น้ำจะหยุดทันที ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

ในบทความนี้เราจะมาดูคำถามที่ว่าทำไมน้ำร้อนถึงค้างเร็วกว่าน้ำเย็น

น้ำร้อนแช่แข็งเร็วกว่าน้ำเย็นมาก! คุณสมบัติอันน่าทึ่งของน้ำซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังคงไม่สามารถหาคำอธิบายที่แน่นอนได้ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วตั้งแต่สมัยโบราณ ตัวอย่างเช่น แม้แต่ในอริสโตเติลก็มีคำอธิบายเกี่ยวกับการตกปลาในฤดูหนาว: ชาวประมงสอดคันเบ็ดเข้าไปในรูในน้ำแข็ง และเพื่อให้พวกเขาค่อนข้างแข็งในนั้น ให้เทน้ำอุ่นลงบนน้ำแข็ง ชื่อของปรากฏการณ์นี้ได้รับจากชื่อ Erasto Mpemba ในยุค 60 ของศตวรรษที่ XX Mnemba สังเกตเห็นผลกระทบแปลก ๆ เมื่อเขาเตรียมไอศกรีม และหันไปหาอาจารย์ฟิสิกส์ ดร. เดนิส ออสบอร์น เพื่อขอคำอธิบาย Mpemba และ Dr. Osborne ทดลองกับน้ำที่มีอุณหภูมิต่างกัน และสรุปได้ว่าน้ำที่เดือดเกือบเริ่มแข็งตัวเร็วกว่าน้ำที่อุณหภูมิห้องมาก นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ทำการทดลองของตัวเองและได้ผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงกันในแต่ละครั้ง

คำอธิบายของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

ไม่มีคำอธิบายที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้น นักวิจัยหลายคนแนะนำว่ามันเป็นเรื่องของอุณหภูมิของของเหลว ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 ° C น้ำที่ระบายความร้อนด้วยยิ่งยวดสามารถมีอุณหภูมิได้ เช่น -2 ° C และในขณะเดียวกันก็ยังคงเป็นของเหลวโดยไม่เปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง เมื่อเราพยายามทำให้น้ำเย็นเป็นน้ำแข็ง มีโอกาสที่น้ำจะเย็นจัดและแข็งตัวในขั้นแรกหลังจากผ่านไปครู่หนึ่ง กระบวนการอื่นๆ เกิดขึ้นในน้ำร้อน การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของมันเป็นน้ำแข็งเกี่ยวข้องกับการพาความร้อน

การพาความร้อน- นี่เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ชั้นล่างที่อบอุ่นของของเหลวเพิ่มขึ้น และชั้นบนที่เย็นแล้วตกลงมา

ดูเหมือนว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำร้อน เนื่องจากภายใต้สภาวะที่เท่ากัน น้ำร้อนจะใช้เวลานานกว่าเพื่อทำให้เย็นลงและแข็งตัวในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตาม การสังเกตการณ์พันปีและการทดลองสมัยใหม่ได้แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น Sciencium อธิบายปรากฏการณ์นี้:

ดังที่อธิบายไว้ในวิดีโอด้านบน ปรากฏการณ์ของการแข็งตัวของน้ำร้อนเร็วกว่าน้ำเย็นเรียกว่าเอฟเฟกต์ Mpemba ซึ่งตั้งชื่อตาม Erasto Mpemba นักเรียนชาวแทนซาเนียที่ทำไอศกรีมในปี 1963 โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการของโรงเรียน นักเรียนต้องนำส่วนผสมของครีมและน้ำตาลไปต้ม ปล่อยให้เย็นแล้วนำไปแช่ช่องฟรีซ

