Što niste znali o vodi. Video: koja se voda brže smrzava - topla ili hladna

Koja će se voda brže smrzavati, topla ili hladna, na to utječu mnogi čimbenici, no samo pitanje djeluje pomalo čudno. Razumije se, a poznato je i iz fizike, da vrućoj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu usporedive hladne vode da bi se pretvorila u led. Hladna voda može preskočiti ovu fazu i, prema tome, pobjeđuje u vremenu.

Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - na ulici u mrazu, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, znanstveno se ispostavlja da se u svakom slučaju hladna voda jednostavno mora brže zamrznuti.

Tako je i učiteljica fizike kojoj se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba sa zahtjevom da objasni zašto se hladna smjesa budućeg sladoleda smrzava dulje od slične, ali vruće.

"Ovo nije svjetska fizika, već neka vrsta Mpemba fizike"

Tada se učiteljica tome samo nasmijala, ali Deniss Osborne, profesorica fizike, koja je svojedobno išla u istu školu u kojoj je učio Erasto, eksperimentalno je potvrdila postojanje takvog učinka, iako tada nije bilo objašnjenja za to. . Godine 1969. popularni znanstveni časopis objavio je zajednički članak dvojice muškaraca koji su opisali ovaj neobičan učinak.

Od tada, usput, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, ima svoje ime - efekt, odnosno paradoks, Mpemba.

Pitanje postoji već duže vrijeme

Naravno, takva se pojava događala i ranije, a spominjana je iu radovima drugih znanstvenika. Ovo pitanje nije zanimalo samo školarca, nego su o njemu svojedobno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.

Ovdje su samo pristupi rješavanju ovog paradoksa počeli tražiti tek krajem dvadesetog stoljeća.

Uvjeti za pojavu paradoksa

Kao i kod sladoleda, tijekom eksperimenta se ne smrzava samo obična voda. Moraju postojati određeni uvjeti da bi se počelo raspravljati koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. Što utječe na ovaj proces?

Sada, u 21. stoljeću, izneseno je nekoliko opcija koje mogu objasniti ovaj paradoks. Koja će se voda brže smrzavati, topla ili hladna, može ovisiti o činjenici da ima veću stopu isparavanja od hladne vode. Time se njen volumen smanjuje, a smanjenjem volumena vrijeme smrzavanja postaje kraće nego ako uzmemo sličan početni volumen hladne vode.

Zamrzivač je odavno odmrznut

Koja se voda brže smrzava i zašto se to čini, može utjecati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču hladnjaka korištenog za eksperiment. Ako uzmemo dva spremnika koji su identični po volumenu, ali će jedan od njih sadržavati Vruća voda, au drugom - hladno, spremnik sa Vruća voda otapa snijeg ispod sebe, čime se poboljšava kontakt toplinske razine sa stijenkom hladnjaka. spremnik sa hladna voda ne može ovo učiniti. Ako u hladnjaku nema takve obloge sa snijegom, hladna voda trebala bi se brže smrznuti.

Vrh - dno

Također, fenomen koja se voda brže smrzava - topla ili hladna, objašnjava se na sljedeći način. Slijedeći određene zakonitosti, hladna voda počinje se smrzavati od gornjih slojeva, kada topla voda to čini obrnuto - počinje se lediti odozdo prema gore. Ispada da hladna voda, s hladnim slojem na vrhu s već formiranim ledom na nekim mjestima, pogoršava procese konvekcije i toplinskog zračenja, čime se objašnjava koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. U prilogu je fotografija iz amaterskih eksperimenata, a ovdje se jasno vidi.

Toplina odlazi van, težeći prema gore, i tamo se susreće s vrlo hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplinsko zračenje, pa je proces hlađenja otežan. Topla voda apsolutno nema takvih prepreka na svom putu. Što se brže smrzava - hladno ili vruće, o čemu ovisi vjerojatni ishod, možete proširiti odgovor tako da svaka voda ima otopljene određene tvari.

Nečistoće u sastavu vode kao čimbenik koji utječe na ishod

Ako ne varate i koristite vodu istog sastava, gdje su koncentracije određenih tvari identične, tada bi se hladna voda trebala brže zamrznuti. Ali ako se dogodi situacija kada se otopi kemijski elementi dostupni samo u toploj vodi, dok ih u hladnoj vodi nema, tada postoji mogućnost da se topla voda ranije smrzne. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju centre kristalizacije, a s malim brojem tih centara otežan je prelazak vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i superhlađenje vode, u smislu da će na temperaturama ispod ništice biti u tekućem stanju.

Ali sve ove verzije, očito, nisu odgovarale znanstvenicima do kraja, pa su nastavili raditi na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača u Singapuru rekao je da je riješio prastari misterij.

