Koja voda brže kaplje, hladna ili topla? Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Voda- prilično jednostavna supstanca s hemijske tačke gledišta, međutim, ima niz neobičnih svojstava koja ne prestaju oduševljavati naučnike. Ispod je nekoliko činjenica za koje malo ljudi zna.

1. Koja voda se brže smrzava - hladna ili topla?

Uzmimo dvije posude s vodom: u jednu sipajte toplu vodu, a u drugu hladnu i stavite u zamrzivač. Topla voda će se smrznuti brže od hladne, iako je logično da je hladna voda prvo trebala da se pretvori u led: na kraju krajeva, topla voda mora prvo da se ohladi na nisku temperaturu, a zatim da se pretvori u led, dok hladna voda ne mora da se hladi. Zašto se ovo dešava?

Godine 1963., tanzanijski student po imenu Erasto B. Mpemba, dok je zamrzavao mješavinu sladoleda, primijetio je da se vruća smjesa brže stvrdnula u zamrzivaču od hladne. Kada je mladić podijelio svoje otkriće sa svojim profesorom fizike, samo mu se nasmijao. Na sreću, učenik je bio uporan i uvjerio učitelja da sprovede eksperiment, koji je potvrdio njegovo otkriće: pod određenim uvjetima topla voda se zapravo smrzava brže od hladne vode.

Sada se ovaj fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne zove " Mpemba efekat" Istina, mnogo prije njega ovo jedinstveno svojstvo vode zabilježili su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes.

Naučnici još uvijek ne razumiju u potpunosti prirodu ovog fenomena, objašnjavajući ga ili razlikom u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji, ili djelovanjem ukapljenih plinova na toplu i hladnu vodu.

2. Može se odmah smrznuti

Svi to znaju vode uvijek se pretvara u led kada se ohladi na 0°C... sa nekim izuzecima! Primjer takvog slučaja je prehlađenje, što je svojstvo vrlo čiste vode da ostane tečna čak i kada je ohlađena ispod nule. Ovaj fenomen je moguć zahvaljujući činjenici da okolina ne sadrži centre ili jezgre kristalizacije koji bi mogli izazvati stvaranje kristala leda. Tako voda ostaje u tečnom obliku čak i kada se ohladi na ispod nula stepeni Celzijusa.

Proces kristalizacije može biti uzrokovano, na primjer, mjehurićima plina, nečistoćama (zagađivačima) ili neravnom površinom posude. Bez njih, voda će ostati u tečnom stanju. Kada proces kristalizacije započne, možete gledati kako se super ohlađena voda trenutno pretvara u led.

Imajte na umu da "pregrijana" voda također ostaje tečna čak i kada se zagrije iznad tačke ključanja.

3. 19 stanja vode

Bez oklijevanja, navedite koliko različitih stanja ima voda? Ako ste odgovorili tri: čvrsta, tečna, gasovita, onda ste pogrešili. Naučnici razlikuju najmanje 5 različitih stanja vode u tečnom obliku i 14 stanja u zamrznutom obliku.

Sjećate se razgovora o super ohlađenoj vodi? Dakle, bez obzira šta radite, na -38 °C čak i najčistija super ohlađena voda će se iznenada pretvoriti u led. Šta će se dogoditi ako temperatura bude dalje padala? Na -120 °C vodi se nešto čudno događa: postaje super viskozna ili viskozna, poput melase, a na temperaturama ispod -135 °C pretvara se u "staklastu" ili "staklastu" vodu - čvrstu supstancu kojoj nedostaje kristal struktura.

4. Voda iznenađuje fizičare

Na molekularnom nivou, voda je još više iznenađujuća. 1995. godine, eksperiment raspršivanja neutrona koji su sproveli naučnici dao je neočekivani rezultat: fizičari su otkrili da neutroni usmjereni na molekule vode "vide" 25% manje vodonikovih protona nego što se očekivalo.

Ispostavilo se da se brzinom od jedne atosekunde (10-18 sekundi) dešava neobičan kvantni efekat, a umjesto toga kemijska formula vode H2O, postaje H1.5O!

