Która woda kapie szybciej, zimna czy gorąca? Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda?

Woda- substancja dość prosta z chemicznego punktu widzenia, jednak ma wiele niezwykłych właściwości, które nie przestają zadziwiać naukowców. Poniżej kilka faktów, o których wie niewiele osób.

1. Która woda zamarza szybciej – zimna czy gorąca?

Weźmy dwa pojemniki z wodą: do jednego wlej gorącą wodę, do drugiego zimną wodę i włóż je do zamrażarki. Gorąca woda zamarznie szybciej niż zimna, chociaż logicznie rzecz biorąc, zimna woda powinna najpierw zamienić się w lód: w końcu gorąca woda musi najpierw ostygnąć do zimnej temperatury, a następnie zamienić się w lód, podczas gdy zimna woda nie musi się ochładzać. Dlaczego to się dzieje?

W 1963 roku student z Tanzanii, Erasto B. Mpemba, zamrażając mieszankę lodową, zauważył, że gorąca mieszanka krzepnie w zamrażarce szybciej niż zimna. Kiedy młody człowiek podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten tylko się wyśmiał. Na szczęście uczeń był wytrwały i namówił nauczyciela do przeprowadzenia eksperymentu, który potwierdził jego odkrycie: w pewnych warunkach gorąca woda faktycznie zamarza szybciej niż zimna woda.

Teraz to zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej wody nazywa się „ Efekt Mpemby" To prawda, że ​​​​na długo przed nim tę wyjątkową właściwość wody zauważyli Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes.

Naukowcy wciąż nie do końca rozumieją naturę tego zjawiska, tłumacząc je różnicą w przechłodzeniu, parowaniu, tworzeniu się lodu, konwekcji lub wpływem skroplonych gazów na gorącą i zimną wodę.

2. Może natychmiast zamarznąć

Wszyscy to wiedzą woda zawsze zamienia się w lód po schłodzeniu do 0°C... z pewnymi wyjątkami! Przykładem takiego przypadku jest przechłodzenie, które charakteryzuje się tym, że bardzo czysta woda pozostaje płynna nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera. Zjawisko to jest możliwe dzięki temu, że w środowisku nie występują centra ani jądra krystalizacji, które mogłyby wywołać powstawanie kryształków lodu. Dlatego woda pozostaje w postaci płynnej nawet po schłodzeniu do temperatury poniżej zera stopni Celsjusza.

Proces krystalizacji może być spowodowane np. pęcherzykami gazu, zanieczyszczeniami (zanieczyszczeniami) lub nierówną powierzchnią pojemnika. Bez nich woda pozostanie w stanie ciekłym. Kiedy rozpocznie się proces krystalizacji, możesz obserwować, jak przechłodzona woda natychmiast zamienia się w lód.

Należy pamiętać, że „przegrzana” woda również pozostaje płynna nawet po podgrzaniu powyżej temperatury wrzenia.

3. 19 stanów wody

Bez wahania wymień, ile różnych stanów ma woda? Jeśli odpowiedziałeś na trzy: ciało stałe, ciecz, gaz, to się myliłeś. Naukowcy wyróżniają co najmniej 5 różnych stanów wody w postaci płynnej i 14 stanów w postaci zamrożonej.

Pamiętasz rozmowę o super-schłodzonej wodzie? Zatem niezależnie od tego, co zrobisz, w temperaturze -38°C nawet najczystsza przechłodzona woda nagle zamieni się w lód. Co się stanie, gdy temperatura będzie dalej spadać? W temperaturze -120°C z wodą zaczyna dziać się coś dziwnego: staje się ona bardzo lepka lub lepka jak melasa, a w temperaturach poniżej -135°C zamienia się w wodę „szklistą” lub „szklistą” – substancję stałą pozbawioną krystalizacji Struktura.

4. Woda zaskakuje fizyków

Na poziomie molekularnym woda jest jeszcze bardziej zaskakująca. W 1995 roku przeprowadzony przez naukowców eksperyment rozpraszania neutronów przyniósł nieoczekiwany wynik: fizycy odkryli, że neutrony skierowane na cząsteczki wody „widzą” o 25% mniej protonów wodoru, niż oczekiwano.

