Melyik víz csöpög gyorsabban, hideg vagy meleg? Miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg víz?

Víz- kémiai szempontból meglehetősen egyszerű anyag, azonban számos szokatlan tulajdonsággal rendelkezik, amelyek soha nem szűnnek meg ámulatba ejteni a tudósokat. Az alábbiakban felsorolunk néhány tényt, amelyekről kevesen tudnak.

1. Melyik víz fagy le gyorsabban - hideg vagy meleg?

Vegyünk két edényt vízzel: az egyikbe öntsünk forró, a másikba hideg vizet, és tegyük be a fagyasztóba. A forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg, bár logikusan a hideg víznek először jéggé kellett volna alakulnia: a forró víznek ugyanis először hideg hőmérsékletre kell hűlnie, majd jéggé kell alakulnia, míg a hideg víznek nem kell hűlnie. Miért történik ez?

1963-ban egy Erasto B. Mpemba nevű tanzániai diák fagylaltkeverék fagyasztása közben észrevette, hogy a forró keverék gyorsabban megszilárdul a fagyasztóban, mint a hideg. Amikor a fiatalember megosztotta felfedezését fizikatanárjával, csak nevetett rajta. Szerencsére a diák kitartó volt, és meggyőzte a tanárt, hogy végezzen kísérletet, ami megerősítette felfedezését: bizonyos körülmények között a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg.

Ezt a jelenséget, amikor a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg víz, az úgynevezett " Mpemba hatás" Igaz, jóval előtte a víznek ezt az egyedülálló tulajdonságát Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes is feljegyezte.

A tudósok még mindig nem értik teljesen ennek a jelenségnek a természetét, vagy a túlhűtés, a párolgás, a jégképződés, a konvekció különbségével, vagy a cseppfolyósított gázok hideg és meleg vízre gyakorolt ​​hatásával magyarázzák.

2. Azonnal lefagyhat

Ezt mindenki tudja víz 0°C-ra hűtve mindig jéggé válik... néhány kivételtől eltekintve! Ilyen eset például a túlhűtés, amely a nagyon tiszta víz azon tulajdonsága, hogy fagypont alá hűtve is folyékony marad. Ezt a jelenséget az teszi lehetővé, hogy a környezet nem tartalmaz olyan kristályosodási központokat vagy magokat, amelyek jégkristályok képződését váltanák ki. Így a víz nulla Celsius-fok alá hűtve is folyékony formában marad.

Kristályosítási folyamat okozhatja például a gázbuborékok, szennyeződések (szennyeződések), vagy a tartály egyenetlen felülete. Ezek nélkül a víz folyékony állapotban marad. Amikor a kristályosodási folyamat elindul, láthatja, ahogy a szuperhűtött víz azonnal jéggé változik.

Vegye figyelembe, hogy a „túlhevített” víz akkor is folyékony marad, ha forráspontja fölé melegítjük.

3. A víz 19 állapota

Habozás nélkül nevezze meg, hány különböző halmazállapotú a víz? Ha hármat válaszoltál: szilárd, folyékony, gáz, akkor tévedtél. A tudósok a víznek legalább 5 különböző halmazállapotát különböztetik meg folyékony és 14 fagyott formában.

Emlékszel a szuperhűtött vízről szóló beszélgetésre? Tehát bármit is csinál, -38 °C-on még a legtisztább szuperhűtött víz is hirtelen jéggé változik. Mi lesz, ha tovább csökken a hőmérséklet? -120 °C-on valami furcsa dolog kezd megtörténni a vízzel: szuperviszkózussá vagy viszkózussá válik, mint a melasz, és -135 °C alatti hőmérsékleten „üveges” vagy „üveges” vízzé válik - szilárd anyaggá, amelyből hiányzik a kristályosodás. szerkezet.

