای مدت کوتاهی روی سطح آب تشکیل می‌شود، اما این لایه یخ به عنوان عایق محافظت از لایه‌های زیرین آب عمل می‌کند که در دمای 4 درجه سانتی‌گراد باقی می‌مانند. ، روند خنک سازی بیشتر کندتر خواهد بود.

در مورد آب گرم وضعیت کاملا متفاوت است. لایه سطحی آب در اثر تبخیر و تبخیر سریعتر سرد می شود تفاوت بیشتردما همچنین لایه‌های آب سرد متراکم‌تر از لایه‌های آب گرم هستند، بنابراین لایه‌های آب سرد فرو می‌روند و لایه را بالا می‌برند. آب گرمبه سطح. این گردش آب کاهش سریع دما را تضمین می کند.

اما چرا این فرآیند به نقطه تعادل نمی رسد؟ برای توضیح اثر Mpemba از این دیدگاه جابجایی، باید فرض کرد که لایه‌های سرد و گرم آب از هم جدا شده‌اند و فرآیند همرفت پس از کاهش متوسط دمای آب به زیر 4 درجه سانتی‌گراد ادامه می‌یابد.

با این حال، هیچ شواهد تجربی برای حمایت از این فرضیه وجود ندارد که لایه‌های سرد و گرم آب توسط همرفت از هم جدا می‌شوند.

گازهای حل شده در آب

آب همیشه حاوی گازهای محلول در آن است - اکسیژن و دی اکسید کربن. این گازها توانایی پایین آوردن نقطه انجماد آب را دارند. هنگامی که آب گرم می شود، این گازها از آب خارج می شوند زیرا حلالیت آنها در آب در دمای بالا کمتر است. بنابراین، زمانی که آب گرم خنک می شود، همیشه گازهای محلول کمتری در آن نسبت به آب سرد گرم نشده وجود دارد. بنابراین نقطه انجماد آب گرم شده بیشتر است و سریعتر یخ می زند. این عامل گاهی اوقات به عنوان اصلی ترین عامل در توضیح اثر Mpemba در نظر گرفته می شود، اگرچه هیچ داده تجربی تأیید کننده این واقعیت وجود ندارد.

رسانایی گرمایی

وقتی آب در یخچال فریزر در ظروف کوچک قرار می گیرد، این مکانیسم می تواند نقش بسزایی داشته باشد. در این شرایط مشاهده شده است که ظرف دارای آب گرم یخ فریزر زیر آن را ذوب می کند و در نتیجه تماس حرارتی با دیواره فریزر و هدایت حرارتی را بهبود می بخشد. در نتیجه گرما از ظرف آب گرم سریعتر از ظرف سرد خارج می شود. به نوبه خود ظرف با آب سرد برف را زیر آن آب نمی کند.

همه این شرایط (و همچنین سایر شرایط) در بسیاری از آزمایش‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما پاسخی صریح به این سؤال - که کدام یک از آنها بازتولید 100٪ اثر Mpemba را ارائه می‌کنند - به دست نیامده است.

بنابراین، به عنوان مثال، در سال 1995، فیزیکدان آلمانی، دیوید اورباخ، تأثیر ابرسرد شدن آب را بر این اثر مطالعه کرد. او کشف کرد که آب داغ، با رسیدن به حالت فوق سرد، در دمای بالاتر از آب سرد و در نتیجه سریعتر از دومی یخ می‌زند. اما آب سرد سریعتر از آب گرم به حالت فوق خنک می رسد و در نتیجه تاخیر قبلی را جبران می کند.

علاوه بر این، نتایج اورباخ با داده‌های قبلی که نشان می‌داد آب گرم به دلیل مراکز تبلور کمتر می‌تواند به ابرسرد شدن بیشتری دست یابد، تناقض داشت. هنگامی که آب گرم می شود، گازهای محلول در آن از آن خارج می شود و با جوشاندن مقداری املاح حل شده در آن رسوب می کند.