Okazało się, że przy prędkości jednej attosekundy (10 -18 sekund) zachodzi niezwykły efekt kwantowy, a zamiast niego wzór chemiczny wody H2O, staje się H1,5O!

5. Pamięć wody

Alternatywa dla medycyny oficjalnej homeopatia stwierdza, że ​​rozcieńczony roztwór leku może mieć działanie lecznicze na organizm, nawet jeśli współczynnik rozcieńczenia jest tak duży, że w roztworze nie pozostaje nic poza cząsteczkami wody. Zwolennicy homeopatii wyjaśniają ten paradoks koncepcją zwaną „ pamięć wody„, zgodnie z którym woda na poziomie molekularnym posiada „pamięć” substancji, która została w niej kiedyś rozpuszczona i zachowuje właściwości roztworu o pierwotnym stężeniu, gdy nie pozostaje w niej ani jedna cząsteczka składnika.

Międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem profesor Madeleine Ennis z Queen's University w Belfaście, która krytykowała zasady homeopatii, przeprowadził w 2002 roku eksperyment, aby raz na zawsze obalić tę koncepcję. Rezultat był odwrotny. Następnie naukowcy oświadczyli, że byli w stanie udowodnić realność efektu „ pamięć wody" Eksperymenty prowadzone pod okiem niezależnych ekspertów nie przyniosły jednak rezultatów. Spory o istnienie zjawiska” pamięć wody"Kontynuować.

Woda ma wiele innych niezwykłych właściwości, o których nie mówiliśmy w tym artykule. Na przykład gęstość wody zmienia się w zależności od temperatury (gęstość lodu jest mniejsza niż gęstość wody); woda ma dość wysokie napięcie powierzchniowe; w stanie ciekłym woda jest złożoną i dynamicznie zmieniającą się siecią skupisk wodnych i to zachowanie skupień wpływa na strukturę wody itp.

O tych i wielu innych nieoczekiwanych funkcjach woda można przeczytać w artykule „ Anomalne właściwości wody”, którego autorem jest Martin Chaplin, profesor na Uniwersytecie Londyńskim.

Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemiczne oferuje nagrodę w wysokości 1000 funtów każdemu, kto w naukowy sposób wyjaśni, dlaczego w niektórych przypadkach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna.

„Współczesna nauka wciąż nie jest w stanie odpowiedzieć na to pozornie proste pytanie. Producenci lodów i barmani wykorzystują ten efekt w swojej codziennej pracy, ale nikt tak naprawdę nie wie, dlaczego to działa. Problem ten jest znany od tysiącleci i zastanawiali się nad nim filozofowie tacy jak Arystoteles i Kartezjusz” – powiedział profesor David Phillips, prezes Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemii, cytowany w komunikacie prasowym Towarzystwa.

Jak kucharz z Afryki pokonał brytyjskiego profesora fizyki

To nie jest żart primaaprilisowy, ale brutalna rzeczywistość fizyczna. Współczesna nauka, która z łatwością operuje galaktykami i czarnymi dziurami oraz buduje gigantyczne akceleratory do poszukiwania kwarków i bozonów, nie jest w stanie wyjaśnić, jak „działa” woda elementarna. W podręczniku szkolnym wyraźnie jest napisane, że schłodzenie ciała cieplejszego zajmuje więcej czasu niż schłodzenie ciała zimnego. Ale w przypadku wody to prawo nie zawsze jest przestrzegane. Na ten paradoks zwrócił uwagę Arystoteles już w IV wieku p.n.e. mi. Oto, co starożytny Grek napisał w swojej książce Meteorologica I: „Podgrzanie wody powoduje jej zamarznięcie. Dlatego wiele osób, chcąc szybciej schłodzić ciepłą wodę, najpierw wystawia ją na słońce...” W średniowieczu Francis Bacon i Rene Descartes próbowali wyjaśnić to zjawisko. Niestety, nie udało się to ani wielkim filozofom, ani licznym naukowcom, którzy rozwinęli klasyczną termofizykę, dlatego tak niewygodny fakt został „zapomniany” na długi czas.

