Panas atau sejuk akan membeku lebih cepat. Mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk

Air adalah salah satu cecair yang paling menakjubkan di dunia dengan sifat yang luar biasa. Sebagai contoh, ais ialah keadaan pepejal cecair, mempunyai graviti tentu lebih rendah daripada air itu sendiri, yang menjadikan kemunculan dan perkembangan kehidupan di Bumi dalam banyak aspek mungkin. Di samping itu, dalam pseudo-saintifik, dan juga dalam dunia saintifik, terdapat perbincangan tentang air yang membeku lebih cepat - panas atau sejuk. Sesiapa yang membuktikan pembekuan cecair panas yang lebih cepat dalam keadaan tertentu dan secara saintifik mengesahkan keputusan mereka akan menerima anugerah £1000 daripada British Royal Society of Chemists.

Sejarah isu

Fakta bahawa apabila beberapa syarat dipenuhi, air panas lebih cepat daripada air sejuk dari segi kadar pembekuan, telah diperhatikan pada Zaman Pertengahan. Francis Bacon dan René Descartes telah berusaha keras untuk menjelaskan fenomena ini. Walau bagaimanapun, dari sudut pandangan kejuruteraan pemanasan klasik, paradoks ini tidak dapat dijelaskan, dan mereka cuba menutup mulut mengenainya. Dorongan untuk meneruskan kontroversi itu adalah kisah yang agak ingin tahu yang berlaku kepada budak sekolah Tanzania Erasto Mpemba pada tahun 1963. Pernah, semasa pelajaran membuat pencuci mulut di sekolah tukang masak, budak lelaki itu, yang terganggu oleh perkara luar, tidak sempat menyejukkan campuran aiskrim tepat pada masanya dan meletakkan larutan gula dalam susu ke dalam peti sejuk beku. Yang mengejutkannya, produk itu menyejuk sedikit lebih cepat daripada rakan pengamalnya, memerhatikan rejim suhu untuk membuat ais krim.

Cuba untuk memahami intipati fenomena itu, budak lelaki itu berpaling kepada guru fiziknya, yang, tanpa membincangkan secara terperinci, mengejek eksperimen masakannya. Walau bagaimanapun, Erasto dibezakan oleh kegigihan yang dicemburui dan meneruskan eksperimennya bukan lagi dengan susu, tetapi dengan air. Dia yakin bahawa dalam beberapa kes air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk.

Selepas memasuki Universiti Dar es Salaam, Erasto Mpembe menghadiri kuliah oleh Profesor Dennis G. Osborne. Selepas tamat pengajian, pelajar itu membingungkan saintis itu dengan masalah kadar pembekuan air bergantung pada suhunya. D.G. Osborne mengejek pernyataan soalan itu, dengan penuh percaya diri bahawa mana-mana pelajar yang gagal tahu bahawa air sejuk akan membeku lebih cepat. Namun, kedegilan semula jadi pemuda itu membuatkan dirinya terasa. Dia membuat pertaruhan dengan profesor, mencadangkan di sini, di makmal, untuk menjalankan ujian eksperimen. Erasto meletakkan dua bekas air di dalam peti sejuk, satu pada 95 ° F (35 ° C) dan satu lagi 212 ° F (100 ° C). Bayangkan betapa terkejutnya profesor dan "peminat" sekeliling apabila air di dalam bekas kedua lebih cepat membeku. Sejak itu, fenomena ini telah dipanggil "Paradoks Mpemba".

Walau bagaimanapun, sehingga kini, tiada hipotesis teori yang koheren menjelaskan "Paradoks Mpemba". Tidak jelas apakah faktor luaran, komposisi kimia air, kehadiran gas dan mineral terlarut di dalamnya, mempengaruhi kadar pembekuan cecair pada suhu yang berbeza. Paradoks "Kesan Mpemba" ialah ia bercanggah dengan salah satu undang-undang yang ditemui oleh I. Newton, yang mengatakan bahawa masa penyejukan air adalah berkadar terus dengan perbezaan suhu antara cecair dan persekitaran. Dan jika semua cecair lain mematuhi sepenuhnya undang-undang ini, maka air dalam beberapa kes adalah pengecualian.

