Mpembův efekt aneb proč horká voda mrzne rychleji než studená? Mpembův efekt (Mpembův paradox) je paradox, který říká, že horká voda za určitých podmínek mrzne rychleji než studená voda, i když během procesu zmrazování musí projít teplotou studené vody. Tento paradox je experimentálním faktem, který je v rozporu s obvyklými představami, podle kterých za stejných podmínek trvá více zahřátému tělesu ochlazení na určitou teplotu více času než méně zahřátému tělesu, aby se zchladilo na stejnou teplotu. Tohoto jevu si svého času všimli Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes, ale teprve v roce 1963 tanzanský školák Erasto Mpemba zjistil, že horká zmrzlinová směs mrzne rychleji než studená. Erasto Mpemba jako student střední školy Magambi v Tanzanii vykonával praktickou práci jako kuchař. Potřeboval udělat domácí zmrzlinu – uvařit mléko, rozpustit v něm cukr, zchladit na pokojovou teplotu a pak dát zmrazit do lednice. Mpemba zjevně nebyl nijak zvlášť pilný student a zdržoval dokončení první části úkolu. Ze strachu, že to do konce lekce nestihne, dal ještě horké mléko do lednice. K jeho překvapení zmrzlo ještě dříve než mléko jeho soudruhů, připravené podle dané technologie. Poté Mpemba experimentoval nejen s mlékem, ale také s obyčejnou vodou. V každém případě se již jako student střední školy Mkwava zeptal profesora Dennise Osbornea z University College v Dar Es Salaamu (pozván ředitelem školy, aby přednesl studentům přednášku o fyzice) konkrétně o vodě: „Pokud si vezmete dvě stejné nádoby se stejnými objemy vody, takže v jedné z nich má voda teplotu 35 ° C a ve druhé - 100 ° C a vložte je do mrazničky, ve druhé pak voda zmrzne rychleji. Proč?" Osborne se o tuto problematiku začal zajímat a brzy, v roce 1969, on a Mpemba publikovali výsledky svých experimentů v časopise Physics Education. Od té doby se jim objevený efekt nazývá Mpembův efekt. Až dosud nikdo přesně neví, jak tento podivný efekt vysvětlit. Vědci nemají jedinou verzi, i když existuje mnoho. Je to všechno o rozdílech ve vlastnostech horké a studené vody, ale zatím není jasné, které vlastnosti hrají v tomto případě roli: rozdíl v podchlazení, odpařování, tvorbě ledu, konvekci nebo vlivu zkapalněných plynů na vodu při různé teploty. Paradoxem Mpemba efektu je, že doba, za kterou se těleso ochladí na okolní teplotu, by měla být úměrná teplotnímu rozdílu mezi tímto tělesem a okolním prostředím. Tento zákon zavedl Newton a od té doby byl v praxi mnohokrát potvrzen. Při tomto efektu se voda o teplotě 100 °C ochladí na teplotu 0 °C rychleji než stejné množství vody o teplotě 35 °C. To však ještě neznamená paradox, protože Mpembův efekt lze vysvětlit v rámci známé fyziky. Zde je několik vysvětlení pro Mpembův efekt: Odpařování Horká voda se z nádoby rychleji odpařuje, čímž se zmenšuje její objem, a menší objem vody při stejné teplotě rychleji zmrzne. Voda ohřátá na 100 C ztrácí 16 % své hmoty při ochlazení na 0 C. Efekt odpařování je dvojí účinek. Za prvé, množství vody potřebné pro chlazení klesá. A za druhé, teplota klesá díky tomu, že se snižuje výparné teplo přechodu z vodní fáze do fáze páry. Rozdíl teplot Vzhledem k tomu, že rozdíl teplot mezi horká voda a je tam více studeného vzduchu - proto je výměna tepla v tomto případě intenzivnější a horká voda rychleji chladne. Podchlazení Když se voda ochladí pod 0 C, ne vždy zamrzne. Za určitých podmínek může dojít k podchlazení a při teplotách pod bodem mrazu zůstane kapalný. V některých případech může voda zůstat kapalná i při teplotě -20 C. Důvodem tohoto efektu je, že k tomu, aby se začaly tvořit první krystalky ledu, jsou potřeba centra tvorby krystalů. Pokud nejsou přítomny v kapalné vodě, bude podchlazení pokračovat, dokud teplota neklesne natolik, aby se krystaly spontánně vytvořily. Když se začnou tvořit v podchlazené kapalině, začnou rychleji růst a vytvoří rozbředlý led, který zmrzne a vytvoří led. Horká voda je nejnáchylnější k podchlazení, protože zahříváním se odstraňují rozpuštěné plyny a bublinky, které zase mohou sloužit jako centra pro tvorbu ledových krystalků. Proč