ما لا تعرفه عن الماء. فيديو: أي ماء يتجمد بشكل أسرع - ساخن أم بارد

أي ماء يتجمد بشكل أسرع ، ساخنًا أم باردًا ، يتأثر بعدة عوامل ، لكن السؤال نفسه يبدو غريبًا بعض الشيء. من المفهوم ، ومن المعروف من الفيزياء ، أن الماء الساخن لا يزال بحاجة إلى وقت ليبرد إلى درجة حرارة الماء البارد المماثلة من أجل أن يتحول إلى جليد. يمكن للماء البارد تخطي هذه المرحلة ، وبالتالي ، فإنه يفوز في الوقت المناسب.

لكن الإجابة على السؤال حول أي الماء يتجمد بشكل أسرع - باردًا أم ساخنًا - في الشارع في الصقيع ، يعرفه أي ساكن في خطوط العرض الشمالية. في الواقع ، من الناحية العلمية ، اتضح أنه على أي حال ، يجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.

وكذلك فعل مدرس الفيزياء ، الذي اتصل به تلميذ المدرسة إيراستو مبيمبا في عام 1963 بطلب لشرح سبب تجميد المزيج البارد من الآيس كريم في المستقبل لفترة أطول من المزيج المشابه ولكنه ساخن.

"هذه ليست فيزياء العالم ، ولكنها نوع من فيزياء مبيمبا"

في ذلك الوقت ، ضحك المعلم فقط على هذا ، لكن دنيس أوزبورن ، أستاذ الفيزياء ، الذي ذهب في وقت ما إلى نفس المدرسة التي درس فيها إيراستو ، أكد بشكل تجريبي وجود مثل هذا التأثير ، على الرغم من عدم وجود تفسير لذلك في ذلك الوقت . في عام 1969 نشرت مجلة علمية مشهورة مقالاً مشتركاً للرجلين وصفا هذا التأثير الغريب.

منذ ذلك الحين ، بالمناسبة ، السؤال عن الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، له اسمه الخاص - التأثير ، أو المفارقة ، مبيمبا.

السؤال مطروح منذ فترة طويلة

وبطبيعة الحال ، حدثت هذه الظاهرة من قبل ، وقد ورد ذكرها في أعمال علماء آخرين. لم يكن التلميذ فقط مهتمًا بهذا السؤال ، لكن رينيه ديكارت وحتى أرسطو فكروا فيه في وقت واحد.

فيما يلي مجرد مقاربات لحل هذه المفارقة بدأت تظهر فقط في نهاية القرن العشرين.

شروط لحدوث مفارقة

كما هو الحال مع الآيس كريم ، لا يتجمد الماء العادي فقط أثناء التجربة. يجب أن تكون هناك ظروف معينة من أجل البدء في الجدل حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. ما الذي يؤثر على هذه العملية؟

الآن ، في القرن الحادي والعشرين ، تم طرح العديد من الخيارات التي يمكن أن تفسر هذا التناقض. قد يعتمد أي ماء يتجمد بشكل أسرع ، ساخنًا أم باردًا ، على حقيقة أنه يحتوي على معدل تبخر أعلى من الماء البارد. وبالتالي ، ينخفض ​​حجمه ، ومع انخفاض الحجم ، يصبح وقت التجميد أقصر مما لو أخذنا حجمًا أوليًا مماثلًا من الماء البارد.

تم فك تجميد الفريزر منذ فترة طويلة

أي ماء يتجمد بشكل أسرع ولماذا يحدث ذلك ، يمكن أن يتأثر بالبطانة الثلجية التي قد تكون موجودة في ثلاجة الثلاجة المستخدمة في التجربة. إذا أخذنا حاويتين متطابقتين في الحجم ، لكن إحداهما ستحتوي ماء ساخن، وفي الآخر - بارد ، وعاء به ماء ساخنيذيب الثلج تحته ، وبالتالي يحسن من تلامس المستوى الحراري مع جدار الثلاجة. حاوية مع ماء باردلا تستطيع أن تفعل هذا. إذا لم يكن هناك مثل هذه البطانة بالثلج في الثلاجة ، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.