แต่ Erasto จะใส่ส่วนผสมทันทีโดยร้อนโดยไม่ต้องรอให้เย็น เป็นผลให้หลังจาก 1.5 ชั่วโมงส่วนผสมของเขาถูกแช่แข็งแล้ว แต่ส่วนผสมของนักเรียนคนอื่นไม่ได้ ด้วยความสนใจในปรากฏการณ์นี้ Mpemba เริ่มศึกษาเรื่องนี้กับศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Denis Osborne และในปี 1969 พวกเขาได้ตีพิมพ์บทความที่ระบุว่าน้ำอุ่นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น นี่เป็นการศึกษาครั้งแรกที่มีการตรวจสอบโดยเพื่อน แต่ปรากฏการณ์นี้ถูกกล่าวถึงในเอกสารของอริสโตเติลย้อนหลังไปถึงศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช NS. ฟรานซิส เบคอนและเดส์การตส์ยังตั้งข้อสังเกตถึงปรากฏการณ์นี้ในการศึกษาของพวกเขาด้วย

วิดีโอแสดงรายการตัวเลือกต่างๆ สำหรับการอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น:

1. ฟรอสต์เป็นไดอิเล็กทริก ดังนั้นน้ำเย็นจัดจึงเก็บความร้อนได้ดีกว่าแก้วอุ่นซึ่งละลายน้ำแข็งเมื่อสัมผัสกับมัน
2. มีก๊าซที่ละลายในน้ำเย็นมากกว่าน้ำอุ่น และนักวิจัยคาดการณ์ว่าอาจมีผลต่ออัตราการเย็นตัวลง แม้ว่าจะยังไม่แน่ชัดว่าเป็นอย่างไร
3. น้ำร้อนสูญเสียโมเลกุลของน้ำมากขึ้นเนื่องจากการระเหย จึงเหลือให้แช่แข็งน้อยลง
4. น้ำอุ่นสามารถทำให้เย็นลงได้เร็วขึ้นโดยการเพิ่มกระแสหมุนเวียน กระแสน้ำเหล่านี้เกิดขึ้นเพราะอย่างแรกเลย น้ำในแก้วเย็นลงที่พื้นผิวและด้านข้าง ทำให้น้ำเย็นจมและน้ำร้อนขึ้น ในแก้วอุ่น กระแสหมุนเวียนจะทำงานมากกว่า ซึ่งอาจส่งผลต่ออัตราการทำความเย็น

อย่างไรก็ตาม การศึกษาที่มีการควบคุมอย่างรอบคอบได้ดำเนินการในปี 2016 ซึ่งแสดงให้เห็นในทางตรงกันข้าม น้ำร้อนแช่แข็งช้ากว่าน้ำเย็นมาก ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นว่าการเปลี่ยนตำแหน่งของเทอร์โมคัปเปิล ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่กำหนดอุณหภูมิที่ลดลง เพียงแค่หนึ่งเซนติเมตรก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์ Mpemba การศึกษางานอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันแสดงให้เห็นว่าในทุกกรณีเมื่อสังเกตผลกระทบนี้ มีการเคลื่อนตัวของเทอร์โมคัปเปิลภายในหนึ่งเซนติเมตร

British Royal Society of Chemistry มอบรางวัล 1,000 ปอนด์ให้กับทุกคนที่สามารถอธิบายทางวิทยาศาสตร์ว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นในบางกรณี

“วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ยังคงไม่สามารถตอบคำถามง่ายๆ นี้ได้ ผู้ผลิตไอศกรีมและบาร์เทนเดอร์ใช้เอฟเฟกต์นี้ในการทำงานประจำวัน แต่ไม่มีใครรู้จริงๆ ว่าทำไมมันถึงได้ผล ปัญหานี้เป็นที่รู้จักมานานนับพันปี นักปรัชญาเช่นอริสโตเติลและเดส์การตไตร่ตรองเกี่ยวกับปัญหานี้” ศาสตราจารย์เดวิดฟิลิปส์ประธานสมาคมเคมีแห่งอังกฤษกล่าวในการแถลงข่าวจากสมาคม

พ่อครัวจากแอฟริกาเอาชนะศาสตราจารย์ฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้อย่างไร

