Το ζεστό ή κρύο νερό θα παγώσει πιο γρήγορα. Γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο; Εφέ Mpemba

Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν το ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα, ζεστό ή κρύο, αλλά η ίδια η ερώτηση φαίνεται λίγο περίεργη. Το συμπέρασμα, και αυτό είναι γνωστό από τη φυσική, είναι ότι το ζεστό νερό χρειάζεται ακόμα χρόνο για να κρυώσει στη θερμοκρασία του κρύου νερού που συγκρίνεται για να μετατραπεί σε πάγο. Το κρύο νερό μπορεί να παραλείψει αυτό το στάδιο και, κατά συνέπεια, κερδίζει χρόνο.

Αλλά την απάντηση στο ερώτημα ποιο νερό παγώνει πιο γρήγορα - κρύο ή ζεστό - έξω στο κρύο, γνωρίζει οποιοσδήποτε κάτοικος βόρεια γεωγραφικά πλάτη. Επιστημονικά μάλιστα αποδεικνύεται ότι σε κάθε περίπτωση κρύο νερόΑπλώς πρέπει να παγώσει πιο γρήγορα.

Ο καθηγητής φυσικής, τον οποίο πλησίασε ο μαθητής Erasto Mpemba το 1963, σκέφτηκε το ίδιο πράγμα ζητώντας να εξηγήσει γιατί το κρύο μείγμα μελλοντικού παγωτού χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να παγώσει από ένα παρόμοιο, αλλά ζεστό.

«Αυτό δεν είναι καθολική φυσική, αλλά κάποιο είδος φυσικής Mpemba»

Εκείνη την εποχή, ο δάσκαλος γέλασε μόνο με αυτό, αλλά ο Deniss Osborne, καθηγητής φυσικής, ο οποίος κάποια στιγμή επισκέφτηκε το ίδιο σχολείο όπου σπούδαζε ο Erasto, επιβεβαίωσε πειραματικά την παρουσία ενός τέτοιου αποτελέσματος, αν και δεν υπήρχε καμία εξήγηση για αυτό τότε. Το 1969, ένα κοινό άρθρο αυτών των δύο ανθρώπων δημοσιεύτηκε σε ένα δημοφιλές επιστημονικό περιοδικό, το οποίο περιέγραψε αυτό το περίεργο αποτέλεσμα.

Από τότε, παρεμπιπτόντως, το ερώτημα ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο - έχει το δικό του όνομα - το φαινόμενο Mpemba, ή παράδοξο.

Το ερώτημα υπάρχει εδώ και πολύ καιρό

Όπως είναι φυσικό, ένα τέτοιο φαινόμενο συνέβαινε και παλαιότερα, και αναφέρθηκε σε έργα άλλων επιστημόνων. Όχι μόνο ο μαθητής ενδιαφέρθηκε για αυτό το θέμα, αλλά και ο Ρενέ Ντεκάρτ και ακόμη και ο Αριστοτέλης το σκέφτηκαν κάποτε.

Αλλά άρχισαν να αναζητούν προσεγγίσεις για την επίλυση αυτού του παραδόξου μόλις στα τέλη του εικοστού αιώνα.

Προϋποθέσεις για να συμβεί ένα παράδοξο

Όπως και με το παγωτό, δεν είναι μόνο το απλό νερό που παγώνει κατά τη διάρκεια του πειράματος. Πρέπει να υπάρχουν ορισμένες συνθήκες για να αρχίσουμε να διαφωνούμε για το ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό. Τι επηρεάζει την πορεία αυτής της διαδικασίας;

Τώρα, στον 21ο αιώνα, έχουν προταθεί αρκετές επιλογές που μπορούν να εξηγήσουν αυτό το παράδοξο. Ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα, ζεστό ή κρύο, μπορεί να εξαρτάται από το γεγονός ότι έχει υψηλότερο ρυθμό εξάτμισης από το κρύο νερό. Έτσι, ο όγκος του μειώνεται και όσο μειώνεται ο όγκος, ο χρόνος κατάψυξης γίνεται μικρότερος από ό,τι αν πάρουμε τον ίδιο αρχικό όγκο κρύου νερού.

Πάει καιρός που ξεπάγωσες την κατάψυξη.

Το ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα και γιατί συμβαίνει αυτό μπορεί να επηρεαστεί από την επένδυση χιονιού που μπορεί να υπάρχει στον καταψύκτη του ψυγείου που χρησιμοποιήθηκε για το πείραμα. Εάν πάρετε δύο δοχεία που είναι πανομοιότυπα σε όγκο, αλλά το ένα περιέχει ζεστό νερό, και στο άλλο - κρύο, δοχείο με ζεστό νερόθα λιώσει το χιόνι από κάτω, βελτιώνοντας έτσι την επαφή του θερμικού επιπέδου με τον τοίχο του ψυγείου. Δοχείο με κρύο νερόδεν μπορεί να το κάνει αυτό. Εάν δεν υπάρχει τέτοια επένδυση με χιόνι στο χώρο του ψυγείου, το κρύο νερό θα πρέπει να παγώσει πιο γρήγορα.

Πάνω – κάτω

Επίσης, το φαινόμενο του οποίου το νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο - εξηγείται ως εξής. ΕΠΟΜΕΝΟ ορισμένους νόμους, το κρύο νερό αρχίζει να παγώνει από ανώτερα στρώματα, όταν είναι ζεστό κάνει το αντίθετο - αρχίζει να παγώνει από κάτω προς τα πάνω. Αποδεικνύεται ότι το κρύο νερό, έχοντας ένα κρύο στρώμα στην κορυφή με πάγο που έχει ήδη σχηματιστεί κατά τόπους, επιδεινώνει έτσι τις διαδικασίες μεταφοράς και θερμικής ακτινοβολίας, εξηγώντας έτσι ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό. Επισυνάπτονται φωτογραφίες από ερασιτεχνικά πειράματα και αυτό φαίνεται ξεκάθαρα εδώ.

Η ζέστη σβήνει, ορμάει προς τα πάνω, και εκεί συναντά ένα πολύ δροσερό στρώμα. Δεν υπάρχει ελεύθερη διαδρομή για την ακτινοβολία θερμότητας, επομένως η διαδικασία ψύξης γίνεται δύσκολη. Το ζεστό νερό δεν έχει κανένα απολύτως τέτοιο εμπόδιο στο πέρασμά του. Ποιο παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό, τι καθορίζει το πιθανό αποτέλεσμα; Μπορείτε να επεκτείνετε την απάντηση λέγοντας ότι οποιοδήποτε νερό έχει ορισμένες ουσίες διαλυμένες σε αυτό.