أسفل العلوي

كما أن الظاهرة التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، موضحة على النحو التالي. باتباع قوانين معينة ، يبدأ الماء البارد في التجمد من الطبقات العليا ، عندما يفعل الماء الساخن العكس - يبدأ في التجمد من الأسفل إلى الأعلى. اتضح أن الماء البارد ، الذي يحتوي على طبقة باردة في الأعلى مع وجود ثلج قد تشكل بالفعل في بعض الأماكن ، يؤدي إلى تفاقم عمليات الحمل الحراري والإشعاع الحراري ، مما يفسر الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. تم إرفاق صورة من تجارب الهواة ، وهنا تظهر بوضوح.

تنطفئ الحرارة ، وتميل إلى الأعلى ، وهناك تلتقي بطبقة شديدة البرودة. لا يوجد مسار حر للإشعاع الحراري ، وبالتالي تصبح عملية التبريد صعبة. الماء الساخن لا يحتوي على الإطلاق مثل هذه الحواجز في طريقه. الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن ، والذي تعتمد عليه النتيجة المحتملة ، يمكنك توسيع الإجابة بالقول أن أي ماء به مواد معينة مذابة فيه.

الشوائب في تكوين الماء كعامل مؤثر في النتيجة

إذا كنت لا تغش وتستخدم الماء بنفس التركيبة ، حيث تكون تركيزات بعض المواد متطابقة ، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع. ولكن في حالة حدوث حالة من انحلال العناصر الكيميائيةمتوفر فقط في الماء الساخن ، في حين أن الماء البارد لا يحتوي عليها ، فهناك احتمال أن يتجمد الماء الساخن في وقت مبكر. يفسر ذلك حقيقة أن المواد المذابة في الماء تخلق مراكز تبلور ، ومع وجود عدد قليل من هذه المراكز ، يكون تحويل الماء إلى حالة صلبة أمرًا صعبًا. حتى التبريد الفائق للماء ممكن ، بمعنى أنه في درجات حرارة دون الصفر سيكون في حالة سائلة.

لكن كل هذه النسخ ، على ما يبدو ، لم تناسب العلماء حتى النهاية ، واستمروا في العمل على هذه القضية. في عام 2013 ، قال فريق من الباحثين في سنغافورة إنهم تمكنوا من حل اللغز القديم.

تدعي مجموعة من العلماء الصينيين أن سر هذا التأثير يكمن في كمية الطاقة المخزنة بين جزيئات الماء في روابطها ، والتي تسمى روابط الهيدروجين.

الجواب من العلماء الصينيين

سيتبع ذلك مزيد من المعلومات ، لفهم أنه من الضروري الحصول على بعض المعرفة في الكيمياء من أجل معرفة الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد. كما تعلم ، يتكون من ذرتين H (هيدروجين) وذرة O (أكسجين) مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية.

لكن ذرات الهيدروجين في جزيء واحد تنجذب أيضًا إلى الجزيئات المجاورة ، إلى مكون الأكسجين الخاص بها. تسمى هذه الروابط روابط هيدروجينية.

في الوقت نفسه ، يجدر بنا أن نتذكر أنه في نفس الوقت ، تعمل جزيئات الماء بشكل مثير للاشمئزاز على بعضها البعض. لاحظ العلماء أنه عند تسخين الماء ، تزداد المسافة بين جزيئاته ، وتسهل قوى التنافر ذلك. اتضح أن احتلال مسافة واحدة بين الجزيئات في حالة باردة ، يمكن للمرء أن يقول إنها تتمدد ، ولديها قدر أكبر من الطاقة. يتم إطلاق احتياطي الطاقة هذا عندما تبدأ جزيئات الماء في الاقتراب من بعضها البعض ، أي يحدث التبريد. اتضح أن إمدادًا أكبر من الطاقة في الماء الساخن ، وإطلاقه الأكبر عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر ، يحدث بشكل أسرع من الماء البارد ، الذي يحتوي على كمية أقل من هذه الطاقة. إذن أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟ في الشارع وفي المختبر ، يجب أن تحدث مفارقة مبيمبا ، ويجب أن يتحول الماء الساخن إلى جليد بشكل أسرع.