I dopiero w 1968 roku „przypomnieli sobie” dzięki uczniowi Erasto Mpembe z Tanzanii, dalekiej od jakiejkolwiek nauki. Podczas nauki w szkole sztuk kulinarnych w 1963 roku 13-letniemu Mpembe powierzono zadanie zrobienia lodów. Zgodnie z technologią należało zagotować mleko, rozpuścić w nim cukier, schłodzić do temperatury pokojowej, a następnie włożyć do lodówki do zamrożenia. Najwyraźniej Mpemba nie był pilnym uczniem i zawahał się. W obawie, że nie zdąży do końca lekcji, włożył do lodówki jeszcze gorące mleko. Ku jego zaskoczeniu zamarzło jeszcze wcześniej niż mleko jego towarzyszy, przygotowane według wszelkich zasad.

Kiedy Mpemba podzielił się swoim odkryciem z nauczycielem fizyki, ten wyśmiał go przed całą klasą. Mpemba przypomniał sobie tę zniewagę. Pięć lat później, już jako student uniwersytetu w Dar es Salaam, wziął udział w wykładzie słynnego fizyka Denisa G. Osborne'a. Po wykładzie zadał naukowcowi pytanie: „Jeśli weźmiesz dwa identyczne pojemniki z równą ilością wody, jeden o temperaturze 35°C (95°F), a drugi o temperaturze 100°C (212°F) i umieścicie je w zamrażarce, wówczas Woda w gorącym pojemniku zamarznie szybciej. Dlaczego?" Można sobie wyobrazić reakcję brytyjskiego profesora na pytanie młodego mężczyzny z zapomnianej przez Boga Tanzanii. Naśmiewał się ze studenta. Jednak Mpemba był gotowy na taką odpowiedź i rzucił naukowcowi wyzwanie. Ich spór zakończył się eksperymentalnym testem, który potwierdził, że Mpemba miał rację, a Osborne pokonał. W ten sposób praktykant kucharz zapisał się w historii nauki i odtąd zjawisko to nazywane jest „efektem Mpemby”. Nie da się go odrzucić, uznać za „nieistniejący”. Zjawisko istnieje i – jak napisał poeta – „nie boli”.

Czy winne są cząsteczki kurzu i substancje rozpuszczone?

Przez lata wielu próbowało rozwikłać tajemnicę zamarzania wody. Zaproponowano całą masę wyjaśnień tego zjawiska: parowanie, konwekcja, wpływ substancji rozpuszczonych – żadnego z tych czynników nie można jednak uznać za ostateczne. Wielu naukowców poświęciło całe swoje życie efektowi Mpemby. James Brownridge, członek Wydziału Bezpieczeństwa Radiacyjnego na Uniwersytecie Stanowym w Nowym Jorku, od dziesięciu lat w wolnym czasie bada ten paradoks. Po przeprowadzeniu setek eksperymentów naukowiec twierdzi, że ma dowody na „winę” hipotermii. Brownridge wyjaśnia, że ​​w temperaturze 0°C woda ulega jedynie przechłodzeniu i zaczyna zamarzać, gdy temperatura spadnie poniżej. Temperatura zamarzania jest regulowana przez zanieczyszczenia znajdujące się w wodzie - zmieniają one szybkość tworzenia się kryształków lodu. Zanieczyszczenia, takie jak cząsteczki kurzu, bakterie i rozpuszczone sole, mają charakterystyczną temperaturę zarodkowania, gdy wokół ośrodków krystalizacji tworzą się kryształki lodu. Gdy w wodzie występuje jednocześnie kilka pierwiastków, o temperaturze zamarzania decyduje ten, który ma najwyższą temperaturę zarodkowania.

Na potrzeby eksperymentu Brownridge pobrał dwie próbki wody o tej samej temperaturze i umieścił je w zamrażarce. Odkrył, że jeden z okazów zawsze zamarzał przed drugim, prawdopodobnie z powodu innej kombinacji zanieczyszczeń.