Mengapa air panas membeku lebih cepatT

Terdapat beberapa versi mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk. Yang utama ialah:

• air panas menyejat lebih cepat, manakala isipadunya berkurangan, dan jumlah cecair yang lebih kecil menyejuk lebih cepat - apabila air disejukkan dari + 100 ° C hingga 0 ° C, kehilangan isipadu pada tekanan atmosfera mencapai 15%;
• keamatan pertukaran haba antara cecair dan persekitaran adalah lebih tinggi, lebih besar perbezaan suhu, oleh itu, kehilangan haba air mendidih melepasi lebih cepat;
• apabila air panas menjadi sejuk, kerak ais terbentuk di permukaannya, yang menghalang cecair daripada membeku dan menguap sepenuhnya;
• pada suhu air yang tinggi, pencampuran perolakannya berlaku, yang mengurangkan masa pembekuan;
• gas terlarut dalam air merendahkan takat beku, menghilangkan tenaga untuk penghabluran - tiada gas terlarut dalam air panas.

Semua keadaan ini telah berulang kali diuji secara eksperimen. Khususnya, saintis Jerman David Auerbach mendapati bahawa suhu penghabluran air panas adalah lebih tinggi sedikit daripada air sejuk, yang memungkinkan bekas untuk membekukan lebih cepat. Walau bagaimanapun, kemudian eksperimennya telah dikritik dan ramai saintis yakin bahawa "kesan Mpemba" tentang air yang membeku lebih cepat - panas atau sejuk, boleh dihasilkan semula hanya dalam keadaan tertentu, pencarian dan spesifikasi yang sehingga kini tiada siapa yang terlibat.

British Royal Society of Chemistry menawarkan anugerah £1,000 kepada sesiapa yang boleh menjelaskan secara saintifik mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk dalam beberapa kes.

“Sains moden masih tidak dapat menjawab soalan yang kelihatan mudah ini. Pembuat ais krim dan pelayan bar menggunakan kesan ini dalam kerja harian mereka, tetapi tiada siapa yang benar-benar tahu mengapa ia berkesan. Masalah ini telah diketahui selama beribu tahun, ahli falsafah seperti Aristotle dan Descartes telah memikirkannya, "kata Presiden British Royal Society of Chemistry, Profesor David Philips, yang dipetik dalam kenyataan akhbar dari Persatuan.

Bagaimana seorang tukang masak dari Afrika mengalahkan seorang profesor fizik British

Ini bukan jenaka April Fool, tetapi realiti fizikal yang keras. Sains semasa, yang mudah beroperasi dengan galaksi dan lubang hitam, membina pemecut gergasi untuk mencari kuark dan boson, tidak dapat menjelaskan bagaimana air asas "berfungsi". Buku teks sekolah dengan jelas menyatakan bahawa badan yang lebih panas mengambil masa lebih lama untuk menyejukkan daripada badan yang lebih sejuk. Tetapi untuk air, undang-undang ini tidak selalu dipatuhi. Aristotle menarik perhatian kepada paradoks ini pada abad ke-4 SM. NS. Inilah yang ditulis oleh orang Yunani kuno dalam buku Meteorologica I: “Fakta bahawa air dipanaskan terlebih dahulu menyebabkan ia membeku. Oleh itu, ramai orang, apabila mereka ingin menyejukkan air panas dengan cepat, mula-mula meletakkannya di bawah sinar matahari ... ”Pada Zaman Pertengahan, Francis Bacon dan René Descartes cuba menjelaskan fenomena ini. Malangnya, ahli falsafah hebat mahupun ramai saintis yang membangunkan fizik haba klasik tidak berjaya dalam hal ini, dan oleh itu fakta yang menyusahkan ini "dilupakan" untuk masa yang lama.

Dan hanya pada tahun 1968 mereka "teringat" terima kasih kepada budak sekolah Erasto Mpemba dari Tanzania, jauh dari sebarang sains. Semasa belajar di sekolah seni, pada tahun 1963, Mpembe yang berusia 13 tahun telah ditugaskan untuk membuat ais krim. Menurut teknologi, susu perlu direbus, larutkan gula di dalamnya, sejukkan ke suhu bilik, dan kemudian masukkan ke dalam peti sejuk untuk membekukan. Nampaknya Mpemba bukanlah seorang pelajar yang rajin dan teragak-agak. Kerana takut dia tidak sampai pada waktunya menjelang tamat pelajaran, dia meletakkan susu panas itu ke dalam peti sejuk. Yang mengejutkannya, ia membeku lebih awal daripada susu rakan-rakannya, disediakan mengikut semua peraturan.