تا کنون، تنها یک چیز را می توان ادعا کرد - بازتولید این اثر اساساً به شرایطی بستگی دارد که تحت آن آزمایش انجام می شود. دقیقاً به این دلیل که همیشه بازتولید نمی شود.

O. V. Mosin

ادبیمنابع:

"آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند. چرا این کار را انجام می دهد؟"، جرل واکر در The Amator Scientist، Scientific American، جلد. 237، شماره 3، صص 246-257; سپتامبر 1977.

«یخ زدن آب سرد و گرم»، جی.S. کل در مجله آمریکایی فیزیک، جلد. 37، شماره 5، صص 564-565; می 1969.

"فوق العاده خنک کننده واثر Mpemba»، David Auerbach، در مجله آمریکایی فیزیک، جلد 63، شماره 10، صفحات 882-885؛ اکتبر 1995.

"اثر Mpemba: زمان های انجماد آب گرم و سرد"، چارلز ای. نایت، در مجله آمریکایی فیزیک، جلد. 64، شماره 5، ص 524; اردیبهشت 96.

اثر Mpemba(Mpemba Paradox) پارادوکسی است که بیان می کند آب گرم در شرایط خاص سریعتر از آب سرد یخ می زند، اگرچه در فرآیند انجماد باید از دمای آب سرد عبور کند. این پارادوکس یک واقعیت تجربی است که با ایده‌های معمولی در تناقض است که بر اساس آن، در شرایط یکسان، جسم داغ‌تر به زمان بیشتری برای خنک شدن تا دمای معینی نیاز دارد تا جسم خنک‌تر تا در همان دما خنک شود.

اراستو امپمبا دانش آموز دبیرستان ماگامبین در تانزانیا بود که کار عملی آشپزی انجام می داد. او مجبور شد بستنی خانگی درست کند - شیر را بجوشاند، شکر را در آن حل کند، آن را تا دمای اتاق خنک کند و سپس آن را در یخچال قرار دهد تا منجمد شود. ظاهراً مپمبا دانش آموز سخت کوشی خاصی نبود و در بخش اول تکلیف به تعویق انداخت. از ترس اینکه تا پایان درس سر وقت نرسد، شیر هنوز داغ را در یخچال گذاشت. در کمال تعجب، شیر حتی زودتر از شیر رفقای خود که بر اساس یک فناوری خاص تهیه شده بود، یخ زد.

پارادوکس اثر Mpemba این است که زمانی که بدن تا دمای محیط خنک می‌شود باید متناسب با اختلاف دمای این بدن و محیط باشد. این قانون توسط نیوتن ایجاد شد و از آن زمان تاکنون بارها در عمل تایید شده است. در همین اثر، آب در 100 درجه سانتیگراد سریعتر از همان مقدار آب در دمای 35 درجه سانتیگراد تا 0 درجه سانتیگراد خنک می شود.

با این حال، این هنوز به معنای پارادوکس نیست، زیرا اثر Mpemba را می توان در فیزیک شناخته شده نیز توضیح داد. در اینجا چند توضیح برای اثر Mpemba آورده شده است:

تبخیر

اثر تبخیر یک اثر دوگانه است. ابتدا جرم آب مورد نیاز برای خنک سازی کاهش می یابد. و ثانیاً به دلیل کاهش گرمای تبخیر انتقال از فاز آب به فاز بخار، دما کاهش می یابد.

اختلاف دما

هیپوترمی

بسیاری از محققین این اثر هیپوترمی را عامل اصلی در مورد اثر Mpemba می دانند.

همرفت

در مورد آب گرم وضعیت کاملا متفاوت است. لایه سطحی آب به دلیل تبخیر و اختلاف دما بیشتر سریعتر خنک می شود. همچنین لایه‌های آب سرد متراکم‌تر از لایه‌های آب گرم هستند، بنابراین لایه آب سرد فرو می‌رود و لایه آب گرم را به سطح می‌کشد. این گردش آب کاهش سریع دما را تضمین می کند.

