أي الماء يتجمد بشكل أسرع؟ لماذا يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد؟
يبدو من الواضح أن الماء البارد يتجمد بشكل أسرع من الماء الساخن، لأنه في ظل ظروف متساوية، يستغرق الماء الساخن وقتًا أطول ليبرد ومن ثم يتجمد. ومع ذلك، فقد أظهرت آلاف السنين من الملاحظات، وكذلك التجارب الحديثة، أن العكس هو الصحيح أيضًا: في ظل ظروف معينة، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. وتشرح قناة Sciencium Science هذه الظاهرة:
كما هو موضح في الفيديو أعلاه، فإن ظاهرة تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد تُعرف باسم تأثير مبيمبا، نسبةً إلى إيراستو مبيمبا، وهو طالب تنزاني قام بصنع الآيس كريم كجزء من مشروع مدرسي في عام 1963. كان على الطلاب إحضار خليط من الكريمة والسكر حتى يغلي، وتركه يبرد، ثم وضعه في الثلاجة.
وبدلاً من ذلك، قام إراستو بوضع الخليط على الفور وهو ساخن دون انتظاره حتى يبرد. ونتيجة لذلك، بعد مرور ساعة ونصف، تم تجميد خليطه بالفعل، ولكن لم يتم تجميد خليط الطلاب الآخرين. مهتمًا بهذه الظاهرة، بدأ مبيمبا بدراسة الموضوع مع أستاذ الفيزياء دينيس أوزبورن، وفي عام 1969 نشرا بحثًا يفيد بأن الماء الدافئ يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد. كانت هذه أول دراسة من نوعها، لكن الظاهرة نفسها مذكورة في أوراق أرسطو، التي يعود تاريخها إلى القرن الرابع قبل الميلاد. ه. كما لاحظ فرانسيس بيكون وديكارت هذه الظاهرة في دراستهما.
يسرد الفيديو عدة خيارات لشرح ما يحدث:
- الصقيع مادة عازلة للكهرباء، وبالتالي فإن الماء البارد المثلج يخزن الحرارة بشكل أفضل من الزجاج الدافئ الذي يذيب الجليد عندما يتلامس معه
- يحتوي الماء البارد على غازات مذابة أكثر من الماء الدافئ، ويتكهن الباحثون بأن هذا قد يلعب دورًا في معدل التبريد، على الرغم من أنه ليس من الواضح بعد كيف
- يفقد الماء الساخن المزيد من جزيئات الماء من خلال التبخر، لذلك يتبقى عدد أقل للتجميد
- يمكن أن يبرد الماء الدافئ بشكل أسرع بسبب زيادة تيارات الحمل الحراري. تحدث هذه التيارات لأن الماء الموجود في الزجاج يبرد أولاً على السطح والجوانب، مما يتسبب في غرق الماء البارد وارتفاع الماء الساخن. في الزجاج الدافئ، تكون تيارات الحمل الحراري أكثر نشاطًا، مما قد يؤثر على معدل التبريد.
ومع ذلك، في عام 2016، أجريت دراسة محكمة أظهرت العكس: الماء الساخن يتجمد بشكل أبطأ بكثير من الماء البارد. وفي الوقت نفسه، لاحظ العلماء أن تغيير موقع المزدوج الحراري - وهو جهاز يحدد التغيرات في درجات الحرارة - بمقدار سنتيمتر واحد فقط يؤدي إلى ظهور تأثير مبيمبا. وأظهرت دراسة لدراسات أخرى مماثلة أنه في جميع الحالات التي لوحظ فيها هذا التأثير، كان هناك إزاحة للمزدوجة الحرارية داخل سنتيمتر واحد.
تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في بعض الظروف يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يجب أن يتجاوز درجة حرارة الماء البارد في عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتناقض مع الأفكار المعتادة، والتي بموجبها، في ظل نفس الظروف، يستغرق الجسم الأكثر حرارة وقتًا أطول ليبرد إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالجسم الأقل حرارة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.
وقد لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الظاهرة في وقت واحد، ولكن في عام 1963 فقط اكتشف التلميذ التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من الخليط البارد.
عندما كان إيراستو مبيمبا طالبًا في مدرسة ماغامبي الثانوية في تنزانيا، قام بعمل عملي كطاهي. كان بحاجة إلى صنع الآيس كريم محلي الصنع - غلي الحليب، وحل السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا بشكل خاص وتأخر في إكمال الجزء الأول من المهمة. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، فقد تجمد حتى قبل أن يتجمد حليب رفاقه المحضر وفقًا للتقنية المحددة.