Brownridge twierdzi, że gorąca woda schładza się szybciej, ponieważ istnieje większa różnica między temperaturą wody a temperaturą zamrażarki – dzięki temu osiąga ona punkt zamarzania, zanim zimna woda osiągnie swój naturalny punkt zamarzania, który jest co najmniej o 5°C niższy.

Jednakże rozumowanie Brownridge’a rodzi wiele pytań. Dlatego ci, którzy na swój sposób potrafią wyjaśnić efekt Mpemby, mają szansę powalczyć o tysiąc funtów szterlingów od Brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Chemii.

Wielu badaczy przedstawiało i przedstawia własne wersje wyjaśniające, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Wydawałoby się to paradoksem – wszak aby zamarznąć, gorąca woda musi najpierw ostygnąć. Fakt pozostaje jednak faktem i naukowcy tłumaczą to na różne sposoby.

Główne wersje

W tej chwili istnieje kilka wersji wyjaśniających ten fakt:

1. Ponieważ gorąca woda paruje szybciej, jej objętość maleje. A zamarznięcie mniejszej ilości wody w tej samej temperaturze następuje szybciej.
2. Komora zamrażarki lodówki ma warstwę przeciwśnieżną. Pojemnik z gorącą wodą topi znajdujący się pod nim śnieg. Poprawia to kontakt termiczny z zamrażarką.
3. Zamrażanie zimnej wody, w przeciwieństwie do gorącej wody, rozpoczyna się od góry. Jednocześnie nasilają się konwekcja i promieniowanie cieplne, a w konsekwencji utrata ciepła.
4. Zimna woda zawiera centra krystalizacji – substancje w niej rozpuszczone. Jeśli ich zawartość w wodzie jest niewielka, oblodzenie jest trudne, chociaż jednocześnie możliwe jest przechłodzenie - w ujemnych temperaturach ma stan ciekły.

Chociaż uczciwie możemy powiedzieć, że efekt ten nie zawsze jest obserwowany. Bardzo często zimna woda zamarza szybciej niż gorąca.

W jakiej temperaturze zamarza woda

Dlaczego woda w ogóle zamarza? Zawiera pewną ilość cząstek mineralnych lub organicznych. Mogą to być na przykład bardzo małe cząstki piasku, pyłu lub gliny. Gdy temperatura powietrza spada, cząstki te stanowią centra, wokół których tworzą się kryształki lodu.

Rolę zarodków krystalizacji mogą pełnić także pęcherzyki powietrza i pęknięcia w pojemniku z wodą. Na szybkość procesu zamiany wody w lód duży wpływ ma liczba takich ośrodków – jeśli jest ich dużo, ciecz zamarza szybciej. W normalnych warunkach, przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, woda przechodzi w stan stały z cieczy o temperaturze 0 stopni.

Istota efektu Mpemby

Efekt Mpemby to paradoks, którego istota polega na tym, że w pewnych okolicznościach gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Zjawisko to zauważyli Arystoteles i Kartezjusz. Jednak dopiero w 1963 roku uczeń z Tanzanii, Erasto Mpemba, ustalił, że gorące lody zamarzają krócej niż zimne. Do tego wniosku doszedł, wykonując zadanie kulinarne.

Musiał rozpuścić cukier w gotowanym mleku i po ochłodzeniu włożyć do lodówki, aby zamrozić. Najwyraźniej Mpemba nie był szczególnie pracowity i z opóźnieniem zaczął wykonywać pierwszą część zadania. Dlatego nie czekał, aż mleko ostygnie i włożył je do lodówki na gorąco. Bardzo się zdziwił, gdy zamarzł jeszcze szybciej niż u jego kolegów z klasy, którzy wykonywali pracę zgodnie z daną technologią.

