จะแช่แข็งเร็วขึ้นหรือเย็นลง ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

น้ำเป็นของเหลวที่น่าทึ่งที่สุดในโลกชนิดหนึ่ง ซึ่งมีคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดา ตัวอย่างเช่น น้ำแข็ง - สถานะของแข็งของของเหลว มีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่าตัวน้ำ ซึ่งทำให้การเกิดขึ้นและการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตบนโลกเป็นไปได้หลายวิธี นอกจากนี้ ในโลกวิทยาศาสตร์ที่ใกล้เคียงกัน และแท้จริงแล้วยังมีการถกเถียงกันว่าน้ำใดจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น ใครก็ตามที่พิสูจน์ได้ว่าของเหลวร้อนแช่แข็งเร็วขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการและยืนยันการตัดสินใจของเขาในทางวิทยาศาสตร์ จะได้รับรางวัล 1,000 ปอนด์จาก British Royal Society of Chemists

พื้นหลัง

ข้อเท็จจริงที่ว่า ภายใต้เงื่อนไขหลายประการ น้ำร้อนนำหน้าน้ำเย็นในแง่ของอัตราการเยือกแข็ง สังเกตได้ในยุคกลาง Francis Bacon และ René Descartes ได้พยายามอย่างมากในการอธิบายปรากฏการณ์นี้ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของวิศวกรรมความร้อนแบบคลาสสิก ความขัดแย้งนี้ไม่สามารถอธิบายได้ และพวกเขาพยายามปิดบังเรื่องนี้อย่างเขินอาย แรงผลักดันให้เกิดการโต้แย้งกันต่อไปเป็นเรื่องราวที่ค่อนข้างแปลกซึ่งเกิดขึ้นกับเด็กนักเรียนชาวแทนซาเนีย Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) ในปี 1963 ครั้งหนึ่ง ระหว่างเรียนทำขนมที่โรงเรียนสอนทำอาหาร เด็กชายคนหนึ่งซึ่งถูกฟุ้งซ่านจากสิ่งอื่นไม่มีเวลาทำให้ส่วนผสมไอศกรีมเย็นลงทันเวลาและใส่สารละลายน้ำตาลในนมร้อนลงในช่องแช่แข็ง ทำให้เขาประหลาดใจที่ผลิตภัณฑ์เย็นตัวเร็วกว่าเพื่อนฝึกหัดที่สังเกตอุณหภูมิในการทำไอศกรีม

ด้วยความพยายามที่จะเข้าใจแก่นแท้ของปรากฏการณ์ เด็กชายจึงหันไปหาครูสอนฟิสิกส์ที่เยาะเย้ยการทดลองทำอาหารของเขาโดยไม่ลงรายละเอียด อย่างไรก็ตาม Erasto โดดเด่นด้วยความพากเพียรที่น่าอิจฉาและทำการทดลองต่อไปไม่ได้เกี่ยวกับนมอีกต่อไป แต่ทำกับน้ำ เขาทำให้แน่ใจว่าในบางกรณีน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

เมื่อเข้าสู่มหาวิทยาลัยดาร์ เอส ซาลาม Erasto Mpembe เข้าร่วมการบรรยายโดยศาสตราจารย์เดนนิส จี. ออสบอร์น หลังจากสำเร็จการศึกษานักเรียนทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยกับปัญหาอัตราการแช่แข็งของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดีจี ออสบอร์นเย้ยหยันการถามคำถามโดยระบุด้วยความมั่นใจในตนเองว่าผู้แพ้รู้ว่าน้ำเย็นจะแข็งตัวเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ความดื้อรั้นตามธรรมชาติของชายหนุ่มทำให้รู้สึกได้ เขาเดิมพันกับศาสตราจารย์โดยเสนอให้ทำการทดสอบทดลองที่นี่ในห้องปฏิบัติการ Erasto วางภาชนะบรรจุน้ำสองตู้ในช่องแช่แข็ง อันหนึ่งที่อุณหภูมิ 95 °F (35 °C) และอีกกล่องหนึ่งที่อุณหภูมิ 212 °F (100°C) ศาสตราจารย์และ "แฟน" โดยรอบประหลาดใจอย่างไรเมื่อน้ำในภาชนะที่สองแข็งตัวเร็วขึ้น ตั้งแต่นั้นมา ปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า "Mpemba Paradox"

อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีสมมติฐานทางทฤษฎีที่สอดคล้องกันที่อธิบาย "Mpemba Paradox" ยังไม่ชัดเจนว่าปัจจัยภายนอก องค์ประกอบทางเคมีของน้ำ การปรากฏตัวของก๊าซและแร่ธาตุที่ละลายในนั้น ส่งผลต่ออัตราการแช่แข็งของของเหลวที่อุณหภูมิต่างกันอย่างไร ความขัดแย้งของ "เอฟเฟกต์ Mpemba" คือมันขัดแย้งกับกฎข้อใดข้อหนึ่งที่ I. Newton ค้นพบ ซึ่งระบุว่าเวลาในการหล่อเย็นของน้ำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อม และหากของเหลวอื่น ๆ ทั้งหมดอยู่ภายใต้กฎหมายนี้อย่างสมบูรณ์ ในบางกรณีน้ำก็เป็นข้อยกเว้น

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วขึ้น?ตู่

มีหลายสาเหตุที่น้ำร้อนแช่แข็งเร็วกว่าน้ำเย็น คนหลักคือ:

• น้ำร้อนจะระเหยเร็วขึ้นในขณะที่ปริมาตรลดลงและของเหลวที่มีปริมาตรน้อยกว่าจะเย็นลงเร็วขึ้น - เมื่อน้ำเย็นจาก +100 ° C ถึง 0 ° C การสูญเสียปริมาตรที่ความดันบรรยากาศถึง 15%
• ความเข้มของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวกับสิ่งแวดล้อมยิ่งสูง ความแตกต่างของอุณหภูมิยิ่งมากขึ้น ดังนั้นการสูญเสียความร้อนของน้ำเดือดจะผ่านไปเร็วขึ้น
• เมื่อน้ำร้อนเย็นตัวลง เปลือกน้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนผิวของมัน ซึ่งป้องกันของเหลวจากการแช่แข็งและระเหยจนหมด
• ที่อุณหภูมิสูงจะเกิดการพาความร้อนผสมกัน ช่วยลดเวลาในการแช่แข็ง
• ก๊าซที่ละลายในน้ำลดจุดเยือกแข็ง นำพลังงานไปก่อตัวเป็นผลึก - ไม่มีก๊าซละลายในน้ำร้อน

เงื่อนไขทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการตรวจสอบการทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน David Auerbach ค้นพบว่าอุณหภูมิการตกผลึกของน้ำร้อนนั้นสูงกว่าอุณหภูมิของน้ำเย็นเล็กน้อย ซึ่งทำให้สามารถแช่แข็งอุณหภูมิเดิมได้เร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ภายหลังการทดลองของเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์ และนักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" ที่น้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้น - ร้อนหรือเย็น สามารถทำซ้ำได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น ซึ่งยังไม่มีใครมองหาและทำการแปรรูปจนถึงตอนนี้

British Royal Society of Chemistry เสนอรางวัล 1,000 ปอนด์ให้กับทุกคนที่สามารถอธิบายทางวิทยาศาสตร์ว่าทำไม ในบางกรณี น้ำร้อนถึงกลายเป็นน้ำแข็งเร็วกว่าน้ำเย็น

“วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ยังคงไม่สามารถตอบคำถามง่ายๆ นี้ได้ ผู้ผลิตไอศกรีมและบาร์เทนเดอร์ใช้เอฟเฟกต์นี้ในการทำงานประจำวัน แต่ไม่มีใครรู้จริงๆ ว่าทำไมมันถึงได้ผล ปัญหานี้เป็นที่ทราบกันมานานนับพันปี นักปรัชญาเช่นอริสโตเติลและเดส์การตส์ต่างก็คิดเกี่ยวกับปัญหานี้” ศาสตราจารย์เดวิด ฟิลิปส์ ประธานราชสมาคมเคมีแห่งอังกฤษ กล่าวในการแถลงข่าวจากสมาคมฯ

เชฟแอฟริกันเอาชนะศาสตราจารย์ฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้อย่างไร

นี่ไม่ใช่มุกตลกของ April Fool แต่เป็นเรื่องจริงทางกายภาพที่รุนแรง วิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ซึ่งทำงานได้อย่างง่ายดายบนกาแลคซี่และหลุมดำ สร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์เพื่อค้นหาควาร์กและโบซอน ไม่สามารถอธิบายได้ว่าธาตุน้ำ "ทำงาน" อย่างไร หนังสือเรียนของโรงเรียนระบุอย่างชัดเจนว่าต้องใช้เวลาในการทำให้ร่างกายร้อนเย็นลงกว่าการทำให้ร่างกายเย็นลง แต่สำหรับน้ำ กฎข้อนี้ไม่ได้ถูกปฏิบัติตามเสมอไป อริสโตเติลดึงความสนใจไปที่ความขัดแย้งนี้ในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาล อี นี่คือสิ่งที่ชาวกรีกโบราณเขียนไว้ในหนังสือ "Meteorologica I": "ความจริงที่ว่าน้ำอุ่นมีส่วนทำให้เกิดการแช่แข็ง ดังนั้นหลายคนเมื่อต้องการทำให้น้ำร้อนเย็นลงอย่างรวดเร็วก่อนอื่นให้นำไปตากแดด ... ” ในยุคกลาง Francis Bacon และ Rene Descartes พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้ อนิจจา ทั้งนักปรัชญาผู้ยิ่งใหญ่หรือนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่พัฒนาฟิสิกส์เชิงความร้อนแบบคลาสสิกไม่ประสบความสำเร็จในเรื่องนี้ ดังนั้นข้อเท็จจริงที่ไม่สะดวกดังกล่าวจึง "ถูกลืม" ไปเป็นเวลานาน

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

เมื่อ Mpemba แบ่งปันสิ่งที่ค้นพบกับครูสอนฟิสิกส์ เขาล้อเลียนเขาต่อหน้าทั้งชั้นเรียน Mpemba จำการดูถูก ห้าปีต่อมา เขาเป็นนักศึกษาที่มหาวิทยาลัยดาร์อีสซาลามอยู่แล้ว เขาอยู่ในการบรรยายโดยเดนิส จี. ออสบอร์น นักฟิสิกส์ชื่อดัง หลังจากการบรรยาย เขาถามคำถามนักวิทยาศาสตร์ว่า: “ถ้าคุณเอาภาชนะที่เหมือนกันสองใบที่มีน้ำปริมาณเท่ากัน อันหนึ่งที่อุณหภูมิ 35 °C (95 °F) และอีกอันหนึ่งที่อุณหภูมิ 100 °C (212 °F) แล้วใส่ ในช่องแช่แข็งจากนั้นน้ำในภาชนะร้อนจะแช่แข็งเร็วขึ้น ทำไม?" คุณสามารถจินตนาการปฏิกิริยาของศาสตราจารย์ชาวอังกฤษต่อคำถามจากชายหนุ่มจากแทนซาเนียที่ถูกทิ้งร้าง เขาล้อนักเรียน อย่างไรก็ตาม Mpemba พร้อมสำหรับคำตอบดังกล่าวและท้าทายนักวิทยาศาสตร์ให้เดิมพัน ข้อโต้แย้งของพวกเขาจบลงด้วยการทดสอบทดลองซึ่งพิสูจน์ว่า Mpemba ถูกต้องและออสบอร์นพ่ายแพ้ ดังนั้น หม้อหุงข้าวของนักเรียนจึงจารึกชื่อของเขาไว้ในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ และต่อจากนี้ไปปรากฏการณ์นี้จึงเรียกว่า "เอฟเฟกต์เมมบา" ให้ทิ้งไป ประกาศราวกับว่า "ไม่มีอยู่จริง" ไม่ทำงาน ปรากฏการณ์นี้มีอยู่และตามที่กวีเขียนว่า "ไม่ใช่เท้าด้วยฟัน"

อนุภาคฝุ่นและสารที่ละลายน้ำมีโทษหรือไม่?