بعد ذلك، لم يقم مبيمبا بإجراء التجارب باستخدام الحليب فحسب، بل أيضًا باستخدام الماء العادي. على أية حال، عندما كان طالبًا في مدرسة مكوافا الثانوية، سأل البروفيسور دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعاه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) تحديدًا عن الماء: "إذا أخذت حاويتان متطابقتان بحجم متساوٍ من الماء بحيث تكون درجة حرارة الماء في إحداهما 35 درجة مئوية، وفي الأخرى - 100 درجة مئوية، ووضعهما في الفريزر، ثم في الثانية سوف يتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما نشر هو ومبيمبا في عام 1969 نتائج تجاربهما في مجلة تعليم الفيزياء. ومنذ ذلك الحين، تم تسمية التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.
وحتى الآن، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. ليس لدى العلماء نسخة واحدة، على الرغم من وجود الكثير. الأمر كله يتعلق بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد، ولكن ليس من الواضح بعد ما هي الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الفرق في التبريد الفائق، أو التبخر، أو تكوين الجليد، أو الحمل الحراري، أو تأثير الغازات المسالة على الماء عند درجة حرارة منخفضة. درجات حرارة مختلفة.
المفارقة في تأثير مبيمبا هي أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع الفرق في درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. لقد وضع نيوتن هذا القانون وتم تأكيده عدة مرات منذ ذلك الحين في الممارسة العملية. في هذا التأثير، يبرد الماء الذي درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية أسرع من نفس الكمية من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية.
ومع ذلك، فإن هذا لا يعني وجود مفارقة بعد، حيث يمكن تفسير تأثير مبيمبا في إطار الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:
تبخر
يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية، وبالتالي يقلل حجمه، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع. الماء الذي يتم تسخينه إلى 100 درجة مئوية يفقد 16% من كتلته عند تبريده إلى درجة صفر مئوية.
تأثير التبخر هو تأثير مزدوج. أولاً، تتناقص كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً: تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة التبخر للانتقال من الطور المائي إلى الطور البخاري.
الفرق في درجة الحرارة
ونظرًا لأن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر، فإن التبادل الحراري في هذه الحالة يكون أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.
انخفاض حرارة الجسم
عندما يبرد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية، فإنه لا يتجمد دائمًا. في بعض الظروف، يمكن أن يتعرض للتبريد الفائق، ويستمر في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. في بعض الحالات، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.
والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التشكل، هناك حاجة إلى مراكز تكوين البلورات. إذا لم تكن موجودة في الماء السائل، فسوف يستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية لتكوين البلورات تلقائيًا. عندما تبدأ في التشكل في السائل فائق التبريد، ستبدأ في النمو بشكل أسرع، وتشكل جليدًا ذائبًا، والذي سيتجمد ليشكل جليدًا.
الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض حرارة الجسم لأن تسخينه يزيل الغازات والفقاعات الذائبة، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.
لماذا يؤدي انخفاض حرارة الجسم إلى تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد غير فائق التبريد، يحدث ما يلي. في هذه الحالة، سوف تتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل هذه الطبقة من الجليد كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن المعرض للتبريد الفائق، لا يحتوي الماء فائق التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. ولذلك، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع بكثير من خلال الجزء العلوي المفتوح.
عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي يتكون المزيد من الجليد.
يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.
الحمل الحراري
يبدأ الماء البارد بالتجمد من الأعلى، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة، بينما يبدأ الماء الساخن بالتجمد من الأسفل.
ويفسر هذا التأثير بوجود شذوذ في كثافة الماء. تبلغ كثافة الماء الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في درجة حرارة أقل، فإن الطبقة السطحية من الماء سوف تتجمد بشكل أسرع. ولأن هذا الماء أقل كثافة من الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية، فإنه سيبقى على السطح مكونًا طبقة رقيقة باردة. وفي ظل هذه الظروف، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء خلال فترة قصيرة، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل، حيث تحمي الطبقات السفلية من الماء، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. ولذلك، فإن عملية التبريد الإضافية ستكون أبطأ.
أما في حالة الماء الساخن فالوضع مختلف تماما. سوف تبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر وزيادة اختلاف درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن، وبالتالي فإن طبقة الماء البارد سوف تغوص إلى الأسفل، مما يؤدي إلى رفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن تداول الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.
لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير مبيمبا من وجهة نظر الحمل الحراري، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة منفصلة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية.
ومع ذلك، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة يتم فصلها عن طريق عملية الحمل الحراري.
الغازات الذائبة في الماء
يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. ولهذه الغازات القدرة على تقليل درجة تجمد الماء. عند تسخين الماء، تنطلق هذه الغازات من الماء لأن قابلية ذوبانها في الماء تكون أقل عند درجات الحرارة المرتفعة. لذلك، عندما يبرد الماء الساخن، فإنه يحتوي دائمًا على غازات مذابة أقل من الماء البارد غير المسخن. ولذلك، فإن نقطة تجمد الماء الساخن أعلى ويتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل في بعض الأحيان هو العامل الرئيسي في تفسير تأثير مبيمبا، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.
