آب گرم سریعتر از گرم شدن آب سرد سرد می شود. چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند؟ شرایط برای وقوع یک پارادوکس

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 حاوی آب سرد و دیگری گرم باشد، آب داغ سریعتر یخ می زند.

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 و در مجموع 22000 مقاله علمی ثبت شد. با وجود چنین تعداد قابل توجهی از مقالات، هیچ یک از آنها پارادوکس Mpemba را روشن نکردند.

رایج ترین نسخه ای 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 چگالی بالاتری نسبت به آب سرد به دست می آورند. همانطور که مشخص است، افزایش چگالی منجر به تغییر در خواص فیزیکی آب (افزایش هدایت حرارتی) و در نتیجه افزایش سرعت خنک‌سازی می‌شود.

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 تئوری ها بسیار قابل قبول به نظر می رسیدند، اما به دلیل کمبود 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 دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور ادعا کردند که معمای اثر Mpemba را حل کرده اند. 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. در نتیجه، پیوندهای هیدروژنی مولکول‌ها کشیده می‌شوند و انرژی بیشتری ذخیره می‌کنند. 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 این 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 به این فکر کرده اید که چرا در زمستان زمین یخ با آب گرم پر می شود و 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.

انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا به هر کسی که بتواند به طور علمی توضیح دهد که چرا آب گرم در برخی موارد سریعتر از آب سرد یخ می زند، جایزه 1000 پوندی ارائه می دهد.

"علم مدرن هنوز نمی تواند به این سوال به ظاهر ساده پاسخ دهد. بستنی سازها و بارمن ها از این جلوه در کارهای روزانه خود استفاده می کنند، اما هیچ کس واقعاً نمی داند که چرا این کار موثر است. پروفسور دیوید فیلیپس، رئیس انجمن شیمی سلطنتی بریتانیا، در بیانیه مطبوعاتی این انجمن گفت: این مشکل برای هزاران سال شناخته شده است، فیلسوفانی مانند ارسطو و دکارت در مورد آن فکر کرده اند.

چگونه یک سرآشپز آفریقایی یک استاد فیزیک بریتانیایی را کتک زد

این یک شوخی اول آوریل نیست، بلکه یک واقعیت فیزیکی خشن است. علم امروزی که به راحتی بر روی کهکشان ها و سیاهچاله ها کار می کند و شتاب دهنده های غول پیکری را برای جستجوی کوارک ها و بوزون ها می سازد، نمی تواند توضیح دهد که آب عنصری چگونه "کار می کند". کتاب درسی مدرسه به صراحت بیان می کند که خنک کردن بدن گرم بیشتر از خنک کردن بدن سرد زمان می برد. اما برای آب این قانون همیشه رعایت نمی شود. ارسطو در قرن چهارم قبل از میلاد به این پارادوکس توجه کرد. ه. در اینجا چیزی است که یونان باستان در کتاب "Meteorologica I" نوشته است: "این واقعیت که آب از قبل گرم شده است به یخ زدن آن کمک می کند. بنابراین، بسیاری از مردم، هنگامی که می خواهند آب داغ را به سرعت خنک کنند، ابتدا آن را در آفتاب قرار می دهند ... "در قرون وسطی، فرانسیس بیکن و رنه دکارت سعی کردند این پدیده را توضیح دهند. افسوس که نه فیلسوفان بزرگ و نه دانشمندان متعددی که فیزیک حرارتی کلاسیک را توسعه دادند در این امر موفق نشدند و بنابراین چنین واقعیت ناخوشایندی برای مدت طولانی "فراموش شد".

و فقط در سال 1968 آنها به لطف دانش آموز Erasto Mpemba از تانزانیا "به یاد آوردند" ، به دور از هر علمی. هنگامی که در یک مدرسه آشپزی تحصیل می کرد، در سال 1963، امپمب 13 ساله وظیفه ساخت بستنی را به عهده گرفت. با توجه به تکنولوژی، لازم بود شیر را بجوشانید، شکر را در آن حل کنید، تا دمای اتاق خنک کنید و سپس در یخچال بگذارید تا یخ بزند. ظاهراً مپمبا دانشجوی کوشا نبود و مردد بود. از ترس اینکه تا پایان درس سر وقت نرسد، شیر هنوز داغ را در یخچال گذاشت. در کمال تعجب، حتی زودتر از شیر رفقایش که طبق تمام قوانین تهیه شده بود، یخ زد.