หลายปีที่ผ่านมา หลายคนพยายามไขความลึกลับของน้ำที่เยือกแข็ง มีการเสนอคำอธิบายมากมายสำหรับปรากฏการณ์นี้: การระเหย การพาความร้อน อิทธิพลของตัวถูกละลาย - แต่ไม่มีปัจจัยใดที่ถือว่าสรุปได้ นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งอุทิศทั้งชีวิตเพื่อเอฟเฟกต์ Mpemba James Brownridge สมาชิกของ Department of Radiation Safety at State University of New York ได้ศึกษาความขัดแย้งในเวลาว่างของเขามานานกว่าทศวรรษ หลังจากทำการทดลองหลายร้อยครั้ง นักวิทยาศาสตร์อ้างว่าเขามีหลักฐานของ "ความผิด" ของภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติ Brownridge อธิบายว่าที่อุณหภูมิ 0 °C น้ำจะเย็นลงเท่านั้น และเริ่มแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าปกติ จุดเยือกแข็งถูกควบคุมโดยสิ่งเจือปนในน้ำ ซึ่งจะเปลี่ยนอัตราการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง สิ่งเจือปน ได้แก่ อนุภาคฝุ่น แบคทีเรีย และเกลือที่ละลายน้ำ มีอุณหภูมินิวเคลียสที่เป็นลักษณะเฉพาะ เมื่อผลึกน้ำแข็งก่อตัวขึ้นรอบๆ ศูนย์การตกผลึก เมื่อมีองค์ประกอบหลายอย่างในน้ำพร้อมกัน จุดเยือกแข็งจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบที่มีอุณหภูมินิวเคลียสสูงสุด

สำหรับการทดลอง Brownridge ได้เก็บตัวอย่างน้ำสองตัวอย่างที่อุณหภูมิเท่ากันและนำไปแช่ในช่องแช่แข็ง เขาพบว่าตัวอย่างชิ้นหนึ่งมักจะแข็งตัวก่อนอีกชิ้นหนึ่งเสมอ - น่าจะเป็นเพราะส่วนผสมที่แตกต่างกันของสารเจือปน

Brownridge อ้างว่าน้ำร้อนจะเย็นลงเร็วขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำกับช่องแช่แข็งที่มากขึ้น ซึ่งช่วยให้ถึงจุดเยือกแข็งก่อนที่น้ำเย็นจะถึงจุดเยือกแข็งตามธรรมชาติ ซึ่งต่ำกว่าอย่างน้อย 5°C

อย่างไรก็ตาม การให้เหตุผลของ Brownridge ทำให้เกิดคำถามมากมาย ดังนั้นผู้ที่สามารถอธิบายผลกระทบของ Mpemba ในแบบของพวกเขาเองมีโอกาสที่จะแข่งขันเพื่อเงิน 1,000 ปอนด์สเตอร์ลิงจาก British Royal Society of Chemistry

21.11.2017 11.10.2018 อเล็กซานเดอร์ เฟิร์ตเซฟ

« น้ำใดแข็งตัวเร็วกว่าเย็นหรือร้อน?” - ลองถามคำถามเพื่อนของคุณ ส่วนใหญ่พวกเขาจะตอบว่าน้ำเย็นค้างเร็วขึ้น - และทำผิดพลาด

