Kuris vanduo greičiau išgaruoja: šiltas šaltas karštas. Mpemba efektas arba kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas
Tai tiesa, nors skamba neįtikėtinai, nes užšalimo proceso metu pašildytas vanduo turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Tuo tarpu šis efektas plačiai naudojamas.Pavyzdžiui, čiuožyklos ir čiuožyklos žiemą užpildomos karštu vandeniu, o ne saltas vanduo. Ekspertai pataria vairuotojams žiemą į plovimo rezervuarą pilti šaltą, o ne karštą vandenį. Paradoksas pasaulyje žinomas kaip „Mpemba Effect“.
Šį reiškinį kažkada minėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas, tačiau tik 1963 metais fizikos profesoriai atkreipė į jį dėmesį ir bandė jį tyrinėti. Viskas prasidėjo nuo to, kad Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba pastebėjo, kad saldintas pienas, kurį jis naudojo ledams gaminti, greičiau sukietėja, jei buvo pašildytas, ir iškėlė hipotezę, kad karštas vanduo užšąla greičiau nei šalta. Jis kreipėsi į fizikos mokytoją, kad paaiškintų, bet jis tik nusijuokė iš mokinio, sakydamas: „Tai ne universali fizika, o Mpemba fizika“.
Laimei, vieną dieną mokykloje apsilankė fizikos profesorius Dennisas Osborne'as iš Dar es Salamo universiteto. Ir Mpemba kreipėsi į jį su tuo pačiu klausimu. Profesorius buvo ne toks skeptiškas, teigė negalintis spręsti apie tai, ko niekada nematė, o grįžęs namo paprašė savo darbuotojų atlikti atitinkamus eksperimentus. Jie tarsi patvirtino berniuko žodžius. Bet kokiu atveju 1969 m. Osborne'as anglų žurnale kalbėjo apie darbą su Mpemba. FizikaIšsilavinimas“ Tais pačiais metais George'as Kellas iš Kanados nacionalinės tyrimų tarybos paskelbė straipsnį, aprašantį šį reiškinį anglų kalba. AmerikosŽurnalasapieFizika».
Yra keletas galimų šio paradokso paaiškinimų:
- Karštas vanduo greičiau išgaruoja, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Sandariai uždarytose talpyklose saltas vanduo turėtų greičiau užšalti.
- Sniego pamušalo prieinamumas. Konteineris su karštas vanduo ištirpdo po apačią esantį sniegą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su aušinimo paviršiumi. Šaltas vanduo netirpdo sniego apačioje. Jei nėra sniego pamušalo, šalto vandens talpykla turėtų užšalti greičiau.
- Šaltas vanduo pradeda užšalti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios. Papildomai mechaniniu būdu maišant vandenį induose, šaltas vanduo turėtų užšalti greičiau.
- Atvėsintame vandenyje yra kristalizacijos centrų - jame ištirpusių medžiagų. Esant nedideliam tokių centrų skaičiui šaltame vandenyje, vandenį paversti ledu yra sunku ir netgi galimas peršalimas, kai jis lieka skystoje būsenoje, esant minusinei temperatūrai.
Neseniai buvo paskelbtas kitas paaiškinimas. Daktaras Džonatanas Katzas (Jonathanas Katzas) iš Vašingtono universiteto tyrinėjo šį reiškinį ir padarė išvadą, kad svarbų vaidmenį jame atlieka vandenyje ištirpusios medžiagos, kurios kaitinant nusėda.
Pagal ištirpo medžiagos dr. Katz reiškia kalcio ir magnio bikarbonatus, kurie randami kietame vandenyje. Kaitinamas vanduo, šios medžiagos nusėda ir vanduo tampa „minkštas“. Vanduo, kuris niekada nebuvo šildomas, turi šių priemaišų ir yra „kietas“. Jam užšalus ir formuojantis ledo kristalams, priemaišų koncentracija vandenyje padidėja 50 kartų. Dėl to sumažėja vandens užšalimo temperatūra.
Šis paaiškinimas man neatrodo įtikinamas, nes... Reikia nepamiršti, kad poveikis buvo atrastas eksperimentuojant su ledais, o ne su kietu vandeniu. Greičiausiai reiškinio priežastys yra termofizinės, o ne cheminės.
Kol kas vienareikšmiško Mpembos paradokso paaiškinimo nepavyko. Reikia pasakyti, kad kai kurie mokslininkai nemano, kad šis paradoksas vertas dėmesio. Tačiau labai įdomu, kad paprastas moksleivis dėl savo smalsumo ir užsispyrimo sulaukė fizinio efekto pripažinimo ir išpopuliarėjo.
Pridėta 2014 m. vasario mėn
Užrašas parašytas 2011 m. Nuo tada atsirado naujų Mpembos efekto tyrimų ir naujų bandymų jį paaiškinti. Taigi 2012 m. Didžiosios Britanijos karališkoji chemijos draugija paskelbė tarptautinį konkursą mokslinei paslapčiai „Mpemba Effect“ įminti, kurio prizinis fondas – 1000 svarų. Terminas buvo nustatytas 2012 m. liepos 30 d. Nugalėtoju tapo Nikola Bregovic iš Zagrebo universiteto laboratorijos. Jis paskelbė savo darbą, kuriame išanalizavo ankstesnius bandymus paaiškinti šį reiškinį ir padarė išvadą, kad jie neįtikina. Jo pasiūlytas modelis yra pagrįstas pagrindinėmis vandens savybėmis. Norintieji gali susirasti darbą adresu http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp
Tyrimai tuo nesibaigė. 2013 metais Singapūro fizikai teoriškai įrodė Mepembos efekto priežastį. Darbą galite rasti adresu http://arxiv.org/abs/1310.6514.
Susiję straipsniai svetainėje:
Kiti šio skyriaus straipsniai
Komentarai:
Aleksejus Mišnevas. , 2012-10-06 04:14
Kodėl karštas vanduo išgaruoja greičiau? Mokslininkai praktiškai įrodė, kad stiklinė karšto vandens užšąla greičiau nei šaltas. Mokslininkai negali paaiškinti šio reiškinio dėl to, kad nesupranta reiškinių esmės: karščio ir šalčio! Šiluma ir šaltis yra fizinis pojūtis, sukeliantis materijos dalelių sąveiką magnetinių bangų, judančių iš kosmoso ir iš žemės centro, priešpriešinio suspaudimo forma. Todėl kuo didesnis potencialų skirtumas, ši magnetinė įtampa, tuo greičiau vyksta energijos mainai vienos bangos priešpriešinio įsiskverbimo į kitą metodu. Tai yra, difuzijos metodu! Atsakydamas į mano straipsnį, vienas oponentas rašo: 1) "..Karštas vanduo išgaruoja GREČIAU, todėl jo mažiau, todėl greičiau užšąla" Klausimas! Dėl kokios energijos vanduo greičiau išgaruoja? 2) Mano straipsnis yra apie stiklinę, o ne apie medinį lovelį, kurį oponentas nurodo kaip kontrargumentą. Kas nėra teisinga! Atsakau į klausimą: „KODĖL GAMTOJE GARA VANDUO? Magnetinės bangos, kurios visada juda iš žemės centro į kosmosą, įveikdamos magnetinių suspaudimo bangų (kurios visada juda iš kosmoso į žemės centrą) priešslėgį, tuo pat metu purškia vandens daleles, nes juda į kosmosą. , jų tūris didėja. Tai yra, jie plečiasi! Jei įveikiamos magnetinės gniuždymo bangos, šie vandens garai suspaudžiami (kondensuojasi) ir, veikiant šioms magnetinėms gniuždymo jėgoms, vanduo grįžta į žemę kritulių pavidalu! Pagarbiai! Aleksejus Mišnevas. 2012 m. spalio 6 d.
Aleksejus Mišnevas. , 2012-10-06 04:19
Kas yra temperatūra? Temperatūra yra magnetinių bangų, turinčių suspaudimo ir plėtimosi energija, elektromagnetinio įtempimo laipsnis. Esant pusiausvyrai šių energijų būsenai, kūno ar medžiagos temperatūra yra stabilios būsenos. Sutrikus šių energijų pusiausvyrai, link plėtimosi energijos, kūno ar medžiagos erdvės tūris didėja. Jei magnetinių bangų energija viršija suspaudimo kryptį, kūno ar medžiagos erdvės tūris mažėja. Elektromagnetinės įtampos laipsnis nustatomas pagal etaloninio kūno išsiplėtimo arba suspaudimo laipsnį. Aleksejus Mišnevas.