هنگامی که مپمبا کشف خود را با یک معلم فیزیک در میان گذاشت، او در حضور تمام کلاس او را مسخره کرد. مپمبا توهین را به یاد آورد. پنج سال بعد، که قبلاً دانشجوی دانشگاه دارالسلام بود، در سخنرانی فیزیکدان معروف دنیس جی. آزبورن بود. پس از سخنرانی، او از دانشمند سؤالی پرسید: «اگر دو ظرف یکسان با همان مقدار آب بردارید، یکی در دمای 35 درجه سانتیگراد (95 درجه فارنهایت) و دیگری در دمای 100 درجه سانتیگراد (212 درجه فارنهایت) و قرار دهید. آنها را در فریزر، سپس آب در یک ظرف داغ سریعتر یخ می زند. چرا؟" می توانید واکنش یک پروفسور بریتانیایی به سوال مرد جوانی از تانزانیا را تصور کنید. دانش آموز را مسخره کرد. با این حال، Mpemba برای چنین پاسخی آماده بود و دانشمند را به شرط بندی به چالش کشید. استدلال آنها در یک آزمایش آزمایشی به اوج خود رسید که ثابت کرد امپبا درست است و آزبورن شکست خورده است. بنابراین دانش آموز آشپز نام خود را در تاریخ علم ثبت کرد و از این پس این پدیده را «اثر مپمبا» می نامند. دور انداختن آن، اعلام آن به گونه ای که گویی «عدم وجود» کار نمی کند. این پدیده وجود دارد، و همانطور که شاعر نوشته است، "نه در دندان با پا."

آیا ذرات گرد و غبار و مواد محلول مقصر هستند؟

در طول سال ها، بسیاری تلاش کرده اند راز یخ زدن آب را کشف کنند. یک دسته کامل از توضیحات برای این پدیده ارائه شده است: تبخیر، همرفت، تأثیر املاح - اما هیچ یک از این عوامل را نمی توان قطعی در نظر گرفت. تعدادی از دانشمندان تمام زندگی خود را وقف اثر Mpemba کردند. جیمز براونریج، یکی از اعضای دپارتمان ایمنی پرتوی دانشگاه ایالتی نیویورک، بیش از یک دهه است که در اوقات فراغت خود به مطالعه این پارادوکس پرداخته است. پس از انجام صدها آزمایش، دانشمند ادعا می کند که شواهدی از "گناه" هیپوترمی دارد. براونریج توضیح می‌دهد که در دمای صفر درجه سانتی‌گراد، آب فقط فوق‌العاده خنک می‌شود و زمانی که دما به پایین‌تر می‌آید شروع به یخ زدن می‌کند. نقطه انجماد توسط ناخالصی های موجود در آب تنظیم می شود - آنها سرعت تشکیل کریستال های یخ را تغییر می دهند. ناخالصی ها، و اینها ذرات گرد و غبار، باکتری ها و نمک های محلول هستند، زمانی که کریستال های یخ در اطراف مراکز تبلور تشکیل می شوند، دمای هسته مشخصه خود را دارند. هنگامی که چندین عنصر به طور همزمان در آب وجود دارند، نقطه انجماد توسط عنصری که بالاترین دمای هسته را دارد تعیین می شود.

برای این آزمایش، براونریج دو نمونه آب با دمای یکسان برداشت و آنها را در فریزر قرار داد. او دریافت که یکی از نمونه ها همیشه قبل از دیگری یخ می زند - احتمالاً به دلیل ترکیب متفاوتی از ناخالصی ها.

براونریج ادعا می کند که آب گرم به دلیل اختلاف دمای بیشتر بین آب و فریزر سریعتر سرد می شود - این به آن کمک می کند قبل از رسیدن آب سرد به نقطه انجماد طبیعی خود که حداقل 5 درجه سانتیگراد کمتر است به نقطه انجماد خود برسد.