นี่ไม่ใช่มุกตลกของ April Fool แต่เป็นเรื่องจริงทางกายภาพที่รุนแรง วิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ซึ่งทำงานกับกาแลคซี่และหลุมดำได้อย่างง่ายดาย สร้างเครื่องเร่งความเร็วขนาดยักษ์เพื่อค้นหาควาร์กและโบซอน ไม่สามารถอธิบายได้ว่าน้ำพื้นฐาน "ทำงาน" อย่างไร หนังสือเรียนของโรงเรียนระบุไว้อย่างชัดเจนว่าร่างกายที่อุ่นกว่าใช้เวลาในการระบายความร้อนนานกว่าร่างกายที่เย็นกว่า แต่สำหรับน้ำ กฎข้อนี้ไม่ได้ถูกปฏิบัติตามเสมอไป อริสโตเติลดึงความสนใจไปที่ความขัดแย้งนี้ในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาล NS. นี่​เป็น​สิ่ง​ที่​ชาว​กรีก​โบราณ​เขียน​ใน​หนังสือ Meteorologica I: “การ​อุ่น​น้ำ​ก่อน​นั้น​ก็​ทำ​ให้​เป็น​น้ำแข็ง. ดังนั้นหลายคนเมื่อต้องการทำให้น้ำร้อนเย็นลงอย่างรวดเร็วก่อนอื่นให้นำไปตากแดด ... ” ในยุคกลาง Francis Bacon และ Rene Descartes พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้ อนิจจา ทั้งนักปรัชญาผู้ยิ่งใหญ่ หรือนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่พัฒนาฟิสิกส์เชิงความร้อนแบบคลาสสิกไม่ประสบความสำเร็จในเรื่องนี้ ดังนั้นข้อเท็จจริงที่ไม่สะดวกนี้จึง "ถูกลืม" ไปเป็นเวลานาน

และในปี 1968 พวกเขา "จำได้" ต้องขอบคุณเด็กนักเรียน Erasto Mpemba จากแทนซาเนียซึ่งห่างไกลจากวิทยาศาสตร์ใด ๆ ขณะเรียนอยู่ที่โรงเรียนศิลปะ ในปี 1963 Mpembe อายุ 13 ปีได้รับมอบหมายให้ทำไอศกรีม ตามเทคโนโลยี จำเป็นต้องต้มนม ละลายน้ำตาล เทลงในอุณหภูมิห้อง แล้วนำไปแช่ตู้เย็นเพื่อแช่แข็ง เห็นได้ชัดว่า Mpemba ไม่ใช่นักเรียนที่ขยันขันแข็งและลังเลใจ ด้วยกลัวว่าเขาจะไม่ทันเรียนจบ เขาจึงเอานมร้อนใส่ตู้เย็น ที่ทำให้เขาประหลาดใจ มันแข็งตัวเร็วกว่านมของสหายของเขา ซึ่งเตรียมตามกฎทั้งหมด

เมื่อ Mpemba แบ่งปันสิ่งที่ค้นพบกับครูสอนฟิสิกส์ เขาล้อเลียนเขาต่อหน้าทั้งชั้นเรียน Mpemba จำความเจ็บปวดได้ ห้าปีต่อมา เขาเป็นนักศึกษาที่มหาวิทยาลัยในดาร์เอสซาลามอยู่แล้ว เขาอยู่ในการบรรยายโดยเดนิส จี. ออสบอร์น นักฟิสิกส์ชื่อดัง หลังจากการบรรยาย เขาถามคำถามนักวิทยาศาสตร์ว่า: “ถ้าคุณเอาภาชนะที่เหมือนกันสองถังที่มีน้ำปริมาณเท่ากัน อันหนึ่งที่อุณหภูมิ 35 ° C (95 ° F) และอีกอันที่ 100 ° C (212 ° F) แล้วใส่ ในช่องแช่แข็งจากนั้นน้ำในภาชนะร้อนจะแช่แข็งเร็วขึ้น ทำไม?" คุณสามารถจินตนาการถึงปฏิกิริยาของศาสตราจารย์ชาวอังกฤษต่อคำถามของชายหนุ่มจากแทนซาเนียที่พระเจ้าทอดทิ้ง เขาล้อเลียนนักเรียน อย่างไรก็ตาม Mpemba พร้อมสำหรับคำตอบดังกล่าวและท้าทายนักวิทยาศาสตร์ให้เดิมพัน ข้อพิพาทของพวกเขาจบลงด้วยการทดสอบทดลองที่ยืนยันความถูกต้องของ Mpemba และความพ่ายแพ้ของออสบอร์น ดังนั้นลูกศิษย์แม่ครัวจึงจารึกชื่อของเขาไว้ในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ และต่อจากนี้ไปปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "เอฟเฟกต์เมมบา" ให้ทิ้งไป ประกาศราวกับว่า "ไม่มีอยู่จริง" ไม่ทำงาน ปรากฏการณ์นี้มีอยู่จริงและตามที่กวีเขียนไว้ว่า "ไม่ใช่กับฟัน"

ฝุ่นและตัวทำละลายเป็นโทษหรือไม่?