Fakt ten bardzo zainteresował młodego człowieka i rozpoczął eksperymenty ze zwykłą wodą. W 1969 roku w czasopiśmie Physics Education opublikowano wyniki badań Mpemby i profesora Dennisa Osborne'a z Uniwersytetu Dar Es Salaam. Opisany przez nich efekt otrzymał nazwę Mpemba. Jednak nawet dzisiaj nie ma jasnego wyjaśnienia tego zjawiska. Wszyscy naukowcy są zgodni, że główną rolę w tym odgrywają różnice we właściwościach wody schłodzonej i gorącej, ale co dokładnie nie jest znane.

Wersja singapurska

Fizyków z jednego z singapurskich uniwersytetów interesowało także pytanie, która woda zamarza szybciej – gorąca czy zimna? Zespół badaczy pod przewodnictwem Xi Zhanga dokładnie wyjaśnił ten paradoks właściwościami wody. Skład wody znają ze szkoły – atom tlenu i dwa atomy wodoru. Tlen w pewnym stopniu odciąga elektrony od wodoru, zatem cząsteczka jest swego rodzaju „magnesem”.

W rezultacie niektóre cząsteczki wody lekko się przyciągają i łączą wiązaniem wodorowym. Jego siła jest wielokrotnie mniejsza niż wiązania kowalencyjnego. Singapurscy badacze uważają, że wyjaśnienie paradoksu Mpemby tkwi właśnie w wiązaniach wodorowych. Jeśli cząsteczki wody zostaną umieszczone bardzo blisko siebie, wówczas tak silne oddziaływanie między cząsteczkami może zdeformować wiązanie kowalencyjne w środku samej cząsteczki.

Ale gdy woda jest podgrzewana, związane cząsteczki oddalają się nieco od siebie. W rezultacie w środku cząsteczek następuje rozluźnienie wiązań kowalencyjnych wraz z uwolnieniem nadmiaru energii i przejściem na niższy poziom energetyczny. Prowadzi to do tego, że gorąca woda zaczyna szybko się ochładzać. Tak przynajmniej wynika z obliczeń teoretycznych przeprowadzonych przez singapurskich naukowców.

Natychmiastowe zamrażanie wody - 5 niesamowitych sztuczek: wideo

Zjawisko zamarzania gorącej wody szybciej niż zimnej znane jest w nauce jako efekt Mpemby. Wielkie umysły, takie jak Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes, zastanawiały się nad tym paradoksalnym zjawiskiem, ale przez tysiące lat nikt nie był jeszcze w stanie zaoferować rozsądnego wyjaśnienia tego zjawiska.

Dopiero w 1963 roku uczeń z Republiki Tanganiki Erasto Mpemba zauważył ten efekt na przykładzie lodów, jednak żaden dorosły nie udzielił mu wyjaśnienia. Niemniej jednak fizycy i chemicy poważnie zastanawiali się nad tak prostym, ale tak niezrozumiałym zjawiskiem.

Od tego czasu wyrażano różne wersje, z których jedna była następująca: część gorącej wody najpierw po prostu odparowuje, a następnie, gdy zostaje jej mniej, woda zamarza szybciej. Ta wersja, dzięki swojej prostocie, stała się najpopularniejsza, ale nie do końca zadowoliła naukowców.

Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze, kierowany przez chemika Xi Zhanga, twierdzi, że rozwiązał odwieczną zagadkę, dlaczego ciepła woda zamarza szybciej niż zimna. Jak przekonali się chińscy eksperci, tajemnica tkwi w ilości energii zmagazynowanej w wiązaniach wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody.

Jak wiadomo, cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru, połączonych ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, co na poziomie cząstek wygląda jak wymiana elektronów. Innym znanym faktem jest to, że atomy wodoru przyciągają się do atomów tlenu z sąsiadujących cząsteczek – powstają wiązania wodorowe.

Jednocześnie cząsteczki wody na ogół odpychają się od siebie. Naukowcy z Singapuru zauważyli: im cieplejsza woda, tym większa odległość między cząsteczkami cieczy ze względu na wzrost sił odpychania. W rezultacie wiązania wodorowe ulegają rozciągnięciu i dlatego magazynują więcej energii. Energia ta jest uwalniana, gdy woda się ochładza – cząsteczki zbliżają się do siebie. A uwolnienie energii, jak wiadomo, oznacza chłodzenie.

