Mpemba efekt. Miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Milline vesi muutub kiiremini jääks?

Briti kuninglik keemiaühing pakub 1000 naela suurust preemiat kõigile, kes suudavad teaduslikult selgitada, miks kuum vesi külmub mõnel juhul kiiremini kui külm vesi.

"Tänapäeva teadus ei suuda sellele pealtnäha lihtsale küsimusele ikka veel vastata. Jäätisevalmistajad ja baarmenid kasutavad seda efekti oma igapäevatöös, kuid keegi ei tea tegelikult, miks see toimib. See probleem on olnud teada aastatuhandeid ning filosoofid nagu Aristoteles ja Descartes on sellele mõelnud,” ütles Briti Kuningliku Keemiaühingu president professor David Phillips, nagu tsiteeritakse Ühingu pressiteates.

Kuidas Aafrikast pärit kokk alistas Briti füüsikaprofessori

See pole aprillinali, vaid karm füüsiline reaalsus. Kaasaegne teadus, mis töötab kergesti galaktikate ja mustade aukudega ning ehitab kvarkide ja bosonite otsimiseks hiiglaslikke kiirendeid, ei suuda seletada, kuidas elementaarne vesi "töötab". Kooliõpikus on selgelt kirjas, et kuumema keha jahutamiseks kulub rohkem aega kui külma keha jahutamiseks. Kuid vee puhul seda seadust alati ei järgita. Aristoteles juhtis sellele paradoksile tähelepanu 4. sajandil eKr. e. Vanakreeklane kirjutas oma raamatus Meteorologica I järgmiselt: „Asjaolu, et vesi on eelkuumutatud, põhjustab selle külmumise. Seetõttu panevad paljud inimesed, kui tahavad kuuma vett kiiremini jahutada, selle esmalt päikese kätte...” Keskajal püüdsid seda nähtust selgitada Francis Bacon ja Rene Descartes. Paraku ei õnnestunud see ei suurtel filosoofidel ega arvukatel klassikalist termofüüsikat välja töötanud teadlastel ja seetõttu "unustati" selline ebamugav fakt pikka aega.

Ja alles 1968. aastal “mäletasid” nad tänu Tansaaniast pärit koolipoisile Erasto Mpembele, kaugel ühestki teadusest. 1963. aastal kokakunstikoolis õppides sai 13-aastane Mpembe ülesandeks valmistada jäätist. Tehnoloogia järgi oli vaja piim keeta, selles suhkur lahustada, toatemperatuurini jahutada ning seejärel külmkappi tarduma panna. Ilmselt polnud Mpemba usin õpilane ja kõhkles. Kartes, et tunni lõpuks ei jõua, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud kõigi reeglite järgi.

Kui Mpemba oma avastust oma füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle terve klassi ees. Mpembale jäi solvang meelde. Viis aastat hiljem, olles juba Dar es Salaami ülikooli üliõpilane, osales ta kuulsa füüsiku Denis G. Osborne'i loengus. Pärast loengut esitas ta teadlasele küsimuse: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega, millest üks on 35 °C (95 °F) ja teine ​​100 °C (212 °F), ja asetate need kohale. sügavkülmas, siis vesi kuumas anumas külmub kiiremini. Miks?" Võite ette kujutada Briti professori reaktsiooni jumalast hüljatud Tansaaniast pärit noormehe küsimusele. Ta tegi õpilase üle nalja. Mpemba oli aga selliseks vastuseks valmis ja esitas teadlasele väljakutse. Nende vaidlus lõppes eksperimentaalse testiga, mis kinnitas, et Mpembal oli õigus ja Osborne sai lüüa. Nii kirjutas kokk oma nime teadusajalukku ja nüüdsest nimetatakse seda nähtust "Mpemba efektiks". Seda on võimatu ära visata, seda "olematuks" kuulutada. Nähtus on olemas ja nagu luuletaja kirjutas, "see ei tee haiget".

Kas selles on süüdi tolmuosakesed ja lahustunud ained?