توصيل حراري
يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عند وضع الماء في حجرة الثلاجة والفريزر في حاويات صغيرة. وفي ظل هذه الظروف لوحظ أن وعاء من الماء الساخن يذيب الجليد الموجود في الفريزر الموجود أسفله، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري مع جدار الفريزر والتوصيل الحراري. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن بشكل أسرع من وعاء الماء البارد. وفي المقابل، فإن وعاء به ماء بارد لا يذيب الثلج الموجود تحته.
تمت دراسة كل هذه الظروف (وكذلك غيرها) في العديد من التجارب، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة مائة بالمائة لتأثير مبيمبا - لم يتم الحصول عليها أبدًا.
على سبيل المثال، في عام 1995، قام الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ بدراسة تأثير الماء فائق التبريد على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق بشكل أسرع من الماء الساخن، وبالتالي يعوض التأخر السابق.
بالإضافة إلى ذلك، تناقضت نتائج أورباخ مع البيانات السابقة التي تقول إن الماء الساخن كان قادرًا على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب عدد أقل من مراكز التبلور. عند تسخين الماء تخرج منه الغازات الذائبة فيه، وعند غليه تترسب بعض الأملاح الذائبة فيه.
في الوقت الحالي، من الممكن ذكر شيء واحد فقط - إن استنساخ هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.
O. V. موسين
الأدبيةمصادر:
"يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. لماذا يتجمد؟"، جيرل ووكر في عالم الهواة، مجلة ساينتفيك أمريكان، المجلد. 237، رقم. 3، ص 246-257؛ سبتمبر 1977.
"تجميد الماء الساخن والبارد"، ج.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 37، لا. 5، ص 564-565؛ مايو 1969.
"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا"، ديفيد أورباخ، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 63، لا. 10، ص 882-885؛ أكتوبر 1995.
"تأثير مبيمبا: أوقات تجمد الماء الساخن والبارد"، تشارلز أ. نايت، في المجلة الأمريكية للفيزياء، المجلد. 64، لا. 5، ص 524؛ مايو 1996.
تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) هي مفارقة تنص على أن الماء الساخن في بعض الظروف يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يجب أن يتجاوز درجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتناقض مع الأفكار المعتادة، والتي بموجبها، في ظل نفس الظروف، يستغرق الجسم الأكثر حرارة وقتًا أطول ليبرد إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالجسم الأقل حرارة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.
وقد لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الظاهرة في وقت واحد، ولكن في عام 1963 فقط اكتشف التلميذ التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من الخليط البارد.
عندما كان إيراستو مبيمبا طالبًا في مدرسة ماغامبي الثانوية في تنزانيا، قام بعمل عملي كطاهي. كان بحاجة إلى صنع الآيس كريم محلي الصنع - غلي الحليب، وحل السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا بشكل خاص وتأخر في إكمال الجزء الأول من المهمة. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، فقد تجمد حتى قبل أن يتجمد حليب رفاقه المحضر وفقًا للتقنية المحددة.
بعد ذلك، لم يقم مبيمبا بإجراء التجارب باستخدام الحليب فحسب، بل أيضًا باستخدام الماء العادي. على أية حال، عندما كان طالبًا في مدرسة مكوافا الثانوية، سأل البروفيسور دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعاه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) تحديدًا عن الماء: "إذا أخذت حاويتان متطابقتان بحجم متساوٍ من الماء بحيث تكون درجة حرارة الماء في إحداهما 35 درجة مئوية، وفي الأخرى - 100 درجة مئوية، ووضعهما في الفريزر، ثم في الثانية سوف يتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما نشر هو ومبيمبا في عام 1969 نتائج تجاربهما في مجلة تعليم الفيزياء. ومنذ ذلك الحين، تم تسمية التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.
وحتى الآن، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. ليس لدى العلماء نسخة واحدة، على الرغم من وجود الكثير. الأمر كله يتعلق بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد، ولكن ليس من الواضح بعد ما هي الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الفرق في التبريد الفائق، أو التبخر، أو تكوين الجليد، أو الحمل الحراري، أو تأثير الغازات المسالة على الماء عند درجة حرارة منخفضة. درجات حرارة مختلفة.
المفارقة في تأثير مبيمبا هي أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع الفرق في درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. لقد وضع نيوتن هذا القانون وتم تأكيده عدة مرات منذ ذلك الحين في الممارسة العملية. في هذا التأثير، يبرد الماء الذي درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية أسرع من نفس الكمية من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية.