لكن السؤال لا يزال مفتوحًا

لا يوجد سوى تأكيد نظري لهذا الدليل - كل هذا مكتوب بصيغ جميلة ويبدو معقولاً. ولكن عندما يتم وضع البيانات التجريبية ، التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا ، بالمعنى العملي ، وسيتم تقديم نتائجها ، عندئذٍ سيكون من الممكن اعتبار مسألة مفارقة مبيمبا مغلقة.

في هذه المقالة ، سوف نلقي نظرة على سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.

يتجمد الماء الساخن أسرع بكثير من الماء البارد! هذه الخاصية المدهشة للمياه ، التفسير الدقيق الذي لا يزال العلماء غير قادرين على العثور عليه ، معروفة منذ العصور القديمة. على سبيل المثال ، حتى في أرسطو ، هناك وصف للصيد الشتوي: أدخل الصيادون قضبان الصيد في ثقوب في الجليد ، وحتى يتجمدوا بشكل أسرع ، سكبوا الماء الدافئ على الجليد. سمي اسم هذه الظاهرة باسم Erasto Mpemba في الستينيات من القرن العشرين. لاحظ منيمبا التأثير الغريب أثناء صنع الآيس كريم والتفت إلى مدرس الفيزياء الخاص به ، د. دينيس أوزبورن ، للحصول على شرح. جرب مبيمبا والدكتور أوزبورن الماء درجات حرارة مختلفةوخلصت إلى أن الماء المغلي تقريبًا يبدأ في التجمد أسرع بكثير من الماء عند درجة حرارة الغرفة. أجرى علماء آخرون تجاربهم الخاصة وفي كل مرة حصلوا على نتائج مماثلة.

شرح ظاهرة فيزيائية

لا يوجد تفسير مقبول بشكل عام لسبب حدوث ذلك. يقترح العديد من الباحثين أن الأمر كله يتعلق بالتبريد الفائق للسائل ، والذي يحدث عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون درجة التجمد. بمعنى آخر ، إذا تجمد الماء عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية ، فيمكن أن تصل درجة حرارة الماء الفائق البرودة ، على سبيل المثال ، إلى -2 درجة مئوية ويظل سائلاً دون أن يتحول إلى ثلج. عندما نحاول التجميد ماء بارد، من المحتمل أنه سيصبح أولًا فائق البرودة ، ويتصلب فقط بعد مرور بعض الوقت. في الماء الساخن ، تحدث عمليات أخرى. يرتبط تحوله الأسرع إلى جليد بالحمل الحراري.

الحمل- هذا ظاهرة فيزيائية، حيث ترتفع الطبقات السفلية الدافئة للسائل ، وتنخفض الطبقات العلوية المبردة.

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمر بدرجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتعارض مع الأفكار المعتادة ، والتي بموجبها ، في ظل نفس الظروف ، يحتاج الجسم الأكثر حرارة إلى مزيد من الوقت ليبرد إلى درجة حرارة معينة أكثر من الجسم الأكثر برودة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.

لوحظ هذه الظاهرة في ذلك الوقت من قبل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت ، ولكن فقط في عام 1963 ، وجد تلميذ المدرسة التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من المزيج البارد.

كطالب من Magamba المدرسة الثانويةفي تنزانيا ، فعل إراستو مبيمبا العمل التطبيقيفي فنون الطهي. كان عليه أن يصنع الآيس كريم منزلي الصنع - يغلي الحليب ، ويذوب السكر فيه ، ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومماطلًا في الجزء الأول من المهمة. خوفًا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الذي لا يزال ساخنًا في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة.

بعد ذلك ، جربت Mpemba ليس فقط مع الحليب ، ولكن أيضًا بالماء العادي. على أي حال ، لكونه طالبًا بالفعل في مدرسة مكافا الثانوية ، فقد سأل الأستاذ دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (الذي دعا إليه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) عن الماء: "إذا تأخذ وعاءين متطابقين مع كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في أحدهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، وتضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء أسرع لماذا؟ أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما في عام 1969 ، مع Mpemba ، نشروا نتائج تجاربهم في مجلة "Physics Education". منذ ذلك الحين ، تم استدعاء التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.