Aastate jooksul on paljud püüdnud lahti harutada vee külmumise saladust. Selle nähtuse kohta on pakutud välja terve hulk selgitusi: aurustumine, konvektsioon, lahustunud ainete mõju – kuid ühtegi neist teguritest ei saa pidada lõplikuks. Mitmed teadlased on kogu oma elu pühendanud Mpemba efektile. New Yorgi osariigi ülikooli kiirgusohutuse osakonna liige James Brownridge on paradoksi oma vabal ajal uurinud kümme aastat. Pärast sadade katsete läbiviimist väidab teadlane, et tal on tõendeid hüpotermia "süü" kohta. Brownridge selgitab, et 0 °C juures muutub vesi ainult ülejahutuks ja hakkab külmuma, kui temperatuur langeb allapoole. Külmumistemperatuuri reguleerivad vees leiduvad lisandid – need muudavad jääkristallide tekkekiirust. Lisanditel, nagu tolmuosakesed, bakterid ja lahustunud soolad, on kristallisatsioonikeskuste ümber jääkristallide moodustumisel iseloomulik tuumamistemperatuur. Kui vees on korraga mitu elementi, määratakse külmumistemperatuur selle järgi, millel on kõrgeim tuumamistemperatuur.

Katse jaoks võttis Brownridge kaks sama temperatuuriga veeproovi ja asetas need sügavkülma. Ta avastas, et üks isenditest külmus alati enne teist, arvatavasti erineva lisandite kombinatsiooni tõttu.

Brownridge ütleb, et kuum vesi jahtub kiiremini, kuna vee ja sügavkülmiku temperatuuride vahel on suurem erinevus – see aitab külmumispunkti jõuda enne, kui külm vesi saavutab oma loomuliku külmumispunkti, mis on vähemalt 5 °C madalam.

Brownridge'i arutluskäik tekitab aga palju küsimusi. Seetõttu on neil, kes suudavad Mpemba efekti omal moel selgitada, võimalus võistelda Briti Kuningliku Keemiaühingu tuhande naelsterlingi eest.

1963. aastal esitas Tansaania koolipoiss nimega Erasto Mpemba oma õpetajale rumala küsimuse – miks külmus tema sügavkülmas soe jäätis kiiremini kui külm?

Tansaanias Magambi keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktilist tööd kokana. Tal oli vaja teha isetehtud jäätist – keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurile ja panna siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et tunni lõpuks ei jõua, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui etteantud tehnoloogia järgi valmistatud seltsimeeste piim.

Ta pöördus selgituste saamiseks füüsikaõpetaja poole, kuid ta ainult naeris õpilase peale, öeldes järgmist: "See pole universaalne füüsika, vaid Mpemba füüsika." Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega.

Igal juhul küsis ta juba Mkwava keskkooli õpilasena professor Dennis Osborne’ilt Dar Es Salaami ülikooli kolledžist (kooli direktor kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega nii, et ühes neist oleks vee temperatuur 35 °C ja teises - 100 °C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks?" Osborne tundis selle probleemi vastu huvi ja peagi, 1969. aastal, avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nimetatud Mpemba efektiks.

Kas olete huvitatud sellest, miks see juhtub? Vaid paar aastat tagasi õnnestus teadlastel seda nähtust selgitada...

Mpemba efekt (Mpemba paradoks) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi see peab külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt kulub samades tingimustes rohkem kuumutatud kehal teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui vähem kuumenenud kehal sama temperatuurini jahtumiseks.

Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes. Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja seda on hiljem praktikas korduvalt kinnitatud. Selle mõjul jahtub vesi temperatuuriga 100 °C temperatuurini 0 °C kiiremini kui sama kogus vett temperatuuriga 35 °C.

Sellest ajast peale on avaldatud erinevaid versioone, millest üks oli järgmine: osa kuumast veest aurustub esmalt lihtsalt ära ja siis, kui seda vähem järele jääb, külmub vesi kiiremini. See versioon sai oma lihtsuse tõttu kõige populaarsemaks, kuid ei rahuldanud teadlasi täielikult.

Nüüd ütleb Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadlaste meeskond eesotsas keemik Xi Zhangiga, et nad on lahendanud igivana mõistatuse, miks soe vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Nagu Hiina eksperdid on välja selgitanud, peitub saladus veemolekulide vahelistes vesiniksidemetes talletatud energia hulgas.