Apabila Mpemba berkongsi penemuannya dengan seorang guru fizik, dia mengejeknya di hadapan seluruh kelas. Mpemba teringat luka itu. Lima tahun kemudian, sudah menjadi pelajar di universiti di Dar es Salaam, dia menghadiri kuliah oleh ahli fizik terkenal Denis G. Osborne. Selepas kuliah, dia bertanya kepada saintis itu soalan: "Jika anda mengambil dua bekas yang sama dengan jumlah air yang sama, satu pada 35 ° C (95 ° F) dan satu lagi pada 100 ° C (212 ° F), dan meletakkannya. dalam peti ais, maka air dalam bekas panas akan lebih cepat membeku. kenapa?" Anda boleh bayangkan reaksi seorang profesor British terhadap soalan seorang pemuda dari Tanzania yang ditinggalkan Tuhan. Dia mengejek pelajar itu. Bagaimanapun, Mpemba bersedia untuk jawapan sedemikian dan mencabar saintis itu untuk bertaruh. Pertikaian mereka berakhir dengan ujian percubaan yang mengesahkan ketepatan Mpemba dan kekalahan Osborne. Jadi murid-tukang masak itu menulis namanya dalam sejarah sains, dan seterusnya fenomena ini dipanggil "kesan Mpemba". Untuk membuangnya, untuk mengisytiharkannya seolah-olah "tidak wujud" tidak berfungsi. Fenomena itu wujud, dan, seperti yang ditulis oleh penyair, "tidak sampai ke gigi."

Adakah zarah habuk dan bahan larut harus dipersalahkan?

Selama bertahun-tahun, ramai yang cuba merungkai misteri air beku. Sebilangan besar penjelasan untuk fenomena ini telah dicadangkan: penyejatan, perolakan, pengaruh zat terlarut - tetapi tiada satu pun daripada faktor ini boleh dianggap muktamad. Sebilangan saintis telah menumpukan seluruh hidup mereka untuk kesan Mpemba. Di Jabatan Keselamatan Sinaran Universiti Negeri New York, James Brownridge telah mengkaji paradoks pada masa lapangnya selama lebih sedekad. Selepas menjalankan beratus-ratus eksperimen, saintis itu mendakwa mempunyai bukti "rasa bersalah" hipotermia. Brownridge menjelaskan bahawa pada 0 ° C, air hanya disejukkan, dan mula membeku apabila suhu turun di bawah. Takat beku dikawal oleh kekotoran di dalam air - ia mengubah kadar pembentukan hablur ais. Kekotoran, dan ini adalah butiran debu, bakteria dan garam terlarut, mempunyai suhu nukleasi ciri untuknya, apabila kristal ais terbentuk di sekitar pusat penghabluran. Apabila terdapat beberapa unsur dalam air sekaligus, takat beku ditentukan oleh yang mempunyai suhu nukleasi tertinggi.

Untuk eksperimen, Brownridge mengambil dua sampel air pada suhu yang sama dan meletakkannya di dalam peti sejuk beku. Dia mendapati bahawa salah satu spesimen sentiasa membeku sebelum yang lain - mungkin disebabkan oleh gabungan kekotoran yang berbeza.

Brownridge mendakwa bahawa air panas menyejuk lebih cepat disebabkan perbezaan suhu yang lebih besar antara air dan peti sejuk - ini membantu ia mencapai takat bekunya sebelum air sejuk mencapai takat beku semula jadi, iaitu sekurang-kurangnya 5 ° C lebih rendah.

Walau bagaimanapun, alasan Brownridge menimbulkan banyak persoalan. Oleh itu, mereka yang boleh menerangkan kesan Mpemba dengan cara mereka sendiri berpeluang bersaing untuk mendapatkan seribu paun daripada British Royal Chemical Society.