Moiseeva Natalija, 2012-10-23 11:36 | VNIIM
Aleksejus, jūs kalbate apie straipsnį, kuriame išdėstytos jūsų mintys apie temperatūros sąvoką. Bet niekas neskaitė. Prašau duoti nuorodą. Apskritai jūsų požiūris į fiziką yra labai unikalus. Niekada negirdėjau apie „atskaitos kūno elektromagnetinį plėtimąsi“.
Jurijus Kuznecovas, 2012-12-04 12:32
Siūloma hipotezė, kad taip yra dėl tarpmolekulinio rezonanso ir jo generuojamų molekulių potraukio. Šaltame vandenyje molekulės juda ir vibruoja chaotiškai, skirtingais dažniais. Kaitinamas vanduo, didėjant vibracijų dažniui, jų diapazonas siaurėja (mažėja dažnių skirtumas nuo skysto karšto vandens iki garavimo taško), molekulių virpesių dažniai artėja vienas prie kito, dėl to rezonansas. atsiranda tarp molekulių. Aušinimo metu šis rezonansas iš dalies išsaugomas ir neišnyksta iš karto. Pabandykite paspausti vieną iš dviejų rezonansinių gitaros stygų. Dabar paleiskite – styga vėl pradės vibruoti, rezonansas atkurs jos vibracijas. Lygiai taip pat ir užšalusiame vandenyje išorinės atvėsusios molekulės bando prarasti vibracijų amplitudę ir dažnį, tačiau indo viduje esančios „šiltos“ molekulės „ištraukia“ vibracijas atgal, veikdamos kaip vibratoriai, o išorinės – kaip rezonatoriai. Ponderomotyvinė trauka* atsiranda tarp vibratorių ir rezonatorių. Kai ponderomotyvinė jėga tampa didesnė už molekulių (kurios ne tik vibruoja, bet ir juda tiesiškai) kinetinės energijos sukeliamą jėgą, įvyksta pagreitėjusi kristalizacija – „Mpembos efektas“. Ponderomotyvinis ryšys yra labai nestabilus, Mpemba efektas labai priklauso nuo visų susijusių veiksnių: užšaldomo vandens tūrio, jo šildymo pobūdžio, užšalimo sąlygų, temperatūros, konvekcijos, šilumos mainų sąlygų, dujų prisotinimo, šaldymo įrenginio vibracijos. , vėdinimas, nešvarumai, garavimas ir t.t.. Galbūt net nuo apšvietimo... Todėl efektas turi daug paaiškinimų ir kartais sunkiai atkuriamas. Dėl tos pačios „rezonansinės“ priežasties virintas vanduo užverda greičiau nei nevirintas vanduo – rezonansas išlaiko vandens molekulių virpesių intensyvumą kurį laiką po užvirimo (energijos praradimas aušinimo metu daugiausia atsiranda dėl molekulių linijinio judėjimo kinetinės energijos praradimo). Intensyvaus kaitinimo metu vibratorių molekulės keičia vaidmenis su rezonatoriaus molekulėmis, palyginti su užšalimu - vibratorių dažnis yra mažesnis už rezonatorių dažnį, o tai reiškia, kad tarp molekulių vyksta ne trauka, o atstūmimas, o tai pagreitina perėjimą į kitą būseną. sumavimo (poros).
Vladas, 2012-12-11 03:42
Sudaužė man smegenis...
Antanas, 2013-02-04 02:02
1. Ar tikrai ši ponderomotyvinė atrakcija yra tokia didelė, kad turi įtakos šilumos perdavimo procesui? 2. Ar tai reiškia, kad visus kūnus įkaitinus iki tam tikros temperatūros, jų struktūrinės dalelės patenka į rezonansą? 3. Kodėl atvėsus šis rezonansas išnyksta? 4. Ar tai jūsų spėjimas? Jei yra šaltinis, nurodykite. 5. Pagal šią teoriją svarbų vaidmenį vaidins indo forma, o jei jis plonas ir plokščias, tai užšalimo laiko skirtumas nebus didelis, t.y. galite tai patikrinti.
Gudrat, 2013-11-03 10:12 | METAK
Šaltame vandenyje jau yra azoto atomų, o atstumai tarp vandens molekulių yra artimesni nei karštame vandenyje. Tai yra išvada: karštas vanduo greičiau sugeria azoto atomus ir tuo pačiu greitai užšąla nei šaltas vanduo - tai galima palyginti su geležies kietėjimu, nes karštas vanduo virsta ledu, o karšta geležis kietėja greitai aušinant!
Vladimiras, 2013-03-13 06:50
o gal taip: karšto vandens ir ledo tankis mažesnis už šalto vandens tankį, todėl vandeniui nereikia keisti tankio, prarandant šiek tiek laiko ir jis užšąla.
Aleksejus Mišnevas, 2013-03-21 11:50
Prieš kalbėdami apie dalelių rezonansus, patrauklumą ir virpesius, turime suprasti ir atsakyti į klausimą: kokios jėgos sukelia dalelių vibraciją? Kadangi be kinetinės energijos negali būti suspaudimo. Be suspaudimo negali būti plėtimosi. Be plėtimosi negali būti kinetinės energijos! Kai pradedi kalbėti apie stygų rezonansą, pirmiausia dedi pastangas, kad viena iš šių stygų imtų vibruoti! Kalbėdami apie trauką, pirmiausia turite nurodyti jėgą, kuri traukia šiuos kūnus! Teigiu, kad visus kūnus suspaudžia atmosferos elektromagnetinė energija ir kuri suspaudžia visus kūnus, medžiagas ir elementarias daleles 1,33 kg jėga. ne cm2, o elementariajai dalelei.Kadangi atmosferos slėgis negali būti selektyvus!Nepainioti su jėgos dydžiu!
Dodik, 2013-05-31 02:59
Man atrodo, kad pamiršote vieną tiesą – „Mokslas prasideda ten, kur prasideda matavimai“. Kokia yra „karšto“ vandens temperatūra? Kokia yra „šalto“ vandens temperatūra? Straipsnyje apie tai nekalbama nė žodžio. Iš to galime daryti išvadą – visas straipsnis yra nesąmonė!
Grigorijus, 2013-04-06 12:17
Dodikai, prieš pavadindamas straipsnį nesąmone, reikia pagalvoti apie mokymąsi, bent šiek tiek. Ir ne tik pamatuoti.
Dmitrijus, 2013-12-24 10:57
Karšto vandens molekulės juda greičiau nei šaltame vandenyje, dėl to yra artimesnis kontaktas su aplinka, jos tarsi sugeria visą šaltį, greitai sulėtėja.
Ivanas, 2014-01-10 05:53
Keista, kad šioje svetainėje pasirodo toks anoniminis straipsnis. Straipsnis visiškai nemoksliškas. Ir autorius, ir komentatoriai varžosi tarpusavyje, ieškodami reiškinio paaiškinimo, nesivargindami išsiaiškinti, ar reiškinys apskritai stebimas ir, jei stebimas, kokiomis sąlygomis. Be to, nėra net susitarimo dėl to, ką mes iš tikrųjų stebime! Taigi autorius primygtinai reikalauja paaiškinti greito karštų ledų užšaldymo poveikį, nors iš viso teksto (ir žodžių „efektas buvo atrastas eksperimentuojant su ledais“) išplaukia, kad jis pats to neatliko. eksperimentai. Iš straipsnyje išvardytų reiškinio „paaiškinimo“ variantų aišku, kad aprašomi visiškai skirtingi eksperimentai, atliekami skirtingomis sąlygomis su skirtingais vandeniniais tirpalais. Tiek paaiškinimų esmė, tiek subjunktyvi nuotaika jie rodo, kad nebuvo atliktas net elementarus išsakytų minčių patikrinimas. Kažkas netyčia išgirdo juokingą istoriją ir atsainiai išsakė savo spėlionę išvadą. Atsiprašau, bet tai ne fizinė. Moksliniai tyrimai, o pokalbis vyksta rūkomajame.