4. A víz meglepi a fizikusokat

Molekuláris szinten a víz még meglepőbb. 1995-ben a tudósok által végzett neutronszórási kísérlet váratlan eredményt hozott: a fizikusok felfedezték, hogy a vízmolekulákat célzó neutronok a vártnál 25%-kal kevesebb hidrogén protont „látnak”.

Kiderült, hogy egy attoszekundumos (10-18 másodperc) sebességgel szokatlan kvantumhatás lép fel, és helyette a víz kémiai képlete H2O, H1,5O lesz!

5. Víz memória

A hivatalos orvoslás alternatívája homeopátia kimondja, hogy egy gyógyszer híg oldata terápiás hatást fejthet ki a szervezetre, még akkor is, ha a hígítási tényező olyan nagy, hogy a vízmolekulákon kívül semmi nem marad az oldatban. A homeopátia hívei ezt a paradoxont ​​a " víz memória“, mely szerint a víz molekuláris szinten „memóriával” rendelkezik az egykor benne oldott anyagról, és megőrzi az eredeti koncentrációjú oldat tulajdonságait, miután az összetevőből egyetlen molekula sem marad benne.

Madeleine Ennis, a Belfasti Queen Egyetem professzora által vezetett nemzetközi tudóscsoport, aki kritizálta a homeopátia alapelveit, 2002-ben kísérletet végzett, hogy végleg megcáfolja a koncepciót. Az eredmény az ellenkezője lett. Ezt követően a tudósok kijelentették, hogy be tudták bizonyítani a hatás valóságát. víz memória" A független szakértők felügyelete mellett végzett kísérletek azonban nem hoztak eredményt. Viták a jelenség létezéséről " víz memória"folytatni.

A víznek sok más szokatlan tulajdonsága van, amelyekről ebben a cikkben nem beszéltünk. Például a víz sűrűsége a hőmérséklet függvényében változik (a jég sűrűsége kisebb, mint a víz sűrűsége); a víznek meglehetősen nagy felületi feszültsége van; folyékony halmazállapotban a víz egy összetett és dinamikusan változó vízklaszter-hálózat, és a klaszterek viselkedése befolyásolja a víz szerkezetét stb.

Ezekről és sok más váratlan funkcióról víz cikkben olvasható " A víz rendellenes tulajdonságai", szerzője Martin Chaplin, a Londoni Egyetem professzora.

A Brit Királyi Kémiai Társaság 1000 font jutalmat ajánl fel mindenkinek, aki tudományosan meg tudja magyarázni, miért fagy le bizonyos esetekben a meleg víz gyorsabban, mint a hideg.

„A modern tudomány még mindig nem tud válaszolni erre az egyszerűnek tűnő kérdésre. A fagylaltkészítők és csaposok ezt a hatást használják mindennapi munkájuk során, de senki sem tudja, miért működik. Ez a probléma évezredek óta ismert, olyan filozófusok is gondolkodtak rajta, mint Arisztotelész és Descartes” – mondta David Phillips professzor, a Brit Királyi Kémiai Társaság elnöke a Társaság sajtóközleményében.

Hogyan győzött le egy afrikai szakács egy brit fizikaprofesszort

Ez nem áprilisi tréfa, hanem durva fizikai valóság. A modern tudomány, amely könnyen operál galaxisokkal és fekete lyukakkal, és óriási gyorsítókat épít a kvarkok és bozonok felkutatására, nem tudja megmagyarázni, hogyan „működik az elemi víz”. Az iskolai tankönyv egyértelműen kimondja, hogy a forróbb test lehűtése több időbe telik, mint a hideg test lehűtése. De a víz esetében ezt a törvényt nem mindig tartják be. Arisztotelész a Kr.e. IV. században hívta fel a figyelmet erre a paradoxonra. e. Íme, amit az ókori görög ír Meteorologica I című könyvében: „Az a tény, hogy a vizet előmelegítik, megfagy. Ezért sokan, amikor gyorsabban akarják lehűteni a forró vizet, először a napra teszik...” A középkorban Francis Bacon és Rene Descartes próbálta megmagyarázni ezt a jelenséget. Sajnos ez sem a nagy filozófusoknak, sem a klasszikus termofizikát kidolgozó számos tudósnak nem sikerült, ezért egy ilyen kényelmetlen tényt sokáig „feledésbe merült”.