Jak piszą chemicy w swoim artykule, który można znaleźć na stronie preprint arXiv.org, w gorącej wodzie wiązania wodorowe są silniejsze niż w zimnej wodzie. Okazuje się zatem, że więcej energii magazynuje się w wiązaniach wodorowych gorącej wody, co oznacza, że ​​więcej jej jest uwalniane po schłodzeniu do ujemnych temperatur. Z tego powodu utwardzanie następuje szybciej.

Do tej pory naukowcy rozwiązali tę zagadkę tylko teoretycznie. Kiedy przedstawią przekonujące dowody na swoją wersję, kwestię, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna, można uznać za zamkniętą.

Witam, drodzy miłośnicy ciekawych faktów. Dziś porozmawiamy z Tobą o. Myślę jednak, że postawione w tytule pytanie może wydawać się po prostu absurdalne – czy jednak zawsze należy bezgranicznie ufać osławionemu „zdrowemu rozsądkowi”, a nie ściśle ugruntowanemu eksperymentowi testowemu. Spróbujmy dowiedzieć się, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna woda?

Odniesienie historyczne

O tym, że w kwestii zamrażania zimnej i gorącej wody „nie wszystko jest czyste” wspominali już Arystoteles, podobne uwagi poczynili wówczas F. Bacon, R. Descartes i J. Black. W najnowszej historii efektowi temu nadano nazwę „Paradoks Mpemby” – na cześć ucznia z Tanganiki, Erasto Mpemby, który zadał to samo pytanie wizytującemu profesorowi fizyki.

Pytanie chłopca nie wzięło się znikąd, ale z czysto osobistych obserwacji procesu schładzania mieszanek lodowych w kuchni. Oczywiście obecni tam koledzy z klasy wraz z nauczycielem rozśmieszyli Mpembę - jednak po osobistym teście eksperymentalnym przeprowadzonym przez profesora D. Osborne'a chęć wyśmiania Erasto „wyparowała” z nich. Co więcej, Mpemba wraz z profesorem opublikował w 1969 roku w „Physics Education” szczegółowy opis tego efektu – i od tego czasu powyższa nazwa utrwaliła się w literaturze naukowej.

Jaka jest istota zjawiska?

Schemat doświadczenia jest dość prosty: przy zachowaniu wszystkich pozostałych parametrów badane są identyczne cienkościenne naczynia, zawierające dokładnie równe ilości wody, różniące się jedynie temperaturą. Naczynia ładuje się do lodówki, po czym rejestruje się czas do powstania lodu w każdym z nich. Paradoks polega na tym, że w naczyniu z początkowo cieplejszą cieczą dzieje się to szybciej.

Jak współczesna fizyka to wyjaśnia?

Paradoks nie ma uniwersalnego wyjaśnienia, gdyż wspólnie zachodzi kilka równoległych procesów, których udział może być różny w zależności od konkretnych warunków początkowych - ale z jednolitym skutkiem:

• zdolność cieczy do przechłodzenia – początkowo zimna woda jest bardziej podatna na przechłodzenie, tj. pozostaje płynny, gdy jego temperatura jest już poniżej punktu zamarzania
• przyspieszone chłodzenie - para z gorącej wody zamienia się w mikrokryształy lodu, które opadając przyspieszają proces, pełniąc funkcję dodatkowego „zewnętrznego wymiennika ciepła”
• efekt izolacyjny - w przeciwieństwie do ciepłej wody, zimna woda zamarza od góry, co prowadzi do zmniejszenia wymiany ciepła na drodze konwekcji i promieniowania

Istnieje wiele innych wyjaśnień (ostatni raz Brytyjskie Królewskie Towarzystwo Chemii zorganizowało konkurs na najlepszą hipotezę niedawno, w 2012 r.) - ale nadal nie ma jednoznacznej teorii dla wszystkich przypadków kombinacji warunków wejściowych...