podchlazení způsobuje rychlejší zamrzání horké vody? V případě studené vody, která není podchlazená, se stane následující. V tomto případě se na povrchu nádoby vytvoří tenká vrstva ledu. Tato vrstva ledu bude fungovat jako izolant mezi vodou a studeným vzduchem a zabrání dalšímu odpařování. Rychlost tvorby ledových krystalů bude v tomto případě nižší. V případě horké vody vystavené podchlazení nemá podchlazená voda ochrannou povrchovou vrstvu ledu. Otevřeným vrškem proto ztrácí teplo mnohem rychleji. Když proces přechlazení skončí a voda zamrzne, ztrácí se mnohem více tepla, a proto se tvoří více ledu. Mnoho badatelů tohoto efektu považuje hypotermii za hlavní faktor v případě Mpemba efektu. Konvekce Studená voda začíná zamrzat shora, čímž se zhoršují procesy sálání a proudění tepla a tím i tepelné ztráty, zatímco horká voda začíná zamrzat zdola. Tento efekt se vysvětluje anomálií v hustotě vody. Voda má maximální hustotu při 4 C. Pokud vodu zchladíte na 4 C a dáte ji na nižší teplotu, povrchová vrstva vody rychleji zamrzne. Protože je tato voda méně hustá než voda o teplotě 4 C, zůstane na povrchu a vytvoří tenkou studenou vrstvu. Za těchto podmínek se na povrchu vody na krátkou dobu vytvoří tenká vrstva ledu, ale tato vrstva ledu bude fungovat jako izolant, chránící spodní vrstvy vody, které zůstanou při teplotě 4 C. Proto bude další proces chlazení pomalejší. V případě teplé vody je situace úplně jiná. Povrchová vrstva vody se rychleji ochladí v důsledku odpařování a větší rozdíl teploty Studené vrstvy vody jsou navíc hustší než vrstvy horká voda, takže vrstva studené vody klesne dolů a zvedne vrstvu teplé vody na povrch. Tato cirkulace vody zajišťuje rychlý pokles teploty. Proč ale tento proces nedosáhne bodu rovnováhy? Pro vysvětlení Mpemba efektu z tohoto pohledu konvekce by bylo nutné předpokládat, že se oddělí studená a horká vrstva vody a samotný proces konvekce pokračuje po poklesu průměrné teploty vody pod 4 C. Neexistuje však experimentální data, která by potvrdila tuto hypotézu, že studené a horké vrstvy vody jsou odděleny procesem konvekce. Plyny rozpuštěné ve vodě Voda vždy obsahuje v ní rozpuštěné plyny - kyslík a oxid uhličitý. Tyto plyny mají schopnost snižovat bod tuhnutí vody. Při zahřívání vody se tyto plyny uvolňují z vody, protože jejich rozpustnost ve vodě je vysoká vysoká teplota níže. Když se tedy horká voda ochladí, vždy obsahuje méně rozpuštěných plynů než v neohřáté studené vodě. Proto je bod tuhnutí ohřáté vody vyšší a rychleji zamrzne. Tento faktor je někdy považován za hlavní při vysvětlování Mpembova efektu, ačkoli neexistují žádná experimentální data potvrzující tuto skutečnost. Tepelná vodivost Tento mechanismus může hrát významnou roli, když je voda umístěna v chladničce s mrazničkou v malých nádobách. Za těchto podmínek bylo pozorováno, že nádoba s horkou vodou rozpouští led v mrazničce pod ní, čímž se zlepšuje tepelný kontakt se stěnou mrazničky a tepelná vodivost. Díky tomu se teplo z nádoby na teplou vodu odvádí rychleji než ze studené. Nádoba se studenou vodou zase nerozpustí sníh pod ní. Všechny tyto (ale i jiné) podmínky byly studovány v mnoha experimentech, ale jednoznačná odpověď na otázku - které z nich poskytují stoprocentní reprodukci Mpemba efektu - nebyla nikdy získána. Například v roce 1995 studoval německý fyzik David Auerbach vliv podchlazené vody na tento efekt. Zjistil, že horká voda, která dosáhne podchlazeného stavu, mrzne při vyšší teplotě než studená voda, a proto rychleji než studená voda. Ale studená voda dosáhne podchlazeného stavu rychleji než horkého, čímž kompenzuje předchozí zpoždění. Navíc Auerbachovy výsledky byly v rozporu s předchozími údaji, že horká voda byla schopna dosáhnout většího podchlazení díky menšímu počtu krystalizačních center. Při zahřívání vody se z ní odstraňují plyny v ní rozpuštěné a při varu se vysráží některé soli v ní rozpuštěné. Prozatím lze konstatovat jediné – reprodukce tohoto efektu výrazně závisí na podmínkách, za kterých se experiment provádí. Právě proto, že se ne vždy reprodukuje. O. V. Mosin