Ivanas, 2014-01-10 06:10
Dėl komentarų straipsnyje apie ritinėlių užpildymą karštu vandeniu ir priekinio stiklo plovimo rezervuarus šaltu vandeniu. Čia viskas paprasta elementarios fizikos požiūriu. Čiuožykla pripildoma karšto vandens būtent todėl, kad jis užšąla lėčiau. Čiuožykla turi būti lygi ir lygi. Pabandykite užpilti šaltu vandeniu – gausite nelygumus ir „išsipūtimus“, nes... Vanduo užšals _greitai_, nespėdamas pasiskirstyti lygiu sluoksniu. O karštasis spės pasklisti lygiu sluoksniu, ištirpdys esamus ledo ir sniego gumbus. Su poveržle taip pat nėra sunku: supilkite svarus vanduošalčiui nėra prasmės - užšąla ant stiklo (net karšta); o karštas neužšąlantis skystis gali įskilti šaltas stiklas, be to, stiklui padidės užšalimo temperatūra dėl pagreitėjusio alkoholio garavimo pakeliui į stiklą (ar visi žino moonshine veikimo principą ? - alkoholis išgaruoja, vanduo lieka).
Ivanas, 2014-01-10 06:34
Tačiau iš esmės kvaila klausti, kodėl du skirtingi eksperimentai skirtingomis sąlygomis vyksta skirtingai. Jei eksperimentas atliekamas grynai, tuomet reikia paimti karštą ir šaltą vandenį cheminė sudėtis- iš to paties virdulio paimkite iš anksto atšaldytą verdantį vandenį. Supilkite į vienodus indus (pavyzdžiui, plonasienes stiklines). Mes dedame jį ne ant sniego, o ant vienodo, sauso pagrindo, pvz. medinis stalas. Ir ne mikrošaldiklyje, o gana talpiame termostate - eksperimentą atlikau prieš porą metų vasarnamyje, kai lauke oras buvo stabilus ir šaltas, apie -25C. Išskirdamas kristalizacijos šilumą, vanduo kristalizuojasi tam tikroje temperatūroje. Hipotezė susiveda į teiginį, kad karštas vanduo atvėsta greičiau (tai tiesa, pagal klasikinę fiziką šilumos perdavimo greitis yra proporcingas temperatūrų skirtumui), tačiau išlieka padidintas greitis aušinimas net tada, kai jo temperatūra tampa lygi šalto vandens temperatūrai. Kyla klausimas, kuo skiriasi iki +20C lauke atvėsęs vanduo nuo lygiai tokio pat vandens, kuris prieš valandą atvėso iki +20C temperatūros, bet patalpoje? Klasikinė fizika (beje, paremta ne plepais rūkomajame, o šimtais tūkstančių ir milijonų eksperimentų) sako: nieko, tolesnė aušinimo dinamika bus tokia pati (tik verdantis vanduo pasieks +20 balą). vėliau). Ir eksperimentas rodo tą patį: kai stiklinėje iš pradžių šalto vandens jau buvo stipri ledo pluta, karštas vanduo net negalvojo apie užšalimą. P.S. Į Jurijaus Kuznecovo komentarus. Tam tikro poveikio buvimas gali būti laikomas nustatytu, kai aprašomos jo atsiradimo sąlygos ir jis nuosekliai atkuriamas. Ir kai mes atliekame nežinomus eksperimentus su nežinomomis sąlygomis, anksti kurti teorijas jas paaiškinti ir tai nieko neduoda mokslinis taškas regėjimas. P.P.S. Na, o Aleksejaus Mišnevo komentarų neįmanoma perskaityti be švelnumo ašarų - žmogus gyvena kažkokiame išgalvotame pasaulyje, neturinčiame nieko bendra su fizika ir tikrais eksperimentais.
Grigalius, 2014-01-13 10:58
Ivanai, aš suprantu, kad paneigiate Mpemba efektą? Tai neegzistuoja, kaip rodo jūsų eksperimentai? Kodėl jis toks garsus fizikoje ir kodėl daugelis bando tai paaiškinti?
Ivanas, 2014-02-14 01:51
Laba diena, Gregory! Egzistuoja nešvaraus eksperimento poveikis. Bet, kaip suprantate, tai ne priežastis ieškoti naujų fizikos dėsnių, o priežastis tobulinti eksperimentuotojo įgūdžius. Kaip jau pastebėjau komentaruose, visuose minėtuose bandymuose paaiškinti „Mpemba efektą“ mokslininkai net negali aiškiai suformuluoti, ką tiksliai ir kokiomis sąlygomis matuoja. Ir jūs norite pasakyti, kad tai eksperimentiniai fizikai? Nejuokink manęs. Poveikis žinomas ne fizikoje, o pseudomokslinėse diskusijose įvairiuose forumuose ir tinklaraščiuose, kurių dabar yra jūra. Nuo fizikos nutolę žmonės tai suvokia kaip realų fizinį poveikį (tam tikra prasme kaip kažkokių naujų fizikinių dėsnių pasekmę, o ne kaip neteisingos interpretacijos ar tiesiog mito pasekmę). Taigi nėra jokios priežasties kalbėti apie skirtingų eksperimentų, atliktų visiškai skirtingomis sąlygomis, rezultatus kaip apie vieną fizinį poveikį.
Pavelas, 2014-02-18 09:59
hmm, vaikinai... straipsnis "Speed Info"... Neįsižeiskite... ;) Ivanas teisus dėl visko...
Grigorijus, 2014-02-19 12:50
Ivanai, sutinku, kad dabar yra daugybė pseudomokslinių svetainių, kuriose skelbiama nepatikrinta sensacinga medžiaga. Juk Mpemba efektas vis dar tiriamas. Be to, tiria universitetų mokslininkai. Pavyzdžiui, 2013 metais šį poveikį tyrė Singapūro technologijos universiteto grupė. Pažiūrėkite nuorodą http://arxiv.org/abs/1310.6514. Jie mano, kad rado šio poveikio paaiškinimą. Detaliau apie atradimo esmę nerašysiu, bet, jų nuomone, efektas siejamas su vandeniliniuose ryšiuose sukauptų energijų skirtumu.
Moiseeva N.P. , 2014-02-19 03:04
Visiems, besidomintiems Mpemba efekto tyrimais, šiek tiek papildžiau straipsnio medžiagą ir pateikiau nuorodas, kur galima susipažinti su naujausiais rezultatais (žr. tekstą). Ačiū už komentarus.
Ildaras, 2014-02-24 04:12 | nėra prasmės visko išvardinti
Jei šis Mpembos efektas tikrai vyksta, tai paaiškinimo, manau, reikia ieškoti vandens molekulinėje struktūroje. Vanduo (kaip sužinojau iš populiariosios mokslo literatūros) egzistuoja ne kaip atskiros H2O molekulės, o kaip kelių molekulių (net dešimčių) sankaupos. Kylant vandens temperatūrai, didėja molekulių judėjimo greitis, klasteriai suyra vienas prieš kitą ir molekulių valentiniai ryšiai nespėja surinkti didelių grupių. Klasterių susidarymas trunka šiek tiek daugiau laiko nei molekulinio judėjimo greičio mažinimas. O kadangi klasteriai yra mažesni, kristalinė gardelė susidaro greičiau. Šaltame vandenyje, matyt, stambios, gana stabilios sankaupos neleidžia susidaryti gardelės, jas sunaikinti reikia šiek tiek laiko. Pats per televiziją mačiau kuriozinį efektą, kai indelyje ramiai stovėjęs šaltas vanduo kelias valandas šaltyje išliko skystas. Bet vos tik stiklainį pakėlus, tai yra šiek tiek pajudėjus iš savo vietos, vanduo stiklainyje iškart susikristalizavo, tapo nepermatomas ir stiklainis sprogo. Na, o šį efektą parodęs kunigas paaiškino tuo, kad vanduo buvo palaimintas. Beje, pasirodo, kad vanduo, priklausomai nuo temperatūros, labai keičia savo klampumą. Mums, kaip dideliems sutvėrimams, tai nepastebima, tačiau mažų (mm ar mažesnių) vėžiagyvių, o juo labiau bakterijų lygyje, vandens klampumas yra labai reikšmingas veiksnys. Šį klampumą, manau, lemia ir vandens telkinių dydis.
PILKA, 2014-03-15 05:30
viskas aplink mus, ką matome, yra paviršutiniškos savybės (savybės), todėl energija priimame tik tai, ką galime išmatuoti ar kaip nors įrodyti jos egzistavimą, kitaip tai yra aklavietė. Šį reiškinį, Mpemba efektą, galima paaiškinti tik paprasta tūrine teorija, kuri sujungs visus fizinius modelius į vieną sąveikos struktūrą. tai iš tikrųjų paprasta
Nikita, 2014-06-06 04:27 | automobilis
Tačiau kaip užtikrinti, kad važiuojant automobiliu vanduo liktų šaltas, o ne šiltas?