5. Memorija vode

Alternativa službenoj medicini homeopatija navodi da razrijeđena otopina lijeka može imati terapeutski učinak na tijelo, čak i ako je faktor razrjeđenja toliko velik da u otopini ne ostaje ništa osim molekula vode. Zagovornici homeopatije objašnjavaju ovaj paradoks konceptom koji se zove " pamćenje vode“, prema kojem voda na molekularnom nivou ima “pamćenje” supstance koja je u njoj nekada bila otopljena i zadržava svojstva otopine prvobitne koncentracije nakon što u njoj ne ostane niti jedan molekul sastojka.

Međunarodni tim naučnika na čelu sa profesoricom Madeleine Ennis sa Queen's univerziteta u Belfastu, koja je kritikovala principe homeopatije, izveo je eksperiment 2002. godine kako bi jednom zauvijek opovrgao koncept. Rezultat je bio suprotan. Nakon čega su naučnici izjavili da su uspjeli dokazati stvarnost efekta “ pamćenje vode" Međutim, eksperimenti provedeni pod nadzorom nezavisnih stručnjaka nisu dali rezultate. Sporovi o postojanju fenomena" pamćenje vode"nastavi.

Voda ima mnoga druga neobična svojstva o kojima nismo govorili u ovom članku. Na primjer, gustina vode se mijenja u zavisnosti od temperature (gustina leda je manja od gustine vode); voda ima prilično visoku površinsku napetost; u tekućem stanju voda je složena i dinamički promenljiva mreža vodenih klastera, a ponašanje klastera utiče na strukturu vode itd.

O ovim i mnogim drugim neočekivanim karakteristikama vode možete pročitati u članku “ Anomalna svojstva vode“, autora Martina Chaplina, profesora na Univerzitetu u Londonu.

Britansko kraljevsko hemijsko društvo nudi nagradu od 1.000 funti svakome ko može naučno objasniti zašto se topla voda u nekim slučajevima smrzava brže od hladne.

“Savremena nauka još uvijek ne može odgovoriti na ovo naizgled jednostavno pitanje. Proizvođači sladoleda i barmeni koriste ovaj efekat u svom svakodnevnom radu, ali niko zapravo ne zna zašto radi. Ovaj problem je poznat milenijumima, a filozofi kao što su Aristotel i Descartes razmišljaju o njemu”, rekao je profesor David Phillips, predsjednik Britanskog kraljevskog društva za hemiju, citirano u saopštenju Društva.

Kako je kuvar iz Afrike pobedio britanskog profesora fizike

Ovo nije prvoaprilska šala, već surova fizička realnost. Moderna nauka, koja lako operiše galaksijama i crnim rupama, i gradi gigantske akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako elementarna voda "funkcioniše". Školski udžbenik jasno kaže da je potrebno više vremena za hlađenje toplijeg tijela nego za hlađenje hladnog tijela. Ali za vodu, ovaj zakon se ne poštuje uvijek. Aristotel je skrenuo pažnju na ovaj paradoks u 4. veku pre nove ere. e. Evo šta je drevni Grk napisao u svojoj knjizi Meteorologica I: „Činjenica da je voda prethodno zagrejana uzrokuje njeno smrzavanje. Stoga, mnogi ljudi, kada žele brže da rashlade toplu vodu, prvo je stave na sunce...” U srednjem vijeku su Francis Bacon i Rene Descartes pokušali da objasne ovaj fenomen. U tome, nažalost, nisu uspjeli ni veliki filozofi ni brojni naučnici koji su razvili klasičnu termofiziku, pa je tako nezgodna činjenica dugo bila "zaboravljena".

I tek 1968. godine „sjetili su se“ zahvaljujući školarcu Erastu Mpembeu iz Tanzanije, daleko od svake nauke. Dok je studirao u školi kulinarstva 1963. godine, 13-godišnji Mpembe je dobio zadatak da napravi sladoled. Po tehnologiji je bilo potrebno mlijeko prokuhati, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a zatim staviti u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio marljiv učenik i oklijevao je. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po svim pravilima.