És csak 1968-ban „emlékeztek” a tanzániai Erasto Mpembe iskolásnak köszönhetően, távol minden tudománytól. Míg 1963-ban a konyhaművészeti iskolában tanult, a 13 éves Mpembe azt a feladatot kapta, hogy készítsen fagylaltot. A technológia szerint a tejet fel kellett forralni, feloldani benne a cukrot, szobahőmérsékletűre hűteni, majd hűtőbe tenni dermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem volt szorgalmas tanuló, és habozott. Attól tartva, hogy nem ér rá az óra végére, még forró tejet tett a hűtőbe. Meglepetésére még korábban fagyott meg, mint a társai minden szabály szerint elkészített teje.

Amikor Mpemba megosztotta felfedezését fizikatanárával, az egész osztály előtt kinevette. Mpemba emlékezett a sértésre. Öt évvel később, már a Dar es Salaam-i egyetem hallgatójaként részt vett a híres fizikus, Denis G. Osborne előadásán. Az előadás után egy kérdést tett fel a tudósnak: „Ha veszel két egyforma edényt egyenlő mennyiségű vízzel, az egyiket 35 °C-os, a másikat 100 °C-os (212 °F) hőmérsékletű vízzel, és elhelyezed őket. fagyasztóba, akkor a forró edényben lévő víz gyorsabban megfagy. Miért?" Képzelheti egy brit professzor reakcióját egy isten háta mögött Tanzániából származó fiatalember kérdésére. Kinevette a diákot. Mpemba azonban készen állt egy ilyen válaszra, és fogadásra hívta a tudóst. Vitájuk egy kísérleti teszttel zárult, amely megerősítette, hogy Mpembának igaza volt, és Osborne legyőzte. Így a szakácstanonc beírta a nevét a tudománytörténetbe, és mostantól ezt a jelenséget „Mpemba-effektusnak” hívják. Lehetetlen elvetni, „nemlétezőnek” nyilvánítani. A jelenség létezik, és ahogy a költő írta: „nem fáj”.

A porrészecskék és az oldott anyagok a hibásak?

Az évek során sokan próbálták megfejteni a fagyos víz titkát. Erre a jelenségre egy csomó magyarázatot javasoltak: párolgás, konvekció, oldott anyagok hatása – de ezek egyike sem tekinthető véglegesnek. Számos tudós egész életét az Mpemba-effektusnak szentelte. James Brownridge, a New York-i Állami Egyetem Sugárbiztonsági Tanszékének tagja egy évtizede tanulmányozza a paradoxont ​​szabadidejében. Több száz kísérlet elvégzése után a tudós azt állítja, hogy bizonyítékai vannak a hipotermia „bűntudatára”. Brownridge elmagyarázza, hogy 0 °C-on a víz csak túlhűl, és akkor kezd megfagyni, amikor a hőmérséklet alább esik. A fagyáspontot a vízben lévő szennyeződések szabályozzák - ezek megváltoztatják a jégkristályok képződésének sebességét. A szennyeződéseknek, például porszemcséknek, baktériumoknak és oldott sóknak jellegzetes gócképződési hőmérséklete van, amikor a kristályosodási központok körül jégkristályok képződnek. Ha egyszerre több elem van jelen a vízben, a fagyáspontot az határozza meg, amelyiknek a legmagasabb a magképződési hőmérséklete.

A kísérlethez Brownridge két azonos hőmérsékletű vízmintát vett, és a fagyasztóba helyezte. Felfedezte, hogy az egyik példány mindig előbb fagyott meg, mint a másik, feltehetően a szennyeződések eltérő kombinációja miatt.

