A meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg víz? A paradoxon előfordulásának feltételei
Internetes marketingszakember, az "Elérhető nyelven" oldal szerkesztője
Megjelenés időpontja: 2017.11.21
« Melyik víz fagy le gyorsabban hidegen vagy melegen?"- próbáljon meg kérdést feltenni a barátainak, valószínűleg a legtöbbjük azt válaszolja, hogy a hideg víz gyorsabban fagy - és hibázik.
Valójában, ha egyszerre tesz a fagyasztóba két azonos alakú és térfogatú edényt, amelyek közül az egyik hideg, a másik forró víz lesz, akkor a forró víz gyorsabban megfagy.
Egy ilyen kijelentés abszurdnak és ésszerűtlennek tűnhet. Ha követi a logikát, akkor a forró víznek először hideg hőmérsékletre kell hűlnie, és a hidegnek ekkor már jéggé kell alakulnia.
Tehát miért kerüli el a meleg víz a hideg vizet a fagyás felé vezető úton? Próbáljuk meg kitalálni.
Megfigyelések és kutatások története
Az emberek ősidők óta megfigyelték a paradox hatást, de senki nem tulajdonított neki különösebb jelentőséget. Így jegyezte meg feljegyzéseiben Arrestotel, valamint René Descartes és Francis Bacon, hogy a hideg és a meleg víz fagyási sebességében nincs véletlen. Egy szokatlan jelenség gyakran megnyilvánult a mindennapi életben.
A jelenséget sokáig semmilyen módon nem tanulmányozták, és nem keltett nagy érdeklődést a tudósok körében.
A szokatlan hatás vizsgálata 1963-ban kezdődött, amikor egy érdeklődő tanzániai diák, Erasto Mpemba észrevette, hogy a fagylalthoz használt forró tej gyorsabban megfagy, mint a hideg tej. Abban a reményben, hogy magyarázatot kap a szokatlan hatás okaira, a fiatalember megkérdezte fizikatanárát az iskolában. A tanár azonban csak nevetett rajta.
Később Mpemba megismételte a kísérletet, de kísérletében már nem tejet, hanem vizet használt, és a paradox hatás ismét megismétlődött.
6 évvel később, 1969-ben, Mpemba feltette ezt a kérdést Dennis Osborne fizikaprofesszornak, aki az iskolájába érkezett. A professzor érdeklődött a fiatalember megfigyelése iránt, ennek eredményeként kísérletet végeztek, amely megerősítette a hatás jelenlétét, de ennek a jelenségnek az okait nem állapították meg.
Azóta a jelenséget ún Mpemba hatás.
A tudományos megfigyelés története során számos hipotézist állítottak fel a jelenség okairól.
Így 2012-ben a British Royal Chemical Society versenyt hirdetett volna az Mpemba-effektust magyarázó hipotézisekre. A versenyen a világ minden tájáról vettek részt tudósok, összesen 22 ezer tudományos közleményt regisztráltak. A cikkek lenyűgöző száma ellenére egyik sem tisztázta az Mpemba-paradoxont.
A legelterjedtebb változat az volt, hogy a forró víz gyorsabban fagy meg, mert egyszerűen gyorsabban elpárolog, a térfogata kisebb lesz, a térfogat csökkenésével pedig a hűtési sebessége nő. A legelterjedtebb változatot végül megcáfolták, mivel olyan kísérletet végeztek, amelyben a párolgást kizárták, és a hatást mégis megerősítették.
Más tudósok úgy vélték, hogy az Mpemba-hatás oka a vízben oldott gázok elpárolgása. Véleményük szerint a vízben oldott gázok melegítés közben elpárolognak, aminek köszönhetően nagyobb sűrűséget kap, mint a hideg víz. Mint tudják, a sűrűség növekedése a víz fizikai tulajdonságainak megváltozásához (a hővezető képesség növekedéséhez), és ennek következtében a hűtési sebesség növekedéséhez vezet.
Emellett számos hipotézist terjesztettek elő, amelyek a víz keringésének sebességét a hőmérséklet függvényében írják le. Számos tanulmányban megpróbálták megállapítani a kapcsolatot a folyadékot tartalmazó tartályok anyaga között. Számos elmélet nagyon hihetőnek tűnt, de tudományos megerősítésük nem volt lehetséges a kiindulási adatok hiánya, más kísérletek ellentmondásai miatt, vagy azért, mert a feltárt tényezők egyszerűen nem voltak összehasonlíthatóak a vízhűtés sebességével. Egyes tudósok munkájukban megkérdőjelezték a hatás létezését.