ومع ذلك، فإن هذا لا يعني وجود مفارقة بعد، حيث يمكن تفسير تأثير مبيمبا في إطار الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:
تبخر
يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية، وبالتالي يقلل حجمه، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع. الماء الذي يتم تسخينه إلى 100 درجة مئوية يفقد 16% من كتلته عند تبريده إلى درجة صفر مئوية.
تأثير التبخر هو تأثير مزدوج. أولاً، تتناقص كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً: تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة التبخر للانتقال من الطور المائي إلى الطور البخاري.
الفرق في درجة الحرارة
ونظرًا لأن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر، فإن التبادل الحراري في هذه الحالة يكون أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.
انخفاض حرارة الجسم
عندما يبرد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية، فإنه لا يتجمد دائمًا. في بعض الظروف، يمكن أن يتعرض للتبريد الفائق، ويستمر في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. في بعض الحالات، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.
والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التشكل، هناك حاجة إلى مراكز تكوين البلورات. إذا لم تكن موجودة في الماء السائل، فسوف يستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية لتكوين البلورات تلقائيًا. عندما تبدأ في التشكل في السائل فائق التبريد، ستبدأ في النمو بشكل أسرع، وتشكل جليدًا ذائبًا، والذي سيتجمد ليشكل جليدًا.
الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض حرارة الجسم لأن تسخينه يزيل الغازات والفقاعات الذائبة، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.
لماذا يؤدي انخفاض حرارة الجسم إلى تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد غير فائق التبريد، يحدث ما يلي. في هذه الحالة، سوف تتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل هذه الطبقة من الجليد كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن المعرض للتبريد الفائق، لا يحتوي الماء فائق التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. ولذلك، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع بكثير من خلال الجزء العلوي المفتوح.
عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي يتكون المزيد من الجليد.
يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.
الحمل الحراري
يبدأ الماء البارد بالتجمد من الأعلى، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة، بينما يبدأ الماء الساخن بالتجمد من الأسفل.
ويفسر هذا التأثير بوجود شذوذ في كثافة الماء. تبلغ كثافة الماء الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في درجة حرارة أقل، فإن الطبقة السطحية من الماء سوف تتجمد بشكل أسرع. ولأن هذا الماء أقل كثافة من الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية، فإنه سيبقى على السطح مكونًا طبقة رقيقة باردة. وفي ظل هذه الظروف، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء خلال فترة قصيرة، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل، حيث تحمي الطبقات السفلية من الماء، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. ولذلك، فإن عملية التبريد الإضافية ستكون أبطأ.
أما في حالة الماء الساخن فالوضع مختلف تماما. سوف تبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر وزيادة اختلاف درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن، وبالتالي فإن طبقة الماء البارد سوف تغوص إلى الأسفل، مما يؤدي إلى رفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن تداول الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.
لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير مبيمبا من وجهة نظر الحمل الحراري، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة منفصلة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد انخفاض متوسط درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية.
ومع ذلك، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة يتم فصلها عن طريق عملية الحمل الحراري.
الغازات الذائبة في الماء
يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. ولهذه الغازات القدرة على تقليل درجة تجمد الماء. عند تسخين الماء، تنطلق هذه الغازات من الماء لأن قابلية ذوبانها في الماء تكون أقل عند درجات الحرارة المرتفعة. لذلك، عندما يبرد الماء الساخن، فإنه يحتوي دائمًا على غازات مذابة أقل من الماء البارد غير المسخن. ولذلك، فإن نقطة تجمد الماء الساخن أعلى ويتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل في بعض الأحيان هو العامل الرئيسي في تفسير تأثير مبيمبا، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.
توصيل حراري
يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عند وضع الماء في حجرة الثلاجة والفريزر في حاويات صغيرة. وفي ظل هذه الظروف لوحظ أن وعاء من الماء الساخن يذيب الجليد الموجود في الفريزر الموجود أسفله، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري مع جدار الفريزر والتوصيل الحراري. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن بشكل أسرع من وعاء الماء البارد. وفي المقابل، فإن وعاء به ماء بارد لا يذيب الثلج الموجود تحته.
تمت دراسة كل هذه الظروف (وكذلك غيرها) في العديد من التجارب، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة مائة بالمائة لتأثير مبيمبا - لم يتم الحصول عليها أبدًا.
على سبيل المثال، في عام 1995، قام الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ بدراسة تأثير الماء فائق التبريد على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق بشكل أسرع من الماء الساخن، وبالتالي يعوض التأخر السابق.