با این حال، استدلال براونریج سؤالات زیادی را ایجاد می کند. بنابراین، کسانی که می توانند اثر Mpemba را به روش خود توضیح دهند، این شانس را دارند که برای هزار پوند استرلینگ از انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا رقابت کنند.

در سال 1963، یک دانش آموز از تانزانیا به نام Erasto Mpemba از معلم خود سؤال احمقانه ای پرسید: چرا بستنی گرم سریعتر از بستنی سرد در فریزر او یخ می زد؟

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 به موقع نرسد، شیر 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.

او برای توضیح به معلم فیزیک مراجعه کرد، اما او فقط به دانش آموز خندید و این جمله را گفت: "این فیزیک جهانی نیست، بلکه فیزیک Mpemba است." پس از آن، Mpemba نه تنها با شیر، بلکه با آب ساده نیز آزمایش کرد.

در هر صورت، او قبلاً دانش‌آموز دبیرستان Mkwawa 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.

آیا کنجکاو هستید که بدانید چرا این اتفاق می افتد؟ همین چند سال پیش، دانشمندان موفق به توضیح این پدیده ...

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 در دمای معین نسبت به جسم خنک‌تر برای خنک شدن در همان دما نیاز دارد.

این پدیده در آن زمان توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت. 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 ویژگی ها 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 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.

از آن زمان، نسخه های مختلفی بیان شده است که یکی از آنها به شرح زیر بود: بخشی از آب گرم ابتدا به سادگی تبخیر می شود و سپس، زمانی که مقدار کمتری باقی می ماند، آب سریعتر جامد می شود. این نسخه، به دلیل سادگی، محبوب ترین شد، اما دانشمندان کاملا راضی نبودند.

اکنون تیمی از محققان دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور به رهبری شی ژانگ شیمیدان می‌گویند که معمای دیرینه چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می‌زند را حل کرده‌اند. همانطور که کارشناسان چینی دریافتند، این راز در مقدار انرژی ذخیره شده در پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب نهفته است.

همانطور که می‌دانید مولکول‌های آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده‌اند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌شوند که در سطح ذرات شبیه تبادل الکترون است. یکی دیگر از واقعیت های شناخته شده این است که اتم های هیدروژن از مولکول های همسایه به اتم های اکسیژن جذب می شوند - پیوندهای هیدروژنی تشکیل می شود.

در عین حال، مولکول های آب به طور کلی یکدیگر را دفع می کنند. دانشمندان سنگاپور متوجه شدند که هر چه آب گرمتر باشد، به دلیل افزایش نیروهای دافعه، فاصله بین مولکول های مایع بیشتر می شود. در نتیجه، پیوندهای هیدروژنی کشیده می شوند و بنابراین انرژی بیشتری ذخیره می کنند. این انرژی با سرد شدن آب آزاد می شود - مولکول ها به یکدیگر نزدیک می شوند. و بازگشت انرژی همانطور که می دانید به معنای خنک شدن است.

در اینجا فرضیه های مطرح شده توسط دانشمندان آمده 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 یک اثر دوگانه است. ابتدا جرم آب مورد نیاز برای خنک سازی کاهش می یابد. و دوم اینکه در اثر تبخیر دمای آن کاهش می یابد.

