Sıcak veya soğuk su daha hızlı donar. Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar? Mpemba etkisi

Hangi suyun daha hızlı donacağı, sıcak veya soğuk, birçok faktörden etkilenir, ancak sorunun kendisi biraz garip görünüyor. Anlaşıldı ve fizikten biliniyor ki, sıcak suyun buza dönüşmesi için karşılaştırılabilir soğuk su sıcaklığına kadar soğuması için hala zamana ihtiyacı var. Soğuk su bu aşamayı atlayabilir ve buna göre zamanla kazanır.

Ancak, kuzey enlemlerinin herhangi bir sakini, sokakta donda hangi suyun daha hızlı donduğu - soğuk veya sıcak - sorusunun cevabını bilir. Aslında, bilimsel olarak, her durumda soğuk suyun daha hızlı donması gerektiği ortaya çıktı.

1963'te okul çocuğu Erasto Mpemba'nın gelecekteki dondurmanın soğuk karışımının neden benzer ama sıcak olandan daha uzun süre donduğunu açıklama talebiyle yaklaşan fizik öğretmeni de öyle yaptı.

"Bu dünya fiziği değil, bir tür Mpemba fiziği"

O sırada öğretmen buna sadece güldü ama bir zamanlar Erasto'nun çalıştığı aynı okula giden fizik profesörü Deniss Osborne, o zamanlar bunun için bir açıklama olmamasına rağmen böyle bir etkinin varlığını deneysel olarak doğruladı. 1969'da popüler bir bilimsel dergi, bu tuhaf etkiyi açıklayan iki adamın ortak bir makalesini yayınladı.

O zamandan beri, bu arada, hangi suyun daha hızlı donduğu sorusunun - sıcak veya soğuk, kendi adı var - etkisi veya paradoks, Mpemba.

soru uzun süredir gündemde

Doğal olarak böyle bir olay daha önce de yaşanmış ve diğer bilim adamlarının eserlerinde de bahsedilmiştir. Bu soruyla sadece okul çocuğu ilgilenmedi, aynı zamanda Rene Descartes ve hatta Aristoteles bir zamanlar bunun hakkında düşündüler.

İşte bu paradoksu çözmeye yönelik yaklaşımlar, ancak yirminci yüzyılın sonunda görünmeye başladı.

Bir paradoksun oluşması için koşullar

Dondurmada olduğu gibi, deney sırasında donan sadece sıradan su değildir. Hangi suyun daha hızlı donduğunu - soğuk veya sıcak - tartışmaya başlamak için belirli koşulların mevcut olması gerekir. Bu süreci ne etkiler?

Şimdi, 21. yüzyılda, bu paradoksu açıklayabilecek birkaç seçenek öne sürüldü. Hangi suyun daha hızlı donacağı, sıcak veya soğuk, soğuk sudan daha yüksek buharlaşma oranına sahip olmasına bağlı olabilir. Böylece hacmi azalır ve hacminin azalmasıyla donma süresi, benzer bir başlangıç soğuk su hacmi aldığımızdan daha kısa olur.

Dondurucu uzun süredir buzu çözülmüş

Hangi suyun daha hızlı donduğu ve neden donduğu, deney için kullanılan buzdolabının dondurucusunda bulunabilecek kar tabakasından etkilenebilir. Hacim olarak aynı olan ancak birinde sıcak su, diğerinde soğuk su bulunan iki kap alırsanız, sıcak su dolu kap altındaki karı eriterek ısı seviyesinin buzdolabı duvarı ile temasını iyileştirir. Soğuk su kabı bunu yapamaz. Buzdolabında böyle bir kar astarı yoksa soğuk su daha hızlı donmalıdır.

Üst - alt

Ayrıca, hangi suyun daha hızlı donduğu - sıcak veya soğuk - olgusu aşağıdaki şekilde açıklanmaktadır. Belirli yasalara göre, soğuk su üst katmanlardan donmaya başlar, sıcak su ise tam tersini yapar - aşağıdan yukarıya doğru donmaya başlar. Bazı yerlerde zaten buzla birlikte soğuk bir tabakaya sahip olan soğuk suyun, konveksiyon ve termal radyasyon süreçlerini kötüleştirdiği ve böylece hangi suyun daha hızlı donduğunu açıkladığı ortaya çıktı - soğuk veya sıcak. Amatör deneylerden bir fotoğraf eklenmiştir ve burada açıkça görülmektedir.