ที่จริงแล้ว หากคุณใส่ภาชนะสองใบที่มีรูปร่างและปริมาตรเท่ากันในช่องแช่แข็งพร้อมกัน โดยหนึ่งในนั้นจะมีน้ำเย็นและอีกภาชนะร้อน น้ำร้อนก็จะแข็งตัวเร็วขึ้น

ถ้อยแถลงดังกล่าวอาจดูไร้สาระและไร้เหตุผล ตามหลักเหตุผลแล้ว น้ำร้อนจะต้องเย็นลงเป็นอุณหภูมิที่เย็นก่อน และน้ำเย็นควรกลายเป็นน้ำแข็งในเวลานี้

เหตุใดน้ำร้อนจึงแซงน้ำเย็นจนกลายเป็นน้ำแข็ง? ลองคิดดูสิ

ประวัติการสังเกตและการวิจัย

ผู้คนสังเกตเห็นผลกระทบที่ขัดแย้งกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ แต่ไม่มีใครให้ความสำคัญกับมันมากนัก ดังนั้นความไม่สอดคล้องกันของอัตราการเยือกแข็งของน้ำเย็นและน้ำร้อนจึงถูกบันทึกไว้ในบันทึกโดย Arestotel เช่นเดียวกับ Rene Descartes และ Francis Bacon ปรากฏการณ์ที่ไม่ธรรมดามักปรากฏให้เห็นในชีวิตประจำวัน

เป็นเวลานานที่ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้รับการศึกษา แต่อย่างใดและไม่ได้กระตุ้นความสนใจของนักวิทยาศาสตร์มากนัก

การศึกษาผลกระทบที่ผิดปกติเริ่มต้นขึ้นในปี 2506 เมื่อ Erasto Mpemba นักศึกษาอยากรู้อยากเห็นจากแทนซาเนียสังเกตว่านมร้อนสำหรับไอศกรีมจะแข็งตัวเร็วกว่านมเย็น ชายหนุ่มจึงถามครูฟิสิกส์ที่โรงเรียนโดยหวังว่าจะได้คำอธิบายถึงสาเหตุของผลกระทบที่ไม่ปกติ อย่างไรก็ตาม ครูเพียงหัวเราะเยาะเขา

ต่อมา Mpemba ทำการทดลองซ้ำ แต่ในการทดลองของเขา เขาไม่ได้ใช้นมอีกต่อไป แต่ใช้น้ำ และผลกระทบที่ขัดแย้งก็เกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง

หกปีต่อมาในปี 1969 Mpemba ถามคำถามนี้กับศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ Dennis Osborne ซึ่งมาที่โรงเรียนของเขา ศาสตราจารย์มีความสนใจในการสังเกตของชายหนุ่มซึ่งเป็นผลมาจากการทดลองที่ยืนยันการมีอยู่ของผลกระทบ แต่สาเหตุของปรากฏการณ์นี้ไม่ได้เกิดขึ้น

นับแต่นั้นมาปรากฏการณ์นี้จึงถูกเรียกว่า เอฟเฟกต์ Mpemba.

ตลอดประวัติศาสตร์ของการสังเกตทางวิทยาศาสตร์ มีการเสนอสมมติฐานมากมายเกี่ยวกับสาเหตุของปรากฏการณ์นี้

ดังนั้นในปี 2555 ราชสมาคมเคมีแห่งอังกฤษจะประกาศการแข่งขันสมมติฐานเพื่ออธิบายผลกระทบของ Mpemba นักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลกได้เข้าร่วมการแข่งขัน โดยมีการจดทะเบียนเอกสารทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด 22,000 ฉบับ แม้จะมีบทความจำนวนมากที่น่าประทับใจ แต่ก็ไม่มีใครชี้แจงความขัดแย้งของ Mpemba