2013-ban a szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem kutatói azt mondták, hogy megfejtették az Mpemba-effektus rejtélyét. Kutatásaik szerint a jelenség oka abban rejlik, hogy a hideg és a meleg víz molekulái közötti hidrogénkötésekben tárolt energia mennyisége jelentősen eltér.
A számítógépes szimulációs módszerek a következő eredményeket mutatták: minél magasabb a víz hőmérséklete, annál nagyobb a távolság a molekulák között, mivel a taszító erők növekednek. Következésképpen a molekulák hidrogénkötései megnyúlnak, több energiát tárolva. Lehűléskor a molekulák közeledni kezdenek egymáshoz, és energiát szabadítanak fel a hidrogénkötésekből. Ebben az esetben az energia felszabadulása a hőmérséklet csökkenésével jár.
Spanyol fizikusok 2017 októberében következő tanulmányuk során megállapították, hogy a hatás kialakulásában fontos szerepet játszik az anyag egyensúlyból való eltávolítása (erős melegítés az erős lehűlés előtt). Meghatározták azokat a feltételeket, amelyek mellett a legnagyobb a hatás valószínűsége. Ezenkívül spanyol tudósok megerősítették az ellenkező Mpemba-hatás létezését. Azt találták, hogy melegítéskor a hidegebb minta gyorsabban éri el a magas hőmérsékletet, mint a meleg.
Az átfogó információk és a számos kísérlet ellenére a tudósok továbbra is folytatni kívánják a hatás tanulmányozását.
Az Mpemba-effektus a való életben
Elgondolkozott már azon, hogy télen miért van a jégpálya meleg vízzel, és miért nem hideg? Amint azt már megértette, ezt azért teszik, mert a forró vízzel megtöltött jégpálya gyorsabban lefagy, mintha hideg vízzel lenne feltöltve. Ugyanezen okból a téli jégvárosok csúszdáit forró víz önti el.
Így a jelenség létezésének ismerete lehetővé teszi az emberek számára, hogy időt takarítsanak meg a téli sportok helyszíneinek előkészítésekor.
Ezenkívül az Mpemba-effektust néha az iparban is alkalmazzák - élelmiszerek, vizet tartalmazó anyagok és anyagok fagyasztási idejének csökkentésére.
Ebben a cikkben megvizsgáljuk azt a kérdést, hogy miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg víz.
A forró víz sokkal gyorsabban fagy meg, mint a hideg! A víznek ez a csodálatos tulajdonsága, amelyre a tudósok még mindig nem találnak pontos magyarázatot, ősidők óta ismert. Például Arisztotelésznél is van leírás a téli horgászatról: a halászok horgászbotokat szúrtak a jégen lévő lyukakba, és hogy inkább megfagyjanak, meleg vizet öntöttek a jégre. Ennek a jelenségnek a nevét Erasto Mpemba neve adta a XX. század 60-as éveiben. Mnemba furcsa hatást vett észre, amikor fagylaltot készített, és fizikatanárához, Dr. Denis Osborne-hoz fordult magyarázatért. Mpemba és Dr. Osborne különböző hőmérsékletű vízzel kísérletezett, és arra a következtetésre jutott, hogy a szinte forrásban lévő víz sokkal gyorsabban kezd megfagyni, mint a szobahőmérsékleten. Más tudósok saját kísérleteiket végezték, és minden alkalommal hasonló eredményeket értek el.
A fizikai jelenség magyarázata
Nincs általánosan elfogadott magyarázat arra, hogy ez miért történik. Sok kutató azt állítja, hogy mindez a folyadék hipotermiájáról szól, amely akkor következik be, amikor a hőmérséklete fagypont alá esik. Más szóval, ha a víz 0 ° C alatti hőmérsékleten megfagy, akkor a túlhűtött víz hőmérséklete például -2 ° C lehet, és ugyanakkor folyékony marad anélkül, hogy jéggé alakulna. Amikor megpróbáljuk lefagyasztani a hideg vizet, előfordulhat, hogy először túlhűtjük és csak egy idő után megkeményedik. Más folyamatok felmelegített vízben mennek végbe. Gyorsabb jéggé alakulása konvekcióval jár.
Konvekció- Ez egy olyan fizikai jelenség, amelyben a folyadék meleg alsó rétegei felemelkednek, a felső, lehűltek pedig leesnek.
Rövid válasz arra, hogy miért fagy le gyorsabban a forró víz
Kiderült, hogy úgy tűnik, hogy a folyadék összekeveredik és lehűti magát. A felmelegített vízben zajló aktív konvekciós folyamatnak köszönhetően a felszínről a jégkristályok gyorsabban ereszkednek le, és lehűtik az alján lévő meleg vizet.