Brownridge szerint a forró víz gyorsabban hűl le, mert nagyobb a különbség a víz és a fagyasztó hőmérséklete között – ez segít elérni a fagypontot, mielőtt a hideg víz elérné a természetes fagyáspontját, amely legalább 5°C-kal alacsonyabb.

Brownridge érvelése azonban sok kérdést vet fel. Ezért azoknak, akik a maguk módján meg tudják magyarázni az Mpemba-effektust, esélyük van a Brit Királyi Kémiai Társaság ezer fontjáért versenyezni.

Sok kutató terjesztette elő és terjeszti elő saját verzióját arra vonatkozóan, hogy a forró víz miért fagy le gyorsabban, mint a hideg. Paradoxonnak tűnik - elvégre ahhoz, hogy megfagyjon, a forró víznek először le kell hűlnie. A tény azonban tény marad, és a tudósok többféleképpen magyarázzák.

Főbb verziók

Jelenleg több változat is megmagyarázza ezt a tényt:

1. Mivel a forró víz gyorsabban elpárolog, térfogata csökken. És kisebb mennyiségű víz azonos hőmérsékletű fagyása gyorsabban megy végbe.
2. A hűtőszekrény fagyasztórekeszében hóbetét található. Egy forró vizet tartalmazó edény megolvasztja alatta a havat. Ez javítja a fagyasztóval való termikus érintkezést.
3. A hideg víz megfagyása a forró vízzel ellentétben a tetején kezdődik. Ugyanakkor a konvekció és a hősugárzás, és ennek következtében a hőveszteség romlik.
4. A hideg víz kristályosodási központokat tartalmaz - benne oldott anyagokat. Ha kicsi a víztartalmuk, akkor a jegesedés nehézkes, bár ugyanakkor lehetséges a túlhűtés - nulla alatti hőmérsékleten folyékony halmazállapotú.

Bár az igazság kedvéért elmondhatjuk, hogy ez a hatás nem mindig figyelhető meg. Nagyon gyakran a hideg víz gyorsabban lefagy, mint a forró víz.

Milyen hőmérsékleten fagy meg a víz

Miért fagy meg egyáltalán a víz? Bizonyos mennyiségű ásványi vagy szerves részecskét tartalmaz. Ezek lehetnek például nagyon kis homok-, por- vagy agyagszemcsék. Ahogy a levegő hőmérséklete csökken, ezek a részecskék azok a központok, amelyek körül jégkristályok képződnek.

A kristályosodási magok szerepét a vizet tartalmazó tartály légbuborékai és repedései is betölthetik. A víz jéggé alakításának sebességét nagymértékben befolyásolja az ilyen központok száma - ha sok van belőlük, a folyadék gyorsabban fagy meg. Normál körülmények között, normál légköri nyomás mellett a víz 0 fokos hőmérsékleten folyadékból szilárd halmazállapotúvá válik.

Az Mpemba effektus lényege

Az Mpemba-effektus egy paradoxon, melynek lényege, hogy bizonyos körülmények között a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Erre a jelenségre Arisztotelész és Descartes is felfigyelt. A tanzániai iskolás, Erasto Mpemba azonban csak 1963-ban állapította meg, hogy a forró fagylalt rövidebb idő alatt megdermed, mint a hideg fagylalt. Erre a következtetésre jutott egy főzési feladat elvégzése közben.

A felforralt tejben fel kellett oldania a cukrot, és miután lehűtötte, hűtőszekrénybe tette megdermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem volt különösebben szorgalmas, és későn kezdte el a feladat első részét. Ezért nem várta meg, hogy a tej kihűljön, hanem forrón betette a hűtőbe. Nagyon meglepődött, amikor még gyorsabban lefagyott, mint osztálytársaié, akik az adott technológiának megfelelően végezték a munkát.