حتى الآن ، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. العلماء ليس لديهم نسخة واحدة ، على الرغم من وجود العديد منها. يتعلق الأمر كله بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد ، ولكن لم يتضح بعد الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الاختلاف في التبريد الفائق ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسالة على الماء في درجات حرارة مختلفة.

التناقض في تأثير مبيمبا هو أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة بيئة، يجب أن يتناسب مع اختلاف درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. تم وضع هذا القانون من قبل نيوتن ومنذ ذلك الحين تم تأكيده عدة مرات في الممارسة العملية. وبنفس التأثير ، يبرد الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية أسرع من نفس كمية الماء عند 35 درجة مئوية.

ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني بعد وجود مفارقة ، حيث يمكن أيضًا تفسير تأثير Mpemba من حيث فيزياء معروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء بنفس درجة الحرارة بشكل أسرع. يفقد الماء المسخن إلى 100 درجة مئوية 16٪ من كتلته عند تبريده إلى 0 درجة مئوية.

تأثير التبخر له تأثير مزدوج. أولاً ، يتم تقليل كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً ، تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة تبخر الانتقال من طور الماء إلى طور البخار.

الفرق في درجة الحرارة

نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم

عندما يتم تبريد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية ، فإنه لا يتجمد دائمًا. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يخضع للتبريد الفائق مع الاستمرار في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. في بعض الحالات ، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.

والسبب في هذا التأثير هو أنه من أجل أن تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، هناك حاجة إلى مراكز لتكوين البلورات. إذا لم تكن في الماء السائل ، فسيستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات بالتشكل تلقائيًا. عندما تبدأ في التكوّن في سائل فائق التبريد ، فإنها ستبدأ في النمو بشكل أسرع ، وتشكل طينًا جليديًا يتجمد ليشكل جليدًا.

الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض درجة الحرارة لأن تسخينه يزيل الغازات الذائبة والفقاعات ، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.

لماذا يتسبب انخفاض حرارة الجسم في تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد ، الذي لا يتم تبريده بشكل فائق ، يحدث ما يلي. في هذه الحالة ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل طبقة الجليد هذه كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن الذي يخضع للتبريد الفرعي ، لا يحتوي الماء المبرد تحت التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. لذلك ، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع من خلال الجزء العلوي المفتوح.

عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء ، يتم فقد قدر أكبر من الحرارة وبالتالي يتشكل المزيد من الجليد.

يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.

الحمل

يبدأ الماء البارد في التجمد من الأعلى ، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري ، وبالتالي فقدان الحرارة ، بينما يبدأ الماء الساخن في التجمد من الأسفل.

يفسر هذا التأثير من خلال شذوذ في كثافة الماء. الماء له أقصى كثافةعند 4 درجة مئوية ، إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في درجة حرارة منخفضة ، فسوف تتجمد الطبقة السطحية من الماء بشكل أسرع. لأن هذه المياه أقل كثافة من الماء عند 4 درجات مئوية ، فإنها ستبقى على السطح مكونة طبقة باردة رقيقة. في ظل هذه الظروف ، ستتكون طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستعمل كعامل عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجة مئوية. ، ستكون عملية التبريد الإضافية أبطأ.

في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. طبقة سطحيةسيبرد الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر وازدياد الاختلاف في درجات الحرارة. أيضًا ، تكون طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن ، لذلك ستغرق طبقة الماء البارد ، مما يرفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن دوران الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.

لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير Mpemba من وجهة النظر هذه للحمل الحراري ، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد ذلك. معدل الحرارةقطرات الماء أقل من 4 درجة مئوية.

ومع ذلك ، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة بالحمل الحراري.

الغازات المذابة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. هذه الغازات لديها القدرة على خفض درجة تجمد الماء. عندما يتم تسخين الماء ، يتم إطلاق هذه الغازات من الماء بسبب قابليتها للذوبان في الماء عند درجة حرارة عاليةأقل. لذلك ، عندما يتم تبريد الماء الساخن ، هناك دائمًا عدد أقل من الغازات المذابة فيه مقارنة بالماء البارد غير الساخن. لذلك ، تكون نقطة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في شرح تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

توصيل حراري

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عندما يتم وضع الماء في الثلاجة المجمدة في حاويات صغيرة. في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن الحاوية التي تحتوي على الماء الساخن تذوب ثلج المجمد تحتها ، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري بجدار الفريزر والتوصيل الحراري. نتيجة لذلك ، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن أسرع من الحاوية الباردة. في المقابل ، الحاوية بالماء البارد لا تذوب الثلج تحتها.