หลายปีที่ผ่านมา หลายคนพยายามไขความลึกลับของน้ำที่เยือกแข็ง มีการเสนอคำอธิบายทั้งหมดสำหรับปรากฏการณ์นี้: การระเหย การพาความร้อน อิทธิพลของตัวถูกละลาย - แต่ไม่มีปัจจัยใดที่ถือว่าสิ้นสุด นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งได้อุทิศทั้งชีวิตให้กับเอฟเฟกต์ Mpemba ที่แผนกความปลอดภัยทางรังสีของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนิวยอร์ก เจมส์ บราวน์ริดจ์ได้ศึกษาเกี่ยวกับความขัดแย้งในเวลาว่างมานานกว่าทศวรรษ หลังจากทำการทดลองหลายร้อยครั้ง นักวิทยาศาสตร์อ้างว่ามีหลักฐานของ "ความผิด" ของภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติ บราวน์ริดจ์อธิบายว่าที่ 0 ° C น้ำจะเย็นมากเท่านั้น และเริ่มแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าปกติ จุดเยือกแข็งถูกควบคุมโดยสิ่งสกปรกในน้ำ ซึ่งจะเปลี่ยนอัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง สิ่งเจือปน ได้แก่ เม็ดฝุ่น แบคทีเรีย และเกลือที่ละลายน้ำ มีอุณหภูมิของนิวเคลียสที่เป็นลักษณะเฉพาะสำหรับพวกมัน เมื่อเกิดผลึกน้ำแข็งขึ้นรอบๆ จุดศูนย์กลางของการตกผลึก เมื่อมีองค์ประกอบหลายอย่างในน้ำพร้อมกัน จุดเยือกแข็งจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบที่มีอุณหภูมินิวเคลียสสูงสุด

สำหรับการทดลอง Brownridge ได้เก็บตัวอย่างน้ำสองตัวอย่างที่มีอุณหภูมิเท่ากันและนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง เขาพบว่าตัวอย่างชิ้นหนึ่งมักจะแข็งตัวก่อนอีกชิ้นหนึ่งเสมอ - น่าจะเป็นเพราะส่วนผสมที่แตกต่างกันของสารเจือปน

Brownridge อ้างว่าน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำกับช่องแช่แข็งที่มากขึ้น - ช่วยให้ถึงจุดเยือกแข็งก่อนที่น้ำเย็นจะถึงจุดเยือกแข็งตามธรรมชาติ ซึ่งต่ำกว่าอย่างน้อย 5 ° C

อย่างไรก็ตาม การให้เหตุผลของ Brownridge ทำให้เกิดคำถามมากมาย ดังนั้นผู้ที่สามารถอธิบายผลกระทบของ Mpemba ในแบบของพวกเขาเองมีโอกาสที่จะแข่งขันเพื่อเงินหนึ่งพันปอนด์จาก British Royal Chemical Society

น้ำเป็นของเหลวที่น่าทึ่งที่สุดในโลกชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติไม่ธรรมดา ตัวอย่างเช่น น้ำแข็งเป็นสถานะของแข็งของของเหลว มีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่าตัวน้ำ ซึ่งทำให้การเกิดขึ้นและการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตบนโลกเป็นไปได้หลายประการ นอกจากนี้ในวิทยาศาสตร์หลอกและแม้แต่ในโลกวิทยาศาสตร์ก็มีการอภิปรายเกี่ยวกับน้ำที่แข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น ใครก็ตามที่พิสูจน์การแช่แข็งของเหลวร้อนได้เร็วขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการและยืนยันการตัดสินใจของพวกเขาในทางวิทยาศาสตร์ จะได้รับรางวัล 1,000 ปอนด์จาก British Royal Society of Chemists