Aleksejus, 2014-10-03 01:09
Štai dar vienas „atradimas“ pakeliui. Vanduo į plastikinis butelys Užšąla daug greičiau atidarius dangtelį. Dėl smagumo daug kartų atlikau eksperimentą esant dideliam šalčiui. Poveikis akivaizdus. Sveiki teoretikai!
Jevgenijus, 2014-12-27 08:40
Garavimo aušintuvo principas. Imame du hermetiškai uždarytus butelius su šaltu ir karštu vandeniu. Padedame šaltai. Šaltas vanduo užšąla greičiau. Dabar paimame tuos pačius butelius su šaltu ir karštu vandeniu, atidarome ir dedame į šaltą. Karštas vanduo užšals greičiau nei šaltas. Jei imsime du baseinus su šaltu ir karštu vandeniu, tada karštas vanduo užšals daug greičiau. Taip yra dėl to, kad didėja kontaktas su atmosfera. Kuo intensyvesnis garavimas, tuo greičiau nukrenta temperatūra. Čia reikia paminėti drėgmės faktorių. Kuo mažesnė drėgmė, tuo stipresnis garavimas ir stipresnis aušinimas.
pilkas TOMSK, 2015-03-01 10:55
PILKA, 2014-03-15 05:30 - tęsinys Tai, ką žinai apie temperatūrą, dar ne viskas. Ten yra dar kažkas. Jei teisingai sukursite fizinį temperatūros modelį, jis taps raktu apibūdinant energijos procesus nuo difuzijos, lydymosi ir kristalizacijos iki tokių mastelių kaip temperatūros padidėjimas didėjant slėgiui, slėgio padidėjimas didėjant temperatūrai. Iš to, kas pasakyta, paaiškės net fizinis Saulės energijos modelis. Aš žiemą. . 20013 metų ankstyvą pavasarį, žiūrėdamas į temperatūros modelius, sudariau bendrą temperatūros modelį. Po poros mėnesių prisiminiau temperatūros paradoksą ir tada supratau... kad mano temperatūros modelis taip pat apibūdina Mpemba paradoksą. Tai buvo 2013 m. gegužės – birželio mėn. Pavėlavau metus, bet tai geriausia. Mano fizinis modelis yra fiksuotas rėmelis, jį galima atsukti tiek pirmyn, tiek atgal, ir jame yra motorinė veikla, ta pati veikla, kurioje viskas juda. Turiu 8 metus mokykloje ir 2 metus koledže su temos kartojimu. 20 metų praėjo. Taigi garsiems mokslininkams negaliu priskirti jokių fizinių modelių, taip pat negaliu priskirti formulių. Labai atsiprašau.
Andrejus, 2015-11-08 08:52
Apskritai aš suprantu, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. O mano paaiškinimuose viskas labai paprasta, jei domina, parašykite man el. [apsaugotas el. paštas]
Andrejus, 2015-11-08 08:58
Atsiprašau, kad padaviau ne tą Pašto dėžutėčia yra teisingas el. [apsaugotas el. paštas]
Viktoras, 2015-12-23 10:37
Man atrodo viskas paprasčiau, čia iškrenta sniegas, tai išgarintos dujos, aušina, tai gal šaltu oru karštas greičiau atšąla nes išgaruoja ir iš karto kristalizuojasi toli nepakildamas, o dujinės būsenos vanduo greičiau atvėsta nei skystoje būsenoje)
Bekzhan, 2016-01-28 09:18
Net jei kas nors būtų atskleidęs šiuos pasaulio dėsnius, kurie yra susiję su šiais efektais, jis čia nebūtų parašęs.Mano požiūriu, nebūtų logiška atskleisti jo paslapčių internautams, kai jis gali tai paskelbti garsioje mokslinėje žurnalus ir pats asmeniškai tai įrodinėja prieš liaudį.Taigi, kas čia bus rašoma apie šį efektą, dauguma nelogiška.)))
Aleksas, 2016-02-22 12:48
Sveiki Eksperimentuotojai Jūs teisūs sakydami, kad mokslas prasideda ten, kur... ne matavimai, o skaičiavimai. „Eksperimentas“ yra amžinas ir nepakeičiamas argumentas tiems, kurie neturi vaizduotės ir linijinio mąstymo, visus įžeidė, dabar E= mc2 atveju – ar visi prisimena? Iš šalto vandens į atmosferą išskrendančių molekulių greitis nulemia energijos kiekį, kurį jos nuneša iš vandens (vėsinimas – tai energijos praradimas) Molekulių greitis iš karšto vandens yra daug didesnis, o nunešama energija kvadratu ( likusios vandens masės aušinimo greitis) Tai viskas, jei atsiribosite nuo „eksperimentų“ ir atsiminsite pagrindinius mokslo pagrindus
Vladimiras, 2016-04-25 10:53 | Meteo
Tais laikais, kai antifrizas buvo retas, vanduo iš automobilių aušinimo sistemos nešildomame garaže buvo nuleidžiamas po darbo dienos, kad neatšildytų cilindrų blokas ar radiatorius – kartais abu kartu. Ryte buvo pilamas karštas vanduo. Esant dideliam šalčiui, varikliai užsivedė be problemų. Kažkaip dėl karšto vandens trūkumo iš čiaupo pasipylė vanduo. Vanduo iš karto užšalo. Eksperimentas kainavo brangiai – lygiai tiek, kiek kainuoja įsigyti ir pakeisti automobilio ZIL-131 cilindrų bloką ir radiatorių. Kas netiki, tegul patikrina. o Mpemba eksperimentavo su ledais. Leduose kristalizacija vyksta kitaip nei vandenyje. Pabandykite dantimis nukąsti ledų gabalėlį ir ledo gabalėlį. Greičiausiai jis nesušalo, o sutirštėjo dėl aušinimo. O gėlas vanduo, nesvarbu, karštas ar šaltas, užšąla prie 0*C. Šaltas vanduo yra greitas, tačiau karštam vandeniui reikia laiko atvėsti.
Klajoklis, 2016-05-06 12:54 | Aleksui
"c" - šviesos greitis vakuume E=mc^2 - formulė, išreiškianti masės ir energijos ekvivalentą
Albertas, 2016-07-27 08:22
Pirmiausia analogija su kietosios medžiagos(nėra garinimo proceso). Neseniai litavau varį vandens vamzdžiai. Procesas vyksta kaitinant dujų degiklis iki lydmetalio lydymosi temperatūros. Vienos jungties su mova šildymo laikas yra maždaug viena minutė. Prilitavau vieną jungtį prie movos ir po poros minučių supratau, kad neteisingai prilitavau. Reikėjo šiek tiek pasukti vamzdį movoje. Jungtį vėl pradėjau kaitinti degikliu ir, mano nuostabai, siūlę įkaitinti iki lydymosi temperatūros prireikė 3-4 minučių. Kaip tai!? Juk vamzdis vis dar karštas ir atrodytų, kad jam pašildyti iki lydymosi temperatūros reikia kur kas mažiau energijos, bet viskas pasirodė atvirkščiai. Viskas apie šilumos laidumą, kuris yra žymiai didesnis jau šildomam vamzdžiui ir riba tarp šildomo ir šaltas vamzdis per dvi minutes jai pavyko pajudėti toli nuo sankryžos. Dabar apie vandenį. Dirbsime su karšto ir pusiau šildomo indo sąvokomis. Karštame inde tarp karštų, labai judrių dalelių ir lėtai judančių, šaltų dalelių susidaro siaura temperatūros riba, kuri gana greitai juda iš periferijos į centrą, nes ties šia riba greitos dalelės greitai atiduoda savo energiją (atšalusios) kitoje ribos pusėje esančiomis dalelėmis. Kadangi išorinių šaltų dalelių tūris yra didesnis, greitosios dalelės, suteikiančios savo šiluminė energija, negali žymiai sušildyti išorinių šaltų dalelių. Todėl karšto vandens aušinimo procesas vyksta gana greitai. Pusiau pašildyto vandens šilumos laidumas yra daug mažesnis, o ribos tarp pusiau pašildytų ir šaltų dalelių plotis yra daug platesnis. Tokios plačios ribos perėjimas į centrą vyksta daug lėčiau nei karšto indo atveju. Dėl to karštas indas atvėsta greičiau nei šiltas. Manau, kad turime sekti skirtingų temperatūrų vandens aušinimo proceso dinamiką, pastatydami kelis temperatūros jutiklius nuo indo vidurio iki krašto.
Maks., 2016-11-19 05:07
Tai buvo patikrinta: Jamalyje šalta vamzdis su karštu vandeniu užšąla ir jūs turite jį sušildyti, o šaltas - ne!