تمت دراسة كل هذه الظروف (بالإضافة إلى غيرها) في العديد من التجارب ، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة 100٪ لتأثير مبيمبا.

لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1995 ، درس الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ تأثير التبريد الفائق للماء على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن ، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد ، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق أسرع من الماء الساخن ، وبالتالي يعوض التأخر السابق.

بالإضافة إلى ذلك ، تناقضت نتائج Auerbach مع البيانات السابقة بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي تترسب بعض الأملاح فيه.

حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل أساسي على الظروف التي يتم إجراء التجربة في ظلها. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

O. V. Mosin

أدبيمصادر:

"الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد. لماذا يفعل ذلك؟" ، Jearl Walker in The Amateur Scientist، Scientific American، Vol. 237 ، لا. 3 ، ص 246-257 ؛ سبتمبر 1977.

"تجميد الماء الساخن والبارد" ، ز.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 37 ، لا. 5 ، ص 564-565 ؛ مايو 1969.

"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا" ، ديفيد أويرباخ ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 63 ، لا. 10 ، ص 882-885 ؛ أكتوبر 1995.

"تأثير مبيمبا: أوقات التجمد في الماء الساخن والبارد" ، تشارلز إيه نايت ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 64 ، لا. 5 ، ص 524 ؛ مايو 1996.