ประวัติของปัญหา

ความจริงที่ว่าเมื่อปฏิบัติตามเงื่อนไขหลายประการ น้ำร้อนจะเร็วกว่าน้ำเย็นในแง่ของอัตราการเยือกแข็ง สังเกตได้ในยุคกลาง ฟรานซิส เบคอนและเรเน่ เดส์การตส์พยายามอย่างเต็มที่เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของวิศวกรรมการทำความร้อนแบบคลาสสิก ความขัดแย้งนี้ไม่สามารถอธิบายได้ และพวกเขาพยายามที่จะปิดปากเกี่ยวกับเรื่องนี้อย่างเขินอาย แรงผลักดันให้เกิดความขัดแย้งต่อไปเป็นเรื่องราวที่ค่อนข้างแปลกซึ่งเกิดขึ้นกับ Erasto Mpemba เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียในปี 2506 ครั้งหนึ่ง ระหว่างเรียนทำขนมที่โรงเรียนสอนทำอาหาร เด็กชายซึ่งฟุ้งซ่านจากเรื่องภายนอก ไม่มีเวลาทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงทันเวลาและใส่น้ำตาลร้อนในนมลงในช่องแช่แข็ง ด้วยความประหลาดใจของเขา ผลิตภัณฑ์เย็นตัวเร็วกว่าเพื่อนฝึกหัดเล็กน้อย โดยสังเกตจากอุณหภูมิในการทำไอศกรีม

ด้วยความพยายามที่จะเข้าใจแก่นแท้ของปรากฏการณ์ เด็กชายจึงหันไปหาครูสอนฟิสิกส์ของเขา ผู้ซึ่งเย้ยหยันการทดลองทำอาหารของเขาโดยไม่ลงรายละเอียด อย่างไรก็ตาม Erasto โดดเด่นด้วยความพากเพียรที่น่าอิจฉาและยังคงทำการทดลองต่อไปโดยไม่ใช้นม แต่ด้วยน้ำ เขามั่นใจว่าในบางกรณีน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

หลังจากเข้ามหาวิทยาลัยดาร์เอสซาลามแล้ว Erasto Mpembe ได้เข้าร่วมการบรรยายโดยศาสตราจารย์เดนนิส จี. ออสบอร์น หลังจากสำเร็จการศึกษา นักเรียนทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยกับปัญหาอัตราการแช่แข็งของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน ดีจี ออสบอร์นเย้ยหยันคำถามนั้นเอง โดยระบุด้วยความมั่นใจในตนเองว่านักเรียนที่ยากจนทุกคนรู้ว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ความดื้อรั้นตามธรรมชาติของชายหนุ่มทำให้รู้สึกได้ เขาพนันกับศาสตราจารย์โดยเสนอที่นี่ในห้องปฏิบัติการเพื่อทำการทดสอบทดลอง Erasto วางภาชนะบรรจุน้ำสองตู้ในช่องแช่แข็ง อันหนึ่งที่อุณหภูมิ 95 ° F (35 ° C) และอีก 212 ° F (100 ° C) ลองนึกภาพความประหลาดใจของศาสตราจารย์และ "แฟน" โดยรอบเมื่อน้ำในภาชนะที่สองแข็งตัวเร็วขึ้น ตั้งแต่นั้นมา ปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า "Mpemba Paradox"

อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีสมมติฐานทางทฤษฎีที่สอดคล้องกันที่อธิบาย "Mpemba Paradox" ยังไม่ชัดเจนว่าปัจจัยภายนอก องค์ประกอบทางเคมีของน้ำ การปรากฏตัวของก๊าซและแร่ธาตุที่ละลายในน้ำนั้น ส่งผลต่ออัตราการเยือกแข็งของของเหลวที่อุณหภูมิต่างกันอย่างไร ความขัดแย้งของ "เอฟเฟกต์ Mpemba" คือมันขัดแย้งกับกฎข้อใดข้อหนึ่งที่ I. Newton ค้นพบ ซึ่งระบุว่าเวลาในการหล่อเย็นของน้ำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อม และหากของเหลวอื่น ๆ ทั้งหมดปฏิบัติตามกฎหมายนี้อย่างสมบูรณ์ ในบางกรณีน้ำก็เป็นข้อยกเว้น