اختلاف دما

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

هیپوترمی
وقتی 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 سردی که فوق خنک نیست، اتفاقی که می افتد این است که لایه نازکی از یخ روی سطح آن تشکیل می شود که به عنوان عایق بین آب و هوای سرد عمل می کند و در نتیجه 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 سانتی گراد است. اگر آب را تا 4 درجه سانتی گراد خنک کنید و در محیطی با دمای کمتر قرار دهید، لایه سطحی آب سریعتر یخ می زند. 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 می شود، اما این لایه یخ به عنوان عایق محافظت از لایه های زیرین آب عمل می کند که در دمای 4 درجه سانتی گراد باقی می ماند. بنابراین، فرآیند خنک‌سازی بیشتر کندتر خواهد بود. در مورد آب گرم وضعیت کاملا متفاوت است. لایه سطحی آب به دلیل تبخیر و اختلاف دمای بیشتر با سرعت بیشتری 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 نقطه نظر همرفت، باید فرض کرد که لایه‌های سرد و گرم آب از هم جدا شده‌اند و پس از کاهش متوسط ​​دمای آب به زیر 4 درجه سانتی‌گراد، فرآیند همرفت ادامه می‌یابد. با این حال، هیچ مدرک تجربی برای حمایت از این فرضیه وجود ندارد که لایه‌های آب سرد و گرم 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 داغ یخ فریزر را در زیر خود 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 پاسخ روشنی به این سؤال - که کدام یک از آنها بازتولید 100٪ اثر Mpemba را ارائه می‌دهند - 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 Auerbach با داده‌های قبلی که نشان می‌داد آب گرم به دلیل مراکز تبلور کمتر می‌تواند به ابرسرد شدن بیشتری دست یابد، تناقض داشت. وقتی آب گرم می شود گازهای محلول در آن از آن خارج می شود و وقتی آب می جوشد مقداری املاح حل شده در آن رسوب می کند. تاکنون فقط یک چیز می توان ادعا کرد - بازتولید این اثر به طور قابل توجهی به شرایطی بستگی دارد که در آن آزمایش انجام می شود. دقیقاً به این دلیل که همیشه بازتولید نمی شود.

و محتمل ترین دلیل اینجاست.

همانطور که شیمیدانان در مقاله خود می نویسند، که در سایت preprint arXiv.org یافت می شود، پیوندهای هیدروژنی در آب گرم قوی تر از آب سرد کشیده می شوند. بنابراین، معلوم می شود که انرژی بیشتری در پیوندهای هیدروژنی آب گرم ذخیره می شود، به این معنی که وقتی تا دمای زیر صفر سرد شود، مقدار بیشتری از آن آزاد می شود. به همین دلیل انجماد سریعتر است.

تا به امروز، دانشمندان این معما را فقط به صورت تئوری حل کرده اند. هنگامی که آنها شواهد قانع کننده ای از نسخه خود ارائه می دهند، پس این سوال که چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند را می توان بسته در نظر گرفت.

اب- یک ماده نسبتا ساده از نظر شیمیایی، با این حال، دارای تعدادی خواص غیر معمول است که هرگز دانشمندان را شگفت زده نمی کند. در زیر حقایقی وجود دارد که کمتر کسی در مورد آنها می داند.

1. کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم؟

دو ظرف آب بردارید: در یکی آب داغ و در دیگری آب سرد بریزید و در فریزر قرار دهید. آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند، اگرچه منطقاً آب سرد باید ابتدا به یخ تبدیل می شد: بالاخره آب گرم ابتدا باید تا دمای سرد خنک شود و سپس به یخ تبدیل شود در حالی که آب سرد نیازی به خنک شدن ندارد. چرا این اتفاق می افتد؟

در سال 1963، یک دانشجوی تانزانیایی به نام Erasto B. Mpemba، در حالی که مخلوط بستنی آماده شده را منجمد می کرد، متوجه شد که مخلوط داغ در فریزر سریعتر از یخچال سرد جامد می شود. وقتی مرد جوان کشف خود را با یک معلم فیزیک در میان گذاشت، فقط به او خندید. خوشبختانه، دانش آموز پافشاری کرد و معلم را متقاعد کرد که آزمایشی انجام دهد، که کشف او را تایید کرد: در شرایط خاص، آب گرم واقعا سریعتر از آب سرد یخ می زند.

اکنون این پدیده یخ زدن آب گرم سریعتر از آب سرد نامیده می شود. اثر Mpemba". درست است، مدت ها قبل از او، این خاصیت منحصر به فرد آب توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت.

دانشمندان ماهیت این پدیده را کاملاً درک نمی کنند و آن را با تفاوت در هیپوترمی، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا تأثیر گازهای مایع بر آب سرد و گرم توضیح می دهند.

2. او قادر است فوراً منجمد شود

همه این را می دانند ابهمیشه وقتی تا 0 درجه سانتیگراد سرد می شود به یخ تبدیل می شود ... مگر در مواردی! چنین حالتی، برای مثال، supercooling است، که خاصیت آب بسیار خالص برای مایع ماندن حتی زمانی که در زیر نقطه انجماد سرد می شود، است. این پدیده با توجه به این واقعیت امکان پذیر می شود که محیط دارای مراکز تبلور یا هسته هایی نیست که بتواند تشکیل بلورهای یخ را تحریک کند. و بنابراین آب به صورت مایع باقی می ماند، حتی زمانی که تا دمای زیر صفر درجه سانتیگراد سرد شود.