Isı dışarı çıkar, yukarı doğru yönelir ve orada çok soğuk bir katmanla karşılaşır. Isı radyasyonu için serbest bir yol yoktur, bu nedenle soğutma işlemi zorlaşır. Sıcak suyun yolunda kesinlikle böyle bir engel yoktur. Hangisi daha hızlı donar - soğuk veya sıcak, olası sonucun bağlı olduğu, herhangi bir suyun içinde çözünmüş belirli maddeler olduğunu söyleyerek cevabı genişletebilirsiniz.

Sonucu etkileyen bir faktör olarak suyun bileşimindeki safsızlıklar

Hile yapmazsanız ve belirli maddelerin konsantrasyonlarının aynı olduğu aynı bileşime sahip su kullanırsanız, soğuk su daha hızlı donmalıdır. Ancak, çözünmüş kimyasal elementlerin yalnızca sıcak suda bulunduğu ve soğuk suda bulunmadığı bir durum meydana gelirse, o zaman sıcak suyun daha erken donma olasılığı vardır. Bu, suda çözünmüş maddelerin kristalleşme merkezleri oluşturması ve bu merkezlerin az sayıda olmasıyla suyun katı hale dönüşmesinin zor olması ile açıklanmaktadır. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı halde olması anlamında suyun aşırı soğutulması bile mümkündür.

Ancak görünüşe göre tüm bu versiyonlar bilim adamlarına sonuna kadar uymadı ve bu konuda çalışmaya devam ettiler. 2013 yılında, Singapur'daki bir araştırma ekibi asırlık gizemi çözdüklerini söyledi.

Bir grup Çinli bilim adamı, bu etkinin sırrının, hidrojen bağları adı verilen bağlarındaki su molekülleri arasında depolanan enerji miktarında yattığını iddia ediyor.

Çinli bilim adamlarından yanıt

Hangi suyun daha hızlı donduğunu - sıcak veya soğuk - anlamak için kimyada biraz bilgiye sahip olmanın gerekli olduğunu anlamak için daha fazla bilgi gelecektir. Bildiğiniz gibi, kovalent bağlarla bir arada tutulan iki H (hidrojen) atomu ve bir O (oksijen) atomundan oluşur.

Ancak bir molekülün hidrojen atomları, komşu moleküllere, oksijen bileşenlerine de çekilir. Bu bağlara hidrojen bağları denir.

Aynı zamanda, su moleküllerinin birbirlerini itici bir şekilde hareket ettiğini hatırlamakta fayda var. Bilim adamları, su ısıtıldığında molekülleri arasındaki mesafenin arttığını ve bunun itici güçler tarafından kolaylaştırıldığını belirtti. Soğuk halde moleküller arasında bir mesafeyi işgal ederek, esnediklerini ve daha büyük bir enerji kaynağına sahip olduklarını söyleyebiliriz. Su molekülleri birbirine yaklaşmaya başladığında, yani soğuma meydana geldiğinde açığa çıkan bu enerji rezervidir. Sıcak suda daha büyük bir enerji kaynağının ve sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazla salınımının, bu tür bir enerji kaynağının daha küçük olduğu soğuk sudan daha hızlı gerçekleştiği ortaya çıktı. Peki hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı? Sokakta ve laboratuvarda Mpemba paradoksu oluşmalı ve sıcak su daha hızlı buza dönüşmelidir.

Ama soru hala açık

Bu ipucunun yalnızca teorik bir doğrulaması var - tüm bunlar güzel formüllerle yazılmış ve makul görünüyor. Ancak suyun daha hızlı donduğu - sıcak veya soğuk - deneysel veriler pratik anlamda ortaya konduğunda ve sonuçları sunulduğunda, o zaman Mpemba paradoksu sorununu kapalı olarak düşünmek mümkün olacaktır.

Mpemba etkisi(Mpemba Paradoksu), donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında, daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasına göre daha fazla zamana ihtiyaç duyduğu şeklindeki olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.

Bu fenomen o sırada Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi, ancak yalnızca 1963'te Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba, sıcak dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti.

Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde uygulamalı yemek pişirme çalışması yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içinde şekeri eritin, oda sıcaklığına kadar soğutun ve ardından donması için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle gayretli bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünü erteledi. Dersin sonuna yetişemeyeceğinden korkarak hala sıcak olan sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha erken dondu.

Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sade suyla da deneyler yaptı. Her halükarda, zaten Mkvava Lisesi öğrencisi olarak, Dar es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermesi için davet edildi) su hakkında sordu: "Eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsanız, bunlardan birinde suyun sıcaklığı 35 ° C, diğerinde - 100 ° C'dir ve onları bir dondurucuya koyarsanız, ikincisinde su daha hızlı donar Neden?" Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını "Fizik Eğitimi" dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkinin adı Mpemba etkisi.

Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Birçok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, taşınım veya sıvılaştırılmış gazların farklı sıcaklıklarda su üzerindeki etkisi.

Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuma süresinin, bu vücut ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturulmuştur ve o zamandan beri uygulamada birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki sudan 0°C'ye daha hızlı soğur.

Bununla birlikte, Mpemba etkisi bilinen fizikle de açıklanabileceğinden, bu henüz bir paradoks anlamına gelmez. İşte Mpemba etkisi için bazı açıklamalar:

buharlaşma

Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşarak hacmini azaltır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100 C'ye kadar ısıtılan su, 0 C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder.

Buharlaşma etkisi ikili bir etkidir. Birincisi, soğutma için gereken su kütlesi azaltılır. İkincisi, su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer.

sıcaklık farkı

Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha fazla olması nedeniyle - dolayısıyla bu durumda ısı değişimi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur.

hipotermi

Su 0 C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda, su -20 C'de bile sıvı kalabilir.

Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlamasına yetecek kadar düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvıda oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve donarak buza dönüşecek bir buz sulu karı oluşturacaklar.

Sıcak su, hipotermiye en yatkındır çünkü ısıtıldığında, buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilen çözünmüş gazlar ve kabarcıklar ortadan kalkar.

Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler gerçekleşir. Bu durumda, kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası, su ile soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya tabi tutulan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş su koruyucu bir buz yüzey tabakasına sahip değildir. Bu nedenle, üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder.

Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur.

Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipotermiyi ana faktör olarak kabul eder.

Konveksiyon

Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşirken, sıcak su aşağıdan donmaya başlar.

Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun yoğunluğu 4 C'de maksimumdur. Suyu 4 C'ye kadar soğutur ve daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır, ancak bu buz tabakası, 4 C sıcaklıkta kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. Bu nedenle, daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.

Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük bir sıcaklık farkı nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su katmanları sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı aşağı inerek ılık su katmanını yüzeye çıkarır. Suyun bu sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar.

Peki bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini bu konveksiyon açısından açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiğini varsaymak gerekir.

Bununla birlikte, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.

suda çözünmüş gazlar

Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında bu gazlar yüksek sıcaklıkta sudaki çözünürlükleri daha düşük olduğu için sudan salınır. Bu nedenle, sıcak su soğutulduğunda, içinde ısıtılmamış soğuk suya göre her zaman daha az çözünmüş gaz bulunur. Bu nedenle ısınan suyun donma noktası daha yüksektir ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.

Termal iletkenlik

Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100 yeniden üretimini sağladığı sorusuna net bir yanıt elde edilememiştir.

Örneğin, 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder.

Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünmüş gazlar uzaklaştırılır ve kaynatıldığında içinde çözünmüş bazı tuzlar çökelir.

Şimdiye kadar sadece bir şey ileri sürülebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi, esasen deneyin yürütüldüğü koşullara bağlıdır. Kesin olarak, çünkü her zaman yeniden üretilmez.

Soğuk suyun sıcak sudan daha hızlı donduğu açıktır, çünkü eşit koşullar altında sıcak suyun soğuması ve ardından donması daha uzun sürer. Bununla birlikte, binlerce yıllık gözlemler ve modern deneyler bunun tersinin de geçerli olduğunu göstermiştir: belirli koşullar altında sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Bilim kanalı Sciencia bu olguyu şöyle açıklıyor:

Yukarıdaki videoda açıklandığı gibi, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğu fenomen, adını 1963'te bir okul projesinin parçası olarak dondurma yapan Tanzanyalı bir öğrenci olan Erasto Mpemba'dan alan Mpemba etkisi olarak bilinir. Öğrencilerin krema ve şeker karışımını kaynatması, soğumaya bırakması ve ardından dondurucuya koyması gerekiyordu.