گازهای حل شده در آب

رسانایی گرمایی

اثر Mpemba یا چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند؟ اثر Mpemba (Mpemba Paradox) پارادوکسی است که بیان می‌کند آب گرم در شرایط خاص سریع‌تر از آب سرد یخ می‌زند، اگرچه در فرآیند انجماد باید از دمای آب سرد عبور کند. این پارادوکس یک واقعیت تجربی است که با ایده‌های معمولی در تناقض است که بر اساس آن، در شرایط یکسان، جسم داغ‌تر به زمان بیشتری برای خنک شدن تا دمای معینی نیاز دارد تا جسم خنک‌تر تا در همان دما خنک شود. این پدیده در آن زمان توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت، اما تنها در سال 1963، دانش آموز تانزانیایی Erasto Mpemba متوجه شد که مخلوط بستنی داغ سریعتر از بستنی سرد منجمد می شود. اراستو امپمبا دانش آموز دبیرستان ماگامبین در تانزانیا بود که کار عملی آشپزی انجام می داد. او مجبور شد بستنی خانگی درست کند - شیر را بجوشاند، شکر را در آن حل کند، آن را تا دمای اتاق خنک کند و سپس آن را در یخچال قرار دهد تا منجمد شود. ظاهراً مپمبا دانش آموز سخت کوشی خاصی نبود و در بخش اول تکلیف به تعویق انداخت. از ترس اینکه تا پایان درس سر وقت نرسد، شیر هنوز داغ را در یخچال گذاشت. در کمال تعجب، شیر حتی زودتر از شیر رفقای خود که بر اساس یک فناوری خاص تهیه شده بود، یخ زد. پس از آن، Mpemba نه تنها با شیر، بلکه با آب ساده نیز آزمایش کرد. در هر صورت، او که قبلاً دانش‌آموز دبیرستان مکواوا بود، از پروفسور دنیس آزبورن از کالج دانشگاه دارالسلام (دعوت شده توسط مدیر مدرسه برای ایراد سخنرانی در مورد فیزیک برای دانش‌آموزان) در مورد آب پرسید: «اگر دو ظرف یکسان با حجم های مساوی آب بردارید به طوری که در یکی از آنها دمای آب 35 درجه سانتیگراد و در دیگری - 100 درجه سانتیگراد باشد و آنها را در فریزر قرار دهید سپس در دومی آب یخ بزند. سریعتر چرا؟ آزبورن به این موضوع علاقه مند شد و به زودی در سال 1969 به همراه Mpemba نتایج آزمایشات خود را در مجله "Physics Education" منتشر کردند. از آن زمان، اثری که آنها کشف کردند، اثر Mpemba نامیده می شود. تا به حال هیچ کس دقیقاً نمی داند چگونه این اثر عجیب را توضیح دهد. دانشمندان یک نسخه واحد ندارند، اگرچه تعداد زیادی وجود دارد. همه چیز در مورد تفاوت در خواص آب سرد و گرم است، اما هنوز مشخص نیست که کدام خواص در این مورد نقش دارند: تفاوت در فوق خنک شدن، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا تأثیر گازهای مایع بر روی آب در دماهای مختلف پارادوکس اثر Mpemba این است که زمانی که بدن تا دمای محیط خنک می‌شود باید متناسب با اختلاف دمای این بدن و محیط باشد. این قانون توسط نیوتن ایجاد شد و از آن زمان تاکنون بارها در عمل تایید شده است. در همین اثر، آب در 100 درجه سانتیگراد سریعتر از همان مقدار آب در دمای 35 درجه سانتیگراد تا 0 درجه سانتیگراد خنک می شود. با این حال، این هنوز به معنای پارادوکس نیست، زیرا اثر Mpemba را می توان در فیزیک شناخته شده نیز توضیح داد. در اینجا چند توضیح برای اثر Mpemba آورده شده