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Air yang manakah membeku lebih cepat sejuk atau panas?"- cuba tanya soalan kepada rakan anda, kemungkinan besar kebanyakan mereka akan menjawab bahawa air sejuk lebih cepat membeku - dan membuat kesilapan.

Malah, jika anda memasukkan dua bekas dalam peti sejuk secara serentak dalam bentuk dan isipadu yang sama, satu daripadanya akan mempunyai air sejuk dan satu lagi panas, maka air panas akan membeku lebih cepat.

Kenyataan sedemikian mungkin kelihatan tidak masuk akal dan tidak munasabah. Kalau ikut logiknya, maka air panas mesti terlebih dahulu menyejukkan ke suhu sejuk, dan sejuk pada masa ini sepatutnya sudah bertukar menjadi ais.

Jadi mengapa air panas mengatasi air sejuk dalam perjalanan ke pembekuan? Mari kita cuba memikirkannya.

Sejarah pemerhatian dan penyelidikan

Orang ramai telah melihat kesan paradoks sejak zaman purba, tetapi tiada siapa yang mementingkannya. Beginilah cara Arrestotel, serta René Descartes dan Francis Bacon, menyatakan dalam nota mereka bahawa tidak ada kebetulan dalam kadar pembekuan air sejuk dan panas. Fenomena luar biasa sering muncul dalam kehidupan seharian.

Untuk masa yang lama, fenomena itu tidak dikaji dalam apa-apa cara dan tidak menimbulkan banyak minat di kalangan saintis.

Kajian mengenai kesan luar biasa itu bermula pada tahun 1963 apabila seorang pelajar yang ingin tahu dari Tanzania, Erasto Mpemba, menyedari bahawa susu panas untuk ais krim membeku lebih cepat daripada susu sejuk. Berharap mendapat penjelasan tentang sebab-sebab kesan luar biasa itu, pemuda itu bertanya kepada guru fiziknya di sekolah. Namun, guru itu hanya mentertawakannya.

Kemudian, Mpemba mengulangi eksperimen, tetapi dalam eksperimennya dia tidak lagi menggunakan susu, tetapi air, dan kesan paradoks diulang lagi.

6 tahun kemudian - pada tahun 1969, Mpemba bertanya soalan ini kepada profesor fizik Dennis Osborne yang datang ke sekolahnya. Profesor itu berminat dengan pemerhatian lelaki muda itu, akibatnya, eksperimen telah dijalankan, yang mengesahkan kehadiran kesannya, tetapi sebab-sebab fenomena ini tidak ditubuhkan.

Sejak itu, fenomena itu dipanggil Kesan Mpemba.

Sepanjang sejarah pemerhatian saintifik, banyak hipotesis telah dikemukakan mengenai punca fenomena tersebut.

Jadi pada tahun 2012, British Royal Chemical Society akan mengumumkan pertandingan untuk hipotesis yang menerangkan kesan Mpemba. Para saintis dari seluruh dunia mengambil bahagian dalam pertandingan itu, sebanyak 22,000 kertas saintifik telah didaftarkan. Walaupun jumlah artikel yang begitu mengagumkan, tiada satu pun daripada mereka menjelaskan paradoks Mpemba.

Versi yang paling biasa ialah air panas membeku lebih cepat, kerana ia hanya menyejat lebih cepat, isipadunya menjadi lebih kecil, dan apabila isipadu berkurangan, kadar penyejukannya meningkat. Versi yang paling biasa akhirnya dinafikan kerana percubaan telah dijalankan di mana penyejatan dikecualikan, dan kesannya bagaimanapun disahkan.

Para saintis lain percaya bahawa punca kesan Mpemba adalah penyejatan gas yang terlarut dalam air. Pada pendapat mereka, gas yang dibubarkan dalam air menguap semasa pemanasan, yang mana ia memperoleh ketumpatan yang lebih tinggi daripada air sejuk. Seperti yang anda ketahui, peningkatan ketumpatan membawa kepada perubahan dalam sifat fizikal air (peningkatan kekonduksian terma), dan, akibatnya, peningkatan dalam kadar penyejukan.