Artem, 2016-12-09 01:25
Sunku, bet manau, kad šaltas vanduo yra tankesnis už karštą, net geriau nei virintas, o čia greitėja aušinimas ir pan. karštas vanduo pasiekia šaltą temperatūrą ir ją aplenkia, o jei atsižvelgsite į tai, kad karštas vanduo užšąla iš apačios, o ne iš viršaus, kaip parašyta aukščiau, tai labai pagreitina procesą!
Aleksandras Sergejevas, 21.08.2017 10:52
Tokio poveikio nėra. Deja. 2016 metais Natūra buvo paskelbtas išsamus straipsnis šia tema: https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect Iš jo aišku, kad kruopščiai eksperimentuojant (jei šilto ir šalto vandens mėginiai visame kame vienodi išskyrus temperatūrą) poveikis nepastebimas .
Zavlab, 2017-08-22 05:31
Viktoras , 2017-10-27 03:52
"Tai tikrai yra." - jei mokykloje nesupratote, kas yra šiluminė talpa ir energijos tvermės dėsnis. Tai lengva patikrinti - tam jums reikia: noro, galvos, rankų, vandens, šaldytuvo ir žadintuvo. O čiuožyklos, kaip rašo specialistai, užšaldomos (užpildomos) šaltu vandeniu, o nupjautas ledas išlyginamas šiltu vandeniu. O žiemą į plovimo rezervuarą reikia pilti antifrizo skysčio, o ne vandens. Vanduo bet kokiu atveju užšals, o šaltas – greičiau.
Irina, 2018-01-23 10:58
Viso pasaulio mokslininkai su šiuo paradoksu kovojo nuo Aristotelio laikų, o Viktoras, Zavlabas ir Sergejevas pasirodė protingiausi.
Denisas, 2018-02-01 08:51
Straipsnyje viskas parašyta teisingai. Tačiau priežastis yra šiek tiek kitokia. Virimo metu jame ištirpęs oras išgaruoja iš vandens, todėl verdančiam vandeniui vėsstant jo tankis ilgainiui bus mažesnis nei tos pačios temperatūros žalio vandens. Nėra kitų priežasčių, dėl kurių skiriasi šilumos laidumas, išskyrus skirtingą tankį.
Zavlab, 2018-01-03 08:58 | Laboratorijos vadovas
Irina:), „mokslininkai visame pasaulyje“ nekovoja su šiuo „paradoksu“, tikriems mokslininkams šio „paradokso“ tiesiog nėra - jis lengvai patikrinamas gerai atkuriamomis sąlygomis. „Paradoksas“ atsirado dėl nepakartojamų afrikietiško berniuko Mpembos eksperimentų ir buvo išpūstas panašių „mokslininkų“ :)
1963 metais Tanzanijos moksleivis, vardu Erasto Mpemba, uždavė savo mokytojui kvailą klausimą – kodėl šilti ledai jo šaldiklyje užšaldavo greičiau nei šalti?
Būdamas Magambinskajos mokiniu vidurinė mokykla Tanzanijoje Erasto Mpemba padarė praktinis darbas kulinarijoje. Jam reikėjo pasigaminti naminių ledų – užvirti pieną, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros, o tada padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin stropus mokinys ir delsė atlikti pirmąją užduoties dalį. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal nurodytą technologiją.
Jis kreipėsi į fizikos mokytoją, kad paaiškintų, bet jis tik nusijuokė iš mokinio, sakydamas: „Tai ne universali fizika, o Mpemba fizika“. Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su paprastu vandeniu.
Bet kuriuo atveju, jau būdamas Mkwavos vidurinės mokyklos mokinys, profesoriaus Denniso Osborne'o iš Dar Es Salamo universiteto koledžo (mokyklos direktoriaus pakviestas skaityti paskaitą apie fiziką studentams) jis paklausė konkrečiai apie vandenį: „Jei imtumėt du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, kad viename vandens temperatūra būtų 35°C, o kitame - 100°C, ir įdėkite į šaldiklį, tada antrame vanduo užšaltų greičiau. Kodėl?" Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus, 1969 m., jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale Physics Education. Nuo tada jų atrastas efektas buvo vadinamas Mpemba efektu.
Ar jums įdomu sužinoti, kodėl taip nutinka? Vos prieš kelerius metus mokslininkams pavyko paaiškinti šis reiškinys …
Mpemba efektas (Mpemba Paradox) yra paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo proceso metu jis turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms idėjoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įkaitusiam kūnui reikia daugiau laiko atvėsti iki tam tikros temperatūros, nei mažiau įkaitusiam kūnui atvėsti iki tokios pat temperatūros.
Šį reiškinį savo laikais pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas. Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą poveikį. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Kalbama apie karšto ir šalto vandens savybių skirtumus, tačiau dar neaišku, kurios savybės šiuo atveju turi įtakos: peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos ar suskystintų dujų poveikio vandeniui skirtumai. skirtingos temperatūros. Mpemba efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atšąla iki temperatūros aplinką, turi būti proporcinga temperatūrų skirtumui tarp šio kūno ir aplinkos. Šį dėsnį nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis daug kartų buvo patvirtintas praktikoje. Dėl šio poveikio vanduo, kurio temperatūra 100 °C, atvėsta iki 0 °C greičiau nei toks pat vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 °C.
Nuo tada buvo išsakomos įvairios versijos, viena iš jų buvo tokia: dalis karšto vandens iš pradžių tiesiog išgaruoja, o vėliau, kai jo lieka mažiau, vanduo greičiau užšąla. Ši versija dėl savo paprastumo tapo populiariausia, tačiau mokslininkų visiškai netenkino.
Dabar Singapūro Nanyang technologijos universiteto mokslininkų komanda, vadovaujama chemiko Xi Zhang, teigia, kad išsprendė seną paslaptį, kodėl šiltas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Kaip išsiaiškino Kinijos ekspertai, paslaptis slypi energijos kiekyje, sukauptame vandeniliniuose ryšiuose tarp vandens molekulių.
Kaip žinote, vandens molekulės susideda iš vieno deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų, sujungtų kovalentinėmis jungtimis, kurios dalelių lygyje atrodo kaip elektronų mainai. Kitas žinomas faktas slypi tame, kad vandenilio atomus pritraukia deguonies atomai iš gretimų molekulių – ir susidaro vandenilio ryšiai.
Tuo pačiu metu vandens molekulės paprastai atstumia viena kitą. Mokslininkai iš Singapūro pastebėjo: kuo šiltesnis vanduo, tuo didesnis atstumas tarp skysčio molekulių dėl didėjančių atstumiamųjų jėgų. Dėl to vandeniliniai ryšiai ištempiami, todėl sukaupia daugiau energijos. Ši energija išsiskiria vandeniui vėsstant – molekulės priartėja viena prie kitos. O energijos išleidimas, kaip žinoma, reiškia vėsinimą.
Štai mokslininkų iškeltos prielaidos:
Garavimas
Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Iki 100°C pašildytas vanduo, atvėsęs iki 0°C, praranda 16% savo masės. Garavimo efektas yra dvigubas. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Ir, antra, dėl garavimo sumažėja jo temperatūra.
Temperatūros skirtumas
Dėl to, kad karšto vandens ir šalto oro temperatūrų skirtumas yra didesnis, todėl šilumos mainai šiuo atveju yra intensyvesni ir karštas vanduo greičiau atvėsta.
Hipotermija
Kai vanduo atšąla žemiau 0°C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali peršalti ir toliau išlikti skystas esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai. Kai kuriais atvejais vanduo gali išlikti skystas net esant -20°C temperatūrai. Šio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų formavimo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris pakankamai, kad kristalai susidarytų savaime. Kai jie pradės formuotis peraušintame skystyje, jie pradės sparčiau augti, sudarydami purviną ledą, kuris užšals ir susidarys ledas. Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali būti ledo kristalų susidarymo centrai. Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo greičiau užšąla? Šalto vandens, kuris nėra peršalęs, atveju nutinka taip: ant jo paviršiaus susidaro plonas ledo sluoksnis, kuris atlieka izoliacijos funkciją tarp vandens ir šalto oro ir taip apsaugo nuo tolesnio garavimo. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršiaus ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų jis daug greičiau praranda šilumą. Kai peršalimo procesas baigiasi ir vanduo užšąla, prarandama daug daugiau šilumos, todėl susidaro daugiau ledo. Daugelis šio poveikio tyrinėtojų mano, kad hipotermija yra pagrindinis veiksnys Mpemba efekto atveju.