A tudományban Mpemba-effektusként ismerik azt a jelenséget, amikor a meleg víz gyorsabban fagy, mint a hideg. Ezen a paradox jelenségen olyan nagy elmék gondolkodtak el, mint Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes, de évezredek óta senki sem tudott ésszerű magyarázatot adni erre a jelenségre.
Csak 1963-ban vette észre ezt a hatást egy Tanganyika Köztársaságból származó iskolás, Erasto Mpemba a fagylalt példáján, de a felnőttek közül senki sem adott rá magyarázatot. Ennek ellenére a fizikusok és kémikusok komolyan elgondolkodtak egy ilyen egyszerű, de annyira érthetetlen jelenségen.
Azóta különböző verziók születtek, amelyek közül az egyik így hangzott: a forró víz egy része eleinte egyszerűen elpárolog, majd ha kevesebb van belőle, a víz gyorsabban megfagy. Ez a verzió, egyszerűsége miatt, a legnépszerűbb lett, de a tudósok nem elégedettek vele.
A szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem kutatócsoportja, Xi Zhang vegyész vezetésével azt mondta, hogy megfejtették azt az ősi rejtélyt, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg víz. Mint a kínai szakértők kiderítették, a titok a vízmolekulák közötti hidrogénkötésekben tárolt energia mennyiségében rejlik.
Mint tudják, a vízmolekulák egy oxigénatomból és két hidrogénatomból állnak, amelyeket kovalens kötések tartanak össze, ami részecskeszinten elektroncsereként néz ki. Egy másik jól ismert tény, hogy a hidrogénatomokat a szomszédos molekulák oxigénatomjai vonzzák – ilyenkor hidrogénkötések jönnek létre.
Ugyanakkor a vízmolekulák általában taszítják egymást. A szingapúri tudósok észrevették, hogy minél melegebb a víz, annál nagyobb a távolság a folyadékmolekulák között a taszítóerők növekedése miatt. Ennek eredményeként a hidrogénkötések megnyúlnak, és így több energiát tárolnak. Ez az energia akkor szabadul fel, amikor a víz lehűl – a molekulák közelebb kerülnek egymáshoz. Az energia felszabadítása pedig, mint tudod, hűtést jelent.
Ahogy a vegyészek az arXiv.org preprint oldalon található cikkükben írják, a hidrogénkötések jobban megfeszülnek forró vízben, mint hideg vízben. Így kiderül, hogy a forró víz hidrogénkötéseiben több energia raktározódik el, ami azt jelenti, hogy több energia szabadul fel nulla alatti hőmérsékletre hűtve. Emiatt a megszilárdulás gyorsabb.
A mai napig a tudósok csak elméletileg oldották meg ezt a rejtvényt. Amikor meggyőző bizonyítékokat mutatnak be verziójukra, akkor lezártnak tekinthető az a kérdés, hogy miért fagy le gyorsabban a meleg víz, mint a hideg.
A víz a világ egyik legcsodálatosabb folyadéka, szokatlan tulajdonságokkal. Például a jég szilárd folyékony halmazállapotú, fajsúlya kisebb, mint magának a víznek, ami sok tekintetben lehetővé tette az élet kialakulását és fejlődését a Földön. Ezenkívül az áltudományos, sőt a tudományos világban is viták folynak arról, hogy melyik víz fagy le gyorsabban - meleg vagy hideg. Bárki, aki bizonyos feltételek mellett bizonyítja a forró folyadékok gyorsabb lefagyasztását, és döntését tudományosan alátámasztja, 1000 GBP díjat kap a Brit Királyi Kémikusok Társaságától.
A probléma története
Azt a tényt, hogy számos feltétel teljesülése esetén a meleg víz fagyási sebességét tekintve gyorsabb, mint a hideg víz, már a középkorban észrevették. Francis Bacon és René Descartes mindent megtett, hogy megmagyarázza ezt a jelenséget. A klasszikus fűtéstechnika szemszögéből azonban ez a paradoxon nem magyarázható, és igyekeztek szemérmesen elhallgatni. A vita folytatásának ösztönzője egy kissé furcsa történet volt, amely a tanzániai iskolással, Erasto Mpembával történt 1963-ban. Egyszer egy szakácsiskola desszertkészítési leckén a fiúnak, akit idegen dolgok eltereltek, nem volt ideje lehűteni a fagylaltkeveréket, és forró tejes cukoroldatot tenni a fagyasztóba. Meglepetésére a termék valamivel gyorsabban hűlt, mint a gyakorló társaié, figyelve a fagylaltkészítés hőmérsékleti rendszerét.