Mnoho výzkumníků předložilo a předkládá své vlastní verze, proč horká voda mrzne rychleji než studená. Zdálo by se to jako paradox – vždyť aby mohla zamrznout, musí horká voda nejprve vychladnout. Faktem však zůstává skutečnost a vědci ji vysvětlují různými způsoby.

Hlavní verze

V současné době existuje několik verzí, které tuto skutečnost vysvětlují:

1. Protože se horká voda rychleji odpařuje, její objem se zmenšuje. A zmrznutí menšího množství vody při stejné teplotě nastává rychleji.
2. Mrazicí oddíl chladničky má sněhovou vložku. Nádoba s horkou vodou rozpouští sníh pod ní. To zlepšuje tepelný kontakt s mrazničkou.
3. Zmrazování studené vody na rozdíl od horké vody začíná nahoře. Zároveň se zhoršuje konvekce a sálání tepla a tím i tepelné ztráty.
4. Studená voda obsahuje krystalizační centra – látky v ní rozpuštěné. Pokud je jejich obsah ve vodě malý, je námraza obtížná, i když zároveň je možné podchlazení - když má při teplotách pod nulou kapalné skupenství.

I když spravedlivě můžeme říci, že tento efekt není vždy pozorován. Velmi často studená voda mrzne rychleji než horká voda.

Při jaké teplotě voda mrzne

Proč voda vůbec zamrzá? Obsahuje určité množství minerálních nebo organických částic. Mohou to být například velmi malé částice písku, prachu nebo hlíny. S klesající teplotou vzduchu jsou tyto částice středy, kolem kterých se tvoří ledové krystaly.

Roli krystalizačních zárodků mohou hrát i vzduchové bubliny a praskliny v nádobě obsahující vodu. Rychlost procesu přeměny vody na led je do značné míry ovlivněna počtem takových center – pokud jich je hodně, kapalina rychleji zamrzne. Za normálních podmínek, s normálními atmosférický tlak, voda přechází z kapaliny do pevného skupenství při teplotě 0 stupňů.

Podstata Mpemba efektu

Mpembův efekt je paradox, jehož podstatou je, že za určitých okolností horká voda zamrzne rychleji než studená. Tohoto jevu si všimli Aristoteles a Descartes. Až v roce 1963 však tanzanský školák Erasto Mpemba zjistil, že horká zmrzlina zmrzne déle. krátký čas než studená. K tomuto závěru dospěl při plnění kuchařského úkolu.

Musel rozpustit cukr ve vařeném mléce a po vychladnutí ho umístit do lednice, aby zmrazil. Mpemba zjevně nebyl nijak zvlášť pilný a první část úkolu začal plnit pozdě. Proto nečekal, až mléko vychladne, a dal ho horké do lednice. Velmi ho překvapilo, když mrzlo ještě rychleji než jeho spolužáci, kteří práci dělali v souladu s danou technologií.