است: تبخیر آب داغ سریعتر از ظرف تبخیر می شود و در نتیجه حجم آن کاهش می یابد و حجم کمتری از آب در همان دما سریعتر یخ می زند. آبی که تا دمای 100 درجه سانتیگراد گرم می شود، با سرد شدن تا دمای 0 درجه سانتیگراد، 16 درصد از جرم خود را از دست می دهد. اثر تبخیر یک اثر دوگانه است. ابتدا جرم آب مورد نیاز برای خنک سازی کاهش می یابد. و ثانیاً به دلیل کاهش گرمای تبخیر انتقال از فاز آب به فاز بخار، دما کاهش می یابد. اختلاف دما با توجه به اینکه اختلاف دمای آب گرم و هوای سرد بیشتر است - بنابراین تبادل حرارت در این حالت شدیدتر است و آب گرم سریعتر سرد می شود. خنک سازی فرعی هنگامی که آب در دمای زیر صفر درجه سانتیگراد خنک می شود، همیشه یخ نمی زند. تحت شرایط خاص، می‌تواند در حالی که در دماهای زیر نقطه انجماد مایع باقی می‌ماند، تحت ابرسرد شدن قرار گیرد. در برخی موارد، آب حتی در دمای 20- درجه سانتیگراد می تواند مایع باقی بماند. دلیل این اثر این است که برای اینکه اولین کریستال های یخ شروع به تشکیل شدن کنند، به مراکز تشکیل بلور نیاز است. اگر آنها در آب مایع نباشند، ابرسرد شدن تا زمانی ادامه می یابد که دما به اندازه ای کاهش یابد که کریستال ها شروع به تشکیل خود به خود کنند. هنگامی که آنها در مایع فوق سرد شده شروع به تشکیل می کنند، سریعتر رشد می کنند و لجن یخی تشکیل می دهند که یخ می زند و یخ را تشکیل می دهد. آب گرم بیشتر مستعد هیپوترمی است زیرا گرمایش گازها و حباب های محلول را از بین می برد که به نوبه خود می توانند به عنوان مراکز تشکیل کریستال های یخ عمل کنند. چرا هیپوترمی باعث یخ زدن سریعتر آب گرم می شود؟ در مورد آب سرد که فوق خنک نیست، موارد زیر رخ می دهد. در این صورت لایه نازکی از یخ روی سطح ظرف تشکیل می شود. این لایه یخ به عنوان عایق بین آب و هوای سرد عمل می کند و از تبخیر بیشتر جلوگیری می کند. سرعت تشکیل کریستال های یخ در این حالت کمتر خواهد بود. در مورد آب گرم که تحت خنک‌سازی فرعی قرار می‌گیرد، آب سرد شده دارای لایه سطحی محافظ یخ نیست. بنابراین، گرما را از طریق قسمت باز بسیار سریعتر از دست می دهد. هنگامی که فرآیند فوق خنک کننده به پایان می رسد و آب یخ می زند، گرمای بسیار بیشتری از دست می رود و بنابراین یخ بیشتری تشکیل می شود. بسیاری از محققین این اثر هیپوترمی را عامل اصلی در مورد اثر Mpemba می دانند. همرفت آب سرد از بالا شروع به یخ زدن می کند و در نتیجه فرآیندهای تابش گرما و همرفت را بدتر می کند و در نتیجه گرما را از دست می دهد، در حالی که آب گرم از پایین شروع به یخ زدن می کند. این اثر با یک ناهنجاری در چگالی آب توضیح داده می شود. حداکثر چگالی آب در 4 درجه سانتیگراد است. اگر آب را تا 4 درجه سانتیگراد خنک کنید و در دمای کمتری قرار دهید، لایه سطحی آب سریعتر یخ میزند. از آنجایی که این آب در دمای 4 درجه سانتی گراد چگالی کمتری نسبت به آب دارد، روی سطح باقی می ماند و یک لایه نازک سرد تشکیل می دهد. در این شرایط لایه نازکی از یخ برای مدت کوتاهی روی سطح آب تشکیل می‌شود، اما این لایه یخ به عنوان عایق