Οι ακαθαρσίες στο νερό ως παράγοντας που επηρεάζει το αποτέλεσμα

Εάν δεν εξαπατήσετε και χρησιμοποιήσετε νερό με την ίδια σύνθεση, όπου οι συγκεντρώσεις ορισμένων ουσιών είναι πανομοιότυπες, τότε το κρύο νερό θα πρέπει να παγώσει πιο γρήγορα. Αν όμως συμβεί μια κατάσταση όταν διαλυθεί χημικά στοιχείαδιατίθενται μόνο σε ζεστό νερό, και το κρύο νερό δεν τα έχει, τότε υπάρχει πιθανότητα το ζεστό νερό να παγώσει νωρίτερα. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι διαλυμένες ουσίες στο νερό δημιουργούν κέντρα κρυστάλλωσης και με έναν μικρό αριθμό από αυτά τα κέντρα, η μετατροπή του νερού σε Στερεάς κατάστασηςδύσκολος. Είναι μάλιστα πιθανό το νερό να είναι υπερψυκτικό, με την έννοια ότι σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν θα είναι σε υγρή κατάσταση.

Αλλά όλες αυτές οι εκδόσεις, προφανώς, δεν ταίριαζαν απόλυτα στους επιστήμονες και συνέχισαν να εργάζονται για αυτό το θέμα. Το 2013, μια ομάδα ερευνητών στη Σιγκαπούρη είπε ότι είχε λύσει ένα πανάρχαιο μυστήριο.

Μια ομάδα Κινέζων επιστημόνων υποστηρίζει ότι το μυστικό αυτού του αποτελέσματος βρίσκεται στην ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται μεταξύ των μορίων του νερού στους δεσμούς του, που ονομάζονται δεσμοί υδρογόνου.

Η απάντηση από Κινέζους επιστήμονες

Αυτό που ακολουθεί είναι πληροφορίες, για να καταλάβετε ποιες πρέπει να έχετε κάποιες γνώσεις χημείας για να καταλάβετε ποιο νερό παγώνει πιο γρήγορα - ζεστό ή κρύο. Όπως είναι γνωστό, αποτελείται από δύο άτομα Η (υδρογόνου) και ένα άτομο Ο (οξυγόνο) που συγκρατούνται μαζί ομοιοπολικούς δεσμούς.

Αλλά και τα άτομα υδρογόνου ενός μορίου έλκονται από γειτονικά μόρια, από το συστατικό οξυγόνου τους. Αυτοί οι δεσμοί ονομάζονται δεσμοί υδρογόνου.

Αξίζει να θυμηθούμε ότι την ίδια στιγμή, τα μόρια του νερού έχουν απωθητική επίδραση μεταξύ τους. Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι όταν το νερό θερμαίνεται, η απόσταση μεταξύ των μορίων του αυξάνεται και αυτό διευκολύνεται από απωθητικές δυνάμεις. Αποδεικνύεται ότι καταλαμβάνοντας την ίδια απόσταση μεταξύ των μορίων σε ψυχρή κατάσταση, μπορούμε να πούμε ότι τεντώνονται και έχουν μεγαλύτερη παροχή ενέργειας. Είναι αυτό το ενεργειακό απόθεμα που απελευθερώνεται όταν τα μόρια του νερού αρχίζουν να πλησιάζουν το ένα στο άλλο, δηλαδή συμβαίνει ψύξη. Αποδεικνύεται ότι ένα μεγαλύτερο απόθεμα ενέργειας στο ζεστό νερό και η μεγαλύτερη απελευθέρωσή του κατά την ψύξη σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν, συμβαίνει πιο γρήγορα από ό,τι στο κρύο νερό, το οποίο έχει μικρότερο απόθεμα τέτοιας ενέργειας. Ποιο νερό λοιπόν παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό; Στο δρόμο και στο εργαστήριο, το παράδοξο του Mpemba θα έπρεπε να συμβεί και το ζεστό νερό να μετατραπεί σε πάγο πιο γρήγορα.

Όμως το ερώτημα παραμένει ανοιχτό

Υπάρχει μόνο θεωρητική επιβεβαίωση αυτής της λύσης - είναι όλα γραμμένα όμορφες φόρμουλεςκαι φαίνεται εύλογο. Αλλά όταν τα πειραματικά δεδομένα σχετικά με τα οποία το νερό παγώνει γρηγορότερα - ζεστό ή κρύο - τεθούν σε πρακτική χρήση και παρουσιαστούν τα αποτελέσματά τους, τότε το ζήτημα του παραδόξου του Mpemba μπορεί να θεωρηθεί κλειστό.

Εφέ MpembaΤο (Mpemba's Paradox) είναι ένα παράδοξο που δηλώνει ότι το ζεστό νερό κάτω από ορισμένες συνθήκες παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο, αν και πρέπει να περάσει τη θερμοκρασία του κρύου νερού κατά τη διαδικασία κατάψυξης. Αυτό το παράδοξο είναι ένα πειραματικό γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις συνήθεις ιδέες, σύμφωνα με τις οποίες, υπό τις ίδιες συνθήκες, ένα πιο θερμαινόμενο σώμα χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να κρυώσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία από ένα λιγότερο θερμαινόμενο σώμα για να κρυώσει στην ίδια θερμοκρασία.

Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε κάποτε από τον Αριστοτέλη, τον Φράνσις Μπέικον και τον Ρενέ Ντεκάρτ, αλλά μόλις το 1963 ο Τανζανός μαθητής Erasto Mpemba ανακάλυψε ότι ένα ζεστό μείγμα παγωτού παγώνει πιο γρήγορα από ένα κρύο.

Όντας μαθητής της Magambinskaya Λύκειοστην Τανζανία έκανε ο Erasto Mpemba πρακτική δουλειάΜε μαγείρεμα. Χρειάστηκε να φτιάξει σπιτικό παγωτό - βράστε το γάλα, διαλύστε τη ζάχαρη σε αυτό, κρυώστε το μέχρι θερμοκρασία δωματίουκαι μετά το βάζουμε στο ψυγείο να παγώσει. Προφανώς, ο Mpemba δεν ήταν ιδιαίτερα επιμελής μαθητής και καθυστέρησε να ολοκληρώσει το πρώτο μέρος της εργασίας. Φοβούμενος ότι δεν θα τα κατάφερνε μέχρι το τέλος του μαθήματος, έβαλε ακόμα ζεστό γάλα στο ψυγείο. Προς έκπληξή του, πάγωσε ακόμη νωρίτερα από το γάλα των συντρόφων του, παρασκευασμένο σύμφωνα με τη δεδομένη τεχνολογία.

Μετά από αυτό, ο Mpemba πειραματίστηκε όχι μόνο με το γάλα, αλλά και με σκέτο νερό. Σε κάθε περίπτωση, ήδη ως μαθητής στο δευτεροβάθμιο σχολείο Mkwawa, ρώτησε τον καθηγητή Dennis Osborne από το Πανεπιστημιακό Κολλέγιο στο Νταρ Ες Σαλάμ (προσκεκλημένος από τον διευθυντή του σχολείου να δώσει μια διάλεξη για τη φυσική στους μαθητές) συγκεκριμένα για το νερό: «Αν πάρετε δύο πανομοιότυπα δοχεία με ίσους όγκους νερού, έτσι ώστε στο ένα από αυτά το νερό να έχει θερμοκρασία 35°C και στο άλλο - 100°C, και βάλτε τα στην κατάψυξη και στη συνέχεια στο δεύτερο το νερό θα παγώσει πιο γρήγορα. Γιατί?" Ο Osborne άρχισε να ενδιαφέρεται για αυτό το θέμα και σύντομα, το 1969, αυτός και ο Mpemba δημοσίευσαν τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους στο περιοδικό Physics Education. Από τότε, το αποτέλεσμα που ανακάλυψαν ονομάζεται Εφέ Mpemba.