تأثير مبيمبا أو لماذا يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد؟ يعتبر تأثير مبيمبا (مفارقة مبيمبا) مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمر بدرجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتعارض مع الأفكار المعتادة ، والتي بموجبها ، في ظل نفس الظروف ، يحتاج الجسم الأكثر حرارة إلى مزيد من الوقت ليبرد إلى درجة حرارة معينة أكثر من الجسم الأكثر برودة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة. لوحظ هذه الظاهرة في ذلك الوقت من قبل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت ، ولكن فقط في عام 1963 ، وجد تلميذ المدرسة التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من المزيج البارد. كان Erasto Mpemba طالبًا في مدرسة Magambin الثانوية في تنزانيا يقوم بأعمال الطبخ العملية. كان عليه أن يصنع الآيس كريم منزلي الصنع - يغلي الحليب ، ويذوب السكر فيه ، ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومماطلًا في الجزء الأول من المهمة. خوفًا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الذي لا يزال ساخنًا في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة. بعد ذلك ، جربت Mpemba ليس فقط مع الحليب ، ولكن أيضًا بالماء العادي. على أي حال ، لكونه طالبًا بالفعل في مدرسة مكافا الثانوية ، فقد سأل الأستاذ دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (الذي دعا إليه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) عن الماء: "إذا تأخذ وعاءين متطابقين مع كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في أحدهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، وتضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء أسرع لماذا؟ أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما في عام 1969 ، مع Mpemba ، نشروا نتائج تجاربهم في مجلة "Physics Education". ومنذ ذلك الحين ، أطلق على التأثير الذي اكتشفوه اسم تأثير مبيمبا. حتى الآن ، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. العلماء ليس لديهم نسخة واحدة ، على الرغم من وجود العديد منها. يتعلق الأمر كله بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد ، ولكن لم يتضح بعد الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الاختلاف في التبريد الفائق ، أو التبخر ، أو تكوين الجليد ، أو الحمل الحراري ، أو تأثير الغازات المسالة على الماء في درجات حرارة مختلفة. تكمن المفارقة في تأثير مبيمبا في أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع اختلاف درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. تم وضع هذا القانون من قبل نيوتن ومنذ ذلك الحين تم تأكيده عدة مرات في الممارسة العملية. وبنفس التأثير ، يبرد الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية أسرع من نفس كمية الماء عند 35 درجة مئوية. ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني بعد وجود مفارقة ، حيث يمكن أيضًا تفسير تأثير مبيمبا ضمن الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير Mpemba: التبخر يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع. يفقد الماء المسخن إلى 100 درجة مئوية 16٪ من كتلته عند تبريده إلى 0 درجة مئوية. تأثير التبخر له تأثير مزدوج. أولاً ، يتم تقليل كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً ، تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة تبخر الانتقال من طور الماء إلى طور البخار. اختلاف درجة الحرارة نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع. التبريد الفرعي عندما يتم تبريد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية ، فإنه لا يتجمد دائمًا. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يخضع للتبريد الفائق مع الاستمرار في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. في بعض الحالات ، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية. والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، يلزم وجود مراكز لتكوين البلورات. إذا لم تكن في الماء السائل ، فسيستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات بالتشكل تلقائيًا. عندما تبدأ في التكوّن في سائل فائق التبريد ، فإنها ستبدأ في النمو بشكل أسرع ، وتشكل طينًا جليديًا يتجمد ليشكل جليدًا. الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض درجة الحرارة لأن تسخينه يزيل الغازات الذائبة والفقاعات ، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد. لماذا يتسبب انخفاض حرارة الجسم في تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد ، الذي لا يتم تبريده بشكل فائق ، يحدث ما يلي. في هذه الحالة ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل طبقة الجليد هذه كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن الذي يخضع للتبريد الفرعي ، لا يحتوي الماء المبرد تحت التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. لذلك ، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع من خلال الجزء العلوي المفتوح. عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء ، يتم فقد قدر أكبر من الحرارة وبالتالي يتشكل المزيد من الجليد. يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا. الحمل الحراري يبدأ الماء البارد في التجمد من الأعلى ، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري ، وبالتالي فقدان الحرارة ، بينما يبدأ الماء الساخن في التجمد من الأسفل. يفسر هذا التأثير من خلال شذوذ في كثافة الماء. كثافة الماء قصوى عند 4 درجة مئوية إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعه في درجة حرارة منخفضة ، فإن الطبقة السطحية من الماء ستتجمد بشكل أسرع. لأن هذه المياه أقل كثافة من الماء عند 4 درجات مئوية ، فإنها ستبقى على السطح مكونة طبقة باردة رقيقة. في ظل هذه الظروف ، ستتكون طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستعمل كعامل عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجة مئوية. ، ستكون عملية التبريد الإضافية أبطأ. في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. ستبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر والاختلاف الكبير في درجات الحرارة. أيضًا ، تكون طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن ، لذلك ستغرق طبقة الماء البارد ، مما يرفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن دوران الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة. لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير Mpemba من وجهة النظر هذه للحمل الحراري ، يُفترض أنه يتم فصل طبقات الماء الباردة والساخنة وتستمر عملية الحمل الحراري نفسها بعد انخفاض متوسط ​​درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجة مئوية. ومع ذلك ، لا توجد بيانات تجريبية التي من شأنها أن تؤكد هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء البارد والساخن مفصولة بالحمل الحراري. الغازات الذائبة في الماء يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. هذه الغازات لديها القدرة على خفض درجة تجمد الماء. عندما يتم تسخين الماء ، يتم إطلاق هذه الغازات من الماء لأن قابليتها للذوبان في الماء عند درجة حرارة عالية أقل. لذلك ، عندما يتم تبريد الماء الساخن ، هناك دائمًا عدد أقل من الغازات المذابة فيه مقارنة بالماء البارد غير الساخن. لذلك ، تكون نقطة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في شرح تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة. الموصلية الحرارية يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عندما يتم وضع الماء في ثلاجة المجمد في حاويات صغيرة. في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن الحاوية التي تحتوي على الماء الساخن تذوب ثلج المجمد تحتها ، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري بجدار الفريزر والتوصيل الحراري. نتيجة لذلك ، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن أسرع من الحاوية الباردة. في المقابل ، الحاوية بالماء البارد لا تذوب الثلج تحتها. تمت دراسة كل هذه الظروف (بالإضافة إلى غيرها) في العديد من التجارب ، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة 100٪ لتأثير مبيمبا. لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1995 ، درس الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ تأثير التبريد الفائق للماء على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن ، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد ، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق أسرع من الماء الساخن ، وبالتالي يعوض التأخر السابق. بالإضافة إلى ذلك ، تناقضت نتائج Auerbach مع البيانات السابقة بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي تترسب بعض الأملاح فيه. حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل أساسي على الظروف التي يتم إجراء التجربة في ظلها. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا. O. V. Mosin