محافظت از لایه‌های زیرین آب عمل می‌کند که در دمای 4 درجه سانتی‌گراد باقی می‌مانند. ، روند خنک سازی بیشتر کندتر خواهد بود. در مورد آب گرم وضعیت کاملا متفاوت است. لایه سطحی آب به دلیل تبخیر و اختلاف دما بیشتر سریعتر خنک می شود. همچنین لایه‌های آب سرد متراکم‌تر از لایه‌های آب گرم هستند، بنابراین لایه آب سرد فرو می‌رود و لایه آب گرم را به سطح می‌کشد. این گردش آب کاهش سریع دما را تضمین می کند. اما چرا این فرآیند به نقطه تعادل نمی رسد؟ برای توضیح اثر Mpemba از این دیدگاه همرفت، فرض می‌شود که لایه‌های سرد و گرم آب از هم جدا می‌شوند و فرآیند همرفت پس از کاهش میانگین دمای آب به زیر 4 درجه سانتی‌گراد ادامه می‌یابد. با این حال، داده‌های تجربی وجود ندارد. که این فرضیه را تایید می کند که لایه های آب سرد و گرم توسط همرفت از هم جدا می شوند. گازهای محلول در آب آب همیشه حاوی گازهای محلول در آن است - اکسیژن و دی اکسید کربن. این گازها توانایی پایین آوردن نقطه انجماد آب را دارند. هنگامی که آب گرم می شود، این گازها از آب خارج می شوند زیرا حلالیت آنها در آب در دمای بالا کمتر است. بنابراین، زمانی که آب گرم خنک می شود، همیشه گازهای محلول کمتری در آن نسبت به آب سرد گرم نشده وجود دارد. بنابراین نقطه انجماد آب گرم شده بیشتر است و سریعتر یخ می زند. این عامل گاهی اوقات به عنوان اصلی ترین عامل در توضیح اثر Mpemba در نظر گرفته می شود، اگرچه هیچ داده تجربی تأیید کننده این واقعیت وجود ندارد. رسانایی حرارتی این مکانیسم می تواند نقش مهمی را ایفا کند زمانی که آب در یخچال فریزر در ظروف کوچک قرار می گیرد. در این شرایط مشاهده شده است که ظرف دارای آب گرم یخ فریزر زیر آن را ذوب می کند و در نتیجه تماس حرارتی با دیواره فریزر و هدایت حرارتی را بهبود می بخشد. در نتیجه گرما از ظرف آب گرم سریعتر از ظرف سرد خارج می شود. به نوبه خود ظرف با آب سرد برف را زیر آن آب نمی کند. همه این شرایط (و همچنین سایر شرایط) در بسیاری از آزمایش‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما پاسخی صریح به این سؤال - که کدام یک از آنها بازتولید 100٪ اثر Mpemba را ارائه می‌کنند - به دست نیامده است. بنابراین، به عنوان مثال، در سال 1995، فیزیکدان آلمانی، دیوید اورباخ، تأثیر ابرسرد شدن آب را بر این اثر مطالعه کرد. او کشف کرد که آب داغ، با رسیدن به حالت فوق سرد، در دمای بالاتر از آب سرد و در نتیجه سریعتر از دومی یخ می‌زند. اما آب سرد سریعتر از آب گرم به حالت فوق خنک می رسد و در نتیجه تاخیر قبلی را جبران می کند. علاوه بر این، نتایج اورباخ با داده‌های قبلی که نشان می‌داد آب گرم به دلیل مراکز تبلور کمتر می‌تواند به ابرسرد شدن بیشتری دست یابد، تناقض داشت. هنگامی که آب گرم می شود، گازهای محلول در آن از آن خارج می شود و با جوشاندن مقداری املاح حل شده در آن رسوب می کند. تا کنون، تنها یک چیز را می توان ادعا کرد - بازتولید این اثر اساساً به شرایطی بستگی دارد که تحت آن آزمایش انجام می شود. دقیقاً به این دلیل که همیشه بازتولید نمی شود. O. V. Mosin