بالإضافة إلى ذلك، تناقضت نتائج أورباخ مع البيانات السابقة التي تقول إن الماء الساخن كان قادرًا على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب عدد أقل من مراكز التبلور. عند تسخين الماء تخرج منه الغازات الذائبة فيه، وعند غليه تترسب بعض الأملاح الذائبة فيه.
في الوقت الحالي، من الممكن ذكر شيء واحد فقط - إن استنساخ هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.
تقدم الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء مكافأة قدرها 1000 جنيه إسترليني لأي شخص يستطيع أن يشرح علميًا سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد في بعض الحالات.
"لا يزال العلم الحديث غير قادر على الإجابة على هذا السؤال الذي يبدو بسيطًا. يستخدم صانعو الآيس كريم والسقاة هذا التأثير في عملهم اليومي، لكن لا أحد يعرف حقًا سبب نجاحه. وقال البروفيسور ديفيد فيليبس، رئيس الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء، كما نقل عنه بيان صحفي للجمعية، إن هذه المشكلة معروفة منذ آلاف السنين، وقد فكر فيها فلاسفة مثل أرسطو وديكارت.
كيف هزم طباخ من أفريقيا أستاذ فيزياء بريطاني
هذه ليست مزحة كذبة إبريل، ولكنها حقيقة مادية قاسية. إن العلم الحديث، الذي يتعامل بسهولة مع المجرات والثقوب السوداء، ويبني مسرعات عملاقة للبحث عن الكواركات والبوزونات، لا يستطيع تفسير كيفية "عمل" الماء الأولي. ينص الكتاب المدرسي بوضوح على أن تبريد الجسم الأكثر سخونة يستغرق وقتًا أطول من تبريد الجسم البارد. ولكن بالنسبة للمياه، لا يتم مراعاة هذا القانون دائما. وقد لفت أرسطو الانتباه إلى هذه المفارقة في القرن الرابع قبل الميلاد. ه. إليكم ما كتبه اليوناني القديم في كتابه Meteorologica I: «إن تسخين الماء مسبقًا يؤدي إلى تجميده. لذلك، كثير من الناس، عندما يريدون تبريد الماء الساخن بشكل أسرع، يضعونه أولاً في الشمس..." في العصور الوسطى، حاول فرانسيس بيكون ورينيه ديكارت تفسير هذه الظاهرة. للأسف، لم يتمكن الفلاسفة العظماء ولا العديد من العلماء الذين طوروا الفيزياء الحرارية الكلاسيكية من تحقيق ذلك، وبالتالي تم "نسيان" هذه الحقيقة المزعجة لفترة طويلة.
وفقط في عام 1968 "تذكروا" بفضل التلميذ إراستو مبيمبي من تنزانيا، بعيدًا عن أي علم. أثناء دراسته في مدرسة فنون الطهي عام 1963، تم تكليف مبيمبي البالغ من العمر 13 عامًا بمهمة صنع الآيس كريم. وبحسب التقنية، كان من الضروري غلي الحليب، وتذويب السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا وكان مترددًا. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، تجمد حتى قبل حليب رفاقه المعد وفقًا لجميع القواعد.
عندما شارك مبيمبا اكتشافه مع مدرس الفيزياء، ضحك عليه أمام الفصل بأكمله. تذكر مبيمبا الإهانة. وبعد خمس سنوات، كان بالفعل طالبًا في جامعة دار السلام، وحضر محاضرة ألقاها الفيزيائي الشهير دينيس جي أوزبورن. بعد المحاضرة، سأل العالم سؤالاً: "إذا أخذت حاويتين متطابقتين بكميتين متساويتين من الماء، إحداهما عند 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) والأخرى عند 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت)، ووضعتهما في مكان واحد". في الفريزر، فإن الماء الموجود في وعاء ساخن سوف يتجمد بشكل أسرع. لماذا؟" ولكم أن تتخيلوا رد فعل أستاذ بريطاني على سؤال من شاب من تنزانيا المهجورة. لقد سخر من الطالب. ومع ذلك، كان مبيمبا جاهزًا لمثل هذه الإجابة وتحدى العالم للمراهنة. انتهى نزاعهم باختبار تجريبي أكد أن مبيمبا كان على حق وهزم أوزبورن. وهكذا كتب الطباخ المتدرب اسمه في تاريخ العلم، ومن الآن فصاعدا تسمى هذه الظاهرة "تأثير مبيمبا". من المستحيل التخلص منها والإعلان عنها على أنها "غير موجودة". الظاهرة موجودة، وكما كتب الشاعر «لا تضر».