Skupina kineskih znanstvenika tvrdi da tajna ovog učinka leži u količini energije koja je pohranjena između molekula vode u njezinim vezama, koje se nazivaju vodikove veze.

Odgovor kineskih znanstvenika

Slijede daljnje informacije za čije razumijevanje je potrebno imati nešto znanja iz kemije kako bi se shvatilo koja se voda brže smrzava - topla ili hladna. Kao što znate, sastoji se od dva atoma H (vodik) i jednog atoma O (kisik) koji se drže zajedno kovalentnim vezama.

Ali atomi vodika jedne molekule privlače se i susjednim molekulama, njihovoj kisikovoj komponenti. Te se veze nazivaju vodikove veze.

Istodobno, vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekule vode djeluju odbojno jedna na drugu. Znanstvenici su primijetili da se kada se voda zagrijava, udaljenost između njezinih molekula povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispostavilo se da zauzimajući jednu udaljenost između molekula u hladnom stanju, može se reći da se istežu i imaju veću zalihu energije. Upravo se ta rezerva energije oslobađa kada se molekule vode počnu približavati jedna drugoj, odnosno dolazi do hlađenja. Ispostavilo se da se veća zaliha energije u toploj vodi, te njezino veće oslobađanje pri hlađenju na temperature ispod nule, događa brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju zalihu te energije. Dakle, koja se voda brže smrzava - hladna ili topla? Na ulici i u laboratoriju trebao bi se dogoditi paradoks Mpemba, a topla voda bi se trebala brže pretvarati u led.

Ali pitanje je još uvijek otvoreno

Postoji samo teoretska potvrda ovog traga - sve je to napisano u lijepim formulama i čini se vjerojatnim. Ali kada se eksperimentalni podaci o tome koja se voda brže smrzava - vruća ili hladna, pretoče u praktičan smisao i iznesu njihovi rezultati, tada će se pitanje Mpembina paradoksa moći smatrati zatvorenim.

U ovom članku ćemo pogledati zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.

Zagrijana voda smrzava se puno brže od hladne vode! Ovo nevjerojatno svojstvo vode, za koje znanstvenici još uvijek ne mogu pronaći točno objašnjenje, poznato je od davnina. Na primjer, još kod Aristotela postoji opis zimskog ribolova: ribari su u rupe u ledu ubacivali štapove za pecanje, a kako bi se brže smrznuli, polijevali su toplu vodu na led. Ime je ovaj fenomen dobio po Erastu Mpembi 60-ih godina XX. stoljeća. Mnemba je primijetio čudan učinak dok je pravio sladoled i obratio se svom učitelju fizike, dr. Denisu Osborneu, za objašnjenje. Mpemba i dr. Osborn eksperimentirali su s vodom različite temperature i zaključio: gotovo kipuća voda počinje se smrzavati mnogo brže od vode na sobnoj temperaturi. Drugi su znanstvenici izveli vlastite eksperimente i svaki put su dobili slične rezultate.

Objašnjenje fizikalne pojave

Ne postoji općeprihvaćeno objašnjenje zašto se to događa. Mnogi istraživači sugeriraju da se radi o superhlađenju tekućine, koje se događa kada njezina temperatura padne ispod nule. Drugim riječima, ako se voda smrzava na temperaturi nižoj od 0°C, tada prehlađena voda može imati temperaturu od npr. -2°C i ostati tekuća a da se ne pretvori u led. Kad se pokušamo zamrznuti hladna voda, vjerojatno će se prvo super ohladiti, a tek nakon nekog vremena stvrdnuti. U zagrijanoj vodi odvijaju se i drugi procesi. Njegova brža transformacija u led povezana je s konvekcijom.

Konvekcija- ovo je fizički fenomen, pri čemu se topli donji slojevi tekućine dižu, a gornji, ohlađeni, spuštaju.

Mpemba učinak(Mpemba paradox) - paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uvjetima smrzava brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama prema kojima, pod istim uvjetima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu.

Ovu su pojavu svojedobno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, no tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća smjesa za sladoled smrzava brže od hladne.

Kao student Magamba Srednja škola u Tanzaniji je to učinio Erasto Mpemba praktični rad u kulinarstvu. Morao je napraviti domaći sladoled - skuhati mlijeko, otopiti u njemu šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadaće. U strahu da neće stići na vrijeme do kraja sata, još vruće mlijeko stavio je u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema zadanoj tehnologiji.

Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik Gimnazije Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar es Salaamu (pozvan od ravnatelja škole da učenicima održi predavanje iz fizike) o vodi: "Ako uzmete dvije identične posude s jednakim volumenom vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, a zatim će se u drugoj voda smrznuti brže. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovu problematiku i ubrzo 1969. zajedno s Mpembom objavljuju rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba učinak.

Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature.

Paradoks Mpemba efekta je da se vrijeme tijekom kojeg se tijelo ohladi na temperaturu okoliš, treba biti proporcionalna razlici temperature između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U istom se učinku voda na 100°C hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C.

Međutim, to još ne implicira paradoks, budući da se Mpemba učinak također može objasniti u smislu poznata fizika. Evo nekoliko objašnjenja za Mpemba učinak:

Isparavanje

Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manja količina vode iste temperature se brže smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.

Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u parnu fazu.

temperaturna razlika

Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.

hipotermija

Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uvjetima, može se podvrgnuti superhlađenju dok ostaje u tekućem stanju na temperaturama ispod točke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na -20 C.

Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli stvarati. Ako nisu u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano stvarati. Kada se počnu stvarati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, tvoreći ledenu bljuzgavicu koja će se zamrznuti i stvoriti led.

Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda.

Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda djelovat će kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju tople vode koja se pothlađuje, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh.

Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.

Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.

Konvekcija

Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo.

Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima maksimalna gustoća na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na 4°C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim će se uvjetima na površini vode kratkotrajno stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , daljnji proces hlađenja bit će sporiji.

Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj voda će se brže ohladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Također, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature.

Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon Prosječna temperatura voda padne ispod 4 C.

Međutim, nema eksperimentalnih dokaza koji bi poduprli ovu hipotezu da su hladni i vrući slojevi vode odvojeni konvekcijom.

plinovi otopljeni u vodi

Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visoka temperatura ispod. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju ovu činjenicu.

Toplinska vodljivost

Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda u malim posudama stavlja u zamrzivač hladnjaka. Pod tim uvjetima, primijećeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude tople vode nego iz posude za hladnu vodu. Zauzvrat, posuda s hladnom vodom ne topi snijeg ispod nje.

Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven.

Tako je, primjerice, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj superhlađenja vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje.

Osim toga, Auerbachovi rezultati proturječili su ranijim podacima da vruća voda može postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke u njoj otopljene soli.

Zasad se može ustvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.

O. V. Mosin

Literarniizvori:

"Vruća voda smrzava se brže od hladne vode. Zašto se to čini?", Jearl Walker u The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, br. 3, str. 246-257; rujna 1977.

"Smrzavanje tople i hladne vode", G.S. Kell u American Journal of Physics, sv. 37, br. 5, str. 564-565; svibnja 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, u American Journal of Physics, Vol. 63, br. 10, str. 882-885; listopada 1995.

"Mpemba efekt: Vrijeme smrzavanja tople i hladne vode", Charles A. Knight, u American Journal of Physics, Vol. 64, br. 5, str. 524; svibnja 1996.

Mpemba efekt ili zašto se topla voda smrzava brže od hladne? Mpemba efekt (Mpemba paradoks) je paradoks koji kaže da se topla voda pod određenim uvjetima smrzava brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti s uobičajenim idejama prema kojima, pod istim uvjetima, toplijem tijelu treba više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego hladnijem tijelu da se ohladi na istu temperaturu. Ovu su pojavu svojedobno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, no tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća smjesa za sladoled smrzava brže od hladne. Erasto Mpemba bio je učenik srednje škole Magambin u Tanzaniji i bavio se praktičnim kuharskim radom. Morao je napraviti domaći sladoled - skuhati mlijeko, otopiti u njemu šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s prvim dijelom zadaće. U strahu da neće stići na vrijeme do kraja sata, još vruće mlijeko stavio je u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema zadanoj tehnologiji. Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik Gimnazije Mkvava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar es Salaamu (pozvan od ravnatelja škole da učenicima održi predavanje iz fizike) o vodi: "Ako uzmete dvije identične posude s jednakim volumenom vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, a zatim će se u drugoj voda smrznuti brže. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovu problematiku i ubrzo 1969. zajedno s Mpembom objavljuju rezultate svojih eksperimenata u časopisu "Physics Education". Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba efekt. Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tijekom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline mora biti proporcionalno razlici temperature između tog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U istom se učinku voda na 100°C hladi na 0°C brže od iste količine vode na 35°C. Međutim, to još ne implicira paradoks, budući da se Mpemba efekt može objasniti i unutar poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za Mpemba efekt: Isparavanje Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi se brže smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C. Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u parnu fazu. Temperaturna razlika Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća - stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi. Pothlađivanje Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod određenim uvjetima, može se podvrgnuti superhlađenju dok ostaje u tekućem stanju na temperaturama ispod točke smrzavanja. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na temperaturi od -20 C. Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri stvaranja kristala da bi se počeli formirati prvi kristali leda. Ako nisu u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali počnu spontano stvarati. Kada se počnu stvarati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, tvoreći ledenu bljuzgavicu koja će se zamrznuti i stvoriti led. Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem eliminira otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode, koja nije prehlađena, događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda djelovat će kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju tople vode koja se pothlađuje, pothlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh. Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda. Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta. Konvekcija Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo. Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima najveću gustoću na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na 4°C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim će se uvjetima na površini vode kratkotrajno stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator koji štiti donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga , daljnji proces hlađenja bit će sporiji. Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže ohladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Također, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Kako bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, pretpostavilo bi se da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C. Međutim, nema eksperimentalnih podataka to bi potvrdilo ovu hipotezu da su slojevi hladne i tople vode odvojeni konvekcijom. Plinovi otopljeni u vodi Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljikov dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi na visokoj temperaturi manja. Stoga, kada se topla voda hladi, u njoj uvijek ima manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju ovu činjenicu. Toplinska vodljivost Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač u hladnjaku u malim posudama. Pod tim uvjetima, primijećeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude tople vode nego iz posude za hladnu vodu. Zauzvrat, posuda s hladnom vodom ne topi snijeg ispod nje. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, ali nedvosmislen odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju 100% reprodukciju Mpemba efekta - nije dobiven. Tako je, primjerice, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao utjecaj superhlađenja vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje. Osim toga, Auerbachovi rezultati proturječili su ranijim podacima da vruća voda može postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke u njoj otopljene soli. Zasad se može ustvrditi samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima pod kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek. O. V. Mosin