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วขึ้นNS

มีหลายรุ่นที่ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น คนหลักคือ:

• น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นในขณะที่ปริมาตรลดลงและของเหลวที่มีปริมาตรน้อยกว่าจะเย็นลงเร็วขึ้น - เมื่อน้ำเย็นจาก +100 ° C ถึง 0 ° C การสูญเสียปริมาตรที่ความดันบรรยากาศถึง 15%
• ความเข้มของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อมยิ่งสูง ความแตกต่างของอุณหภูมิยิ่งมากขึ้น ดังนั้นการสูญเสียความร้อนของน้ำเดือดจะผ่านไปเร็วขึ้น
• เมื่อน้ำร้อนเย็นตัวลงเปลือกน้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวซึ่งป้องกันไม่ให้ของเหลวแข็งตัวและระเหยอย่างสมบูรณ์
• ที่อุณหภูมิสูงจะเกิดการพาความร้อนผสมซึ่งช่วยลดเวลาในการแช่แข็ง
• ก๊าซที่ละลายในน้ำจะลดจุดเยือกแข็ง นำพลังงานออกไปสำหรับการตกผลึก - ไม่มีก๊าซที่ละลายในน้ำร้อน

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการทดสอบซ้ำแล้วซ้ำเล่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน David Auerbach พบว่าอุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนนั้นสูงกว่าอุณหภูมิของน้ำเย็นเล็กน้อย ซึ่งทำให้อุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนเร็วขึ้นเล็กน้อย อย่างไรก็ตามภายหลังการทดลองของเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์และนักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" ที่น้ำแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็นสามารถทำซ้ำได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้นการค้นหาและข้อกำหนดซึ่งจนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครมีส่วนร่วม

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อการที่น้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น ร้อนหรือเย็น แต่คำถามก็ดูแปลกไปเล็กน้อย เป็นที่ทราบโดยนัยและเป็นที่ทราบกันดีจากฟิสิกส์ว่าน้ำร้อนยังคงต้องใช้เวลาในการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิของน้ำเย็นที่เทียบเท่ากันเพื่อเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ในน้ำเย็นสามารถข้ามขั้นตอนนี้ได้และดังนั้นจึงชนะได้ทันเวลา

แต่คำตอบสำหรับคำถามที่น้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน - ข้างนอกในน้ำค้างแข็งรู้ว่าผู้อาศัยในละติจูดเหนือ ในความเป็นจริง ในทางวิทยาศาสตร์ ปรากฎว่าในกรณีใด ๆ น้ำเย็นก็ต้องแข็งตัวเร็วขึ้น

ครูสอนฟิสิกส์ซึ่งได้รับการติดต่อจากนักเรียนชาย Erasto Mpemba ในปี 2506 พร้อมคำขอให้อธิบายว่าทำไมไอศกรีมที่ผสมความเย็นในอนาคตจึงแข็งตัวนานกว่าไอศกรีมที่คล้ายคลึงกันแต่ร้อน คิดแบบเดียวกัน

"นี่ไม่ใช่ฟิสิกส์โลก แต่เป็นฟิสิกส์ของ Mpemba"

ในขณะนั้นครูเพียงหัวเราะเยาะเรื่องนี้ แต่เดนิส ออสบอร์น ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่ครั้งหนึ่งเคยหยุดอยู่ที่โรงเรียนเดียวกันกับที่อีราสโตศึกษาอยู่ ได้ทดลองยืนยันการมีอยู่ของผลกระทบดังกล่าว แม้ว่าจะยังไม่มีคำอธิบายในเรื่องนี้ก็ตาม ในปี 1969 วารสารทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับความนิยมได้ตีพิมพ์บทความร่วมโดยคนสองคนนี้ซึ่งบรรยายถึงผลกระทบที่แปลกประหลาดนี้