ที่พบมากที่สุดคือรุ่นตามที่น้ำร้อนค้างเร็วขึ้นเนื่องจากระเหยเร็วขึ้นปริมาตรจะเล็กลงและเมื่อปริมาตรลดลงอัตราการทำความเย็นจะเพิ่มขึ้น ในที่สุด รุ่นที่พบบ่อยที่สุดก็ถูกหักล้าง เนื่องจากมีการทดลองซึ่งไม่รวมการระเหย แต่ผลยังได้รับการยืนยัน

นักวิทยาศาสตร์คนอื่นเชื่อว่าสาเหตุของผลกระทบของ Mpemba คือการระเหยของก๊าซที่ละลายในน้ำ ในความเห็นของพวกเขาในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน ก๊าซที่ละลายในน้ำจะระเหย เนื่องจากมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำเย็น ดังที่ทราบกันดีอยู่แล้ว การเพิ่มความหนาแน่นนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของน้ำ (การนำความร้อนเพิ่มขึ้น) และด้วยเหตุนี้ อัตราการทำความเย็นจึงเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ยังมีการเสนอสมมติฐานจำนวนหนึ่งที่อธิบายอัตราการไหลเวียนของน้ำตามหน้าที่ของอุณหภูมิ ในการศึกษาจำนวนมาก มีความพยายามที่จะสร้างความสัมพันธ์ระหว่างวัสดุของภาชนะบรรจุที่มีของเหลวอยู่ หลายทฤษฎีดูเหมือนเป็นไปได้มาก แต่ไม่สามารถยืนยันทางวิทยาศาสตร์ได้เนื่องจากขาดข้อมูลเบื้องต้น ความขัดแย้งในการทดลองอื่นๆ หรือเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าปัจจัยที่ระบุไม่สามารถเทียบได้กับอัตราการระบายความร้อนด้วยน้ำ นักวิทยาศาสตร์บางคนในงานของพวกเขาตั้งคำถามถึงการมีอยู่ของผลกระทบ

ในปี 2013 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยางในสิงคโปร์อ้างว่าได้ไขปริศนาลึกลับของเอฟเฟกต์ Mpemba แล้ว จากการศึกษาของพวกเขา สาเหตุของปรากฏการณ์นี้อยู่ที่ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำเย็นและน้ำร้อนแตกต่างกันอย่างมาก

วิธีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ได้แสดงผลดังต่อไปนี้: ยิ่งอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นเท่าใด ระยะห่างระหว่างโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเนื่องจากแรงผลักที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นพันธะไฮโดรเจนของโมเลกุลจึงยืดออกและกักเก็บพลังงานได้มากขึ้น เมื่อถูกทำให้เย็นลง โมเลกุลจะเริ่มเข้าหากันโดยปล่อยพลังงานจากพันธะไฮโดรเจน ในกรณีนี้ การปล่อยพลังงานมาพร้อมกับอุณหภูมิที่ลดลง

ในเดือนตุลาคม 2017 นักฟิสิกส์ชาวสเปนในการศึกษาอื่นพบว่าการกำจัดสสารออกจากสมดุล (การให้ความร้อนสูงก่อนที่จะเย็นลงอย่างแรง) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของผลกระทบ พวกเขากำหนดเงื่อนไขที่มีโอกาสเกิดผลกระทบสูงสุด นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์จากสเปนได้ยืนยันการมีอยู่ของเอฟเฟกต์ Mpemba แบบย้อนกลับ พวกเขาพบว่าเมื่อได้รับความร้อน ตัวอย่างที่เย็นกว่าสามารถเข้าถึงอุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าตัวอย่างที่อบอุ่น

แม้จะมีข้อมูลที่ละเอียดถี่ถ้วนและการทดลองมากมาย นักวิทยาศาสตร์ตั้งใจที่จะศึกษาผลกระทบต่อไป

เอฟเฟกต์ Mpemba ในชีวิตจริง

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าทำไมในฤดูหนาวลานสเก็ตน้ำแข็งจึงเต็มไปด้วยน้ำร้อนและไม่เย็น? ตามที่คุณเข้าใจแล้ว พวกเขาทำเช่นนี้เพราะลานสเก็ตที่เติมน้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าเติมน้ำเย็น ด้วยเหตุผลเดียวกัน สไลเดอร์ในเมืองน้ำแข็งในฤดูหนาวจึงถูกราดด้วยน้ำร้อน

ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับการมีอยู่ของปรากฏการณ์นี้ช่วยให้ผู้คนประหยัดเวลาในการเตรียมสถานที่สำหรับกีฬาฤดูหนาว

นอกจากนี้ บางครั้งก็ใช้เอฟเฟกต์ Mpemba ในอุตสาหกรรม - เพื่อลดเวลาการแช่แข็งของผลิตภัณฑ์ สารและวัสดุที่มีน้ำ

ในบทความนี้เราจะมาดูกันว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น

น้ำอุ่นจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็นมาก! คุณสมบัติอันน่าทึ่งของน้ำ ซึ่งเป็นคำอธิบายที่แน่นอนซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังหาไม่พบ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วตั้งแต่สมัยโบราณ ตัวอย่างเช่น แม้แต่ในอริสโตเติลก็มีคำอธิบายเกี่ยวกับการตกปลาในฤดูหนาว: ชาวประมงสอดคันเบ็ดเข้าไปในรูในน้ำแข็ง และเพื่อให้พวกมันแข็งตัวเร็วขึ้น พวกเขาจึงเทน้ำอุ่นลงบนน้ำแข็ง ชื่อของปรากฏการณ์นี้ได้รับการตั้งชื่อตาม Erasto Mpemba ในยุค 60 ของศตวรรษที่ XX Mnemba สังเกตเห็นเอฟเฟกต์แปลก ๆ ขณะทำไอศกรีม และหันไปหาอาจารย์ฟิสิกส์ ดร. เดนิส ออสบอร์น เพื่อขอคำอธิบาย Mpemba และ Dr. Osborne ทดลองกับน้ำที่อุณหภูมิต่างกัน และสรุปได้ว่าน้ำที่เดือดเกือบเริ่มแข็งตัวเร็วกว่าน้ำที่อุณหภูมิห้องมาก นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้ทำการทดลองของตนเองและทุกครั้งที่ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน

คำอธิบายของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

ไม่มีคำอธิบายที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้น นักวิจัยหลายคนแนะนำว่ามันเป็นเรื่องของ supercooling ของของเหลว ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของมันลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C น้ำที่ระบายความร้อนยิ่งยวดสามารถมีอุณหภูมิได้ เช่น -2°C และยังคงเป็นของเหลวโดยไม่เปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง เมื่อเราพยายามทำให้น้ำเย็นเป็นน้ำแข็ง มีโอกาสที่มันจะเย็นมากในตอนแรก และจะแข็งขึ้นหลังจากผ่านไประยะหนึ่งเท่านั้น ในน้ำร้อนจะมีกระบวนการอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของมันเป็นน้ำแข็งเกี่ยวข้องกับการพาความร้อน

การพาความร้อน- นี่เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ชั้นล่างที่อบอุ่นของของเหลวเพิ่มขึ้น และชั้นบนที่เย็นแล้วตกลงมา

สวัสดีคนรักที่รักของข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ วันนี้เราจะมาพูดถึง แต่ฉันคิดว่าคำถามที่เขียนในชื่ออาจดูไร้สาระ แต่จำเป็นเสมอหรือไม่ที่จะต้องเชื่อมั่นใน "สามัญสำนึก" ที่ฉาวโฉ่และไม่ได้กำหนดประสบการณ์การทดสอบอย่างเคร่งครัด ลองคิดดูว่าทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