فرآیند کریستالیزاسیونمی تواند به عنوان مثال توسط حباب های گاز، ناخالصی ها (آلودگی)، سطح ناهموار ظرف تحریک شود. بدون آنها، آب در حالت مایع باقی می ماند. هنگامی که فرآیند کریستالیزاسیون شروع می شود، می توانید مشاهده کنید که چگونه آب فوق سرد شده بلافاصله به یخ تبدیل می شود.

توجه داشته باشید که آب "بسیار گرم" حتی زمانی که بالاتر از نقطه جوش گرم شود نیز مایع باقی می ماند.

3. 19 حالت آب

بدون تردید نام آب چند حالت مختلف دارد؟ اگر به سه پاسخ دادید: جامد، مایع، گاز، پس در اشتباهید. دانشمندان حداقل 5 حالت مختلف آب را به صورت مایع و 14 حالت را در حالت منجمد تشخیص می دهند.

صحبت در مورد آب فوق العاده خنک را به خاطر دارید؟ بنابراین، مهم نیست که چه کاری انجام می دهید، در دمای -38 درجه سانتیگراد، حتی خالص ترین آب فوق خنک به طور ناگهانی به یخ تبدیل می شود. با کاهش بیشتر دما چه اتفاقی می افتد؟ در دمای 120- درجه سانتیگراد، اتفاق عجیبی برای آب رخ می دهد: مانند ملاس، فوق چسبناک یا چسبناک می شود و در دمای زیر 135- درجه سانتیگراد، به آب "شیشه ای" یا "شیشه ای" تبدیل می شود - ماده جامدی که فاقد ساختار کریستالی

4. آب فیزیکدانان را شگفت زده می کند

در سطح مولکولی، آب حتی شگفت‌انگیزتر است. در سال 1995، آزمایش پراکندگی نوترون که توسط دانشمندان انجام شد، نتیجه غیرمنتظره ای به همراه داشت: فیزیکدانان دریافتند که نوترون هایی که به سمت مولکول های آب هدایت می شوند، 25 درصد کمتر از حد انتظار پروتون های هیدروژن را می بینند.

معلوم شد که با سرعت یک آتوثانیه (10-18 ثانیه) یک اثر کوانتومی غیرمعمول رخ می دهد و فرمول شیمیایی آب به جای H2O، H1.5O می شود!

5. حافظه آب

جایگزین طب رسمی هومیوپاتیاستدلال می کند که محلول رقیق یک دارو می تواند اثر درمانی بر بدن داشته باشد، حتی اگر فاکتور رقت آنقدر زیاد باشد که چیزی جز مولکول های آب در محلول باقی نماند. طرفداران هومیوپاتی این پارادوکس را با مفهومی به نام " حافظه آببر اساس آن آب در سطح مولکولی دارای «حافظه» ماده ای است که زمانی در آن حل شده است و پس از اینکه حتی یک مولکول ماده در آن باقی نماند، خواص محلولی با غلظت اولیه را حفظ می کند.

یک تیم بین المللی از دانشمندان به رهبری پروفسور مادلین انیس از دانشگاه کوئینز بلفاست که از اصول هومیوپاتی انتقاد می کرد، آزمایشی را در سال 2002 انجام دادند تا یک بار برای همیشه این مفهوم را رد کنند. نتیجه برعکس شد. پس از آن، دانشمندان گفتند که آنها موفق شدند واقعیت این اثر را ثابت کنند. حافظه آب". با این حال، آزمایش هایی که تحت نظارت کارشناسان مستقل انجام شد، نتیجه ای نداشت. اختلاف در مورد وجود پدیده " حافظه آب" ادامه هید.