هل جزيئات الغبار والمواد المذابة هي المسؤولة؟
على مر السنين، حاول الكثيرون حل لغز تجميد الماء. تم اقتراح مجموعة كاملة من التفسيرات لهذه الظاهرة: التبخر، والحمل الحراري، وتأثير المواد الذائبة - ولكن لا يمكن اعتبار أي من هذه العوامل نهائيًا. لقد كرس عدد من العلماء حياتهم كلها لتأثير مبيمبا. كان جيمس براونريدج، عضو قسم السلامة الإشعاعية بجامعة ولاية نيويورك، يدرس هذه المفارقة في أوقات فراغه لمدة عقد من الزمن. وبعد إجراء مئات التجارب، يزعم العالم أن لديه أدلة على "الذنب" الناجم عن انخفاض حرارة الجسم. يوضح براونريدج أنه عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، يصبح الماء شديد البرودة، ويبدأ في التجمد عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون ذلك. يتم تنظيم نقطة التجمد عن طريق الشوائب الموجودة في الماء - فهي تغير معدل تكوين بلورات الجليد. تتمتع الشوائب، مثل جزيئات الغبار والبكتيريا والأملاح الذائبة، بدرجة حرارة نووية مميزة عندما تتشكل بلورات الجليد حول مراكز التبلور. عند وجود عدة عناصر في الماء في وقت واحد، يتم تحديد نقطة التجمد بواسطة العنصر الذي لديه أعلى درجة حرارة للتنوي.
لإجراء التجربة، أخذ براونريدج عينتين من الماء لهما نفس درجة الحرارة ووضعهما في الثلاجة. واكتشف أن إحدى العينات تتجمد دائمًا قبل الأخرى، ربما بسبب مجموعة مختلفة من الشوائب.
يقول براونريدج إن الماء الساخن يبرد بشكل أسرع لأن هناك فرقًا أكبر بين درجة حرارة الماء والفريزر - وهذا يساعده على الوصول إلى نقطة التجمد قبل أن يصل الماء البارد إلى نقطة التجمد الطبيعية، والتي تكون أقل بمقدار 5 درجات مئوية على الأقل.
ومع ذلك، فإن منطق براونريدج يثير العديد من الأسئلة. ولذلك، فإن أولئك الذين يستطيعون تفسير تأثير مبيمبا بطريقتهم الخاصة لديهم فرصة للتنافس على جائزة ألف جنيه إسترليني من الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء.
يبدو أن الصيغة القديمة الجيدة H 2 O لا تحتوي على أسرار. لكن في الواقع، فإن الماء - مصدر الحياة والسائل الأكثر شهرة في العالم - محفوف بالعديد من الألغاز التي يعجز حتى العلماء في بعض الأحيان عن حلها.
فيما يلي خمس حقائق مثيرة للاهتمام حول الماء:
1. يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد
لنأخذ حاويتين من الماء: نسكب الماء الساخن في إحداهما، والماء البارد في الأخرى، ونضعهما في الفريزر. سوف يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه من المنطقي أن يتحول الماء البارد إلى جليد أولاً: بعد كل شيء، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة الحرارة الباردة، ثم يتحول إلى ثلج، في حين أن الماء البارد لا يحتاج إلى التبريد. لماذا يحدث هذا؟
في عام 1963، كان إيراستو ب. مبيمبا، وهو طالب في المدرسة الثانوية في تنزانيا، يقوم بتجميد خليط الآيس كريم ولاحظ أن الخليط الساخن يتجمد بشكل أسرع في الثلاجة من الخليط البارد. وعندما شارك الشاب اكتشافه مع مدرس الفيزياء، لم يفعل سوى الضحك عليه. لحسن الحظ، كان الطالب مثابرا وأقنع المعلم بإجراء تجربة، مما أكد اكتشافه: في ظل ظروف معينة، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.
الآن تسمى ظاهرة تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد بـ "تأثير مبيمبا". صحيح أن أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت لاحظوا هذه الخاصية الفريدة للمياه قبله بفترة طويلة.
ولا يزال العلماء لا يفهمون طبيعة هذه الظاهرة بشكل كامل، ويفسرونها إما بالاختلاف في التبريد الفائق أو التبخر أو تكوين الجليد أو الحمل الحراري، أو بتأثير الغازات المسالة على الماء الساخن والبارد.
ملاحظة من X.RU حول موضوع "يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد".
وبما أن قضايا التبريد أقرب إلينا، نحن متخصصي التبريد، فسوف نسمح لأنفسنا بالتعمق قليلاً في جوهر هذه المشكلة وإعطاء رأيين حول طبيعة هذه الظاهرة الغامضة.
1. اقترح عالم من جامعة واشنطن تفسيرا لظاهرة غامضة معروفة منذ زمن أرسطو: لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.