ตั้งแต่นั้นมา คำถามที่ว่าน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น - มีชื่อเป็นของตัวเอง - เอฟเฟกต์หรือความขัดแย้งของ Mpemba

เกิดคำถามมานาน

โดยธรรมชาติแล้วปรากฏการณ์ดังกล่าวเคยเกิดขึ้นมาก่อนและถูกกล่าวถึงในผลงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ไม่เพียงแต่เด็กนักเรียนเท่านั้นที่สนใจเรื่องนี้ แต่ Rene Descartes และแม้แต่อริสโตเติลก็คิดถึงเรื่องนี้ในช่วงเวลาของพวกเขา

นี่เป็นเพียงแนวทางในการแก้ไขความขัดแย้งนี้เริ่มที่จะมองเฉพาะเมื่อปลายศตวรรษที่ยี่สิบเท่านั้น

เงื่อนไขสำหรับความขัดแย้งที่จะเกิดขึ้น

เช่นเดียวกับไอศกรีม ไม่ใช่แค่น้ำธรรมดาที่แข็งตัวระหว่างการทดลอง ต้องมีเงื่อนไขบางประการเพื่อที่จะเริ่มโต้เถียงว่าน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน สิ่งที่มีอิทธิพลต่อกระบวนการนี้?

ในศตวรรษที่ 21 มีการเสนอทางเลือกหลายทางที่สามารถอธิบายความขัดแย้งนี้ได้ ซึ่งน้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น ร้อนหรือเย็น ขึ้นอยู่กับว่าจะมีอัตราการระเหยที่เร็วกว่าน้ำเย็น ดังนั้นปริมาตรของมันจึงลดลงและด้วยปริมาตรที่ลดลง เวลาในการแช่แข็งจะสั้นกว่าถ้าเราใช้ปริมาตรน้ำเย็นเริ่มต้นที่ใกล้เคียงกัน

ละลายน้ำแข็งในช่องแช่แข็งเป็นเวลานาน

น้ำชนิดใดที่แข็งตัวเร็วกว่า และเหตุใดจึงเกิดขึ้น อาจได้รับอิทธิพลจากซับในหิมะที่สามารถพบได้ในช่องแช่แข็งของตู้เย็นที่ใช้สำหรับการทดลอง หากคุณนำภาชนะสองใบที่มีปริมาตรเท่ากัน แต่หนึ่งในนั้นบรรจุน้ำร้อน และอีกถังหนึ่งมีน้ำเย็น ภาชนะที่มีน้ำร้อนจะทำให้หิมะละลายภายใต้นั้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการสัมผัสของระดับความร้อนกับผนังของ ตู้เย็น. ภาชนะน้ำเย็นไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ หากไม่มีหิมะปกคลุมในช่องแช่เย็น น้ำเย็นควรแข็งตัวเร็วขึ้น

บน-ล่าง

นอกจากนี้ยังมีการอธิบายปรากฏการณ์ที่น้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็นได้ดังนี้ ตามกฎหมายบางข้อ น้ำเย็นจะเริ่มแข็งตัวจากชั้นบน เมื่อน้ำร้อนทำอย่างอื่น - น้ำเย็นจะเริ่มแข็งตัวจากล่างขึ้นบน ในกรณีนี้ปรากฎว่าน้ำเย็นที่มีชั้นเย็นอยู่ด้านบนที่มีน้ำแข็งก่อตัวขึ้นในสถานที่ต่างๆ ซึ่งทำให้กระบวนการพาความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนแย่ลง ดังนั้นจึงอธิบายว่าน้ำใดจะหยุดเร็วขึ้น - เย็นหรือร้อน แนบภาพถ่ายจากการทดลองมือสมัครเล่นและมองเห็นได้ชัดเจนที่นี่

ความร้อนออกไป พุ่งสูงขึ้น และพบกับชั้นที่เย็นมาก ไม่มีเส้นทางอิสระสำหรับการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้นกระบวนการทำความเย็นจึงกลายเป็นเรื่องยาก น้ำร้อนไม่มีสิ่งกีดขวางในทางของมันอย่างแน่นอน อันไหนที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อนซึ่งผลลัพธ์ที่น่าจะขึ้นอยู่กับคุณสามารถขยายคำตอบโดยข้อเท็จจริงที่ว่าน้ำใด ๆ มีสารบางอย่างละลายอยู่ในนั้น