Nagu teate, koosnevad veemolekulid ühest hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed, mis osakeste tasemel näeb välja nagu elektronide vahetus. Teine tuntud tõsiasi on see, et vesinikuaatomeid tõmbavad hapnikuaatomid naabermolekulidest – tekivad vesiniksidemed.

Samal ajal veemolekulid üldiselt tõrjuvad üksteist. Singapuri teadlased märkasid: mida soojem on vesi, seda suurem on vedeliku molekulide vaheline kaugus tõukejõudude suurenemise tõttu. Selle tulemusena venivad vesiniksidemed ja säilitavad seetõttu rohkem energiat. See energia vabaneb vee jahtumisel – molekulid liiguvad üksteisele lähemale. Ja energia vabanemine, nagu teada, tähendab jahutamist.

Siin on teadlaste oletused:

Aurustumine

Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100°C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0°C jahutamisel 16% oma massist. Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks väheneb jahutamiseks vajaliku vee mass. Ja teiseks, aurustumise tõttu väheneb selle temperatuur.

Temperatuuri erinevus

Kuna kuuma vee ja külma õhu temperatuuride erinevus on suurem, on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.

Hüpotermia
Kui vesi jahtub alla 0 °C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi temperatuuril -20°C. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub ülejahutamine seni, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid tekiksid spontaanselt. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades lörtsijää, mis külmub jääks. Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Ülejahutamata külma vee puhul juhtub nii: selle pinnale tekib õhuke jääkiht, mis toimib vee ja külma õhu vahel isolaatorina ning takistab seeläbi edasist aurumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Ülejahutusega kuuma vee korral ei ole ülejahutatud vees kaitsvat jääkihti. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini. Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.
Konvektsioon

Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuskadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt. Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 °C. Kui jahutate vett 4°C-ni ja asetate madalama temperatuuriga keskkonda, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Sellistes tingimustes tekib veepinnale lühikese aja jooksul õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, kaitstes alumisi veekihte, mille temperatuur jääb 4°C juurde. . Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Samuti on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tuues sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse. Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks konvektsiooni seisukohalt oleks vaja eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 °C. Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külma ja kuuma veekihti eraldab konvektsiooniprotsess.

Vees lahustunud gaasid

Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees on kõrgetel temperatuuridel madalam. Seetõttu sisaldab kuum vesi jahtudes alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad.

Soojusjuhtivus

See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikuosa sügavkülmikusse. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma vee anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust kuumus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata alt lund. Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti 100% taastootmise – ei saadud kunagi. Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, mille kohaselt suutis kuum vesi saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad. Praegu saab väita ainult üht: selle efekti taastootmine sõltub oluliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.

Aga nagu öeldakse, kõige tõenäolisem põhjus.

Nagu keemikud kirjutavad oma artiklis, mille leiab eeltrüki veebisaidilt arXiv.org, on vesiniksidemed kuumas vees tugevamad kui külmas vees. Seega selgub, et kuuma vee vesiniksidemetesse salvestub rohkem energiat, mis tähendab, et miinustemperatuurini jahutamisel eraldub seda rohkem. Sel põhjusel toimub kõvenemine kiiremini.

Praeguseks on teadlased selle mõistatuse lahendanud vaid teoreetiliselt. Kui nad esitavad oma versiooni kohta veenvaid tõendeid, võib küsimuse, miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, pidada suletuks.