وتستخدم هذه الظاهرة، التي تسمى تأثير مبيمبا، على نطاق واسع في الممارسة العملية. على سبيل المثال، ينصح الخبراء سائقي السيارات بصب الماء البارد، وليس الساخن، في خزان الغسالة في الشتاء. لكن السبب وراء هذه الظاهرة ظل مجهولا لفترة طويلة.
قام الدكتور جوناثان كاتز من جامعة واشنطن بدراسة هذه الظاهرة وتوصل إلى استنتاج مفاده أن المواد الذائبة في الماء، والتي تترسب عند تسخينها، تلعب دورًا مهمًا، وفقًا لتقرير EurekAlert.
يقصد دكتور كاتز بالمذابات بيكربونات الكالسيوم والمغنيسيوم الموجودة في الماء العسر. عندما يتم تسخين الماء، تترسب هذه المواد، وتشكل قشورًا على جدران الغلاية. ويحتوي الماء الذي لم يتم تسخينه مطلقًا على هذه الشوائب. ومع تجمده وتشكل بلورات الثلج، يزداد تركيز الشوائب في الماء 50 مرة. وبسبب هذا، تنخفض درجة تجمد الماء. يوضح الدكتور كاتز: "والآن يجب أن يبرد الماء أكثر حتى يتجمد".
هناك سبب ثانٍ يمنع الماء غير المسخن من التجمد. يؤدي خفض درجة تجمد الماء إلى تقليل الفرق في درجة الحرارة بين المرحلتين الصلبة والسائلة. يعلق الدكتور كاتز قائلاً: "نظرًا لأن معدل فقدان الماء للحرارة يعتمد على هذا الاختلاف في درجة الحرارة، فإن الماء الذي لم يتم تسخينه يبرد بشكل أقل جودة".
ووفقا للعالم، يمكن اختبار نظريته تجريبيا، لأن يصبح تأثير مبيمبا أكثر وضوحًا بالنسبة للمياه العسر.
2. الأكسجين بالإضافة إلى الهيدروجين بالإضافة إلى البرد يخلق الجليد. للوهلة الأولى، تبدو هذه المادة الشفافة بسيطة للغاية. في الواقع، الجليد محفوف بالعديد من الألغاز. الجليد، الذي أنشأه الأفريقي إراستو مبيمبا، لم يفكر في الشهرة. كانت الأيام ساخنة. أراد المصاصات. أخذ علبة العصير ووضعها في الثلاجة. لقد فعل ذلك أكثر من مرة، وبالتالي لاحظ أن العصير يتجمد بسرعة خاصة إذا وضعته لأول مرة في الشمس - فهو يسخن بالفعل! هذا أمر غريب، هكذا فكر التلميذ التنزاني الذي تصرف بشكل مخالف للحكمة الدنيوية. هل صحيح أنه لكي يتحول السائل إلى ثلج بشكل أسرع، يجب أولاً تسخينه؟ كان الشاب متفاجئًا جدًا لدرجة أنه شارك تخمينه مع المعلم. وقد أبلغ عن هذا الفضول في الصحافة.
حدثت هذه القصة في الستينيات من القرن الماضي. الآن أصبح "تأثير مبيمبا" معروفًا لدى العلماء. ولكن لفترة طويلة ظلت هذه الظاهرة البسيطة لغزا. لماذا يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد؟
ولم يجد الفيزيائي ديفيد أورباخ الحل إلا في عام 1996. للإجابة على هذا السؤال، أجرى تجربة لمدة عام كامل: قام بتسخين الماء في كوب وتبريده مرة أخرى. إذن ماذا اكتشف؟ عند تسخينها، تتبخر فقاعات الهواء المذابة في الماء. يتجمد الماء الخالي من الغازات بسهولة أكبر على جدران الوعاء. يقول أورباخ: «بالطبع، الماء الذي يحتوي على نسبة عالية من الهواء سوف يتجمد أيضًا، ولكن ليس عند درجة الصفر المئوي، ولكن فقط عند درجة حرارة تقل عن أربع إلى ست درجات». وبطبيعة الحال، سوف تضطر إلى الانتظار لفترة أطول. إذن، الماء الساخن يتجمد قبل الماء البارد، هذه حقيقة علمية.
لا تكاد توجد مادة تظهر أمام أعيننا بنفس سهولة ظهور الجليد. وهو يتكون من جزيئات الماء فقط - أي جزيئات أولية تحتوي على ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. ومع ذلك، ربما يكون الجليد هو المادة الأكثر غموضًا في الكون. ولم يتمكن العلماء بعد من شرح بعض خصائصه.
2. التبريد الفائق والتجميد "الفوري".