Konvekcija
Šaltas vanduo pradeda užšalti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios. Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 °C temperatūroje. Jei vandenį atvėsinsite iki 4°C ir pastatysite į žemesnės temperatūros aplinką, paviršinis vandens sluoksnis užšals greičiau. Kadangi šis vanduo yra mažesnis nei 4°C temperatūros vanduo, jis išliks paviršiuje ir sudarys ploną sluoksnį šaltas sluoksnis. Tokiomis sąlygomis per trumpą laiką vandens paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4°C. . Štai kodėl tolesnis procesas vėsinimas vyks lėčiau. Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnis skirtumas temperatūros Taip pat šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis grims žemyn, šilto vandens sluoksnį iškeldamas į paviršių. Tokia vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą. Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą konvekcijos požiūriu, reikėtų daryti prielaidą, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 °C. Tačiau nėra jokių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti konvekcijos procesu.
Vandenyje ištirpusios dujos
Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų – deguonies ir anglies dioksido. Šios dujos turi galimybę sumažinti vandens užšalimo temperatūrą. Kaitinamas vanduo, šios dujos išsiskiria iš vandens, nes jų tirpumas vandenyje yra aukštos temperatūrosžemiau. Todėl karštam vandeniui atvėsus, jame visada būna mažiau ištirpusių dujų nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis veiksnys kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra.
Šilumos laidumas
Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldiklį šaldymo kamera mažose talpyklose. Esant tokioms sąlygoms, buvo pastebėta, kad karšto vandens indas ištirpdo apačioje esantį šaldiklį ledą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Dėl to šiluma iš karšto vandens indo pašalinama greičiau nei iš šalto. Savo ruožtu indas su šaltu vandeniu neištirpdo po juo esančio sniego. Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau vienareikšmiško atsakymo į klausimą – kurios iš jų užtikrina 100% Mpemba efekto atkūrimą – taip ir nepavyko gauti. Pavyzdžiui, 1995 metais vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė peršalimo vandens poveikį šiam poveikiui. Jis atrado, kad karštas vanduo, pasiekęs peršalimo būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas, taigi ir greičiau nei pastarasis. Tačiau šaltas vanduo peršalimo būseną pasiekia greičiau nei karštas, taip kompensuodamas ankstesnį atsilikimą. Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesniems duomenims, kad karštas vanduo galėjo pasiekti didesnį peršalimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pasišalina jame ištirpusios dujos, o verdant nusėda dalis jame ištirpusių druskų. Kol kas galima teigti tik vieną dalyką: šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas.
Tačiau, kaip sakoma, labiausiai tikėtina priežastis.
Kaip rašo chemikai savo straipsnyje, kurį galima rasti išankstinio spausdinimo svetainėje arXiv.org, vandenilio jungtys yra stipresnės karštame vandenyje nei šaltame vandenyje. Taigi paaiškėja, kad karšto vandens vandeniliniuose ryšiuose sukaupiama daugiau energijos, o tai reiškia, kad daugiau jos išsiskiria atvėsus iki minusinės temperatūros. Dėl šios priežasties kietėjimas vyksta greičiau.
Iki šiol mokslininkai šią paslaptį išsprendė tik teoriškai. Kai jie pateikia įtikinamus savo versijos įrodymus, klausimas, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas, gali būti laikomas uždaru.
Mpemba efektas(Mpembos paradoksas) – paradoksas, teigiantis, kad karštas vanduo tam tikromis sąlygomis užšąla greičiau nei šaltas, nors užšalimo procese turi išlaikyti šalto vandens temperatūrą. Šis paradoksas yra eksperimentinis faktas, prieštaraujantis įprastoms idėjoms, pagal kurias tomis pačiomis sąlygomis labiau įkaitusiam kūnui reikia daugiau laiko atvėsti iki tam tikros temperatūros, nei mažiau įkaitusiam kūnui atvėsti iki tokios pat temperatūros.
Šį reiškinį vienu metu pastebėjo Aristotelis, Francis Baconas ir Rene Descartesas, tačiau tik 1963 metais Tanzanijos moksleivis Erasto Mpemba atrado, kad karštas ledų mišinys užšąla greičiau nei šaltas.
Būdamas Magambi vidurinės mokyklos Tanzanijoje mokinys, Erasto Mpemba atliko praktinį virėjo darbą. Jam reikėjo pasigaminti naminių ledų – užvirti pieną, ištirpinti jame cukrų, atvėsinti iki kambario temperatūros, o tada padėti į šaldytuvą sustingti. Matyt, Mpemba nebuvo itin stropus mokinys ir delsė atlikti pirmąją užduoties dalį. Bijodamas, kad iki pamokos pabaigos nespės, į šaldytuvą įdėjo dar karšto pieno. Jo nuostabai, jis užšalo net anksčiau nei jo bendražygių pienas, paruoštas pagal nurodytą technologiją.
Po to Mpemba eksperimentavo ne tik su pienu, bet ir su paprastu vandeniu. Bet kuriuo atveju, jau būdamas Mkwavos vidurinės mokyklos mokinys, profesoriaus Denniso Osborne'o iš Dar Es Salamo universiteto koledžo (mokyklos direktoriaus pakviestas skaityti paskaitą apie fiziką studentams) jis paklausė konkrečiai apie vandenį: „Jei imtumėt du vienodus indus su vienodais vandens kiekiais, kad viename vandens temperatūra būtų 35°C, o kitame - 100°C, ir įdėkite į šaldiklį, tada antrame vanduo užšaltų greičiau. Kodėl?" Osborne'as susidomėjo šiuo klausimu ir netrukus, 1969 m., jis ir Mpemba paskelbė savo eksperimentų rezultatus žurnale Physics Education. Nuo tada jų atrastas efektas buvo vadinamas Mpemba efektas.
Iki šiol niekas tiksliai nežino, kaip paaiškinti šį keistą poveikį. Mokslininkai neturi vienos versijos, nors jų yra daug. Kalbama apie karšto ir šalto vandens savybių skirtumus, tačiau dar neaišku, kurios savybės šiuo atveju turi įtakos: peršalimo, garavimo, ledo susidarymo, konvekcijos ar suskystintų dujų poveikio vandeniui skirtumai. skirtingos temperatūros.
Mpemba efekto paradoksas yra tas, kad laikas, per kurį kūnas atšąla iki aplinkos temperatūros, turi būti proporcingas šio kūno ir aplinkos temperatūrų skirtumui. Šį dėsnį nustatė Niutonas ir nuo to laiko jis daug kartų buvo patvirtintas praktikoje. Dėl šio poveikio vanduo, kurio temperatūra 100 °C, atvėsta iki 0 °C greičiau nei toks pat vandens kiekis, kurio temperatūra yra 35 °C.
Tačiau tai dar nereiškia paradokso, nes Mpemba efektą galima paaiškinti žinomos fizikos rėmuose. Štai keletas Mpemba efekto paaiškinimų:
Garavimas
Karštas vanduo greičiau išgaruoja iš talpyklos, todėl sumažėja jo tūris, o mažesnis tos pačios temperatūros vandens kiekis greičiau užšąla. Iki 100 C pašildytas vanduo, atvėsęs iki 0 C, praranda 16 % savo masės.
Garavimo efektas yra dvigubas. Pirma, sumažėja aušinimui reikalingo vandens masė. Antra, temperatūra mažėja dėl to, kad perėjimo iš vandens fazės į garo fazę garavimo šiluma mažėja.
Temperatūros skirtumas
Dėl to, kad karšto vandens ir šalto oro temperatūrų skirtumas yra didesnis, todėl šilumos mainai šiuo atveju yra intensyvesni ir karštas vanduo greičiau atvėsta.
Hipotermija
Kai vanduo atšąla žemiau 0 C, jis ne visada užšąla. Tam tikromis sąlygomis jis gali peršalti ir toliau išlikti skystas esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai. Kai kuriais atvejais vanduo gali išlikti skystas net esant –20 C temperatūrai.
Šio poveikio priežastis yra ta, kad tam, kad pradėtų formuotis pirmieji ledo kristalai, reikalingi kristalų formavimo centrai. Jei skystame vandenyje jų nėra, per didelis aušinimas tęsis tol, kol temperatūra nukris pakankamai, kad kristalai susidarytų savaime. Kai jie pradės formuotis peraušintame skystyje, jie pradės sparčiau augti, sudarydami purviną ledą, kuris užšals ir susidarys ledas.