Tato skutečnost mladého muže velmi zaujala a začal experimentovat s obyčejnou vodou. V roce 1969 publikoval časopis Physics Education výsledky výzkumu Mpemby a profesora Dennise Osborna z University of Dar Es Salaam. Efekt, který popsali, dostal jméno Mpemba. Ani dnes však neexistuje jasné vysvětlení tohoto jevu. Všichni vědci se shodují, že hlavní roli v tom mají rozdíly ve vlastnostech chlazené a horké vody, ale co přesně, není známo.

Singapurská verze

Fyziky z jedné ze singapurských univerzit také zajímala otázka, která voda mrzne rychleji – horká nebo studená? Tým výzkumníků vedený Xi Zhangem vysvětlil tento paradox právě vlastnostmi vody. Všichni ostatní s školní dny Složení vody je známé – atom kyslíku a dva atomy vodíku. Kyslík do určité míry odtahuje elektrony od vodíku, takže molekula je určitým druhem „magnetu“.

V důsledku toho se určité molekuly ve vodě k sobě mírně přitahují a jsou spojeny vodíkovou můstkem. Jeho síla je mnohonásobně nižší než u kovalentní vazby. Singapurští vědci se domnívají, že vysvětlení Mpembova paradoxu spočívá právě ve vodíkových můstcích. Pokud jsou molekuly vody umístěny velmi těsně k sobě, pak taková silná interakce mezi molekulami může deformovat kovalentní vazbu uprostřed samotné molekuly.

Ale když se voda zahřívá, vázané molekuly se od sebe mírně vzdalují. V důsledku toho dochází k relaxaci kovalentních vazeb uprostřed molekul s uvolněním přebytečné energie a přechodem na nižší energetickou hladinu. To vede k tomu, že horká voda začne rychle chladnout. Alespoň to ukazují teoretické výpočty provedené singapurskými vědci.

Okamžitě mrazivá voda - 5 neuvěřitelných triků: Video

V tomto článku se podíváme na otázku, proč horká voda zamrzá rychleji než studená.

Ohřátá voda zamrzne mnohem rychleji než studená! Tato úžasná vlastnost vody, pro kterou vědci stále nemohou najít přesné vysvětlení, je známá již od starověku. Například i u Aristotela je popis zimního rybolovu: rybáři vkládali rybářské pruty do děr v ledu, a aby rychleji zamrzly, lili na led teplou vodu. Tento fenomén byl pojmenován po Erastovi Mpembovi v 60. letech 20. století. Mnemba si při výrobě zmrzliny všiml zvláštního efektu a obrátil se na svého učitele fyziky, doktora Denise Osborna, aby mu vysvětlil. Mpemba a Dr. Osborne experimentovali s vodou o různých teplotách a došli k závěru, že téměř vroucí voda začíná mrznout mnohem rychleji než voda při pokojové teplotě. Jiní vědci provedli své vlastní experimenty a pokaždé získali podobné výsledky.

Vysvětlení fyzikálního jevu

Neexistuje žádné obecně přijímané vysvětlení, proč k tomu dochází. Mnoho výzkumníků naznačuje, že celý bod je v podchlazení kapaliny, ke kterému dochází, když její teplota klesne pod bod mrazu. Jinými slovy, pokud voda zamrzne při teplotě pod 0 °C, pak může mít podchlazená voda teplotu například -2 °C a stále zůstane kapalná, aniž by se změnila v led. Když se pokusíme zmrazit studenou vodu, existuje šance, že se nejprve podchladí a až po nějaké době ztvrdne. V ohřáté vodě probíhají další procesy. Jeho rychlejší přeměna v led je spojena s konvekcí.

Proudění- jedná se o fyzikální jev, při kterém teplé spodní vrstvy kapaliny stoupají a horní, ochlazené, klesají.

Voda- z chemického hlediska poměrně jednoduchá látka, má však řadu neobvyklých vlastností, které vědce nepřestávají udivovat. Níže uvádíme několik faktů, o kterých ví jen málokdo.