Bunun yerine Erasto, karışımını soğumasını beklemeden hemen ısıttı. Sonuç olarak, 1.5 saat sonra, onun karışımı zaten donmuştu, ancak diğer öğrencilerin karışımları donmamıştı. Bu fenomenin ilgisini çeken Mpemba, fizik profesörü Denis Osborn ile konuyu incelemeye başladı ve 1969'da sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu söyleyen bir makale yayınladılar. Bu, bu türden ilk hakemli çalışmaydı, ancak fenomenin kendisinden Aristoteles'in MÖ 4. yüzyıla kadar uzanan makalelerinde bahsediliyor. e. Francis Bacon ve Descartes da çalışmalarında bu fenomene dikkat çektiler.

Video, neler olduğunu açıklamak için çeşitli seçenekler listeler:

Don bir yalıtkandır ve bu nedenle soğuk soğuk su, ısıyı kendisiyle temas ettiğinde buzu eriten sıcak bir camdan daha iyi depolar.
Soğuk su, ılık sudan daha fazla çözünmüş gaza sahiptir ve araştırmacılar, nasıl olduğu henüz net olmasa da, bunun soğuma hızında bir rol oynayabileceğini düşünüyor.
Sıcak su, buharlaşma yoluyla daha fazla su molekülü kaybeder ve daha azını donmaya bırakır.
Sıcak su, artan konvektif akımlar nedeniyle daha hızlı soğuyabilir. Bu akımlar, bardağın içindeki suyun önce yüzey ve yanlarda soğuyarak soğuk suyun alçalmasına ve sıcak suyun yükselmesine neden olduğu için oluşur. Sıcak bir camda konvektif akımlar daha aktiftir ve bu da soğuma hızını etkileyebilir.

Bununla birlikte, 2016 yılında, tam tersini gösteren dikkatli bir şekilde kontrol edilen bir çalışma yapıldı: sıcak su, soğuk sudan çok daha yavaş dondu. Aynı zamanda bilim adamları, sıcaklık farklılıklarını belirleyen bir cihaz olan termokuplun konumunda sadece bir santimetrelik bir değişikliğin Mpemba etkisinin ortaya çıkmasına yol açtığını fark ettiler. Diğer benzer çalışmalarla ilgili bir çalışma, bu etkinin gözlemlendiği tüm durumlarda, termokuplun bir santimetre içinde yer değiştirdiğini gösterdi.

su- kimyasal açıdan oldukça basit bir madde, ancak bilim adamlarını şaşırtmaktan asla vazgeçmeyen bir dizi olağandışı özelliğe sahiptir. Aşağıda çok az kişinin bildiği bazı gerçekler var.

1. Hangi su daha hızlı donar - soğuk mu sıcak mı?

İki kap su alın: birine sıcak su, diğerine soğuk su dökün ve dondurucuya koyun. Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donacaktır, ancak mantıksal olarak, önce soğuk suyun buza dönüşmesi gerekirdi: Sonuçta, sıcak su önce soğuk sıcaklığa soğumalı ve sonra buza dönüşmeli, soğuk suyun soğumasına gerek yoktur. Bu neden oluyor?

1963 yılında Erasto B. Mpemba adlı Tanzanyalı bir öğrenci, hazırlanmış bir dondurma karışımını dondururken, sıcak karışımın dondurucuda soğuk olandan daha hızlı katılaştığını fark etti. Genç adam keşfini bir fizik öğretmeniyle paylaştığında ona sadece güldü. Neyse ki, öğrenci ısrarcıydı ve öğretmeni keşfini doğrulayan bir deney yapmaya ikna etti: belirli koşullar altında, sıcak su gerçekten soğuk sudan daha hızlı donar.

Şimdi, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donması olayına " Mpemba etkisi". Doğru, ondan çok önce, suyun bu eşsiz özelliği Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından not edildi.

Bilim adamları, hipotermi, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyondaki fark veya sıvılaştırılmış gazların sıcak ve soğuk su üzerindeki etkisi ile açıklayan bu fenomenin doğasını tam olarak anlamıyorlar.