Karštas vanduo yra jautriausias hipotermijai, nes jį kaitinant pašalinamos ištirpusios dujos ir burbuliukai, kurie savo ruožtu gali būti ledo kristalų susidarymo centrai.
Kodėl dėl hipotermijos karštas vanduo greičiau užšąla? Jei šaltas vanduo nėra peršaldytas, nutinka taip. Tokiu atveju ant indo paviršiaus susidarys plonas ledo sluoksnis. Šis ledo sluoksnis veiks kaip izoliatorius tarp vandens ir šalto oro ir neleis tolesniam garavimui. Ledo kristalų susidarymo greitis šiuo atveju bus mažesnis. Kai karštas vanduo yra peršaldomas, peršalęs vanduo neturi apsauginio paviršiaus ledo sluoksnio. Todėl per atvirą viršų jis daug greičiau praranda šilumą.
Kai peršalimo procesas baigiasi ir vanduo užšąla, prarandama daug daugiau šilumos, todėl susidaro daugiau ledo.
Daugelis šio poveikio tyrinėtojų mano, kad hipotermija yra pagrindinis veiksnys Mpemba efekto atveju.
Konvekcija
Šaltas vanduo pradeda užšalti iš viršaus, todėl pablogėja šilumos spinduliavimo ir konvekcijos procesai, taigi ir šilumos nuostoliai, o karštas vanduo pradeda užšalti iš apačios.
Šis poveikis paaiškinamas vandens tankio anomalija. Didžiausias vandens tankis yra 4 C. Jei vandenį atvėsinate iki 4 C ir pastatysite žemesnės temperatūros, paviršinis vandens sluoksnis sušals greičiau. Kadangi šis vanduo yra mažesnis nei 4 C temperatūros vanduo, jis išliks paviršiuje, sudarydamas ploną šaltą sluoksnį. Tokiomis sąlygomis per trumpą laiką vandens paviršiuje susidarys plonas ledo sluoksnis, tačiau šis ledo sluoksnis pasitarnaus kaip izoliatorius, apsaugantis apatinius vandens sluoksnius, kurių temperatūra išliks 4 C temperatūroje. Todėl tolesnis aušinimo procesas bus lėtesnis.
Karšto vandens atveju situacija yra visiškai kitokia. Paviršinis vandens sluoksnis greičiau atvės dėl garavimo ir didesnio temperatūrų skirtumo. Be to, šalto vandens sluoksniai yra tankesni nei karšto vandens sluoksniai, todėl šalto vandens sluoksnis grims žemyn, šilto vandens sluoksnį iškeldamas į paviršių. Tokia vandens cirkuliacija užtikrina greitą temperatūros kritimą.
Bet kodėl šis procesas nepasiekia pusiausvyros taško? Norint paaiškinti Mpemba efektą šiuo konvekcijos požiūriu, reikėtų manyti, kad šaltasis ir karštasis vandens sluoksniai yra atskirti, o pats konvekcijos procesas tęsiasi, vidutinei vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 C.
Tačiau nėra jokių eksperimentinių įrodymų, patvirtinančių šią hipotezę, kad šaltas ir karštas vandens sluoksniai yra atskirti konvekcijos procesu.
Vandenyje ištirpusios dujos
Vandenyje visada yra jame ištirpusių dujų – deguonies ir anglies dioksido. Šios dujos turi galimybę sumažinti vandens užšalimo temperatūrą. Kaitinant vandenį, šios dujos išsiskiria iš vandens, nes aukštoje temperatūroje jų tirpumas vandenyje yra mažesnis. Todėl karštam vandeniui atvėsus, jame visada būna mažiau ištirpusių dujų nei nešildomame šaltame vandenyje. Todėl pašildyto vandens užšalimo temperatūra yra aukštesnė ir jis greičiau užšąla. Šis veiksnys kartais laikomas pagrindiniu paaiškinant Mpemba efektą, nors eksperimentinių duomenų, patvirtinančių šį faktą, nėra.
Šilumos laidumas
Šis mechanizmas gali atlikti svarbų vaidmenį, kai vanduo dedamas į šaldytuvo skyriaus šaldiklį mažose talpyklose. Esant tokioms sąlygoms, buvo pastebėta, kad karšto vandens indas ištirpdo apačioje esantį šaldiklį ledą, taip pagerindamas šiluminį kontaktą su šaldiklio sienele ir šilumos laidumą. Dėl to šiluma iš karšto vandens indo pašalinama greičiau nei iš šalto. Savo ruožtu indas su šaltu vandeniu neištirpdo po juo esančio sniego.
Visos šios (kaip ir kitos) sąlygos buvo tiriamos atliekant daugybę eksperimentų, tačiau aiškaus atsakymo į klausimą – kuri iš jų užtikrina šimtaprocentinį Mpembos efekto atkūrimą – taip ir nepavyko gauti.
Pavyzdžiui, 1995 metais vokiečių fizikas Davidas Auerbachas ištyrė peršalimo vandens poveikį šiam poveikiui. Jis atrado, kad karštas vanduo, pasiekęs peršalimo būseną, užšąla aukštesnėje temperatūroje nei šaltas, taigi ir greičiau nei pastarasis. Tačiau šaltas vanduo peršalimo būseną pasiekia greičiau nei karštas, taip kompensuodamas ankstesnį atsilikimą.
Be to, Auerbacho rezultatai prieštaravo ankstesniems duomenims, kad karštas vanduo galėjo pasiekti didesnį peršalimą dėl mažiau kristalizacijos centrų. Kaitinant vandenį, iš jo pasišalina jame ištirpusios dujos, o verdant nusėda dalis jame ištirpusių druskų.
Kol kas galima teigti tik viena – šio efekto atkūrimas labai priklauso nuo sąlygų, kuriomis atliekamas eksperimentas. Būtent todėl, kad jis ne visada atgaminamas.
O. V. Mosinas
Literatūrinisšaltiniai:
"Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Kodėl tai daroma?", Jearl Walker iš The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Nr. 3, p. 246–257; 1977 metų rugsėjis.
„Karšto ir šalto vandens užšalimas“, G.S. Kell American Journal of Physics, Vol. 37, Nr. 5, p. 564–565; 1969 m. gegužės mėn.
„Supercooling and the Mpemba Effect“, David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, Nr. 10, p. 882-885; 1995 m. spalio mėn.
"Mpemba efektas: karšto ir šalto vandens užšalimo laikas", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, Nr. 5, p 524; 1996 m. gegužės mėn.
Vienas iš mano mėgstamiausių dalykų mokykloje buvo chemija. Kartą chemijos mokytojas davė mums labai keistą ir sunkią užduotį. Jis mums pateikė sąrašą klausimų, į kuriuos turėjome atsakyti chemijos klausimais. Šiai užduočiai atlikti buvo skirtos kelios dienos ir leista naudotis bibliotekomis ir kitais turimais informacijos šaltiniais. Vienas iš šių klausimų buvo susijęs su vandens užšalimo temperatūra. Neatsimenu, kaip tiksliai skambėjo klausimas, bet tai buvo apie tai, kad jei paimsite du vienodo dydžio medinius kibirus, vieną su karštu vandeniu, kitą su šaltu (su tiksliai nurodyta temperatūra) ir įdėsite į aplinka su tam tikra temperatūra, kuri iš jų bus Ar jie užšals greičiau? Žinoma, atsakymas iškart pasiūlė save – kibirą šalto vandens, bet manėme, kad tai per paprasta. Tačiau to nepakako, kad būtų pateiktas išsamus atsakymas; mums reikėjo tai įrodyti cheminiu požiūriu. Nepaisant visų savo mąstymo ir tyrimų, negalėjau padaryti logiškos išvados. Tą dieną net nusprendžiau praleisti šią pamoką, todėl taip ir nesužinojau, kaip išspręsti šią mįslę.
Praėjo metai, ir aš sužinojau daugybę kasdienių mitų apie vandens virimo ir užšalimo temperatūrą, o vienas mitas sako: „karštas vanduo užšąla greičiau“. Peržiūrėjau daug svetainių, bet informacija buvo per daug prieštaringa. Ir tai buvo tik nuomonės, nepagrįstos moksliniu požiūriu. Ir aš nusprendžiau išleisti savo patirtį. Kadangi neradau medinių kibirų, panaudojau šaldiklį, viryklę, šiek tiek vandens ir skaitmeninį termometrą. Apie savo patirties rezultatus papasakosiu šiek tiek vėliau. Pirmiausia pasidalinsiu su jumis keliais įdomiais argumentais apie vandenį:
Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Dauguma ekspertų teigia, kad šaltas vanduo užšals greičiau nei karštas. Tačiau vienas juokingas reiškinys (vadinamasis Membos efektas) dėl nežinomų priežasčių įrodo priešingai: karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Vienas iš kelių paaiškinimų yra garavimo procesas: jei labai karštas vanduo patalpinamas į šaltą aplinką, vanduo pradės garuoti (likęs vandens kiekis greičiau užšals). O pagal chemijos dėsnius tai visai ne mitas, ir greičiausiai tai mokytojas norėjo iš mūsų išgirsti.