Čini se jasnim da se hladna voda smrzava brže od tople vode, budući da pod jednakim uvjetima toploj vodi treba više vremena da se ohladi i potom smrzne. Međutim, tisuće godina promatranja, kao i moderni eksperimenti, pokazali su da vrijedi i suprotno: pod određenim uvjetima topla voda se smrzava brže od hladne vode. Znanstveni kanal Sciencium objašnjava ovaj fenomen:

Kao što je objašnjeno u videu iznad, fenomen gdje se topla voda smrzava brže od hladne vode poznat je kao Mpemba efekt, nazvan po Erastu Mpembi, učeniku iz Tanzanije koji je napravio sladoled kao dio školskog projekta 1963. godine. Učenici su smjesu vrhnja i šećera morali prokuhati, pustiti da se ohladi, a zatim staviti u zamrzivač.

Umjesto toga, Erasto je smjesu stavio svoju smjesu, vruću, ne čekajući da se ohladi. Kao rezultat toga, nakon 1,5 sata, njegova smjesa je već bila zamrznuta, ali mješavine drugih učenika nisu. Zaintrigiran fenomenom, Mpemba je počeo proučavati to pitanje s profesorom fizike Denisom Osbornom, a 1969. objavili su rad u kojem se kaže da se topla voda smrzava brže od hladne. Ovo je bila prva recenzirana studija ove vrste, ali se sam fenomen spominje u Aristotelovim radovima koji datiraju iz 4. stoljeća prije Krista. e. Francis Bacon i Descartes također su primijetili ovaj fenomen u svojim studijama.

U videu je navedeno nekoliko opcija za objašnjenje onoga što se događa:

1. Mraz je dielektrik, pa smrznuta hladna voda bolje čuva toplinu nego topla čaša koja u dodiru s njom otapa led.
2. Hladna voda ima više otopljenih plinova od tople vode, a istraživači nagađaju da bi to moglo igrati ulogu u brzini hlađenja, iako još nije jasno kako.
3. Vruća voda gubi više molekula vode isparavanjem, ostavljajući ih manje za smrzavanje
4. Topla voda može se brže ohladiti zbog povećanih konvektivnih struja. Ta strujanja nastaju zato što se voda u čaši najprije ohladi na površini i stranama, uzrokujući da hladna voda tone, a topla se diže. U toploj čaši, konvektivne struje su aktivnije, što može utjecati na brzinu hlađenja.

No, 2016. godine provedeno je pažljivo kontrolirano istraživanje koje je pokazalo suprotno: topla voda smrzavala se puno sporije od hladne vode. Istodobno, znanstvenici su primijetili da promjena položaja termoelementa - uređaja koji određuje temperaturne razlike - za samo centimetar dovodi do pojave Mpemba efekta. Studija drugih sličnih radova pokazala je da je u svim slučajevima kada je primijećen ovaj učinak došlo do pomaka termoelementa unutar jednog centimetra.