Μέχρι τώρα, κανείς δεν ξέρει ακριβώς πώς να εξηγήσει αυτό το περίεργο αποτέλεσμα. Οι επιστήμονες δεν έχουν μια ενιαία εκδοχή, αν και υπάρχουν πολλές. Είναι όλα σχετικά με τη διαφορά στις ιδιότητες του ζεστού και κρύου νερού, αλλά δεν είναι ακόμη σαφές ποιες ιδιότητες παίζουν ρόλο σε αυτήν την περίπτωση: η διαφορά στην υπερψύξη, στην εξάτμιση, στο σχηματισμό πάγου, στη μεταφορά ή στην επίδραση των υγροποιημένων αερίων στο νερό όταν διαφορετικές θερμοκρασίες.

Το παράδοξο του φαινομένου Mpemba είναι ότι ο χρόνος κατά τον οποίο το σώμα κρυώνει σε θερμοκρασία περιβάλλον, πρέπει να είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ αυτού του σώματος και του περιβάλλοντος. Αυτός ο νόμος θεσπίστηκε από τον Νεύτωνα και έκτοτε έχει επιβεβαιωθεί πολλές φορές στην πράξη. Σε αυτό το φαινόμενο, το νερό με θερμοκρασία 100°C ψύχεται σε θερμοκρασία 0°C ταχύτερα από την ίδια ποσότητα νερού με θερμοκρασία 35°C.

Ωστόσο, αυτό δεν συνεπάγεται ακόμη ένα παράδοξο, αφού το φαινόμενο Mpemba μπορεί να εξηγηθεί στο πλαίσιο της γνωστής φυσικής. Ακολουθούν μερικές εξηγήσεις για το φαινόμενο Mpemba:

Εξάτμιση

Το φαινόμενο εξάτμισης είναι διπλό αποτέλεσμα. Πρώτον, η μάζα του νερού που απαιτείται για την ψύξη μειώνεται. Και δεύτερον, η θερμοκρασία μειώνεται λόγω του γεγονότος ότι μειώνεται η θερμότητα της εξάτμισης της μετάβασης από τη φάση του νερού στη φάση του ατμού.

Διαφορά θερμοκρασίας

Λόγω του ότι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ζεστού και κρύου αέρα είναι μεγαλύτερη, επομένως η ανταλλαγή θερμότητας σε αυτή την περίπτωση είναι πιο έντονη και το ζεστό νερό ψύχεται πιο γρήγορα.

Υποθερμία

Όταν το νερό κρυώσει κάτω από τους 0 C, δεν παγώνει πάντα. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί να υποστεί υπερψύξη, συνεχίζοντας να παραμένει υγρό σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το νερό μπορεί να παραμείνει υγρό ακόμη και σε θερμοκρασία -20 C.

Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι ότι για να αρχίσουν να σχηματίζονται οι πρώτοι κρύσταλλοι πάγου χρειάζονται κέντρα σχηματισμού κρυστάλλων. Εάν δεν υπάρχουν σε υγρό νερό, τότε η υπερψύξη θα συνεχιστεί έως ότου η θερμοκρασία πέσει αρκετά ώστε οι κρύσταλλοι να σχηματιστούν αυθόρμητα. Όταν αρχίσουν να σχηματίζονται στο υπερψυγμένο υγρό, θα αρχίσουν να αναπτύσσονται πιο γρήγορα, σχηματίζοντας λάσπη πάγο, ο οποίος θα παγώσει για να σχηματίσει πάγο.

Το ζεστό νερό είναι πιο ευαίσθητο στην υποθερμία επειδή η θέρμανση απομακρύνει τα διαλυμένα αέρια και τις φυσαλίδες, οι οποίες με τη σειρά τους μπορούν να χρησιμεύσουν ως κέντρα για το σχηματισμό κρυστάλλων πάγου.

Γιατί η υποθερμία κάνει το ζεστό νερό να παγώνει πιο γρήγορα; Στην περίπτωση του κρύου νερού που δεν υπερψύχεται, συμβαίνει το εξής. Σε αυτήν την περίπτωση λεπτό στρώμαθα σχηματιστεί πάγος στην επιφάνεια του σκάφους. Αυτό το στρώμα πάγου θα λειτουργήσει ως μονωτής μεταξύ του νερού και του κρύου αέρα και θα αποτρέψει την περαιτέρω εξάτμιση. Ο ρυθμός σχηματισμού κρυστάλλων πάγου σε αυτή την περίπτωση θα είναι χαμηλότερος. Στην περίπτωση του ζεστού νερού που υποβάλλεται σε υπερψύξη, το υπερψυκτικό νερό δεν έχει προστατευτικό επιφανειακό στρώμα πάγου. Επομένως, χάνει θερμότητα πολύ πιο γρήγορα μέσω της ανοιχτής κορυφής.

Όταν η διαδικασία υπερψύξης τελειώσει και το νερό παγώσει, χάνεται πολύ περισσότερη θερμότητα και επομένως σχηματίζεται περισσότερο πάγο.

Πολλοί ερευνητές αυτού του φαινομένου θεωρούν ότι η υποθερμία είναι ο κύριος παράγοντας στην περίπτωση του φαινομένου Mpemba.

Μεταγωγή

Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από μια ανωμαλία στην πυκνότητα του νερού. Το νερό έχει μέγιστη πυκνότητα στους 4 C. Αν κρυώσετε το νερό στους 4 C και το βάλετε σε χαμηλότερη θερμοκρασία, το επιφανειακό στρώμα του νερού θα παγώσει πιο γρήγορα. Επειδή αυτό το νερό είναι λιγότερο πυκνό από το νερό σε θερμοκρασία 4 C, θα παραμείνει στην επιφάνεια, σχηματίζοντας ένα λεπτό ψυχρό στρώμα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ένα λεπτό στρώμα πάγου θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του νερού σε σύντομο χρονικό διάστημα, αλλά αυτό το στρώμα πάγου θα χρησιμεύσει ως μονωτικό, προστατεύοντας τα κατώτερα στρώματα του νερού, τα οποία θα παραμείνουν σε θερμοκρασία 4 C. Επομένως, η περαιτέρω διαδικασία ψύξης θα είναι πιο αργή.

Στην περίπτωση του ζεστού νερού, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Το επιφανειακό στρώμα του νερού θα κρυώσει πιο γρήγορα λόγω της εξάτμισης και της μεγαλύτερης διαφοράς θερμοκρασίας. Επιπλέον, τα στρώματα κρύου νερού είναι πιο πυκνά από τα στρώματα ζεστού νερού, επομένως το στρώμα κρύου νερού θα βυθιστεί, ανεβάζοντας το στρώμα ζεστού νερού στην επιφάνεια. Αυτή η κυκλοφορία του νερού εξασφαλίζει ταχεία πτώση της θερμοκρασίας.

