Su hakkında bilmedikleriniz. Video: hangi su daha hızlı donar - sıcak veya soğuk

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, ancak bir zamanlar Erasto'nun okuduğu okula giden fizik profesörü Deniss Osborne, o zaman 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 iki kap alırsak, ancak bunlardan biri şunları içerecektir: sıcak su ve diğerinde - soğuk, bir kap sıcak su altındaki karı eriterek ısı seviyesinin buzdolabı duvarı ile temasını iyileştirir. ile konteyner soğuk su 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 çözündüğünde bir durum ortaya çıkarsa kimyasal elementler sadece sıcak suda bulunurken, soğuk suda bulunmaz, 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.

Bu yazıda, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna bakacağız.

Isıtılmış su, soğuk sudan çok daha hızlı donar! Bilim adamlarının hala kesin bir açıklama bulamadıkları suyun bu şaşırtıcı özelliği, eski çağlardan beri bilinmektedir. Örneğin Aristoteles'te bile kış balıkçılığının bir açıklaması vardır: balıkçılar oltaları buzdaki deliklere sokarlar ve daha hızlı donmaları için buzun üzerine ılık su dökerler. Bu fenomenin adı, XX yüzyılın 60'larında Erasto Mpemba'nın adını almıştır. Mnemba, dondurma yaparken garip etkiyi fark etti ve açıklama için fizik öğretmeni Dr. Denis Osborne'a döndü. Mpemba ve Dr. Osborn suyla deneyler yaptı farklı sıcaklıklar ve şu sonuca vardı: neredeyse kaynayan su, oda sıcaklığındaki sudan çok daha hızlı donmaya başlar. Diğer bilim adamları da kendi deneylerini yapmışlar ve her seferinde benzer sonuçlar elde etmişlerdir.

Fiziksel bir olgunun açıklaması

Bunun neden olduğuna dair genel kabul görmüş bir açıklama yoktur. Birçok araştırmacı, bunun, sıcaklığı donma noktasının altına düştüğünde meydana gelen bir sıvının aşırı soğumasıyla ilgili olduğunu öne sürüyor. Başka bir deyişle, su 0°C'nin altında bir sıcaklıkta donarsa, aşırı soğutulmuş su örneğin -2°C sıcaklığa sahip olabilir ve buza dönüşmeden sıvı halde kalabilir. dondurmaya çalıştığımızda soğuk su, muhtemelen önce aşırı soğuyacak ve ancak bir süre sonra sertleşecektir. Isıtılmış suda başka işlemler gerçekleşir. Buza daha hızlı dönüşümü, konveksiyon ile ilişkilidir.

Konveksiyon- BT fiziksel olgu, sıvının sıcak alt katmanlarının yükseldiği ve soğutulmuş üst katmanların düştüğü.

Mpemba etkisi(Mpemba paradoksu) - donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekse de, belirli koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradoks. 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.

Magamba öğrencisi olarak lise Tanzanya'da Erasto Mpemba yaptı pratik iş mutfak sanatlarında. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki 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'nde bir öğrenci 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: "Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece bunlardan birinde suyun sıcaklığı 35 ° C, diğerinde - 100 ° C'dir ve bunları dondurucuya koyarsınız, ardından ikincisinde su donar daha hızlı. 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 su üzerindeki etkisi arasındaki fark. farklı sıcaklıklar.

Mpemba etkisinin paradoksu, vücudun sıcaklığa soğuduğu sürenin olmasıdır. çevre, bu vücut ile çevre arasındaki sıcaklık farkı ile orantılı olmalıdır. 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, bu henüz bir paradoks anlamına gelmez, çünkü Mpemba etkisi şu şekilde de açıklanabilir: ünlü fizik. 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. Su var maksimum yoğunluk 4 C'de. Suyu 4 C'ye 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. , daha fazla soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.

Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Yüzey katmanı buharlaşma ve daha büyük bir sıcaklık farkı nedeniyle su daha hızlı soğur. Ayrıca, soğuk su tabakaları sıcak su tabakalarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su tabakası aşağı inerek sıcak su tabakasını 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 konveksiyon işleminin devam ettiğini varsaymak gerekir. ortalama sıcaklık su 4 C'nin altına düşer.

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 suda çözündükleri için sudan salınır. Yüksek sıcaklık altında. 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

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 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.

OV Mosin

edebikaynaklar:

Jearl Walker, The Amateur Scientist, Scientific American, Cilt. 237, hayır. 3, s. 246-257; Eylül 1977.

"Sıcak ve Soğuk Suyun Donması", G.S. Kell, American Journal of Physics, Cilt. 37, hayır. 5, s. 564-565; Mayıs 1969.

"Süper soğutma ve Mpemba etkisi", David Auerbach, American Journal of Physics, Cilt. 63, hayır. 10, s. 882-885; Ekim 1995.

"Mpemba etkisi: Sıcak ve soğuk suyun donma süreleri", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Cilt. 64, hayır. 5, s 524; Mayıs, 1996.

Mpemba etkisi veya neden sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar? 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, içindeki 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'nde bir öğrenci 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: "Eğer eşit hacimde suya sahip iki özdeş kap alırsınız, böylece bunlardan birinde suyun sıcaklığı 35 ° C, diğerinde - 100 ° C'dir ve bunları dondurucuya koyarsınız, ardından ikincisinde su donar daha hızlı. 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 etkiye Mpemba etkisi deniyor. 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 su üzerindeki etkisi arasındaki fark. farklı sıcaklıklar. 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 birkaç açıklama: Buharlaşma Sıcak su bir 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. Buharlaşmanın etkisi çifte 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. Aşırı soğutma 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 sıcaklıkta bile sıvı halde 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 süreçlerini ve dolayısıyla ısı kaybını kötüleştirirken, 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. , 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 tabakaları sıcak su tabakalarından daha yoğundur, bu nedenle soğuk su tabakası aşağı inerek sıcak su tabakasını yüzeye çıkarır. Suyun bu sirkülasyonu, sıcaklıkta hızlı bir düşüş sağlar. Peki bu süreç neden denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyonun bu bakış açısıyla açıklamak için, suyun soğuk ve sıcak katmanlarının ayrıldığı ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon sürecinin kendisinin devam ettiği varsayılacaktır. Ancak deneysel veri yoktur. bu, soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyonla ayrıldığı hipotezini doğrulayacaktır. Suda Çözünen 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 İletkenlik Bu mekanizma, su küçük kaplarda dondurucu bir buzdolabına 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 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. OV Mosin

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 sıcak olarak ayarladı. 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:

1. Don bir yalıtkandır ve bu nedenle soğuk soğuk su, ısıyı kendisiyle temas ettiğinde buzu eriten sıcak bir camdan daha iyi depolar.
2. Soğuk su, ılık sudan daha fazla çözünmüş gaza sahiptir ve araştırmacılar, nasıl olduğu henüz net olmasa da, bunun soğuma hızında bir rol oynayabileceğini düşünüyor.
3. Sıcak su, buharlaşma yoluyla daha fazla su molekülü kaybeder ve daha azını donmaya bırakır.
4. 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.