آب دارای بسیاری از خواص غیرمعمول دیگر است که در این مقاله به آنها اشاره نکرده ایم. به عنوان مثال، چگالی آب با دما متفاوت است (چگالی یخ کمتر از آب است). آب کشش سطحی نسبتاً زیادی دارد. در حالت مایع، آب یک شبکه پیچیده و در حال تغییر پویا از خوشه‌های آب است و این رفتار خوشه‌ها است که بر ساختار آب و غیره تأثیر می‌گذارد.

در مورد این و بسیاری از ویژگی های غیر منتظره دیگر ابرا می توان در مقاله خواند خواص غیرعادی آبنویسنده آن مارتین چاپلین، استاد دانشگاه لندن است.

در فرمول خوب قدیمی H 2 O، به نظر می رسد که هیچ رازی وجود ندارد. اما در واقع، آب - منبع حیات و معروف ترین مایع در جهان - مملو از اسرار بسیاری است که گاهی حتی دانشمندان هم نمی توانند آنها را حل کنند.

در اینجا 5 واقعیت جالب در مورد آب آورده شده است:

1. آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند

دو ظرف آب بردارید: در یکی آب داغ و در دیگری آب سرد بریزید و در فریزر قرار دهید. آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند، اگرچه منطقاً آب سرد باید ابتدا به یخ تبدیل می شد: بالاخره آب گرم ابتدا باید تا دمای سرد خنک شود و سپس به یخ تبدیل شود در حالی که آب سرد نیازی به خنک شدن ندارد. چرا این اتفاق می افتد؟

در سال 1963، Erasto B. Mpemba، دانش آموز دبیرستانی در تانزانیا، در حالی که مخلوط بستنی آماده شده را منجمد می کرد، متوجه شد که مخلوط داغ در فریزر سریعتر از یخچال سرد جامد می شود. وقتی مرد جوان کشف خود را با یک معلم فیزیک در میان گذاشت، فقط به او خندید. خوشبختانه، دانش آموز پافشاری کرد و معلم را متقاعد کرد که آزمایشی انجام دهد، که کشف او را تایید کرد: در شرایط خاص، آب گرم واقعا سریعتر از آب سرد یخ می زند.

اکنون این پدیده یخ زدن آب گرم سریعتر از آب سرد، اثر Mpemba نامیده می شود. درست است، مدت ها قبل از او، این خاصیت منحصر به فرد آب توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت.

دانشمندان ماهیت این پدیده را کاملاً درک نمی کنند و آن را با تفاوت در هیپوترمی، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا تأثیر گازهای مایع بر آب سرد و گرم توضیح می دهند.

نکته ای از Х.RU به موضوع "آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند".

از آنجایی که مسائل خنک کننده به ما متخصصان تبرید نزدیک تر است، اجازه دهید کمی عمیق تر در اصل این مشکل کاوش کنیم و دو نظر در مورد ماهیت چنین پدیده مرموزی ارائه دهیم.

1. یکی از دانشمندان دانشگاه واشنگتن توضیحی برای پدیده اسرارآمیزی ارائه کرده است که از زمان ارسطو شناخته شده است: چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند.

پدیده ای که اثر Mpemba نامیده می شود، به طور گسترده در عمل استفاده می شود. به عنوان مثال، کارشناسان به رانندگان توصیه می کنند که در زمستان آب سرد را به جای آب داغ در مخزن ماشین لباسشویی بریزند. اما آنچه زیربنای این پدیده است برای مدت طولانی ناشناخته باقی ماند.

به گزارش EurekAlert، دکتر جاناتان کاتز از دانشگاه واشنگتن این پدیده را بررسی کرد و به این نتیجه رسید که مواد محلول در آب نقش مهمی در آن ایفا می کنند که با گرم شدن رسوب می کنند.

منظور دکتر کاتز از املاح، بی کربنات های کلسیم و منیزیم موجود در آب سخت است. هنگامی که آب گرم می شود، این مواد رسوب می کنند و بر روی دیواره های کتری رسوب تشکیل می دهند. آبی که هرگز گرم نشده است حاوی این ناخالصی ها است. با یخ زدن و تشکیل کریستال های یخ، غلظت ناخالصی ها در آب 50 برابر افزایش می یابد. این امر نقطه انجماد آب را کاهش می دهد. دکتر کاتز توضیح می دهد: "و اکنون آب باید خنک شود تا یخ بزند."