A fiú megpróbálva megérteni a jelenség lényegét, fizikatanárához fordult, aki a részletekbe nem bocsátkozva kigúnyolta kulináris kísérleteit. Erastót azonban irigylésre méltó kitartás jellemezte, és már nem tejjel, hanem vízzel folytatta kísérleteit. Meg volt győződve arról, hogy bizonyos esetekben a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg.
Miután belépett a Dar es Salaam Egyetemre, Erasto Mpembe részt vett Dennis G. Osborne professzor előadásán. A diploma megszerzése után a diák zavarba ejtette a tudóst a víz hőmérsékletétől függően fagyás sebességének problémájával. DG Osborne már a kérdés kijelentését is nevetségessé tette, és elszántan kijelentette, hogy minden bukott diák tudja, hogy a hideg víz gyorsabban megfagy. A fiatalember természetes makacssága azonban éreztette magát. Fogadást kötött a professzorral, és azt javasolta itt, a laboratóriumban, hogy végezzenek kísérleti vizsgálatot. Az Erasto két tartály vizet helyezett a fagyasztóba, az egyiket 35 °C-os, a másikat pedig 100 °C-os. Képzeld el a professzor és a környező "rajongók" meglepetését, amikor a második tartályban gyorsabban fagyott meg a víz. Azóta ezt a jelenséget "Mpemba-paradoxonnak" hívják.
A mai napig azonban nincs koherens elméleti hipotézis, amely megmagyarázná az "Mpemba-paradoxont". Nem világos, hogy milyen külső tényezők, a víz kémiai összetétele, a benne oldott gázok és ásványi anyagok jelenléte befolyásolják a folyadékok fagyási sebességét különböző hőmérsékleteken. Az "Mpemba-effektus" paradoxona, hogy ellentmond az I. Newton által felfedezett egyik törvénynek, amely szerint a víz lehűlési ideje egyenesen arányos a folyadék és a környezet hőmérséklet-különbségével. És ha az összes többi folyadék teljes mértékben betartja ezt a törvényt, akkor bizonyos esetekben a víz kivétel.
Miért fagy le gyorsabban a forró víz?T
Több verzió is létezik, hogy miért fagy le gyorsabban a forró víz, mint a hideg. A főbbek a következők:
- a forró víz gyorsabban elpárolog, miközben térfogata csökken, és kisebb térfogatú folyadék gyorsabban lehűl - ha a vizet + 100 ° C-ról 0 ° C-ra hűtik, a térfogati veszteségek a légköri nyomáson elérik a 15% -ot;
- minél nagyobb a folyadék és a környezet közötti hőcsere intenzitása, annál nagyobb a hőmérséklet-különbség, ezért a forrásban lévő víz hővesztesége gyorsabban halad át;
- amikor a forró víz lehűl, a felületén jégkéreg képződik, amely megakadályozza a folyadék teljes megfagyását és elpárolgását;
- magas vízhőmérsékleten konvekciós keveredés következik be, ami csökkenti a fagyasztási időt;
- A vízben oldott gázok csökkentik a fagyáspontot, energiát vesznek el a kristályosodáshoz - a forró vízben nincsenek oldott gázok.
Mindezeket a feltételeket ismételten kísérletileg tesztelték. David Auerbach német tudós különösen azt találta, hogy a forró víz kristályosodási hőmérséklete valamivel magasabb, mint a hideg vízé, ami lehetővé teszi az előbbi gyorsabb megfagyását. Később azonban kísérleteit kritizálták, és sok tudós meg van győződve arról, hogy az "Mpemba-effektus", amelyről a víz gyorsabban fagy - melegen vagy hidegen - csak bizonyos feltételek mellett reprodukálható, amelyek keresésével és specifikációjával eddig senki sem foglalkozott.
Sok kutató terjesztette elő és terjeszti elő saját verzióját arra vonatkozóan, hogy a forró víz miért fagy le gyorsabban, mint a hideg. Paradoxonnak tűnik - elvégre ahhoz, hogy megfagyjon, a forró víznek először le kell hűlnie. A tény azonban továbbra is fennáll, és a tudósok különféleképpen magyarázzák.
Jelenleg több verzió is megmagyarázza ezt a tényt:
- Ahogy a forró víz gyorsabban elpárolog, a térfogata csökken. Kevesebb azonos hőmérsékletű víz gyorsabban fagy meg.
- A hűtőszekrény fagyasztórekeszében hópárna található. A melegvíztartály megolvasztja alatta a havat. Ez javítja a fagyasztóval való termikus érintkezést.