Ez a tény nagyon érdekelte a fiatalembert, és kísérleteket kezdett sima vízzel. 1969-ben a Physics Education folyóirat publikálta Mpemba és Dennis Osborne, a Dar es Salaam Egyetem professzora által végzett kutatások eredményeit. Az általuk leírt hatás az Mpemba nevet kapta. A jelenségre azonban még ma sincs egyértelmű magyarázat. Minden tudós egyetért abban, hogy ebben a főszerep a hűtött és a forró víz tulajdonságainak különbsége, de hogy pontosan mi, az nem ismert.

Szingapúri verzió

Az egyik szingapúri egyetem fizikusait az is érdekelte, hogy melyik víz fagy le gyorsabban - meleg vagy hideg? Hszi Zhang vezette kutatócsoport pontosan a víz tulajdonságaival magyarázta ezt a paradoxont. Mindenki ismeri a víz összetételét az iskolából - egy oxigénatom és két hidrogénatom. Az oxigén bizonyos mértékig elhúzza az elektronokat a hidrogéntől, így a molekula egyfajta „mágnes”.

Ennek eredményeként a víz bizonyos molekulái enyhén vonzódnak egymáshoz, és hidrogénkötés köti össze őket. Erőssége sokszor kisebb, mint a kovalens kötésé. Szingapúri kutatók úgy vélik, hogy Mpemba paradoxonának magyarázata pontosan a hidrogénkötésekben rejlik. Ha a vízmolekulákat nagyon szorosan egymás mellé helyezzük, akkor a molekulák közötti ilyen erős kölcsönhatás deformálhatja a kovalens kötést magának a molekulának a közepén.

De amikor a vizet melegítjük, a megkötött molekulák kissé eltávolodnak egymástól. Ennek eredményeként a molekulák közepén a kovalens kötések relaxációja következik be, a felesleges energia felszabadulásával és az alacsonyabb energiaszintre való átállással. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a forró víz gyorsan lehűl. Legalábbis ezt mutatják a szingapúri tudósok elméleti számításai.

Azonnal megfagyó víz – 5 hihetetlen trükk: Videó

A meleg víznél gyorsabb fagy jelenségét a tudomány Mpemba-effektusként ismeri. Nagy elmék, mint Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes elmélkedtek ezen a paradox jelenségen, de évezredek óta senki sem tudott ésszerű magyarázatot adni erre a jelenségre.

Csak 1963-ban vette észre ezt a hatást egy Tanganyika Köztársaságból származó iskolás, Erasto Mpemba a fagylalt példáján, de egyetlen felnőtt sem adott neki magyarázatot. Ennek ellenére a fizikusok és a kémikusok komolyan elgondolkodtak egy ilyen egyszerű, de annyira érthetetlen jelenségen.

Azóta különböző verziók születtek, amelyek közül az egyik a következő volt: a forró víz egy része először egyszerűen elpárolog, majd amikor kevesebb marad belőle, a víz gyorsabban megfagy. Ez a verzió egyszerűsége miatt a legnépszerűbb lett, de nem elégítette ki teljesen a tudósokat.

A szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem kutatócsoportja, Xi Zhang vegyész vezetésével azt állítja, hogy megfejtették azt az ősi rejtélyt, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg víz. Kínai szakértők rájöttek, a titok a vízmolekulák közötti hidrogénkötésekben tárolt energia mennyiségében rejlik.

Mint tudják, a vízmolekulák egy oxigénatomból és két hidrogénatomból állnak, amelyeket kovalens kötések tartanak össze, ami részecskeszinten úgy néz ki, mint egy elektroncsere. Egy másik ismert tény, hogy a hidrogénatomokat a szomszédos molekulák oxigénatomjai vonzzák – hidrogénkötések jönnek létre.

Ugyanakkor a vízmolekulák általában taszítják egymást. A szingapúri tudósok észrevették: minél melegebb a víz, annál nagyobb a távolság a folyadék molekulái között a taszító erők növekedése miatt. Ennek eredményeként a hidrogénkötések megnyúlnak, és így több energiát tárolnak. Ez az energia akkor szabadul fel, amikor a víz lehűl – a molekulák közelebb kerülnek egymáshoz. Az energia felszabadulása pedig, mint ismeretes, lehűlést jelent.