1. Která voda mrzne rychleji – studená nebo horká?

Vezmeme si dvě nádoby s vodou: do jedné nalijeme horkou vodu a do druhé studenou a dáme je do mrazáku. Horká voda zamrzne rychleji než studená, i když logicky se měla studená voda nejprve proměnit v led: vždyť horká voda se musí nejprve ochladit na studenou teplotu a pak se proměnit v led, zatímco studená voda chladit nemusí. Proč se tohle děje?

V roce 1963 si tanzanský student jménem Erasto B. Mpemba při zmrazování zmrzlinové směsi všiml, že horká směs tuhne v mrazáku rychleji než studená. Když se mladík o svůj objev podělil se svým učitelem fyziky, jen se mu vysmál. Naštěstí byl student vytrvalý a přesvědčil učitele, aby provedl experiment, který potvrdil jeho objev: za určitých podmínek horká voda skutečně mrzne rychleji než studená.

Nyní se tento jev, kdy horká voda mrzne rychleji než studená voda, nazývá „ Mpemba efekt" Pravda, dávno před ním tuto jedinečnou vlastnost vody zaznamenali Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes.

Vědci stále plně nechápou podstatu tohoto jevu, vysvětlují jej buď rozdílem v podchlazení, vypařování, tvorbě ledu, konvekci, nebo vlivem zkapalněných plynů na horkou a studenou vodu.

2. Může okamžitě zmrznout

To ví každý voda při ochlazení na 0°C se vždy změní na led... až na výjimky! Takovým případem je například přechlazení, což je vlastnost velmi čistá voda zůstávají kapalné i při ochlazení pod bod mrazu. Tento jev je možný díky tomu, že životní prostředí neobsahuje centra ani jádra krystalizace, která by mohla vyvolat tvorbu ledových krystalků. A tak voda zůstává v kapalné formě i při ochlazení pod nulu stupňů Celsia.

Proces krystalizace může být způsobeno např. bublinkami plynu, nečistotami (kontaminanty) nebo nerovným povrchem nádoby. Bez nich zůstane voda v kapalném stavu. Když začne proces krystalizace, můžete sledovat, jak se přechlazená voda okamžitě mění v led.

Všimněte si, že „přehřátá“ voda také zůstává kapalná, i když je zahřátá nad bod varu.

3. 19 skupenství vody

Bez váhání pojmenujte, kolik různé podmínky je tam blízko vody? Pokud jste odpověděli tři: pevná látka, kapalina, plyn, pak jste se mýlili. Vědci rozlišují nejméně 5 různých skupenství vody v kapalné formě a 14 skupenství ve zmrzlé formě.

Pamatujete si na rozhovor o superchlazené vodě? Ať tedy děláte, co děláte, při -38 °C se i ta nejčistší superchlazená voda rázem promění v led. Co se stane, až bude teplota dále klesat? Při -120 °C se s vodou začne dít něco zvláštního: stane se superviskózní nebo viskózní jako melasa a při teplotách pod -135 °C se změní na „sklivou“ nebo „sklivou“ vodu – pevnou látku, která postrádá krystaly. struktura.

4. Voda fyziky překvapuje

Na molekulární úrovni je voda ještě překvapivější. V roce 1995 přinesl experiment s rozptylem neutronů, který provedli vědci, neočekávaný výsledek: fyzici zjistili, že neutrony zaměřené na molekuly vody „vidí“ o 25 % méně vodíkových protonů, než se očekávalo.

Ukázalo se, že rychlostí jedné attosekundy (10-18 sekund) dochází k neobvyklému kvantovému efektu a místo toho chemický vzorec vody H2O, stane se H1,5O!

5. Paměť vody

Alternativa k oficiální medicíně homeopatie uvádí, že zředěný roztok léčiva může mít na organismus léčivý účinek, i když je faktor zředění tak velký, že v roztoku nezůstane nic kromě molekul vody. Zastánci homeopatie vysvětlují tento paradox konceptem zvaným „ vodní paměť“, podle kterého má voda na molekulární úrovni „paměť“ látky, která v ní byla kdysi rozpuštěna, a zachovává si vlastnosti roztoku o původní koncentraci poté, co v ní nezůstane jediná molekula složky.