สิ่งเจือปนในน้ำเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อผลลัพธ์

หากคุณไม่โกงและใช้น้ำที่มีองค์ประกอบเหมือนกัน โดยที่ความเข้มข้นของสารบางชนิดเหมือนกัน น้ำเย็นก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น แต่ถ้าเกิดสถานการณ์ขึ้นเมื่อองค์ประกอบทางเคมีที่ละลายน้ำมีเฉพาะในน้ำร้อนและน้ำเย็นไม่มีธาตุนั้น มีโอกาสที่น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าตัวถูกละลายในน้ำสร้างศูนย์กลางการตกผลึก และด้วยศูนย์เหล่านี้จำนวนน้อย การเปลี่ยนแปลงของน้ำให้เป็นสถานะของแข็งจึงเป็นเรื่องยาก แม้กระทั่งการระบายความร้อนด้วยน้ำมากเกินไป ในแง่ที่ว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ น้ำจะอยู่ในสถานะของเหลว

แต่เห็นได้ชัดว่าทุกรุ่นเหล่านี้ไม่เหมาะกับนักวิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์และพวกเขายังคงทำงานเกี่ยวกับเรื่องนี้ต่อไป ในปี 2013 ทีมนักวิจัยในสิงคโปร์กล่าวว่าพวกเขาได้ไขปริศนาเก่าแก่

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวจีนให้เหตุผลว่าความลับของผลกระทบนี้อยู่ที่ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ระหว่างโมเลกุลของน้ำในพันธะ ซึ่งเรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

เบาะแสจากนักวิทยาศาสตร์ชาวจีน

ตามด้วยข้อมูลเพื่อทำความเข้าใจว่าจำเป็นต้องมีความรู้ทางเคมีบ้าง เพื่อหาว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น อย่างที่คุณทราบ มันประกอบด้วยอะตอม H (ไฮโดรเจน) สองอะตอม และอะตอม O (ออกซิเจน) หนึ่งอะตอม ยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะโควาเลนต์

แต่อะตอมของไฮโดรเจนของโมเลกุลหนึ่งก็ถูกดึงดูดไปยังโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงไปยังส่วนประกอบออกซิเจนของพวกมัน พันธะเหล่านี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

ควรจำไว้ว่าในเวลาเดียวกันโมเลกุลของน้ำก็น่ารังเกียจซึ่งกันและกัน นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าเมื่อน้ำร้อนขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น และนี่เป็นเพราะแรงผลัก ปรากฎว่าการครอบครองระยะห่างระหว่างโมเลกุลในสถานะเย็น บางคนอาจพูดว่า พวกมันยืดออก และพวกมันมีแหล่งพลังงานมากกว่า เป็นการสะสมพลังงานนี้ที่ปล่อยออกมาเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มเข้าหากันนั่นคือการระบายความร้อนเกิดขึ้น ปรากฎว่าแหล่งพลังงานที่มากขึ้นในน้ำร้อน และการปลดปล่อยมากขึ้นเมื่อถูกทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าศูนย์ เกิดขึ้นได้เร็วกว่าในน้ำเย็นซึ่งมีพลังงานน้อยกว่านี้ น้ำชนิดใดที่แข็งตัวเร็วกว่า - เย็นหรือร้อน? บนถนนและในห้องปฏิบัติการ ความขัดแย้งของ Mpemba ควรเกิดขึ้น และน้ำร้อนควรกลายเป็นน้ำแข็งเร็วขึ้น

แต่คำถามก็ยังเปิดอยู่

มีเพียงการยืนยันทางทฤษฎีของเบาะแสนี้ - ทั้งหมดนี้เขียนด้วยสูตรที่สวยงามและดูเหมือนเป็นไปได้ แต่เมื่อข้อมูลการทดลองซึ่งน้ำแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็นถูกนำไปใช้ในทางปฏิบัติและนำเสนอผลลัพธ์แล้วคำถามของ Mpemba Paradox ก็ถือได้ว่าปิด