Mpemba efekt ehk miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Mpemba efekt (Mpemba paradoks) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi see peab külmumisprotsessi ajal läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt kulub samades tingimustes rohkem kuumutatud kehal teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui vähem kuumenenud kehal sama temperatuurini jahtumiseks. Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm. Tansaanias Magambi keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktilist tööd kokana. Tal oli vaja teha isetehtud jäätist – keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurile ja panna siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et tunni lõpuks ei jõua, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui etteantud tehnoloogia järgi valmistatud seltsimeeste piim. Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igal juhul küsis ta juba Mkwava keskkooli õpilasena professor Dennis Osborne’ilt Dar Es Salaami ülikooli kolledžist (kooli direktor kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega nii, et ühes neist oleks vee temperatuur 35 °C ja teises - 100 °C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks?" Osborne tundis selle probleemi vastu huvi ja peagi, 1969. aastal, avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nimetatud Mpemba efektiks. Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja seda on hiljem praktikas korduvalt kinnitatud. Selle mõjul jahtub vesi temperatuuriga 100 °C temperatuurini 0 °C kiiremini kui sama kogus vett temperatuuriga 35 °C. See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta: Aurustumine Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist. Aurustumise mõju on kahekordne. Esiteks väheneb jahutamiseks vajaliku vee mass. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb. Temperatuuride erinevus Tänu sellele, et sooja vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem, on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja soe vesi jahtub kiiremini. Hüpotermia Kui vesi jahtub alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõningatel juhtudel võib vesi jääda vedelaks ka temperatuuril -20 C. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide tekkekeskusi. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub ülejahutamine seni, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid tekiksid spontaanselt. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades lörtsijää, mis külmub jääks. Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, juhtub järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Ülejahutusega kuuma vee korral ei ole ülejahutatud vees kaitsvat jääkihti. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini. Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat. Konvektsioon Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning sellest tulenevalt soojuskadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt. Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühikese aja jooksul õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, kaitstes alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Lisaks on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tõstes sooja vee kihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse. Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast tuleks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub ka pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C. Samas ei ole eksperimentaalsed andmed, mis kinnitaksid seda hüpoteesi, et külm ja kuum veekiht eraldatakse konvektsiooniprotsessiga. Vees lahustunud gaasid Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees on kõrgetel temperatuuridel madalam. Seetõttu sisaldab kuum vesi jahtudes alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad. Soojusjuhtivus Sellel mehhanismil võib olla oluline roll, kui vesi asetatakse külmikuosa sügavkülmikusse väikestes anumates. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma vee anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust kuumus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata alt lund. Kõiki neid (nagu ka muid) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid selget vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti sajaprotsendilise taasesituse – ei saadud kunagi. Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, mille kohaselt suutis kuum vesi saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad. Praegu saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine sõltub oluliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita. O. V. Mosin

Mpemba efekt(Mpemba paradoks) – paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi külmumise käigus peab see läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt kulub samades tingimustes rohkem kuumutatud kehal teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui vähem kuumenenud kehal sama temperatuurini jahtumiseks.

Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm.

Tansaanias Magambi keskkooli õpilasena tegi Erasto Mpemba praktilist tööd kokana. Tal oli vaja teha isetehtud jäätist – keeta piim, lahustada selles suhkur, jahutada toatemperatuurile ja panna siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja viivitas ülesande esimese osa täitmisega. Kartes, et tunni lõpuks ei jõua, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui etteantud tehnoloogia järgi valmistatud seltsimeeste piim.

Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igal juhul küsis ta juba Mkwava keskkooli õpilasena professor Dennis Osborne’ilt Dar Es Salaami ülikooli kolledžist (kooli direktor kutsus õpilastele füüsika loengut pidama) konkreetselt vee kohta: „Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega nii, et ühes neist oleks vee temperatuur 35 °C ja teises - 100 °C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks?" Osborne tundis selle probleemi vastu huvi ja peagi, 1969. aastal, avaldas ta koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas Physics Education. Sellest ajast alates on nende avastatud efekti kutsutud Mpemba efekt.

Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid.

Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peaks olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja seda on hiljem praktikas korduvalt kinnitatud. Selle mõjul jahtub vesi temperatuuriga 100 °C temperatuurini 0 °C kiiremini kui sama kogus vett temperatuuriga 35 °C.

See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:

Aurustumine

Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist.

Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks väheneb jahutamiseks vajaliku vee mass. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.

Temperatuuri erinevus

Tänu sellele, et sooja vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem, on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja soe vesi jahtub kiiremini.

Hüpotermia

Kui vesi jahtub alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril vedelaks. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi temperatuuril –20 C.

Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui neid vedelas vees ei ole, jätkub ülejahutamine seni, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid tekiksid spontaanselt. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades lörtsijää, mis külmub jääks.

Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine eemaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.

Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, juhtub järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Ülejahutusega kuuma vee korral ei ole ülejahutatud vees kaitsvat jääkihti. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.

Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd.

Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.

Konvektsioon

Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuskadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt.

Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühikese aja jooksul õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, kaitstes alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. Seetõttu on edasine jahutusprotsess aeglasem.

Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Lisaks on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tõstes sooja vee kihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.

Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast oleks vaja eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.

Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid, mis toetaksid seda hüpoteesi, et külma ja kuuma veekihti eraldab konvektsiooniprotsess.

Vees lahustunud gaasid

Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumistemperatuuri. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees on kõrgetel temperatuuridel madalam. Seetõttu sisaldab kuum vesi jahtudes alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi seda fakti kinnitavad eksperimentaalsed andmed puuduvad.

Soojusjuhtivus

See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikuosa sügavkülmikusse. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma vee anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust kuumus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata alt lund.

Kõiki neid (nagu ka muid) tingimusi uuriti paljudes katsetes, kuid selget vastust küsimusele – milline neist tagab Mpemba efekti sajaprotsendilise taasesituse – ei saadud kunagi.

Näiteks 1995. aastal uuris saksa füüsik David Auerbach vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse.

Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, mille kohaselt suutis kuum vesi saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.

Praegu saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine sõltub oluliselt katse läbiviimise tingimustest. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.

O. V. Mosin

Kirjanduslikallikatest:

"Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see nii teeb?", Jearl Walker ajakirjas The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, lk 246-257; september 1977.

"Kuuma ja külma vee külmutamine", G.S. Kell ajakirjas American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, lk 564-565; mai, 1969.

"Supercooling and the Mpemba efekt", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, lk 882-885; oktoober 1995.

"The Mpemba efekt: kuuma ja külma vee külmumisajad", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, lk 524; mai, 1996.

Interneti-turundaja, saidi "ligipääsetavas keeles" toimetaja
Avaldamise kuupäev: 21. november 2017

« Milline vesi külmub kiiremini, külm või kuum?"- proovige küsida oma sõpradelt küsimust, tõenäoliselt vastab enamik neist, et külm vesi külmub kiiremini - ja nad teevad vea.

Tegelikult, kui panna sügavkülma korraga kaks ühesuguse kuju ja mahuga anumat, millest ühes on külm ja teises kuum vesi, siis külmub kiiremini kuum vesi.

Selline väide võib tunduda absurdne ja ebamõistlik. Kui järgida loogikat, siis kuum vesi peab esmalt jahtuma külma vee temperatuurini ja külm vesi peaks sel ajal juba jääks muutuma.

Miks siis võidab kuum vesi külmumisel külma vett? Proovime selle välja mõelda.

Vaatluste ja uurimistöö ajalugu

Inimesed on seda paradoksaalset mõju jälginud iidsetest aegadest peale, kuid keegi ei omistanud sellele erilist tähtsust. Nii märkisid Arestoteles, aga ka Rene Descartes ja Francis Bacon oma märkmetes külma ja kuuma vee külmumiskiiruse ebakõlasid. Sageli ilmnes igapäevaelus ebatavaline nähtus.

Pikka aega ei uuritud nähtust kuidagi ja see ei tekitanud teadlastes erilist huvi.

Selle ebatavalise efekti uurimine algas 1963. aastal, kui Tansaaniast pärit uudishimulik koolipoiss Erasto Mpemba märkas, et jäätise jaoks mõeldud kuum piim külmus kiiremini kui külm piim. Lootes saada selgitust ebatavalise efekti põhjustele, küsis noormees koolis oma füüsikaõpetajalt. Õpetaja aga ainult naeris tema üle.

Hiljem kordas Mpemba katset, kuid oma katses ei kasutanud ta enam piima, vaid vett ning paradoksaalne efekt kordus uuesti.

6 aastat hiljem, 1969. aastal, esitas Mpemba selle küsimuse füüsikaprofessor Dennis Osbornile, kes tuli tema kooli. Professor tundis huvi noormehe vaatluse vastu ja selle tulemusena viidi läbi eksperiment, mis kinnitas efekti olemasolu, kuid selle nähtuse põhjuseid ei tuvastatud.