يعلم الجميع أن الماء يتحول دائماً إلى ثلج عند تبريده إلى درجة الصفر المئوي... إلا في بعض الحالات! مثال على ذلك هو "التبريد الفائق"، وهو خاصية الماء النقي جدًا ليظل سائلاً حتى عند تبريده إلى درجة أقل من درجة التجمد. هذه الظاهرة أصبحت ممكنة بسبب حقيقة أن البيئة لا تحتوي على مراكز أو نوى تبلور يمكن أن تؤدي إلى تكوين بلورات الجليد. وهكذا يبقى الماء في حالته السائلة حتى عند تبريده إلى ما دون الصفر المئوي. يمكن أن يتم تحفيز عملية التبلور، على سبيل المثال، عن طريق فقاعات الغاز أو الشوائب (الملوثات) أو السطح غير المستوي للحاوية. وبدونها سيبقى الماء في حالة سائلة. عندما تبدأ عملية التبلور، يمكنك مشاهدة الماء فائق التبريد يتحول على الفور إلى ثلج.
شاهد الفيديو (2,901 كيلوبايت، 60 ثانية) من Phil Medina (www.mrsciguy.com) وشاهد بنفسك >>
تعليق.كما يظل الماء المسخن سائلاً حتى عند تسخينه فوق نقطة الغليان.
3. الماء "الزجاجي".
بسرعة ودون تفكير، اذكر عدد الحالات المختلفة التي يحتوي عليها الماء؟
إذا كانت إجابتك على ثلاثة (الصلبة، السائلة، الغازية)، فأنت مخطئ. حدد العلماء ما لا يقل عن 5 حالات مختلفة من الماء السائل و 14 حالة من الجليد.
هل تتذكر المحادثة حول الماء فائق البرودة؟ لذلك، بغض النظر عما تفعله، عند درجة حرارة -38 درجة مئوية، حتى أنقى المياه شديدة البرودة تتحول فجأة إلى ثلج. ماذا يحدث مع مزيد من الانخفاض؟
درجة حرارة؟ عند -120 درجة مئوية، يبدأ شيء غريب بالحدوث للماء: يصبح شديد اللزوجة أو لزجًا، مثل دبس السكر، وعند درجات حرارة أقل من -135 درجة مئوية، يتحول إلى ماء "زجاجي" أو "زجاجي" - وهي مادة صلبة تفتقر إلى البنية البلورية. .
4. الخصائص الكمومية للمياه
على المستوى الجزيئي، يعتبر الماء أكثر إثارة للدهشة. في عام 1995، أسفرت تجربة تشتت النيوترونات التي أجراها العلماء عن نتيجة غير متوقعة: اكتشف الفيزيائيون أن النيوترونات التي تستهدف جزيئات الماء "ترى" بروتونات هيدروجين أقل بنسبة 25٪ من المتوقع.
اتضح أنه عند سرعة واحدة أتوثانية (10 -18 ثانية) يحدث تأثير كمي غير عادي، والصيغة الكيميائية للماء بدلاً من الصيغة المعتادة - H 2 O، تصبح H 1.5 O!
5. هل للماء ذاكرة؟
تنص المعالجة المثلية، وهي بديل للطب التقليدي، على أن المحلول المخفف للدواء يمكن أن يكون له تأثير شفاء على الجسم، حتى لو كان عامل التخفيف كبيرًا جدًا بحيث لا يتبقى شيء في المحلول سوى جزيئات الماء. ويفسر أنصار المعالجة المثلية هذه المفارقة بمفهوم يسمى "ذاكرة الماء"، والذي بموجبه يكون للماء على المستوى الجزيئي "ذاكرة" للمادة بمجرد إذابته فيه ويحتفظ بخصائص المحلول بالتركيز الأصلي بعد أكثر من مرة. يبقى جزيء المكون فيه.
قامت مجموعة دولية من العلماء بقيادة البروفيسور مادلين إينيس من جامعة كوينز في بلفاست، والتي انتقدت مبادئ المعالجة المثلية، بإجراء تجربة في عام 2002 لدحض هذا المفهوم نهائيًا، وكانت النتيجة عكس ذلك، وبعد ماذا قال العلماء إنهم تمكنوا من إثبات حقيقة تأثير "ذاكرة الماء"، لكن التجارب التي أجريت تحت إشراف خبراء مستقلين لم تأت بنتائج، ولا تزال الخلافات حول وجود ظاهرة "ذاكرة الماء" مستمرة.
وللماء العديد من الخصائص الأخرى غير العادية التي لم نتحدث عنها في هذا المقال.
الأدب.
1. 5 أشياء غريبة حقًا عن الماء / http://www.neatorama.com.
2. سر الماء: تم إنشاء نظرية تأثير أرسطو-مبيمبا / http://www.o8ode.ru.
3. نيبومنياششي ن. أسرار الطبيعة غير الحية. المادة الأكثر غموضا في الكون / http://www.bibliotekar.ru.