ประวัติอ้างอิง

ในเรื่องของน้ำเย็นและน้ำร้อนที่เยือกแข็ง “ไม่ใช่ทุกสิ่งที่บริสุทธิ์” ถูกกล่าวถึงในงานของอริสโตเติล จากนั้น F. Bacon, R. Descartes และ J. Black ได้สร้างบันทึกที่คล้ายกัน ในประวัติศาสตร์เมื่อไม่นานนี้ ชื่อ "Mpemba paradox" ถูกแนบมากับเอฟเฟกต์นี้ - หลังจากชื่อของเด็กนักเรียนจาก Tanganyika, Erasto Mpemba ผู้ซึ่งถามคำถามเดียวกันกับศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มาเยี่ยมเยียน

คำถามของเด็กชายไม่ได้เกิดขึ้นจากศูนย์ แต่มาจากการสังเกตส่วนตัวอย่างหมดจดเกี่ยวกับกระบวนการทำความเย็นส่วนผสมไอศกรีมในห้องครัว แน่นอน เพื่อนร่วมชั้นที่อยู่ที่นั่นพร้อมกับครูโรงเรียนหัวเราะเยาะ Mpemba - อย่างไรก็ตามหลังจากการตรวจสอบการทดลองโดยศาสตราจารย์ดี. ออสบอร์นเป็นการส่วนตัว ความปรารถนาที่จะล้อเลียน Erasto "ระเหย" ไปจากพวกเขา นอกจากนี้ Mpemba ร่วมกับศาสตราจารย์ได้ตีพิมพ์คำอธิบายโดยละเอียดของผลกระทบนี้ในปี 1969 ในการศึกษาฟิสิกส์ - และตั้งแต่นั้นมาชื่อข้างต้นก็ได้รับการแก้ไขในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์

สาระสำคัญของปรากฏการณ์คืออะไร?

การติดตั้งของการทดลองนั้นค่อนข้างง่าย: สิ่งอื่น ๆ ที่เท่ากัน มีการทดสอบภาชนะผนังบางที่เหมือนกัน ซึ่งมีปริมาณน้ำเท่ากันอย่างเคร่งครัด โดยมีความแตกต่างกันเฉพาะในอุณหภูมิเท่านั้น เรือถูกบรรจุลงในตู้เย็นหลังจากนั้นจะบันทึกเวลาก่อนการก่อตัวของน้ำแข็งในแต่ละลำ ความขัดแย้งคือในภาชนะที่มีของเหลวที่ร้อนกว่าในตอนแรก สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเร็วกว่า

ฟิสิกส์สมัยใหม่อธิบายเรื่องนี้อย่างไร?

ความขัดแย้งไม่มีคำอธิบายที่เป็นสากล เนื่องจากกระบวนการคู่ขนานหลายกระบวนการดำเนินไปพร้อมกัน การมีส่วนร่วมอาจแตกต่างจากเงื่อนไขเริ่มต้นที่เฉพาะเจาะจง - แต่ให้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอ:

• ความสามารถของของเหลวในการทำความเย็นแบบซุปเปอร์คูล - ในตอนแรก น้ำเย็นมีแนวโน้มที่จะเกิดภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าปกติ เช่น ยังคงเป็นของเหลวเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งอยู่แล้ว
• การระบายความร้อนแบบเร่ง - ไอน้ำจากน้ำร้อนจะเปลี่ยนเป็นผลึกน้ำแข็งซึ่งเมื่อถอยกลับจะเร่งกระบวนการทำงานเป็น "เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก" เพิ่มเติม
• เอฟเฟกต์การแยก - แตกต่างจากน้ำร้อนตรงที่น้ำเย็นเยือกแข็งจากด้านบนซึ่งทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลงโดยการพาความร้อนและการแผ่รังสี

มีคำอธิบายอื่น ๆ อีกจำนวนหนึ่ง (ครั้งล่าสุดที่การแข่งขันสำหรับสมมติฐานที่ดีที่สุดจัดขึ้นโดย British Royal Society of Chemistry เมื่อเร็ว ๆ นี้ในปี 2012) - แต่ก็ยังไม่มีทฤษฎีที่ชัดเจนสำหรับทุกกรณีของการรวมกันของเงื่อนไขอินพุต ...