Di samping itu, beberapa hipotesis telah dikemukakan yang menerangkan kadar peredaran air sebagai fungsi suhu. Dalam banyak kajian, percubaan telah dibuat untuk mewujudkan hubungan antara bahan bekas di mana cecair itu berada. Banyak teori kelihatan sangat munasabah, tetapi tidak mungkin untuk mengesahkannya secara saintifik kerana kekurangan data awal, percanggahan dalam eksperimen lain, atau disebabkan fakta bahawa faktor yang didedahkan tidak dapat dibandingkan dengan kadar penyejukan air. Beberapa saintis dalam karya mereka mempersoalkan kewujudan kesannya.

Pada 2013, penyelidik di Universiti Teknologi Nanyang di Singapura berkata mereka telah menyelesaikan misteri kesan Mpemba. Menurut penyelidikan mereka, sebab fenomena itu terletak pada fakta bahawa jumlah tenaga yang disimpan dalam ikatan hidrogen antara molekul air sejuk dan panas adalah berbeza dengan ketara.

Kaedah simulasi komputer telah menunjukkan keputusan berikut: semakin tinggi suhu air, semakin jauh jarak antara molekul disebabkan oleh fakta bahawa daya tolakan meningkat. Akibatnya, ikatan hidrogen molekul diregangkan, menyimpan lebih banyak tenaga. Apabila disejukkan, molekul mula mendekati satu sama lain, melepaskan tenaga daripada ikatan hidrogen. Dalam kes ini, pelepasan tenaga disertai dengan penurunan suhu.

Pada Oktober 2017, ahli fizik Sepanyol dalam kajian seterusnya mendapati bahawa ia adalah penyingkiran jirim daripada keseimbangan (pemanasan kuat sebelum penyejukan kuat) memainkan peranan penting dalam pembentukan kesan. Mereka mengenal pasti keadaan di mana kemungkinan kesan yang paling besar. Di samping itu, saintis dari Sepanyol telah mengesahkan kewujudan kesan Mpemba yang bertentangan. Mereka mendapati bahawa apabila dipanaskan, sampel yang lebih sejuk boleh mencapai suhu tinggi lebih cepat daripada yang hangat.

Walaupun maklumat yang komprehensif dan banyak eksperimen, saintis berhasrat untuk terus mengkaji kesannya.

Kesan Mpemba dalam kehidupan sebenar

Pernahkah anda terfikir mengapa pada musim sejuk gelanggang ais dipenuhi air panas, dan tidak sejuk? Seperti yang anda sudah faham, mereka melakukan ini kerana gelanggang ais yang diisi dengan air panas akan membeku lebih cepat daripada jika ia diisi dengan air sejuk. Atas sebab yang sama, gelongsor di bandar ais musim sejuk dibanjiri dengan air panas.

Oleh itu, pengetahuan tentang kewujudan fenomena itu membolehkan orang ramai menjimatkan masa ketika menyediakan tapak untuk sukan musim sejuk.

Di samping itu, kesan Mpemba kadangkala digunakan dalam industri - untuk mengurangkan masa pembekuan makanan, bahan dan bahan yang mengandungi air.

Dalam artikel ini kita akan melihat persoalan mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk.

Air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk! Sifat air yang menakjubkan ini, yang saintis masih tidak dapat mencari penjelasan yang tepat, telah diketahui sejak zaman purba. Sebagai contoh, walaupun dalam Aristotle, terdapat perihalan memancing musim sejuk: nelayan memasukkan pancing ke dalam lubang di dalam ais, dan, supaya mereka lebih suka membeku, menuangkan air suam ke atas ais. Nama fenomena ini diberikan dengan nama Erasto Mpemba pada tahun 60-an abad XX. Mnemba menyedari kesan pelik semasa dia menyediakan ais krim, dan berpaling kepada guru fiziknya, Dr. Denis Osborne, untuk mendapatkan penjelasan. Mpemba dan Dr. Osborne bereksperimen dengan air dengan suhu yang berbeza dan membuat kesimpulan bahawa air yang hampir mendidih mula membeku lebih cepat daripada air pada suhu bilik. Para saintis lain menjalankan eksperimen mereka sendiri dan mendapat keputusan yang sama setiap kali.