Γιατί όμως αυτή η διαδικασία δεν φτάνει σε σημείο ισορροπίας; Για να εξηγήσουμε το φαινόμενο Mpemba από αυτή την άποψη της μεταφοράς, θα ήταν απαραίτητο να υποθέσουμε ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα του νερού διαχωρίζονται και η ίδια η διαδικασία μεταφοράς συνεχίζεται αφού η μέση θερμοκρασία του νερού πέσει κάτω από τους 4 C.

Ωστόσο, δεν υπάρχουν πειραματικά στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτή την υπόθεση ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα νερού διαχωρίζονται με τη διαδικασία της μεταφοράς.

Αέρια διαλυμένα στο νερό

Το νερό περιέχει πάντα αέρια διαλυμένα σε αυτό - οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτά τα αέρια έχουν την ικανότητα να μειώνουν το σημείο πήξης του νερού. Όταν το νερό θερμαίνεται, αυτά τα αέρια απελευθερώνονται από το νερό επειδή είναι η διαλυτότητά τους στο νερό υψηλή θερμοκρασίαπαρακάτω. Επομένως, όταν το ζεστό νερό ψύχεται, περιέχει πάντα λιγότερα διαλυμένα αέρια από ό,τι στο μη θερμαινόμενο κρύο νερό. Επομένως, το σημείο πήξης του θερμαινόμενου νερού είναι υψηλότερο και παγώνει πιο γρήγορα. Αυτός ο παράγοντας μερικές φορές θεωρείται ως ο κύριος στην εξήγηση του φαινομένου Mpemba, αν και δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα που να επιβεβαιώνουν αυτό το γεγονός.

Θερμική αγωγιμότητα

Αυτός ο μηχανισμός μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο όταν το νερό τοποθετείται στην κατάψυξη. ψυκτικό θάλαμοσε μικρά δοχεία. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, παρατηρήθηκε ότι ένα δοχείο με ζεστό νερό λιώνει πάγο κάτω από αυτό καταψύκτης, βελτιώνοντας έτσι τη θερμική επαφή με το τοίχωμα του καταψύκτη και τη θερμική αγωγιμότητα. Ως αποτέλεσμα, η θερμότητα απομακρύνεται από ένα δοχείο ζεστού νερού γρηγορότερα παρά από ένα κρύο. Με τη σειρά του, ένα δοχείο με κρύο νερό δεν λιώνει το χιόνι από κάτω.

Όλες αυτές (καθώς και άλλες) συνθήκες μελετήθηκαν σε πολλά πειράματα, αλλά μια σαφής απάντηση στο ερώτημα - ποιες από αυτές παρέχουν εκατό τοις εκατό αναπαραγωγή του φαινομένου Mpemba - δεν ελήφθη ποτέ.

Για παράδειγμα, το 1995, ο Γερμανός φυσικός David Auerbach μελέτησε την επίδραση του υπερψυκτικού νερού σε αυτό το φαινόμενο. Ανακάλυψε ότι το ζεστό νερό, φτάνοντας σε μια υπερψυγμένη κατάσταση, παγώνει σε υψηλότερη θερμοκρασία από το κρύο νερό, και επομένως πιο γρήγορα από το τελευταίο. Αλλά το κρύο νερό φθάνει σε κατάσταση υπερψύξης γρηγορότερα από το ζεστό νερό, αντισταθμίζοντας έτσι την προηγούμενη καθυστέρηση.

Επιπλέον, τα αποτελέσματα του Auerbach έρχονται σε αντίθεση με προηγούμενα δεδομένα ότι το ζεστό νερό ήταν σε θέση να επιτύχει μεγαλύτερη υπερψύξη λόγω λιγότερων κέντρων κρυστάλλωσης. Όταν το νερό θερμαίνεται, τα αέρια που είναι διαλυμένα σε αυτό απομακρύνονται από αυτό και όταν βράσει, καθιζάνουν κάποια άλατα που είναι διαλυμένα σε αυτό.

Προς το παρόν, μόνο ένα πράγμα μπορεί να ειπωθεί - η αναπαραγωγή αυτού του αποτελέσματος εξαρτάται σημαντικά από τις συνθήκες υπό τις οποίες διεξάγεται το πείραμα. Ακριβώς γιατί δεν αναπαράγεται πάντα.

Φαίνεται προφανές ότι το κρύο νερό παγώνει πιο γρήγορα από το ζεστό, αφού υπό ίσες συνθήκες το ζεστό νερό χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να κρυώσει και στη συνέχεια να παγώσει. Ωστόσο, χιλιάδες χρόνια παρατηρήσεων, καθώς και σύγχρονα πειράματα, έχουν δείξει ότι ισχύει και το αντίθετο: υπό ορισμένες συνθήκες, το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο. Το Sciencium Science Channel εξηγεί αυτό το φαινόμενο:

Όπως εξηγείται στο παραπάνω βίντεο, το φαινόμενο του ζεστού νερού που παγώνει γρηγορότερα από το κρύο είναι γνωστό ως φαινόμενο Mpemba, που πήρε το όνομά του από τον Erasto Mpemba, έναν μαθητή από την Τανζανία που έφτιαξε παγωτό ως μέρος ενός σχολικού έργου το 1963. Οι μαθητές έπρεπε να φέρουν ένα μείγμα κρέμας και ζάχαρης σε σημείο βρασμού, να το αφήσουν να κρυώσει και μετά να το βάλουν στην κατάψυξη.

Αντίθετα, ο Έραστο έβαλε αμέσως το μείγμα του, ζεστό, χωρίς να περιμένει να κρυώσει. Ως αποτέλεσμα, μετά από 1,5 ώρα το μείγμα του ήταν ήδη παγωμένο, αλλά τα μείγματα των άλλων μαθητών όχι. Ενδιαφερόμενος για το φαινόμενο, ο Mpemba άρχισε να μελετά το θέμα με τον καθηγητή φυσικής Denis Osborne και το 1969 δημοσίευσαν μια εργασία που έλεγε ότι το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο. Αυτή ήταν η πρώτη μελέτη του είδους της με κριτές, αλλά το ίδιο το φαινόμενο αναφέρεται στις εργασίες του Αριστοτέλη, που χρονολογούνται από τον 4ο αιώνα π.Χ. μι. Ο Francis Bacon και ο Descartes σημείωσαν επίσης αυτό το φαινόμενο στις μελέτες τους.

Το βίντεο παραθέτει πολλές επιλογές για να εξηγήσετε τι συμβαίνει:

Το Frost είναι ένα διηλεκτρικό και επομένως το παγωμένο κρύο νερό αποθηκεύει θερμότητα καλύτερα από ένα ζεστό ποτήρι, το οποίο λιώνει τον πάγο όταν έρχεται σε επαφή με αυτό
Το κρύο νερό έχει περισσότερα διαλυμένα αέρια από το ζεστό νερό, και οι ερευνητές εικάζουν ότι αυτό μπορεί να παίζει ρόλο στον ρυθμό ψύξης, αν και δεν είναι ακόμη σαφές πώς
Το ζεστό νερό χάνει περισσότερα μόρια νερού μέσω της εξάτμισης, επομένως μένουν λιγότερα για να παγώσουν
Το ζεστό νερό μπορεί να κρυώσει γρηγορότερα λόγω των αυξημένων ρευμάτων μεταφοράς. Αυτά τα ρεύματα συμβαίνουν επειδή το νερό στο ποτήρι ψύχεται πρώτα στην επιφάνεια και στα πλάγια, προκαλώντας τη βύθιση του κρύου νερού και την ανύψωση του ζεστού νερού. Σε ένα ζεστό ποτήρι, τα ρεύματα μεταφοράς είναι πιο ενεργά, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τον ρυθμό ψύξης.