دلیل دومی وجود دارد که از یخ زدن آب گرم نشده جلوگیری می کند. کاهش نقطه انجماد آب باعث کاهش اختلاف دما بین فاز جامد و مایع می شود. دکتر کاتز می‌گوید: «از آنجایی که سرعت از دست دادن گرمای آب به این اختلاف دما بستگی دارد، آبی که گرم نشده است بدتر سرد می‌شود».

به گفته این دانشمند، نظریه او را می توان به صورت تجربی آزمایش کرد، زیرا. اثر Mpemba برای آب سخت‌تر مشخص‌تر می‌شود.

2. اکسیژن به اضافه هیدروژن به علاوه سرما یخ ایجاد می کند. در نگاه اول این ماده شفاف بسیار ساده به نظر می رسد. در واقع، یخ مملو از رازهای بسیاری است. یخ ایجاد شده توسط Erasto Mpemba آفریقایی به شکوه فکر نمی کرد. روزها گرم بود. بستنی می خواست. یک کارتن آب میوه گرفت و در فریزر گذاشت. او این کار را بیش از یک بار انجام داد و بنابراین متوجه شد که آب میوه به ویژه به سرعت یخ می زند، اگر قبل از آن آن را در آفتاب نگه دارید - فقط آن را گرم کنید! این پسر مدرسه ای تانزانیایی فکر می کرد که برخلاف حکمت دنیوی عمل می کرد، عجیب است. آیا ممکن است برای اینکه مایع سریعتر به یخ تبدیل شود، ابتدا باید گرم شود؟ مرد جوان چنان شگفت زده شد که حدس خود را با معلم در میان گذاشت. او این کنجکاوی را در مطبوعات گزارش کرد.

این داستان در دهه 1960 اتفاق افتاد. اکنون "اثر Mpemba" برای دانشمندان به خوبی شناخته شده است. اما برای مدت طولانی این پدیده به ظاهر ساده یک راز باقی ماند. چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند؟

در سال 1996 بود که فیزیکدان دیوید اورباخ راه حلی پیدا کرد. برای پاسخ به این سوال، او آزمایشی را برای یک سال تمام انجام داد: او آب را در یک لیوان گرم کرد و دوباره آن را خنک کرد. پس او به چه چیزی پی برد؟ هنگامی که گرم می شود، حباب های هوای حل شده در آب تبخیر می شوند. آب بدون گاز به راحتی روی دیواره کشتی یخ می زند. اورباخ می‌گوید: «البته، آبی با محتوای هوای بالا نیز یخ می‌زند، اما نه در صفر درجه سانتی‌گراد، بلکه تنها در دمای منفی چهار تا شش درجه». البته باید بیشتر منتظر بمانید. بنابراین، آب گرم قبل از آب سرد یخ می زند، این یک واقعیت علمی است.

به سختی ماده ای وجود دارد که به راحتی یخ در مقابل چشمان ما ظاهر شود. این فقط از مولکول های آب تشکیل شده است - یعنی مولکول های ابتدایی حاوی دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن. با این حال، یخ شاید مرموزترین ماده در جهان باشد. دانشمندان تاکنون نتوانسته اند برخی از خواص آن را توضیح دهند.

2. Supercooling و "فلاش" انجماد

همه می دانند که آب همیشه وقتی تا 0 درجه سانتی گراد خنک می شود تبدیل به یخ می شود... مگر در مواردی! چنین حالتی مثلاً «فوق سرد کردن» است که خاصیت آب بسیار خالص برای مایع باقی ماندن حتی زمانی که زیر نقطه انجماد سرد می شود، است. این پدیده با توجه به این واقعیت امکان پذیر می شود که محیط دارای مراکز تبلور یا هسته هایی نیست که بتواند تشکیل بلورهای یخ را تحریک کند. و بنابراین آب به صورت مایع باقی می ماند، حتی زمانی که تا دمای زیر صفر درجه سانتیگراد سرد شود. فرآیند تبلور را می توان به عنوان مثال توسط حباب های گاز، ناخالصی ها (آلودگی)، سطح ناهموار ظرف تحریک کرد. بدون آنها، آب در حالت مایع باقی می ماند. هنگامی که فرآیند کریستالیزاسیون شروع می شود، می توانید مشاهده کنید که چگونه آب فوق سرد شده بلافاصله به یخ تبدیل می شود.