- A hideg víz megfagyása a forró vízzel ellentétben felülről kezdődik. Ebben az esetben a konvekció és a hősugárzás, és ennek következtében a hőveszteség romlik.
- A hideg vízben kristályosodási központok vannak - benne oldott anyagok. Kis mennyiségű vízben a jegesedés nehézkes, ugyanakkor túlhűthető is lehet - mínusz fokon folyékony halmazállapotú.
Bár az igazság kedvéért elmondhatjuk, hogy ez a hatás nem mindig figyelhető meg. Nagyon gyakran a hideg víz gyorsabban fagy, mint a forró víz.
Milyen hőmérsékleten fagy meg a víz
Miért fagy meg egyáltalán a víz? Bizonyos mennyiségű ásványi vagy szerves részecskét tartalmaz. Ezek lehetnek például nagyon finom homok-, por- vagy agyagszemcsék. Amikor a levegő hőmérséklete csökken, ezek a részecskék olyan központok, amelyek körül jégkristályok képződnek.
A kristályosodási magok szerepét a vizet tartalmazó edényben lévő légbuborékok és repedések is betölthetik. A víz jéggé alakításának sebességét nagymértékben befolyásolja az ilyen központok száma - ha sok van belőlük, a folyadék gyorsabban fagy meg. Normál körülmények között, normál légköri nyomás mellett a víz 0 fokos folyadékból szilárd halmazállapotúvá válik.
Az Mpemba effektus lényege
Az Mpemba-effektus paradoxonként értelmezhető, melynek lényege, hogy bizonyos körülmények között a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Erre a jelenségre Arisztotelész és Descartes is felfigyelt. Egy tanzániai iskolás, Erasto Mpemba azonban csak 1963-ban állapította meg, hogy a forró fagylalt rövidebb idő alatt megfagy, mint a hideg fagylalt. Erre a következtetésre jutott egy főzési feladat elvégzése közben.
A felforralt tejben fel kellett oldania a cukrot, majd lehűlés után be kellett tennie a hűtőbe dermedni. Úgy tűnik, Mpemba nem különbözött különösebb buzgóságban, és késéssel kezdte végrehajtani a feladat első részét. Ezért nem várta meg, amíg a tej kihűl, hanem forrón betette a hűtőbe. Nagyon meglepődött, amikor még gyorsabban lefagyott, mint osztálytársai, akik az adott technológiának megfelelően végezték a munkát.
A fiatalembert nagyon érdekelte ez a tény, és kísérleteket kezdett sima vízzel. 1969-ben a Physics Education publikálta Mpemba és Dennis Osborne, a Dar es Salaam Egyetem professzora által végzett kutatások eredményeit. Az általuk leírt hatást Mpemba-nak nevezték el. A jelenségre azonban még ma sincs egyértelmű magyarázat. Minden tudós egyetért abban, hogy a hűtött és a meleg víz tulajdonságai közötti különbségben a fő szerep a főszerep, de nem tudni, hogy pontosan melyik.
Szingapúri verzió
Az egyik szingapúri egyetem fizikusait is érdekelte az a kérdés, melyik víz fagy meg gyorsabban - meleg vagy hideg? Hszi Zhang vezette kutatócsoport pontosan a víz tulajdonságaival magyarázta ezt a paradoxont. Még mindig mindenki ismeri a víz összetételét az iskolából - egy oxigénatom és két hidrogénatom. Az oxigén bizonyos mértékig elhúzza az elektronokat a hidrogéntől, így a molekula egyfajta „mágnes”.
Ennek eredményeként a víz bizonyos molekulái enyhén vonzódnak egymáshoz, és hidrogénkötés köti össze őket. Erőssége sokszor kisebb, mint a kovalens kötésé. Szingapúri kutatók úgy vélik, hogy az Mpemba-paradoxon magyarázata a hidrogénkötésekben rejlik. Ha a vízmolekulák nagyon sűrűn helyezkednek el egymás között, akkor a molekulák közötti ilyen erős kölcsönhatás deformálhatja a kovalens kötést a molekula közepén.
De amikor a vizet melegítjük, a megkötött molekulák kissé eltávolodnak egymástól. Ennek eredményeként a molekulák közepén a kovalens kötések ellazulnak a felesleges energia felszabadulásával és egy alacsonyabb energiaszintre való átmenettel. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a forró víz gyorsan lehűl. Legalábbis ezt mutatják a szingapúri tudósok elméleti számításai.
A víz azonnali lefagyasztása – 5 hihetetlen trükk: Videó