Ωστόσο, το 2016, πραγματοποιήθηκε μια προσεκτικά ελεγχόμενη μελέτη που έδειξε το αντίθετο: το ζεστό νερό πάγωσε πολύ πιο αργά από το κρύο. Ταυτόχρονα, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι η αλλαγή της θέσης του θερμοστοιχείου - μιας συσκευής που καθορίζει τις αλλαγές θερμοκρασίας - μόνο κατά ένα εκατοστό οδηγεί στην εμφάνιση του φαινομένου Mpemba. Μελετώντας τους άλλους παρόμοια έργαέδειξε ότι σε όλες τις περιπτώσεις που παρατηρήθηκε αυτό το φαινόμενο, υπήρχε μετατόπιση του θερμοστοιχείου μέσα σε ένα εκατοστό.

Νερό- μια αρκετά απλή ουσία με χημικό σημείοόραμα, αλλά ταυτόχρονα έχει μια σειρά από ασυνήθιστες ιδιότητες που δεν παύουν να εκπλήσσουν τους επιστήμονες. Παρακάτω είναι μερικά γεγονότα που λίγοι γνωρίζουν.

1. Ποιο νερό παγώνει γρηγορότερα - κρύο ή ζεστό;

Ας πάρουμε δύο δοχεία με νερό: ρίξτε ζεστό νερό στο ένα και κρύο νερό στο άλλο και τοποθετήστε τα στην κατάψυξη. Το ζεστό νερό θα παγώσει πιο γρήγορα από το κρύο, αν και λογικά, το κρύο νερό θα έπρεπε πρώτα να έχει μετατραπεί σε πάγο: τελικά, το ζεστό νερό πρέπει πρώτα να κρυώσει στην κρύα θερμοκρασία και μετά να μετατραπεί σε πάγο, ενώ το κρύο νερό δεν χρειάζεται να κρυώσει. Γιατί συμβαίνει αυτό?

Το 1963, ένας φοιτητής από την Τανζανία ονόματι Erasto B. Mpemba, κατά την κατάψυξη ενός μείγματος παγωτού, παρατήρησε ότι το ζεστό μείγμα στερεοποιήθηκε γρηγορότερα στην κατάψυξη παρά στην κρύα. Όταν ο νεαρός μοιράστηκε την ανακάλυψή του με τον καθηγητή φυσικής του, μόνο γέλασε μαζί του. Ευτυχώς, ο μαθητής ήταν επίμονος και έπεισε τον δάσκαλο να πραγματοποιήσει ένα πείραμα, το οποίο επιβεβαίωσε την ανακάλυψή του: υπό ορισμένες συνθήκες, το ζεστό νερό στην πραγματικότητα παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο.

Τώρα αυτό το φαινόμενο του ζεστού νερού που παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο ονομάζεται " Εφέ Mpemba" Είναι αλήθεια ότι πολύ πριν από αυτόν αυτή η μοναδική ιδιότητα του νερού σημειώθηκε από τον Αριστοτέλη, τον Φράνσις Μπέικον και τον Ρενέ Ντεκάρτ.

Οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην κατανοούν πλήρως τη φύση αυτού του φαινομένου, εξηγώντας το είτε από τη διαφορά στην υπερψύξη, την εξάτμιση, το σχηματισμό πάγου, τη μεταφορά ή από την επίδραση των υγροποιημένων αερίων στο ζεστό και κρύο νερό.

2. Μπορεί να παγώσει αμέσως

Όλοι το ξέρουν αυτό νερόμετατρέπεται πάντα σε πάγο όταν κρυώσει στους 0°C... με κάποιες εξαιρέσεις! Μια τέτοια περίπτωση, για παράδειγμα, είναι η υπερψύξη, η οποία είναι ιδιότητα του πολύ καθαρό νερόπαραμένουν υγρά ακόμα και όταν κρυώσουν κάτω από το μηδέν. Αυτό το φαινόμενο καθίσταται δυνατό λόγω του γεγονότος ότι το περιβάλλον δεν περιέχει κέντρα ή πυρήνες κρυστάλλωσης που θα μπορούσαν να πυροδοτήσουν το σχηματισμό κρυστάλλων πάγου. Και έτσι το νερό παραμένει σε υγρή μορφή ακόμη και όταν ψύχεται κάτω από τους μηδέν βαθμούς Κελσίου.

Διαδικασία κρυστάλλωσηςμπορεί να προκληθεί, για παράδειγμα, από φυσαλίδες αερίου, ακαθαρσίες (μολυσματικές ουσίες), ανώμαλη επιφάνειαδοχεία. Χωρίς αυτά, το νερό θα παραμείνει σε υγρή κατάσταση. Όταν ξεκινήσει η διαδικασία κρυστάλλωσης, μπορείτε να παρακολουθήσετε το υπερ-ψυγμένο νερό να μετατρέπεται αμέσως σε πάγο.

Σημειώστε ότι το «υπερθερμασμένο» νερό παραμένει επίσης υγρό ακόμα και όταν θερμαίνεται πάνω από το σημείο βρασμού του.

3. 19 υδάτινες καταστάσεις

Χωρίς δισταγμό, ονομάστε πόσες διαφορετικές καταστάσεις έχει το νερό; Αν απαντήσατε τρία: στερεό, υγρό, αέριο, τότε κάνατε λάθος. Οι επιστήμονες διακρίνουν τουλάχιστον 5 διαφορετικές καταστάσεις του νερού σε υγρή μορφή και 14 σε παγωμένη μορφή.

Θυμάστε τη συζήτηση για το πολύ παγωμένο νερό; Έτσι, ό,τι κι αν κάνετε, στους -38 °C ακόμη και το πιο καθαρό υπερψυχμένο νερό θα μετατραπεί ξαφνικά σε πάγο. Τι θα συμβεί καθώς η θερμοκρασία θα πέσει περαιτέρω; Στους -120 °C κάτι περίεργο αρχίζει να συμβαίνει με το νερό: γίνεται εξαιρετικά παχύρρευστο ή παχύρρευστο, όπως η μελάσα, και σε θερμοκρασίες κάτω από -135 °C μετατρέπεται σε «υαλώδες» ή «υαλώδες» νερό - μια στερεή ουσία που δεν έχει κρυσταλλική δομή .

4. Το νερό εκπλήσσει τους φυσικούς

Σε μοριακό επίπεδο, το νερό είναι ακόμα πιο εκπληκτικό. Το 1995, ένα πείραμα σκέδασης νετρονίων που διεξήχθη από επιστήμονες έδωσε ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα: οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι τα νετρόνια που στοχεύουν στα μόρια του νερού «βλέπουν» 25% λιγότερα πρωτόνια υδρογόνου από το αναμενόμενο.