Kada je Mpemba podijelio svoje otkriće sa svojim profesorom fizike, nasmijao mu se pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već kao student na univerzitetu u Dar es Salamu, prisustvovao je predavanju poznatog fizičara Denisa G. Osbornea. Nakon predavanja, postavio je naučniku pitanje: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode, jednu na 35 °C (95 °F) i drugu na 100 °C (212 °F), i postavite ih u zamrzivaču, tada će se voda u vrućoj posudi brže smrzavati. Zašto?" Možete zamisliti reakciju britanskog profesora na pitanje mladića iz Bogom zaboravljene Tanzanije. Ismijavao je studenta. Međutim, Mpemba je bio spreman na takav odgovor i izazvao je naučnika na opkladu. Njihov spor je završio eksperimentalnim testom koji je potvrdio da je Mpemba u pravu, a Osborne poražen. Tako je kuhar šegrt upisao svoje ime u istoriju nauke, a od sada se ovaj fenomen naziva „efekat Mpemba“. Nemoguće ga je odbaciti, proglasiti „nepostojećim“. Fenomen postoji i, kako je pesnik napisao, „ne boli“.

Jesu li za to krive čestice prašine i otopljene tvari?

Tokom godina, mnogi su pokušavali da razotkriju misteriju smrzavanja vode. Predloženo je čitav niz objašnjenja za ovaj fenomen: isparavanje, konvekcija, uticaj rastvorenih supstanci - ali nijedan od ovih faktora se ne može smatrati definitivnim. Brojni naučnici su cijeli svoj život posvetili Mpemba efektu. James Brownridge, član Odsjeka za radijacionu sigurnost na Državnom univerzitetu New Yorka, proučava paradoks u svoje slobodno vrijeme već deceniju. Nakon sto je izvršio stotine eksperimenata, naučnik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da se na 0°C voda samo prehlađena i počinje smrzavati kada temperatura padne ispod. Tačka smrzavanja regulirana je nečistoćama u vodi - one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, kao što su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju karakterističnu temperaturu nukleacije kada se kristali leda formiraju oko centara kristalizacije. Kada je nekoliko elemenata istovremeno prisutno u vodi, tačka smrzavanja je određena onim koji ima najvišu temperaturu nukleacije.

Za eksperiment, Brownridge je uzeo dva uzorka vode iste temperature i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek smrzava prije drugog, vjerovatno zbog različite kombinacije nečistoća.

Brownridge kaže da se topla voda brže hladi jer postoji veća razlika između temperature vode i zamrzivača - to joj pomaže da dostigne svoju tačku smrzavanja prije nego što hladna voda dostigne svoju prirodnu tačku smrzavanja, koja je najmanje 5°C niža.

Međutim, Brownridgeovo rezonovanje otvara mnoga pitanja. Stoga oni koji na svoj način mogu objasniti efekat Mpemba imaju priliku da se takmiče za hiljadu funti sterlinga od Britanskog kraljevskog hemijskog društva.

Mnogi istraživači su iznijeli i iznose vlastite verzije o tome zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Činilo bi se kao paradoks - na kraju krajeva, da bi se smrznula, vruća voda se prvo mora ohladiti. Međutim, činjenica ostaje činjenica, a naučnici to objašnjavaju na različite načine.

Glavne verzije

Trenutno postoji nekoliko verzija koje objašnjavaju ovu činjenicu:

1. Budući da topla voda brže isparava, njen volumen se smanjuje. A smrzavanje manje količine vode na istoj temperaturi dolazi brže.
2. Odeljak zamrzivača frižidera ima oblogu za sneg. Kontejner sa toplom vodom topi snijeg ispod. Ovo poboljšava termički kontakt sa zamrzivačem.
3. Zamrzavanje hladne vode, za razliku od tople vode, počinje na vrhu. Istovremeno se pogoršavaju konvekcija i toplinsko zračenje, a samim tim i gubitak topline.
4. Hladna voda sadrži centre kristalizacije - tvari otopljene u njoj. Ako je njihov sadržaj u vodi mali, zaleđivanje je teško, iako je u isto vrijeme moguće prehlađenje - kada na temperaturama ispod nule ima tečno stanje.

Iako pošteno možemo reći da se ovaj efekat ne opaža uvijek. Vrlo često se hladna voda smrzava brže od tople vode.

Na kojoj temperaturi se voda smrzava

Zašto se voda uopšte smrzava? Sadrži određenu količinu mineralnih ili organskih čestica. To mogu biti, na primjer, vrlo male čestice pijeska, prašine ili gline. Kako temperatura zraka opada, ove čestice su centri oko kojih se formiraju kristali leda.

Ulogu jezgri kristalizacije mogu imati i mjehurići zraka i pukotine u posudi u kojoj se nalazi voda. Na brzinu procesa pretvaranja vode u led u velikoj mjeri utječe broj takvih centara - ako ih ima mnogo, tekućina se brže smrzava. U normalnim uslovima, uz normalan atmosferski pritisak, voda prelazi u čvrsto stanje iz tečnosti na temperaturi od 0 stepeni.