Mezinárodní tým vědců vedený profesorkou Madeleine Ennis z Queen's University of Belfast, která kritizovala principy homeopatie, provedla v roce 2002 experiment, aby tento koncept jednou provždy vyvrátila. Výsledek byl opačný. Poté vědci uvedli, že byli schopni prokázat realitu účinku “ vodní paměť" Experimenty prováděné pod dohledem nezávislých odborníků však výsledky nepřinesly. Spory o existenci fenoménu " vodní paměť"pokračovat.

Voda má mnoho dalších neobvyklých vlastností, o kterých jsme v tomto článku nemluvili. Například hustota vody se mění v závislosti na teplotě (hustota ledu je menší než hustota vody); voda má poměrně vysoké povrchové napětí; v kapalném stavu je voda komplexní a dynamicky se měnící sítí vodních shluků a právě chování shluků ovlivňuje strukturu vody atd.

O těchto a mnoha dalších nečekaných funkcích voda si můžete přečíst v článku " Anomální vlastnosti vody“, jehož autorem je Martin Chaplin, profesor na University of London.

Ahoj milí milenci zajímavosti. Dnes s vámi budeme mluvit o. Myslím si ale, že otázka položená v názvu se může zdát jednoduše absurdní – ale člověk by měl vždy bezvýhradně věřit notoricky známému „selskému rozumu“ a ne striktně zavedenému testovacímu experimentu. Zkusme přijít na to, proč horká voda mrzne rychleji než studená?

Historický odkaz

Že v problematice mrazivé a horké vody „ne všechno je čisté“ bylo zmíněno v dílech Aristotela, pak podobné poznámky učinili F. Bacon, R. Descartes a J. Black. V moderní historie Tento efekt dostal název „Mpembův paradox“ – po školákovi z Tanganiky Erastovi Mpembovi, který položil stejnou otázku hostujícímu profesorovi fyziky.

Chlapcova otázka nevznikla z ničeho nic, ale z čistě osobních pozorování procesu chlazení zmrzlinových směsí v kuchyni. Přítomní spolužáci spolu s učitelkou Mpembu samozřejmě rozesmáli - po experimentálním testu osobně profesorem D. Osbornem z nich však touha udělat si legraci z Erasta „vyprchala“. Mpemba navíc spolu s profesorem publikoval podrobný popis tohoto efektu v Physics Education v roce 1969 - a od té doby je výše uvedený název ve vědecké literatuře zafixován.

Jaká je podstata jevu?

Uspořádání experimentu je poměrně jednoduché: jsou-li všechny ostatní věci stejné, testují se identické tenkostěnné nádoby obsahující přesně stejné množství vody, lišící se pouze teplotou. Nádoby se vloží do lednice, po které se zaznamená čas do vytvoření ledu v každé z nich. Paradoxem je, že v nádobě s původně teplejší kapalinou k tomu dochází rychleji.

Jak to vysvětluje moderní fyzika?

Paradox nemá univerzální vysvětlení, protože souběžně probíhá několik paralelních procesů, jejichž přínos se může lišit v závislosti na konkrétních počátečních podmínkách - ale s jednotným výsledkem:

• schopnost kapaliny podchlazení - zpočátku studená voda je náchylnější k podchlazení, tzn. zůstává kapalný, když je jeho teplota již pod bodem mrazu
• zrychlené chlazení - pára z horké vody se přeměňuje na mikrokrystaly ledu, které při pádu zpět urychlují proces a fungují jako další „externí výměník tepla“
• izolační efekt - na rozdíl od horké vody studená voda zamrzá shora, což vede ke snížení přenosu tepla konvekcí a sáláním

Existuje řada dalších vysvětlení (naposledy British Royal Society of Chemistry uspořádala soutěž o nejlepší hypotézu nedávno, v roce 2012) - ale stále neexistuje jednoznačná teorie pro všechny případy kombinací vstupních podmínek...