Virintas vanduo užšąla greičiau nei vanduo iš čiaupo. Nepaisant ankstesnio paaiškinimo, kai kurie ekspertai teigia, kad virintas vanduo, atvėsęs iki kambario temperatūros, turėtų greičiau užšalti, nes verdant sumažėja deguonies kiekis.
Šaltas vanduo užverda greičiau nei karštas. Jei karštas vanduo užšąla greičiau, tai gal ir šaltas vanduo greičiau užverda! Tai prieštarauja sveikam protui ir mokslininkai teigia, kad taip tiesiog negali būti. Karštas vanduo iš čiaupo iš tikrųjų turėtų užvirti greičiau nei šaltas vanduo. Tačiau naudojant karštą vandenį virti, energijos netaupysime. Galite naudoti mažiau dujų ar šviesos, tačiau vandens šildytuvas sunaudos tiek pat energijos, kiek reikia šaltam vandeniui pašildyti. (SU saulės energija viskas yra šiek tiek kitaip). Vandens šildytuvu kaitinant vandenį gali atsirasti nuosėdų, todėl vanduo užtruks ilgiau.
Jei į vandenį įbersite druskos, jis greičiau užvirs. Druska padidina virimo temperatūrą (ir atitinkamai sumažina užšalimo temperatūrą – todėl kai kurios šeimininkės į ledus įdeda šiek tiek akmens druskos). Bet šiuo atveju mus domina kitas klausimas: kiek ilgai virs vanduo ir ar virimo temperatūra šiuo atveju gali pakilti virš 100°C). Nepaisant to, kas rašoma kulinarinėse knygose, mokslininkai teigia, kad į verdantį vandenį įberiame druskos kiekio nepakanka, kad paveiktų virimo laiką ar temperatūrą.
Bet štai ką aš gavau:
Šaltas vanduo: sunaudojau tris 100 ml stiklines išvalyto vandens: vieną stiklinę kambario temperatūros (72 °F/22 °C), vieną su karštu vandeniu (115 °F/46 °C) ir vieną su virintu vandeniu (212 °C). °F/100 °C). Visas tris stiklines padėjau į šaldiklį -18°C. Ir kadangi žinojau, kad vanduo iš karto nepavirs ledu, užšalimo laipsnį nustatiau naudodamas „medinę plūdę“. Kai stiklinės centre įdėtas pagaliukas nebeliečia pagrindo, laikiau, kad vanduo užšalęs. Akinius tikrinau kas penkias minutes. Ir kokie mano rezultatai? Pirmoje stiklinėje vanduo užšalo po 50 minučių. Karštas vanduo užšalo po 80 minučių. Virinama – po 95 min. Mano išvados: Atsižvelgiant į sąlygas šaldiklyje ir naudojamą vandenį, aš negalėjau atkurti Memba efekto.
Šį eksperimentą išbandžiau ir su anksčiau virintu vandeniu, atvėsusiu iki kambario temperatūros. Jis sustingo per 60 minučių – užšalimas vis tiek užtruko ilgiau nei šaltas vanduo.
Virintas vanduo: paėmiau litrą kambario temperatūros vandens ir padėjau ant ugnies. Išvirė per 6 minutes. Tada atvėsinau iki kambario temperatūros ir įdėjau, kol buvo karšta. Su ta pačia ugnimi karštas vanduo užvirė per 4 valandas ir 30 minučių. Išvada: Kaip ir tikėtasi, karštas vanduo užverda daug greičiau.
Virintas vanduo (su druska): 1 litrui vandens įdėjau 2 didelius valgomuosius šaukštus valgomosios druskos. Jis užvirė per 6 minutes 33 sekundes ir, kaip rodė termometras, pasiekė 102°C temperatūrą. Neabejotinai druska turi įtakos virimo temperatūrai, bet ne daug. Išvada: druska vandenyje neturi didelės įtakos temperatūrai ir virimo laikui. Nuoširdžiai prisipažįstu, kad mano virtuvę vargu ar galima pavadinti laboratorija, o galbūt mano išvados prieštarauja tikrovei. mano šaldiklis maistas gali užšalti netolygiai. Mano stikliniai akiniai gali būti netaisyklingos formos, ir kt. Bet kad ir kas atsitiktų laboratorijoje, kada mes kalbame apie Kalbant apie vandens šaldymą ar virimą virtuvėje, svarbiausia – sveikas protas.
nuoroda su Įdomūs faktai apie vandenį viskas apie vandenį
kaip siūloma forume forum.ixbt.com, šis efektas (kai karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas vanduo) vadinamas „Aristotelio-Mpembos efektu“.
Tie. Virintas vanduo (atšaldytas) užšąla greičiau nei „žalias“ vanduo
Sveiki mieli mylėtojai Įdomūs faktai. Šiandien mes kalbėsime su jumis apie. Bet manau, kad pavadinime užduotas klausimas gali atrodyti tiesiog absurdiškas – bet visada reikia nedalomai pasitikėti liūdnai pagarsėjusiu „sveiku protu“, o ne griežtai nustatytu bandomuoju eksperimentu. Pabandykime išsiaiškinti, kodėl karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas?
Istorinė nuoroda
Kad šalto ir karšto vandens užšalimo klausimu „ne viskas tyra“ buvo paminėta Aristotelio darbuose, tada panašius užrašus padarė F. Baconas, R. Descartesas ir J. Blackas. IN modernioji istorijaŠis efektas buvo pavadintas „Mpembos paradoksas“ pagal Tanganikos moksleivio Erasto Mpembos vardą, kuris uždavė tą patį klausimą atvykusiam fizikos profesoriui.
Berniuko klausimas kilo ne iš niekur, o iš grynai asmeninių pastebėjimų apie ledų mišinių aušinimo procesą virtuvėje. Žinoma, ten buvę bendraklasiai kartu su mokyklos mokytoja prajuokino Mpembą – tačiau po asmeniškai profesoriaus D. Osborne'o atlikto eksperimentinio testo noras pasijuokti iš Erasto „išgaravo“. Negana to, Mpemba kartu su profesoriumi 1969 metais išspausdino išsamų šio efekto aprašymą fizikos ugdyme – ir nuo tada minėtas pavadinimas buvo užfiksuotas mokslinėje literatūroje.
Kokia reiškinio esmė?
Eksperimento sąranka gana paprasta: esant visiems kitiems lygiems dalykams, bandomi identiški plonasieniai indai, kuriuose yra griežtai vienodi vandens kiekiai, besiskiriantys tik temperatūra. Indai pakraunami į šaldytuvą, po to fiksuojamas laikas, kol kiekviename iš jų susiformuoja ledas. Paradoksas yra tas, kad inde su iš pradžių karštesniu skysčiu tai vyksta greičiau.
Kaip tai paaiškina šiuolaikinė fizika?
Paradoksas neturi universalaus paaiškinimo, nes kartu vyksta keli lygiagrečiai procesai, kurių indėlis gali skirtis priklausomai nuo konkrečių pradinių sąlygų, tačiau turi vienodą rezultatą:
- skysčio gebėjimas peršalti – iš pradžių šaltas vanduo yra labiau linkęs peršalti, t.y. išlieka skystas, kai jo temperatūra jau yra žemiau užšalimo taško
- pagreitintas aušinimas - garai iš karšto vandens virsta ledo mikrokristalais, kurie, krisdami atgal, pagreitina procesą, veikdami kaip papildomas „išorinis šilumokaitis“
- izoliacijos efektas - skirtingai nei karštas vanduo, šaltas vanduo užšąla iš viršaus, todėl sumažėja šilumos perdavimas konvekcija ir radiacija
Yra daugybė kitų paaiškinimų (paskutinį kartą Britanijos karališkoji chemijos draugija geriausios hipotezės konkursą surengė neseniai, 2012 m.), tačiau nėra vienareikšmės teorijos visiems derinių atvejams. įvesties sąlygos vis dar neegzistuoja...