Suština Mpemba efekta

Efekat Mpemba je paradoks, čija je suština da se pod određenim okolnostima topla voda smrzava brže od hladne vode. Ovu pojavu su primijetili Aristotel i Descartes. Međutim, tek 1963. godine tanzanijski školarac Erasto Mpemba utvrdio je da se vrući sladoled smrzava za kraće vrijeme od hladnog. Ovaj zaključak je napravio dok je ispunjavao zadatak kuhanja.

Šećer je morao otopiti u prokuvanom mlijeku i nakon što ga je ohladio staviti u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv i kasno je počeo da izvršava prvi deo zadatka. Stoga nije čekao da se mlijeko ohladi, već je vruće stavio u frižider. Bio je veoma iznenađen kada se smrzla čak i brže nego kod njegovih kolega iz razreda koji su radili po zadatoj tehnologiji.

Ova činjenica je veoma zainteresovala mladića i počeo je eksperimente sa običnom vodom. Godine 1969. časopis Physics Education objavio je rezultate istraživanja Mpembe i profesora Dennisa Osbornea sa Univerziteta Dar Es Salaam. Efekat koji su opisali dobio je naziv Mpemba. Međutim, ni danas nema jasnog objašnjenja za ovaj fenomen. Svi naučnici se slažu da glavnu ulogu u tome imaju razlike u svojstvima rashlađene i tople vode, ali šta tačno nije poznato.

Singapurska verzija

Fizičare sa jednog od singapurskih univerziteta zanimalo je i pitanje koja voda se brže smrzava - topla ili hladna? Tim istraživača na čelu sa Xi Zhangom objasnio je ovaj paradoks upravo svojstvima vode. Svi znaju sastav vode iz škole - atom kiseonika i dva atoma vodika. Kiseonik u određenoj meri odvlači elektrone od vodonika, tako da je molekula određena vrsta „magneta“.

Kao rezultat toga, određeni molekuli u vodi se malo privlače jedni prema drugima i ujedinjuju ih vodikovom vezom. Njegova snaga je mnogo puta manja od kovalentne veze. Singapurski istraživači vjeruju da objašnjenje za Mpembin paradoks leži upravo u vodoničnim vezama. Ako su molekuli vode postavljeni vrlo čvrsto zajedno, onda tako snažna interakcija između molekula može deformirati kovalentnu vezu u sredini samog molekula.

Ali kada se voda zagrije, vezani molekuli se malo udaljavaju jedan od drugog. Kao rezultat, dolazi do relaksacije kovalentnih veza u sredini molekula uz oslobađanje viška energije i prijelaz na niži energetski nivo. To dovodi do činjenice da se topla voda počinje brzo hladiti. Barem, to pokazuju teorijske proračune singapurskih naučnika.

Trenutačno zamrzavanje vode - 5 nevjerovatnih trikova: Video

Fenomen smrzavanja tople vode brže od hladne vode poznat je u nauci kao Mpemba efekat. Veliki umovi kao što su Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes razmišljali su o ovom paradoksalnom fenomenu, ali hiljadama godina niko još nije mogao da ponudi razumno objašnjenje za ovaj fenomen.

Tek 1963. godine, školarac iz Republike Tanganjike, Erasto Mpemba, primijetio je ovaj efekat na primjeru sladoleda, ali mu nijedna odrasla osoba nije dala objašnjenje. Ipak, fizičari i hemičari su ozbiljno razmišljali o tako jednostavnom, ali tako neshvatljivom fenomenu.

Od tada su se pojavljivale različite verzije, od kojih je jedna bila sljedeća: dio tople vode prvo jednostavno ispari, a onda, kada je manje ostane, voda se brže smrzava. Ova verzija je, zbog svoje jednostavnosti, postala najpopularnija, ali nije u potpunosti zadovoljila naučnike.

Sada tim istraživača sa tehnološkog univerziteta Nanyang u Singapuru, predvođen hemičarem Xi Zhangom, kaže da je riješio vjekovnu misteriju zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Kako su kineski stručnjaci otkrili, tajna leži u količini energije pohranjene u vodikovim vezama između molekula vode.