2. Anında donabilir

Bunu herkes biliyor su 0 °C'ye soğutulduğunda her zaman buza dönüşür ... bazı durumlar dışında! Böyle bir durum, örneğin, çok saf suyun donma noktasının altındaki bir sıcaklığa soğutulduğunda bile sıvı kalma özelliği olan aşırı soğutmadır. Bu fenomen, ortamın buz kristallerinin oluşumunu tetikleyebilecek kristalizasyon merkezleri veya çekirdekleri içermemesi nedeniyle mümkün hale gelir. Ve böylece su, sıfır Santigrat derecenin altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda bile sıvı halde kalır.

kristalleşme süreciörneğin gaz kabarcıkları, safsızlıklar (kirlilik), kabın pürüzlü yüzeyi tarafından kışkırtılabilir. Onlar olmadan su sıvı halde kalacaktır. Kristalleşme süreci başladığında aşırı soğutulmuş suyun nasıl anında buza dönüştüğünü izleyebilirsiniz.

"Aşırı ısıtılmış" suyun, kaynama noktasının üzerinde ısıtıldığında bile sıvı kaldığını unutmayın.

3. 19 su durumu

Tereddüt etmeden, suyun kaç farklı hali olduğunu söyleyin? Üç cevap verdiyseniz: katı, sıvı, gaz, o zaman yanılıyorsunuz. Bilim adamları suyun sıvı haldeki en az 5 farklı halini ve donmuş haldeki 14 halini birbirinden ayırırlar.

Aşırı soğutulmuş su hakkındaki konuşmayı hatırlıyor musunuz? Yani ne yaparsanız yapın -38°C'de en saf aşırı soğutulmuş su bile bir anda buza dönüşecektir. Sıcaklık daha da düşerse ne olur? -120°C'de suya garip bir şey olmaya başlar: melas gibi süper viskoz veya viskoz hale gelir ve -135°C'nin altındaki sıcaklıklarda "camsı" veya "camsı" suya - kristal yapıdan yoksun bir katıya - dönüşür.

4. Su, fizikçileri şaşırtıyor

Moleküler düzeyde, su daha da şaşırtıcıdır. 1995 yılında, bilim adamları tarafından yürütülen bir nötron saçılma deneyi beklenmedik bir sonuç verdi: fizikçiler, su moleküllerine yönlendirilen nötronların beklenenden %25 daha az hidrojen protonu "gördüklerini" buldular.

Bir attosaniye (10-18 saniye) hızında olağandışı bir kuantum etkisinin gerçekleştiği ve bunun yerine suyun kimyasal formülünün ortaya çıktığı ortaya çıktı. H2O, H1.5O olur!

5. Su hafızası

Resmi ilaca alternatif homeopati Bir ilacın seyreltilmiş bir çözeltisinin, seyreltme faktörü çözeltide su moleküllerinden başka bir şey kalmayacak kadar büyük olsa bile vücut üzerinde terapötik bir etkiye sahip olabileceğini savunuyor. Homeopati savunucuları bu paradoksu " su hafızası”, buna göre, moleküler seviyedeki su, içinde bir kez çözünmüş bir maddenin “hafızasına” sahiptir ve içinde tek bir bileşen molekülü kalmadıktan sonra başlangıç konsantrasyonundaki bir çözeltinin özelliklerini korur.

Homeopati ilkelerini eleştiren Belfast Queen's Üniversitesi'nden Profesör Madeleine Ennis liderliğindeki uluslararası bir bilim adamları ekibi, 2002 yılında kavramı kesin olarak çürütmek için bir deney yaptı. Sonuç tam tersiydi. Bundan sonra bilim adamları, etkinin gerçekliğini kanıtlamayı başardıklarını söylediler " su hafızası". Ancak bağımsız uzmanların gözetiminde yapılan deneyler sonuç vermedi. Fenomenin varlığıyla ilgili anlaşmazlıklar " su hafızası" devam etmek.

Suyun, bu makalede ele almadığımız birçok sıra dışı özelliği daha vardır. Örneğin, suyun yoğunluğu sıcaklığa göre değişir (buzun yoğunluğu suyunkinden daha azdır); su oldukça büyük bir yüzey gerilimine sahiptir; sıvı halde, su karmaşık ve dinamik olarak değişen bir su kümeleri ağıdır ve suyun yapısını vb. etkileyen kümelerin davranışıdır.

Bunlar ve diğer pek çok beklenmedik özellik hakkında su makalede okunabilir Suyun anormal özellikleri”, yazarı Londra Üniversitesi'nde profesör olan Martin Chaplin'dir.

1963'te Tanzanya'dan Erasto Mpemba adlı bir okul çocuğu öğretmenine aptalca bir soru sordu - dondurucusunda sıcak dondurma neden soğuk dondurmadan daha hızlı dondu?