Penjelasan tentang fenomena fizikal

Tiada penjelasan yang diterima umum mengapa ini berlaku. Ramai penyelidik mencadangkan bahawa ia adalah mengenai hipotermia cecair, yang berlaku apabila suhunya jatuh di bawah takat beku. Dalam erti kata lain, jika air membeku pada suhu di bawah 0 ° C, maka air sejuk super boleh mempunyai suhu, sebagai contoh, -2 ° C dan pada masa yang sama kekal cair tanpa bertukar menjadi ais. Apabila kita cuba membekukan air sejuk, ada kemungkinan ia akan menjadi supersejuk dan mengeras hanya selepas beberapa ketika. Proses lain berlaku dalam air yang dipanaskan. Perubahan yang lebih cepat menjadi ais dikaitkan dengan perolakan.

Perolakan- Ini adalah fenomena fizikal di mana lapisan bawah hangat cecair naik, dan lapisan atas, yang disejukkan, jatuh.

Salam sayang peminat fakta menarik. Hari ini kita akan bercakap tentang. Tetapi saya berpendapat bahawa soalan dalam tajuk itu mungkin kelihatan tidak masuk akal - tetapi haruskah seseorang sentiasa bergantung sepenuhnya pada "akal sehat" yang terkenal, dan bukan pengalaman ujian yang dirumuskan dengan ketat. Mari cuba fikirkan mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air sejuk?

Rujukan sejarah

Bahawa dalam isu pembekuan air sejuk dan panas "tidak semuanya bersih" disebutkan dalam tulisan Aristotle, maka catatan serupa dibuat oleh F. Bacon, R. Descartes dan J. Black. Dalam sejarah baru-baru ini, kesan ini telah dinamakan "paradoks Mpemba" - sempena nama pelajar dari Tanganyika, Erasto Mpemba, yang bertanya soalan yang sama kepada profesor fizik pelawat.

Soalan budak lelaki itu timbul bukan dari awal, tetapi dari pemerhatian peribadi semata-mata proses penyejukan campuran ais krim di dapur. Sudah tentu, rakan sekelas yang hadir di tempat yang sama bersama guru sekolah mentertawakan Mpemba - namun, selepas pengesahan eksperimen secara peribadi oleh Profesor D. Osborn, keinginan mereka untuk mengejek Erasto "melenyap" daripada mereka. Lebih-lebih lagi, Mpemboy, bersama seorang profesor pada tahun 1969 dalam Pendidikan Fizik, menerbitkan penerangan terperinci tentang kesan ini - dan sejak itu, nama di atas telah terperangkap dalam kesusasteraan saintifik.

Apakah intipati fenomena itu?

Tetapan eksperimen adalah agak mudah: semua perkara lain adalah sama, bekas berdinding nipis yang sama diuji, di mana terdapat jumlah air yang sama, hanya berbeza dalam suhu. Kapal-kapal itu dimuatkan ke dalam peti sejuk, selepas itu masa sehingga pembentukan ais dalam setiap daripada mereka direkodkan. Paradoksnya ialah dalam bekas dengan cecair yang pada mulanya lebih panas, ini berlaku lebih cepat.

Bagaimanakah fizik moden menjelaskan perkara ini?

Paradoks tidak mempunyai penjelasan universal, kerana beberapa proses selari berjalan bersama-sama, sumbangannya mungkin berbeza daripada keadaan awal tertentu - tetapi dengan hasil yang seragam:

• keupayaan cecair untuk hipotermia - pada mulanya air sejuk lebih terdedah kepada hipotermia, i.e. kekal cair apabila suhunya sudah di bawah takat beku
• penyejukan dipercepatkan - wap dari air panas diubah menjadi mikrokristal ais, yang, apabila jatuh ke belakang, mempercepatkan proses, berfungsi sebagai "penukar haba luaran" tambahan
• kesan penebat - tidak seperti air panas, air sejuk membeku dari atas, yang membawa kepada penurunan pemindahan haba melalui perolakan dan sinaran

Terdapat beberapa penjelasan lain (kali terakhir pertandingan untuk hipotesis terbaik diadakan oleh British Royal Chemical Society baru-baru ini, pada tahun 2012) - tetapi teori yang tidak jelas untuk semua kes kombinasi keadaan input masih tidak wujud .. .