ویدیوی (2 901 کیلوبایت، 60 ج) توسط فیل مدینه (www.mrsciguy.com) را تماشا کنید و خودتان ببینید >>

اظهار نظر.آب فوق گرم نیز حتی زمانی که بالاتر از نقطه جوش گرم شود مایع باقی می ماند.

3. آب «لیوانی».

سریع و بدون تردید نام آب چند حالت مختلف دارد؟

اگر به سه (جامد، مایع، گاز) پاسخ دادید، در اشتباه هستید. دانشمندان حداقل 5 حالت مختلف آب را به صورت مایع و 14 حالت یخ را تشخیص می دهند.

صحبت در مورد آب فوق العاده خنک را به خاطر دارید؟ بنابراین، مهم نیست که چه کاری انجام می دهید، در دمای 38- درجه سانتی گراد، حتی خالص ترین آب فوق خنک به طور ناگهانی به یخ تبدیل می شود. با کاهش بیشتر چه اتفاقی می افتد

درجه حرارت؟ در دمای 120- درجه سانتیگراد، اتفاق عجیبی برای آب رخ می دهد: مانند ملاس، فوق چسبناک یا چسبناک می شود و در دمای زیر 135- درجه سانتیگراد به آب "شیشه ای" یا "شیشه ای" تبدیل می شود - ماده جامدی که در آن وجود دارد. هیچ ساختار کریستالی وجود ندارد.

4. خواص کوانتومی آب

در سطح مولکولی، آب حتی شگفت‌انگیزتر است. در سال 1995، دانشمندان آزمایشی را روی پراکندگی نوترون انجام دادند که نتیجه غیرمنتظره ای به دست آورد: فیزیکدانان دریافتند که نوترون هایی که به سمت مولکول های آب هدف قرار می گیرند، 25٪ کمتر از حد انتظار پروتون های هیدروژن را می بینند.

معلوم شد که با سرعت یک آتوثانیه (10-18 ثانیه) یک اثر کوانتومی غیرمعمول رخ می دهد و فرمول شیمیایی آب به جای فرمول معمول - H 2 O، H 1.5 O می شود!

5-آیا آب حافظه دارد؟

هومیوپاتی، جایگزینی برای طب رایج، ادعا می کند که محلول رقیق یک محصول دارویی می تواند اثر شفابخشی بر بدن داشته باشد، حتی اگر فاکتور رقت آن به حدی باشد که چیزی جز مولکول های آب در محلول باقی نماند. طرفداران هومیوپاتی این پارادوکس را با مفهومی به نام «حافظه آب» توضیح می‌دهند که بر اساس آن آب در سطح مولکولی دارای «حافظه» از ماده‌ای است که پس از حل شدن در آن حل شده است و خواص محلول در غلظت اولیه را حفظ می‌کند. یک مولکول از ماده در آن باقی می ماند.

یک تیم بین المللی از دانشمندان به سرپرستی پروفسور مادلین انیس از دانشگاه کوئینز بلفاست که از اصول هومیوپاتی انتقاد می کرد، آزمایشی را در سال 2002 انجام دادند تا این مفهوم را یک بار برای همیشه رد کنند. نتیجه برعکس بود. پس از آن، دانشمندان گفتند که آنها توانستند واقعیت اثر "حافظه آب" را اثبات کنند. اما آزمایشاتی که زیر نظر کارشناسان مستقل انجام شد، نتیجه ای نداشت. اختلافات در مورد وجود پدیده "حافظه آب" همچنان ادامه دارد.

آب دارای بسیاری از خواص غیرمعمول دیگر است که در این مقاله به آنها اشاره نکرده ایم.

ادبیات.

1. 5 چیز واقعاً عجیب درباره آب / http://www.neatorama.com.
2. رمز و راز آب: نظریه اثر ارسطو-مپمبا ایجاد شد / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. اسرار طبیعت بی جان مرموزترین ماده در جهان / http://www.bibliotekar.ru.