Erasto Mpemba, Tanzanya'daki Magambin Lisesi'nde uygulamalı yemek pişirme çalışması yapan bir öğrenciydi. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içinde şekeri eritin, oda sıcaklığına kadar soğutun ve ardından donması için buzdolabına koyun. Görünüşe göre, Mpemba özellikle gayretli bir öğrenci değildi ve ödevin ilk bölümünü erteledi. Dersin sonuna kadar zamanında gelemeyeceğinden korkarak buzdolabına hala sıcak süt koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, belirli bir teknolojiye göre hazırlanan yoldaşlarının sütünden bile daha erken dondu.

Açıklama için fizik öğretmenine döndü, ancak öğrenciye sadece güldü ve şunları söyledi: "Bu dünya fiziği değil, Mpemba fiziği." Bundan sonra, Mpemba sadece sütle değil, sade suyla da deneyler yaptı.

Her halükarda, zaten Mkwawa Lisesi'nde bir öğrenci olarak, Dar es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (okul müdürü tarafından öğrencilere fizik dersi vermeye davet edildi) su hakkında sordu: “Eşit hacimde suyla iki özdeş kap alırsanız, bunlardan birinde suyun sıcaklığı 35 ° C, diğerinde - 100 ° C'dir ve onları bir dondurucuya koyarsanız, ikincisinde su daha hızlı donar. Neden?" Osborn bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da Mpemba ile birlikte deneylerinin sonuçlarını Physics Education dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkiye Mpemba etkisi deniyor.

Bunun neden olduğunu merak ediyor musunuz? Sadece birkaç yıl önce, bilim adamları bu fenomeni açıklamayı başardılar ...

Mpemba etkisi (Mpemba Paradoksu), donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında, daha sıcak bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha soğuk bir cismin aynı sıcaklığa soğumasına göre daha fazla zamana ihtiyaç duyduğu şeklindeki olağan fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.

Bu fenomen o sırada Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edildi. Şimdiye kadar kimse bu garip etkiyi tam olarak nasıl açıklayacağını bilmiyor. Birçok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yoktur. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz net değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, taşınım veya sıvılaştırılmış gazların farklı sıcaklıklarda su üzerindeki etkisi. Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun ortam sıcaklığına soğuma süresinin, bu vücut ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturulmuştur ve o zamandan beri uygulamada birçok kez onaylanmıştır. Aynı etkide, 100°C'deki su, 35°C'deki aynı miktardaki sudan 0°C'ye daha hızlı soğur.

O zamandan beri, farklı versiyonlar ifade edildi, bunlardan biri şuydu: önce sıcak suyun bir kısmı basitçe buharlaşır ve ardından, daha küçük bir miktar kaldığında, su daha hızlı katılaşır. Sadeliği nedeniyle bu versiyon en popüler hale geldi, ancak bilim adamları tamamen tatmin olmadı.

Şimdi, kimyager Xi Zhang liderliğindeki Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna dair asırlık gizemi çözdüklerini söylüyor. Çinli uzmanların öğrendiği gibi, sır su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarında depolanan enerji miktarında yatıyor.

Bildiğiniz gibi, su molekülleri, parçacık seviyesinde bir elektron değişimi gibi görünen kovalent bağlarla bir arada tutulan bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşur. İyi bilinen bir başka gerçek de, hidrojen atomlarının komşu moleküllerden oksijen atomlarına çekilmesidir - bu durumda hidrojen bağları oluşur.

Aynı zamanda, su molekülleri bir bütün olarak birbirlerini iterler. Singapurlu bilim adamları, su ne kadar sıcaksa, itme kuvvetlerindeki artış nedeniyle sıvının molekülleri arasındaki mesafenin o kadar büyük olduğunu fark ettiler. Sonuç olarak, hidrojen bağları gerilir ve bu nedenle daha fazla enerji depolar. Bu enerji, su soğuduğunda açığa çıkar - moleküller birbirine yaklaşır. Ve bildiğiniz gibi, enerjinin geri dönüşü soğuma anlamına gelir.