Αποδείχθηκε ότι με ταχύτητα ενός ατο δευτερολέπτου (10 -18 δευτερόλεπτα) λαμβάνει χώρα ένα ασυνήθιστο κβαντικό φαινόμενο, και χημική φόρμουλανερό αντί H2O, γίνεται Η1.5Ο!

5. Μνήμη νερού

Εναλλακτική της επίσημης ιατρικής οποιοπαθητικήαναφέρει ότι ένα αραιό διάλυμα φαρμακευτικό προϊόνμπορεί να έχει θεραπευτική επίδραση στον οργανισμό, ακόμα κι αν ο συντελεστής αραίωσης είναι τόσο υψηλός που δεν έχει μείνει τίποτα στο διάλυμα εκτός από μόρια νερού. Οι υποστηρικτές της ομοιοπαθητικής εξηγούν αυτό το παράδοξο με μια έννοια που ονομάζεται " μνήμη νερού», σύμφωνα με την οποία το νερό σε μοριακό επίπεδο έχει «μνήμη» της ουσίας που κάποτε είχε διαλυθεί σε αυτό και διατηρεί τις ιδιότητες του διαλύματος της αρχικής συγκέντρωσης αφού δεν παραμείνει ούτε ένα μόριο του συστατικού σε αυτό.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής την καθηγήτρια Madeleine Ennis του Queen's University του Μπέλφαστ, η οποία είχε επικρίνει τις αρχές της ομοιοπαθητικής, διεξήγαγε ένα πείραμα το 2002 για να διαψεύσει την ιδέα μια για πάντα. Το αποτέλεσμα ήταν το αντίθετο. Μετά από αυτό, οι επιστήμονες δήλωσαν ότι ήταν σε θέση να αποδείξουν την πραγματικότητα του αποτελέσματος " μνήμη νερού" Ωστόσο, τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν υπό την επίβλεψη ανεξάρτητων ειδικών δεν έφεραν αποτελέσματα. Διαφωνίες για την ύπαρξη του φαινομένου " μνήμη νερού"να συνεχίσει.

Το νερό έχει πολλές άλλες ασυνήθιστες ιδιότητες για τις οποίες δεν μιλήσαμε σε αυτό το άρθρο. Για παράδειγμα, η πυκνότητα του νερού αλλάζει ανάλογα με τη θερμοκρασία (η πυκνότητα του πάγου είναι μικρότερη από την πυκνότητα του νερού). το νερό έχει αρκετά υψηλή επιφανειακή τάση. Στην υγρή κατάσταση, το νερό είναι ένα σύνθετο και δυναμικά μεταβαλλόμενο δίκτυο συστάδων νερού και είναι η συμπεριφορά των συστάδων που επηρεάζει τη δομή του νερού κ.λπ.

Σχετικά με αυτά και πολλά άλλα απροσδόκητα χαρακτηριστικά νερόμπορεί να διαβαστεί στο άρθρο " Ανώμαλες ιδιότητες του νερού», με συγγραφέα τον Μάρτιν Τσάπλιν, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Λονδίνου.

Το 1963, ένας μαθητής από την Τανζανία ονόματι Erasto Mpemba έκανε μια ηλίθια ερώτηση στον δάσκαλό του - γιατί το ζεστό παγωτό στην κατάψυξή του πάγωσε πιο γρήγορα από το κρύο;

Ως μαθητής στο γυμνάσιο Magambi στην Τανζανία, ο Erasto Mpemba έκανε πρακτική δουλειά ως μάγειρας. Χρειάστηκε να φτιάξει σπιτικό παγωτό - βράσει γάλα, διαλύσει τη ζάχαρη σε αυτό, το κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου και μετά το έβαλε στο ψυγείο να παγώσει. Προφανώς, ο Mpemba δεν ήταν ιδιαίτερα επιμελής μαθητής και καθυστέρησε να ολοκληρώσει το πρώτο μέρος της εργασίας. Φοβούμενος ότι δεν θα τα κατάφερνε μέχρι το τέλος του μαθήματος, έβαλε ακόμα ζεστό γάλα στο ψυγείο. Προς έκπληξή του, πάγωσε ακόμη νωρίτερα από το γάλα των συντρόφων του, παρασκευασμένο σύμφωνα με τη δεδομένη τεχνολογία.

Γύρισε στον καθηγητή φυσικής για διευκρίνιση, αλλά εκείνος γέλασε μόνο με τον μαθητή, λέγοντας τα εξής: «Αυτή δεν είναι καθολική φυσική, αλλά φυσική Mpemba». Μετά από αυτό, ο Mpemba πειραματίστηκε όχι μόνο με γάλα, αλλά και με συνηθισμένο νερό.

Σε κάθε περίπτωση, ήδη ως μαθητής στο δευτεροβάθμιο σχολείο Mkwava, ρώτησε τον καθηγητή Dennis Osborne από το Πανεπιστημιακό Κολλέγιο στο Dar Es Salaam (προσκεκλημένος από τον διευθυντή του σχολείου να δώσει μια διάλεξη για τη φυσική στους μαθητές) συγκεκριμένα για το νερό: «Αν πάρετε δύο πανομοιότυπα δοχεία με ίσους όγκους νερού, έτσι ώστε στο ένα από αυτά το νερό να έχει θερμοκρασία 35°C και στο άλλο - 100°C, και βάλτε τα στην κατάψυξη και στη συνέχεια στο δεύτερο το νερό θα παγώσει πιο γρήγορα. Γιατί?" Ο Osborne άρχισε να ενδιαφέρεται για αυτό το θέμα και σύντομα, το 1969, αυτός και ο Mpemba δημοσίευσαν τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους στο περιοδικό Physics Education. Από τότε, το φαινόμενο που ανακάλυψαν ονομάζεται φαινόμενο Mpemba.

Σας ενδιαφέρει να μάθετε γιατί συμβαίνει αυτό; Μόλις πριν από λίγα χρόνια, οι επιστήμονες κατάφεραν να εξηγήσουν αυτό το φαινόμενο...

Το φαινόμενο Mpemba (Mpemba Paradox) είναι ένα παράδοξο που δηλώνει ότι το ζεστό νερό κάτω από ορισμένες συνθήκες παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο νερό, αν και πρέπει να περάσει τη θερμοκρασία του κρύου νερού κατά τη διαδικασία κατάψυξης. Αυτό το παράδοξο είναι ένα πειραματικό γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις συνήθεις ιδέες, σύμφωνα με τις οποίες, υπό τις ίδιες συνθήκες, ένα πιο θερμαινόμενο σώμα χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να κρυώσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία από ένα λιγότερο θερμαινόμενο σώμα για να κρυώσει στην ίδια θερμοκρασία.

Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε στην εποχή τους από τον Αριστοτέλη, τον Φράνσις Μπέικον και τον Ρενέ Ντεκάρτ. Μέχρι τώρα, κανείς δεν ξέρει ακριβώς πώς να εξηγήσει αυτό το περίεργο αποτέλεσμα. Οι επιστήμονες δεν έχουν μια ενιαία εκδοχή, αν και υπάρχουν πολλές. Είναι όλα σχετικά με τη διαφορά στις ιδιότητες του ζεστού και κρύου νερού, αλλά δεν είναι ακόμη σαφές ποιες ιδιότητες παίζουν ρόλο σε αυτήν την περίπτωση: η διαφορά στην υπερψύξη, στην εξάτμιση, στο σχηματισμό πάγου, στη μεταφορά ή στην επίδραση των υγροποιημένων αερίων στο νερό διαφορετικές θερμοκρασίες. Το παράδοξο του φαινομένου Mpemba είναι ότι ο χρόνος κατά τον οποίο ένα σώμα κρυώνει στη θερμοκρασία περιβάλλοντος πρέπει να είναι ανάλογος της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ αυτού του σώματος και του περιβάλλοντος. Αυτός ο νόμος θεσπίστηκε από τον Νεύτωνα και έκτοτε έχει επιβεβαιωθεί πολλές φορές στην πράξη. Σε αυτό το φαινόμενο, το νερό με θερμοκρασία 100°C ψύχεται σε θερμοκρασία 0°C ταχύτερα από την ίδια ποσότητα νερού με θερμοκρασία 35°C.

Από τότε έχουν μιλήσει διαφορετικές εκδόσεις, ένα από τα οποία ακουγόταν ως εξής: μέρος του ζεστού νερού πρώτα απλά εξατμίζεται και μετά, όταν μείνει λιγότερο, το νερό παγώνει πιο γρήγορα. Αυτή η έκδοση, λόγω της απλότητάς της, έγινε η πιο δημοφιλής, αλλά δεν ικανοποίησε πλήρως τους επιστήμονες.

Τώρα μια ομάδα ερευνητών από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang στη Σιγκαπούρη, με επικεφαλής τον χημικό Xi Zhang, λέει ότι έχουν λύσει το πανάρχαιο μυστήριο του γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο. Όπως ανακάλυψαν Κινέζοι ειδικοί, το μυστικό βρίσκεται στην ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού.

Όπως γνωρίζετε, τα μόρια του νερού αποτελούνται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου που συγκρατούνται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς, οι οποίοι σε επίπεδο σωματιδίων μοιάζουν με ανταλλαγή ηλεκτρονίων. Αλλο γνωστό γεγονόςέγκειται στο γεγονός ότι τα άτομα υδρογόνου έλκονται από άτομα οξυγόνου από γειτονικά μόρια - και σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου.

Ταυτόχρονα, τα μόρια του νερού γενικά απωθούν το ένα το άλλο. Επιστήμονες από τη Σιγκαπούρη παρατήρησαν: όσο πιο ζεστό είναι το νερό, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των μορίων του υγρού λόγω της αύξησης των απωστικών δυνάμεων. Ως αποτέλεσμα, οι δεσμοί υδρογόνου τεντώνονται και επομένως αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια. Αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται όταν το νερό κρυώσει - τα μόρια κινούνται πιο κοντά το ένα στο άλλο. Και η απελευθέρωση ενέργειας, ως γνωστόν, σημαίνει ψύξη.

Ακολουθούν οι υποθέσεις που προβάλλουν οι επιστήμονες:

Εξάτμιση

Το ζεστό νερό εξατμίζεται πιο γρήγορα από το δοχείο, μειώνοντας έτσι τον όγκο του και ένας μικρότερος όγκος νερού στην ίδια θερμοκρασία παγώνει πιο γρήγορα. Το νερό που θερμαίνεται στους 100°C χάνει το 16% της μάζας του όταν ψύχεται στους 0°C. Το φαινόμενο εξάτμισης είναι διπλό αποτέλεσμα. Πρώτον, η μάζα του νερού που απαιτείται για την ψύξη μειώνεται. Και δεύτερον, λόγω της εξάτμισης, η θερμοκρασία του μειώνεται.

Διαφορά θερμοκρασίας

Λόγω του γεγονότος ότι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ζεστού και κρύου αέρα είναι μεγαλύτερη, επομένως, η ανταλλαγή θερμότητας σε αυτή την περίπτωση είναι πιο έντονη και το ζεστό νερό ψύχεται πιο γρήγορα.

Υποθερμία
Όταν το νερό κρυώσει κάτω από τους 0°C δεν παγώνει πάντα. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί να υποστεί υπερψύξη, συνεχίζοντας να παραμένει υγρό σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το νερό μπορεί να παραμείνει υγρό ακόμα και σε θερμοκρασία -20°C. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο είναι ότι για να αρχίσουν να σχηματίζονται οι πρώτοι κρύσταλλοι πάγου χρειάζονται κέντρα σχηματισμού κρυστάλλων. Εάν δεν υπάρχουν σε υγρό νερό, τότε η υπερψύξη θα συνεχιστεί έως ότου η θερμοκρασία πέσει αρκετά ώστε οι κρύσταλλοι να σχηματιστούν αυθόρμητα. Όταν αρχίσουν να σχηματίζονται στο υπερψυγμένο υγρό, θα αρχίσουν να αναπτύσσονται πιο γρήγορα, σχηματίζοντας λάσπη πάγο, ο οποίος θα παγώσει για να σχηματίσει πάγο. Το ζεστό νερό είναι πιο ευαίσθητο στην υποθερμία επειδή η θέρμανση απομακρύνει τα διαλυμένα αέρια και τις φυσαλίδες, οι οποίες με τη σειρά τους μπορούν να χρησιμεύσουν ως κέντρα για το σχηματισμό κρυστάλλων πάγου. Γιατί η υποθερμία κάνει το ζεστό νερό να παγώνει πιο γρήγορα; Στην περίπτωση του κρύου νερού που δεν υπερψύχεται, συμβαίνει το εξής: στην επιφάνειά του σχηματίζεται ένα λεπτό στρώμα πάγου, το οποίο λειτουργεί ως μονωτής μεταξύ του νερού και του κρύου αέρα και έτσι εμποδίζει την περαιτέρω εξάτμιση. Ο ρυθμός σχηματισμού κρυστάλλων πάγου σε αυτή την περίπτωση θα είναι χαμηλότερος. Στην περίπτωση του ζεστού νερού που υποβάλλεται σε υπερψύξη, το υπερψυκτικό νερό δεν έχει προστατευτικό επιφανειακό στρώμα πάγου. Επομένως, χάνει θερμότητα πολύ πιο γρήγορα μέσω της ανοιχτής κορυφής. Όταν η διαδικασία υπερψύξης τελειώσει και το νερό παγώσει, χάνεται πολύ περισσότερη θερμότητα και επομένως σχηματίζεται περισσότερος πάγος. Πολλοί ερευνητές αυτού του φαινομένου θεωρούν ότι η υποθερμία είναι ο κύριος παράγοντας στην περίπτωση του φαινομένου Mpemba.
Μεταγωγή