Amint azt a vegyészek írják cikkükben, amely az arXiv.org preprint weboldalon található, forró vízben a hidrogénkötések erősebbek, mint a hideg vízben. Így kiderül, hogy a forró víz hidrogénkötéseiben több energia raktározódik el, ami azt jelenti, hogy a nulla alatti hőmérsékletre hűtve több energia szabadul fel. Emiatt a keményedés gyorsabban megy végbe.

A mai napig a tudósok csak elméleti úton oldották meg ezt a rejtélyt. Amikor meggyőző bizonyítékokat mutatnak be verziójukra, lezártnak tekinthető az a kérdés, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg.

Helló, kedves érdekes tények szerelmesei. Ma erről fogunk beszélni. De úgy gondolom, hogy a címben feltett kérdés egyszerűen abszurdnak tűnhet – de mindig osztatlanul bízni kell a hírhedt „józan észben”, és nem egy szigorúan meghatározott tesztkísérletben. Próbáljuk kitalálni, hogy miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg víz?

Történelmi hivatkozás

Hogy a fagyos hideg és meleg víz kérdésében „nem minden tiszta” Arisztotelész műveiben szerepelt, majd F. Bacon, R. Descartes és J. Black is hasonló megjegyzéseket tett. A közelmúltban ez a hatás az „Mpemba paradoxona” nevet kapta – egy tanganyikai iskolásról, Erasto Mpembáról nevezték el, aki ugyanezt a kérdést tette fel egy vendég fizikaprofesszornak.

A fiú kérdése nem a semmiből merült fel, hanem a fagylaltkeverékek konyhában történő hűtésének folyamatával kapcsolatos tisztán személyes megfigyelésekből. Természetesen az ott jelenlévő osztálytársak az iskolai tanárral együtt megnevettették Mpembát – D. Osborne professzor személyesen végzett kísérleti tesztje után azonban „elpárolgott” belőlük a vágy, hogy Erastót kinevessék. Sőt, Mpemba egy professzorral közösen 1969-ben részletes leírást közölt erről a hatásról a Fizikaoktatásban - azóta a fent említett név rögzül a tudományos irodalomban.

Mi a jelenség lényege?

A kísérlet felépítése meglehetősen egyszerű: minden más azonossága mellett azonos vékonyfalú edényeket vizsgálunk, szigorúan azonos mennyiségű vizet tartalmaznak, és csak hőmérsékletben különböznek egymástól. Az edényeket a hűtőbe töltjük, majd mindegyikben rögzítjük a jégképződésig eltelt időt. A paradoxon az, hogy egy kezdetben melegebb folyadékkal rendelkező edényben ez gyorsabban történik.

Hogyan magyarázza ezt a modern fizika?

A paradoxonnak nincs univerzális magyarázata, hiszen több párhuzamos folyamat játszódik le együtt, amelyek hozzájárulása a konkrét kezdeti feltételektől függően változhat - de egységes eredménnyel:

• a folyadék túlhűtési képessége - kezdetben a hideg víz hajlamosabb a túlhűtésre, pl. folyékony marad, ha hőmérséklete már fagypont alatt van
• gyorsított hűtés - a forró víz gőze jég mikrokristályokká alakul, amelyek visszaeséskor felgyorsítják a folyamatot, további „külső hőcserélőként” működve
• szigetelő hatás - a meleg vízzel ellentétben a hideg víz felülről lefagy, ami a konvekció és a sugárzás miatti hőátadás csökkenéséhez vezet

Számos más magyarázat is létezik (utoljára nemrég, 2012-ben rendezett versenyt a Brit Királyi Kémiai Társaság a legjobb hipotézisért) – de még mindig nincs egyértelmű elmélet a beviteli feltételek kombinációinak minden esetére...