Kao što znate, molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika koji se drže zajedno kovalentnim vezama, što na nivou čestica izgleda kao razmjena elektrona. Još jedna poznata činjenica je da se atomi vodika privlače atomima kisika iz susjednih molekula – formiraju se vodikove veze.

U isto vrijeme, molekuli vode se općenito odbijaju. Naučnici iz Singapura su primijetili: što je voda toplija, to je veća udaljenost između molekula tečnosti zbog povećanja odbojnih sila. Kao rezultat toga, vodonične veze se rastežu i stoga skladište više energije. Ova energija se oslobađa kada se voda ohladi – molekuli se približavaju jedan drugom. A oslobađanje energije, kao što je poznato, znači hlađenje.

Kako pišu kemičari u svom članku, koji se može naći na web stranici preprinta arXiv.org, u toploj vodi vodonične veze su jače nego u hladnoj vodi. Tako se ispostavlja da je više energije pohranjeno u vodoničnim vezama tople vode, što znači da se više energije oslobađa kada se ohladi na temperaturu ispod nule. Iz tog razloga, stvrdnjavanje se događa brže.

Do danas su naučnici riješili ovu misteriju samo teoretski. Kada iznesu uvjerljive dokaze za svoju verziju, pitanje zašto se topla voda smrzava brže od hladne može se smatrati zatvorenim.

Pozdrav dragi ljubitelji zanimljivosti. Danas ćemo razgovarati sa vama o tome. Ali mislim da pitanje postavljeno u naslovu može izgledati jednostavno apsurdno - ali treba uvijek nepodijeljeno vjerovati ozloglašenom "zdravom razumu", a ne strogo utvrđenom testnom eksperimentu. Hajde da pokušamo da shvatimo zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?

Istorijska referenca

Da u pitanju smrzavanja hladne i tople vode „nije sve čisto” pominju Aristotelova dela, zatim su slične beleške dali F. Bacon, R. Descartes i J. Black. U novijoj istoriji, ovaj efekat je dobio naziv "Mpembin paradoks" - nazvan po školarcu iz Tanganjike, Erastu Mpembi, koji je isto pitanje postavio gostujućem profesoru fizike.

Dječakovo pitanje nije nastalo niotkuda, već iz čisto ličnih zapažanja procesa hlađenja mješavine sladoleda u kuhinji. Naravno, prisutni su drugovi iz razreda, zajedno sa učiteljicom, nasmijali Mpembu - međutim, nakon eksperimentalnog testa lično profesora D. Osbornea, želja da se Erastu ismeva iz njih je „isparila“. Štaviše, Mpemba je, zajedno sa profesorom, objavio detaljan opis ovog efekta u Obrazovanju fizike 1969. godine - i od tada je gore pomenuti naziv fiksiran u naučnoj literaturi.

Šta je suština fenomena?

Postavka eksperimenta je prilično jednostavna: pod svim ostalim jednakim uvjetima, testiraju se identične posude tankih stijenki, koje sadrže striktno jednake količine vode, koje se razlikuju samo po temperaturi. Posude se stavljaju u frižider, nakon čega se u svakoj od njih bilježi vrijeme do stvaranja leda. Paradoks je da se u posudi sa inicijalno toplijom tečnošću to dešava brže.

Kako savremena fizika ovo objašnjava?

Paradoks nema univerzalno objašnjenje, jer se nekoliko paralelnih procesa odvija zajedno, čiji doprinos može varirati u zavisnosti od specifičnih početnih uslova - ali sa ujednačenim rezultatom:

• sposobnost tečnosti da se prehlađenje - u početku hladna voda je sklonija prehlađenju, tj. ostaje tečno kada je njegova temperatura već ispod tačke smrzavanja
• ubrzano hlađenje - para iz tople vode pretvara se u mikrokristale leda, koji, kada se vraćaju, ubrzavaju proces, radeći kao dodatni „vanjski izmjenjivač topline“
• izolacijski učinak - za razliku od tople vode, hladna voda se smrzava odozgo, što dovodi do smanjenja prijenosa topline konvekcijom i zračenjem

Postoji niz drugih objašnjenja (posljednji put je Britansko kraljevsko hemijsko društvo nedavno, 2012. godine, održalo natjecanje za najbolju hipotezu) - ali još uvijek ne postoji jednoznačna teorija za sve slučajeve kombinacije ulaznih uslova...