يبدو من الواضح أن الماء البارد يتجمد أسرع من الماء الساخن ، لأنه في ظل ظروف متساوية ، يستغرق الماء الساخن وقتًا أطول ليبرد ثم يتجمد لاحقًا. ومع ذلك ، فقد أظهرت آلاف السنين من الملاحظات ، وكذلك التجارب الحديثة ، أن العكس هو الصحيح أيضًا: في ظل ظروف معينة ، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. توضح قناة العلوم Sciencium هذه الظاهرة:

كما هو موضح في الفيديو أعلاه ، فإن ظاهرة تجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد تُعرف باسم تأثير مبيمبا ، الذي سمي على اسم إيراستو مبيمبا ، وهو طالب من تنزانيا صنع الآيس كريم كجزء من مشروع مدرسي في عام 1963. كان على الطلاب إحضار خليط الكريمة والسكر ليغلي ، وتركه يبرد ، ثم وضعه في المجمد.

بدلًا من ذلك ، وضع إيراستو الخليط مرة واحدة ، ساخنًا ، دون انتظار حتى يبرد. نتيجة لذلك ، بعد 1.5 ساعة ، تم تجميد خليطه بالفعل ، لكن خليط الطلاب الآخرين لم يتم تجميده. مفتونًا بهذه الظاهرة ، بدأ مبيمبا في دراسة المشكلة مع أستاذ الفيزياء دينيس أوزبورن ، وفي عام 1969 نشروا ورقة تقول إن الماء الدافئ يتجمد أسرع من الماء البارد. كانت هذه أول دراسة تمت مراجعتها من قبل الأقران من هذا النوع ، لكن الظاهرة نفسها مذكورة في أوراق أرسطو التي يعود تاريخها إلى القرن الرابع قبل الميلاد. ه. لاحظ فرانسيس بيكون وديكارت أيضًا هذه الظاهرة في دراستهما.

يسرد الفيديو عدة خيارات لشرح ما يحدث:

1. يعتبر الصقيع عازلًا للكهرباء ، وبالتالي فإن الماء البارد يخزن الحرارة بشكل أفضل من الزجاج الدافئ الذي يذوب الجليد عند ملامسته له.
2. يحتوي الماء البارد على غازات مذابة أكثر من الماء الدافئ ، ويتكهن الباحثون بأن هذا قد يلعب دورًا في معدل التبريد ، على الرغم من أنه لم يتضح بعد كيف.
3. يفقد الماء الساخن المزيد من جزيئات الماء من خلال التبخر ، مما يترك القليل من التجمد
4. يمكن أن يبرد الماء الدافئ بشكل أسرع بسبب زيادة التيارات الحرارية. تحدث هذه التيارات لأن الماء في الزجاج يبرد أولاً على السطح والجوانب ، مما يتسبب في غرق الماء البارد وارتفاع الماء الساخن. في الزجاج الدافئ ، تكون التيارات الحرارية أكثر نشاطًا ، مما قد يؤثر على معدل التبريد.

ومع ذلك ، في عام 2016 ، تم إجراء دراسة مضبوطة بعناية ، والتي أظهرت عكس ذلك: الماء الساخن يتجمد بشكل أبطأ بكثير من الماء البارد. في الوقت نفسه ، لاحظ العلماء أن التغيير في موقع المزدوج الحراري - الجهاز الذي يحدد الاختلافات في درجات الحرارة - بمقدار سنتيمتر واحد فقط يؤدي إلى ظهور تأثير مبيمبا. أظهرت دراسة لأعمال أخرى مماثلة أنه في جميع الحالات التي لوحظ فيها هذا التأثير ، كان هناك إزاحة للمزدوجة الحرارية في حدود سنتيمتر واحد.