Sellest ajast alates on nähtust kutsutud Mpemba efekt.

Kogu teaduslike vaatluste ajaloo jooksul on nähtuse põhjuste kohta püstitatud palju hüpoteese.

Nii kuulutab Briti Kuninglik Keemia Selts 2012. aastal välja Mpemba efekti selgitavate hüpoteeside konkursi. Konkursil osalesid teadlased üle maailma, kokku registreeriti 22 000 teadustööd. Vaatamata muljetavaldavale artiklite arvule ei toonud ükski neist Mpemba paradoksi selgust.

Levinum versioon oli, et kuum vesi külmub kiiremini, kuna see lihtsalt aurustub kiiremini, väheneb selle maht ja mahu vähenedes suureneb jahutuskiirus. Kõige levinum versioon lükati lõpuks ümber, kuna viidi läbi katse, milles aurustumine välistati, kuid mõju leidis siiski kinnitust.

Teised teadlased arvasid, et Mpemba efekti põhjuseks oli vees lahustunud gaaside aurustumine. Nende arvates aurustuvad kütteprotsessi käigus vees lahustunud gaasid, mille tõttu see omandab suurema tiheduse kui külm vesi. Nagu teada, põhjustab tiheduse suurenemine vee füüsikaliste omaduste muutumist (soojusjuhtivuse suurenemist) ja seega ka jahutuskiiruse suurenemist.

Lisaks on esitatud mitmeid hüpoteese, mis kirjeldavad vee tsirkulatsiooni kiirust sõltuvalt temperatuurist. Paljud uuringud on püüdnud tuvastada seost nende mahutite materjalide vahel, milles vedelik asus. Paljud teooriad tundusid vägagi usutavad, kuid neid ei saanud teaduslikult kinnitada esialgsete andmete puudumise, teiste katsete vastuolude tõttu või seetõttu, et tuvastatud tegurid ei olnud lihtsalt võrreldavad vee jahtumise kiirusega. Mõned teadlased seadsid oma töödes kahtluse alla efekti olemasolu.

2013. aastal väitsid Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadlased, et on lahendanud Mpemba efekti mõistatuse. Nende uuringute kohaselt peitub nähtuse põhjus selles, et külma ja kuuma vee molekulide vahelistesse vesiniksidemetesse salvestatud energia hulk on oluliselt erinev.

Arvutimodelleerimise meetodid näitasid järgmisi tulemusi: mida kõrgem on vee temperatuur, seda suurem oli molekulide vaheline kaugus, kuna tõukejõud suurenevad. Järelikult venivad molekulide vesiniksidemed, salvestades rohkem energiat. Jahtumisel hakkavad molekulid üksteisele lähemale liikuma, vabastades vesiniksidemetest energiat. Sel juhul kaasneb energia vabanemisega temperatuuri langus.

2017. aasta oktoobris leidsid Hispaania füüsikud ühe teise uuringu käigus, et efekti tekkimisel mängib suurt rolli aine eemaldamine tasakaalust (tugev kuumutamine enne tugevat jahutamist). Nad määrasid kindlaks tingimused, mille korral mõju ilmnemise tõenäosus on maksimaalne. Lisaks kinnitasid Hispaania teadlased vastupidise Mpemba efekti olemasolu. Nad leidsid, et kuumutamisel võib külmem proov saavutada kõrge temperatuuri kiiremini kui soojem.

Vaatamata põhjalikule teabele ja arvukatele katsetele kavatsevad teadlased selle mõju uurimist jätkata.

Mpemba efekt päriselus

Kas olete kunagi mõelnud, miks talvel uisuväljak täitub kuuma veega, mitte külmaga? Nagu te juba aru saate, teevad nad seda seetõttu, et kuuma veega täidetud liuväli külmub kiiremini kui külma veega täidetud liuväli. Samal põhjusel valatakse talvistes jäälinnades liumägedesse kuuma vett.

Seega võimaldab teadmine nähtuse olemasolust talispordialade ettevalmistamisel aega kokku hoida.

Lisaks kasutatakse Mpemba efekti mõnikord tööstuses, et vähendada vett sisaldavate toodete, ainete ja materjalide külmumisaega.