Το κρύο νερό αρχίζει να παγώνει από πάνω, επιδεινώνοντας έτσι τις διαδικασίες ακτινοβολίας θερμότητας και μεταφοράς, και ως εκ τούτου την απώλεια θερμότητας, ενώ το ζεστό νερό αρχίζει να παγώνει από κάτω. Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από μια ανωμαλία στην πυκνότητα του νερού. Το νερό έχει τη μέγιστη πυκνότητά του στους 4°C. Εάν ψύξετε το νερό στους 4°C και το τοποθετήσετε σε περιβάλλον με χαμηλότερη θερμοκρασία, το επιφανειακό στρώμα του νερού θα παγώσει πιο γρήγορα. Επειδή αυτό το νερό είναι λιγότερο πυκνό από το νερό στους 4°C, θα παραμείνει στην επιφάνεια, σχηματίζοντας ένα λεπτό ψυχρό στρώμα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ένα λεπτό στρώμα πάγου θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του νερού σε σύντομο χρονικό διάστημα, αλλά αυτό το στρώμα πάγου θα λειτουργήσει ως μονωτικό, προστατεύοντας τα κατώτερα στρώματα του νερού, τα οποία θα παραμείνουν σε θερμοκρασία 4°C. . Επομένως, η περαιτέρω διαδικασία ψύξης θα είναι πιο αργή. Στην περίπτωση του ζεστού νερού, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Το επιφανειακό στρώμα του νερού θα κρυώσει πιο γρήγορα λόγω της εξάτμισης και της μεγαλύτερης διαφοράς θερμοκρασίας. Επίσης, τα στρώματα κρύου νερού είναι πιο πυκνά από τα στρώματα ζεστού νερού, επομένως το στρώμα κρύου νερού θα βυθιστεί, φέρνοντας το στρώμα ζεστού νερού στην επιφάνεια. Αυτή η κυκλοφορία του νερού εξασφαλίζει ταχεία πτώση της θερμοκρασίας. Γιατί όμως αυτή η διαδικασία δεν φτάνει σε σημείο ισορροπίας; Για να εξηγήσουμε το φαινόμενο Mpemba από την άποψη της μεταφοράς, θα ήταν απαραίτητο να υποθέσουμε ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα του νερού διαχωρίζονται και η ίδια η διαδικασία μεταφοράς συνεχίζεται αφού η μέση θερμοκρασία του νερού πέσει κάτω από τους 4 ° C. Ωστόσο, δεν υπάρχουν πειραματικά στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτή την υπόθεση ότι τα κρύα και τα ζεστά στρώματα νερού διαχωρίζονται με τη διαδικασία της μεταφοράς.

Αέρια διαλυμένα στο νερό

Το νερό περιέχει πάντα αέρια διαλυμένα σε αυτό - οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτά τα αέρια έχουν την ικανότητα να μειώνουν το σημείο πήξης του νερού. Όταν το νερό θερμαίνεται, αυτά τα αέρια απελευθερώνονται από το νερό επειδή η διαλυτότητά τους στο νερό είναι χαμηλότερη σε υψηλές θερμοκρασίες. Επομένως, όταν το ζεστό νερό ψύχεται, περιέχει πάντα λιγότερα διαλυμένα αέρια από ό,τι στο μη θερμαινόμενο κρύο νερό. Επομένως, το σημείο πήξης του θερμαινόμενου νερού είναι υψηλότερο και παγώνει πιο γρήγορα. Αυτός ο παράγοντας μερικές φορές θεωρείται ως ο κύριος στην εξήγηση του φαινομένου Mpemba, αν και δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα που να επιβεβαιώνουν αυτό το γεγονός.

Θερμική αγωγιμότητα

Αυτός ο μηχανισμός μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο όταν το νερό τοποθετείται στην κατάψυξη του θαλάμου ψυγείου σε μικρά δοχεία. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, έχει παρατηρηθεί ότι ένα δοχείο με ζεστό νερό λιώνει τον πάγο στον καταψύκτη από κάτω, βελτιώνοντας έτσι τη θερμική επαφή με το τοίχωμα του καταψύκτη και τη θερμική αγωγιμότητα. Ως αποτέλεσμα, η θερμότητα απομακρύνεται από ένα δοχείο ζεστού νερού γρηγορότερα παρά από ένα κρύο. Με τη σειρά του, ένα δοχείο με κρύο νερό δεν λιώνει το χιόνι από κάτω. Όλες αυτές οι συνθήκες (καθώς και άλλες) μελετήθηκαν σε πολλά πειράματα, αλλά μια σαφής απάντηση στο ερώτημα - ποιες από αυτές εξασφαλίζουν 100% αναπαραγωγή του φαινομένου Mpemba - δεν ελήφθη ποτέ. Για παράδειγμα, το 1995, ο Γερμανός φυσικός David Auerbach μελέτησε την επίδραση του υπερψυκτικού νερού σε αυτό το φαινόμενο. Ανακάλυψε ότι το ζεστό νερό, φτάνοντας σε μια υπερψυγμένη κατάσταση, παγώνει σε υψηλότερη θερμοκρασία από το κρύο νερό, και επομένως πιο γρήγορα από το τελευταίο. Αλλά το κρύο νερό φθάνει σε κατάσταση υπερψύξης γρηγορότερα από το ζεστό νερό, αντισταθμίζοντας έτσι την προηγούμενη καθυστέρηση. Επιπλέον, τα αποτελέσματα του Auerbach έρχονται σε αντίθεση με προηγούμενα δεδομένα ότι το ζεστό νερό ήταν σε θέση να επιτύχει μεγαλύτερη υπερψύξη λόγω λιγότερων κέντρων κρυστάλλωσης. Όταν το νερό θερμαίνεται, τα αέρια που είναι διαλυμένα σε αυτό απομακρύνονται από αυτό και όταν βράσει, καθιζάνουν κάποια άλατα που είναι διαλυμένα σε αυτό. Προς το παρόν, μόνο ένα πράγμα μπορεί να ειπωθεί: η αναπαραγωγή αυτού του αποτελέσματος εξαρτάται σημαντικά από τις συνθήκες υπό τις οποίες διεξάγεται το πείραμα. Ακριβώς γιατί δεν αναπαράγεται πάντα.

Αλλά όπως λένε, ο πιο πιθανός λόγος.

Όπως γράφουν οι χημικοί στο άρθρο τους, το οποίο βρίσκεται στον ιστότοπο προεκτύπωσης arXiv.org, οι δεσμοί υδρογόνου είναι ισχυρότεροι στο ζεστό νερό παρά στο κρύο. Έτσι, αποδεικνύεται ότι περισσότερη ενέργεια αποθηκεύεται στους δεσμούς υδρογόνου του ζεστού νερού, πράγμα που σημαίνει ότι περισσότερη από αυτή απελευθερώνεται όταν ψύχεται σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Για το λόγο αυτό, η σκλήρυνση γίνεται πιο γρήγορα.

Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες έχουν λύσει αυτό το μυστήριο μόνο θεωρητικά. Όταν παρουσιάζουν πειστικά στοιχεία της εκδοχής τους, το ερώτημα γιατί το ζεστό νερό παγώνει πιο γρήγορα από το κρύο μπορεί να θεωρηθεί κλειστό.