İşte bilim adamlarının öne sürdüğü hipotezler:

buharlaşma

Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşarak hacmini azaltır ve aynı sıcaklıkta daha küçük bir su hacmi daha hızlı donar. 100°C'ye ısıtılan su, 0°C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder. Buharlaşma etkisi ikili bir etkidir. Birincisi, soğutma için gereken su kütlesi azaltılır. İkincisi, buharlaşma nedeniyle sıcaklığı düşer.

sıcaklık farkı

Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha fazla olması nedeniyle - bu durumda ısı transferi daha yoğundur ve sıcak su daha hızlı soğur.

hipotermi
Su 0°C'nin altına soğutulduğunda her zaman donmaz. Belirli koşullar altında, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam ederken aşırı soğumaya uğrayabilir. Bazı durumlarda su -20°C'de bile sıvı kalabilir. Bu etkinin nedeni, ilk buz kristallerinin oluşmaya başlaması için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda değillerse, aşırı soğutma, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlamasına yetecek kadar düşene kadar devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvıda oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar ve donarak buza dönüşecek bir buz sulu karı oluşturacaklar. Sıcak su, hipotermiye en yatkındır çünkü ısıtıldığında, buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilen çözünmüş gazlar ve kabarcıklar ortadan kalkar. Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda, yüzeyinde su ile soğuk hava arasında bir yalıtkan görevi gören ve böylece daha fazla buharlaşmayı önleyen ince bir buz tabakası oluşur. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha az olacaktır. Aşırı soğutmaya tabi tutulan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş su koruyucu bir buz yüzey tabakasına sahip değildir. Bu nedenle, üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder. Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybedilir ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur. Bu etkinin birçok araştırmacısı, Mpemba etkisi durumunda hipotermiyi ana faktör olarak kabul eder.
Konveksiyon

Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşirken, sıcak su aşağıdan donmaya başlar. Bu etki, suyun yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun maksimum yoğunluğu 4°C'dedir. Suyu 4°C'ye kadar soğutur ve daha düşük sıcaklıktaki bir ortama koyarsanız, suyun yüzey tabakası daha hızlı donar. Bu su 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğu için yüzeyde kalacak ve ince bir soğuk tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında, suyun yüzeyinde kısa bir süre için ince bir buz tabakası oluşacaktır ancak bu buz tabakası, 4°C'de kalacak olan suyun alt tabakalarını koruyan bir yalıtkan görevi görecektir. Bu nedenle, daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır. Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Suyun yüzey tabakası, buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkları nedeniyle daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca, soğuk su katmanları sıcak su katmanlarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su katmanı aşağı inerek ılık su katmanını yüzeye çıkarır. Suyun bu sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar. Peki bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyon açısından açıklamak için, suyun soğuk ve sıcak katmanlarının ayrıldığı ve ortalama su sıcaklığı 4°C'nin altına düştükten sonra konveksiyon işleminin devam ettiği varsayılacaktır. Bununla birlikte, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.

suda çözünmüş gazlar

Termal iletkenlik

Bu mekanizma, su küçük kaplarda bir buzdolabı dondurucusuna yerleştirildiğinde önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında, sıcak su içeren kabın altındaki dondurucunun buzunu erittiği, böylece dondurucunun duvarı ile termal teması ve termal iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabındaki ısı, soğuk olandan daha hızlı çıkarılır. Buna karşılık, soğuk su içeren kap, altındaki karı eritmez. Tüm bu (ve diğer) koşullar birçok deneyde incelenmiştir, ancak hangisinin Mpemba etkisinin %100 yeniden üretimini sağladığı sorusuna kesin bir yanıt elde edilememiştir. Örneğin, 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach, suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğutulmuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta ve dolayısıyla ikincisinden daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğutulmuş bir duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder. Ek olarak, Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma sağlayabildiğine dair önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünmüş gazlar uzaklaştırılır ve kaynatıldığında içinde çözünmüş bazı tuzlar çökelir. Şimdiye kadar sadece bir şey söylenebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi, büyük ölçüde deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Kesin olarak, çünkü her zaman yeniden üretilmez.

Ve işte en olası neden.

Kimyagerlerin arXiv.org ön baskı sitesinde bulunan makalelerinde yazdıkları gibi, hidrojen bağları sıcak suda soğuk suya göre daha güçlü gerilir. Böylece, sıcak suyun hidrojen bağlarında daha fazla enerji depolandığı ortaya çıkıyor, bu da sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazlasının salındığı anlamına geliyor. Bu nedenle donma daha hızlıdır.

Bilim adamları bugüne kadar bu bilmeceyi sadece teorik olarak çözdüler. Versiyonlarına dair ikna edici kanıtlar sunduklarında, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu sorusu kapanmış sayılabilir.