مسوق إنترنت ، محرر الموقع "بلغة يسهل الوصول إليها"
تاريخ النشر: 11/21/2017

« أي ماء يتجمد أسرع باردًا أم ساخنًا؟”- حاول طرح سؤال على أصدقائك ، فعلى الأرجح سيجيب معظمهم بأن الماء البارد يتجمد بشكل أسرع - ويرتكبون خطأ.

في الواقع ، إذا وضعت في نفس الوقت وعاءين من نفس الشكل والحجم في الفريزر ، أحدهما يحتوي على ماء بارد والآخر ساخن ، فسوف يتجمد بشكل أسرع. ماء ساخن.

قد يبدو هذا البيان سخيفًا وغير معقول. منطقياً ، يجب أن يبرد الماء الساخن أولاً إلى درجة حرارة باردة ، ويجب أن يتحول الماء البارد بالفعل إلى جليد في هذا الوقت.

فلماذا يتفوق الماء الساخن على الماء البارد في طريقه إلى التجمد؟ دعنا نحاول معرفة ذلك.

تاريخ الملاحظات والبحث

لقد لاحظ الناس التأثير المتناقض منذ العصور القديمة ، لكن لم يعلق عليه أحد أهمية كبيرة. لذلك تم ملاحظة التناقضات في معدل تجميد الماء البارد والساخن في ملاحظاتهم بواسطة Arestotel ، وكذلك من قبل Rene Descartes و Francis Bacon. غالبًا ما تتجلى ظاهرة غير عادية في الحياة اليومية.

لفترة طويلة ، لم تتم دراسة هذه الظاهرة بأي شكل من الأشكال ولم تثير اهتمامًا كبيرًا بين العلماء.

بدأت دراسة التأثير غير العادي في عام 1963 ، عندما لاحظ الطالب الفضولي من تنزانيا ، إيراستو مبيمبا ، أن الحليب الساخن المخصص للآيس كريم يتجمد بشكل أسرع من الحليب البارد. على أمل الحصول على شرح لأسباب التأثير غير العادي ، سأل الشاب مدرس الفيزياء في المدرسة. ومع ذلك ، ضحك المعلم فقط عليه.

في وقت لاحق ، كرر Mpemba التجربة ، ولكن في تجربته لم يعد يستخدم الحليب ، ولكن الماء ، وتكرر التأثير المتناقض مرة أخرى.

بعد ست سنوات ، في عام 1969 ، طرح مبيمبا هذا السؤال على أستاذ الفيزياء دينيس أوزبورن ، الذي جاء إلى مدرسته. اهتم الأستاذ بملاحظة الشاب ونتيجة لذلك أجريت تجربة أكدت وجود التأثير ولكن لم يتم إثبات أسباب هذه الظاهرة.

منذ ذلك الحين ، تم استدعاء هذه الظاهرة تأثير مبيمبا.

طوال تاريخ الملاحظات العلمية ، تم طرح العديد من الفرضيات حول أسباب هذه الظاهرة.

لذلك في عام 2012 ، أعلنت الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء عن مسابقة في الفرضيات لشرح تأثير مبيمبا. شارك في المسابقة علماء من جميع أنحاء العالم ، وبلغ عدد المسجلين 22000 أعمال علمية. على الرغم من هذا العدد الهائل من المقالات ، لم يوضح أي منها مفارقة مبيمبا.

الأكثر شيوعًا هو الإصدار الذي وفقًا له ، يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع ، لأنه ببساطة يتبخر بشكل أسرع ، ويصبح حجمه أصغر ، ومع انخفاض الحجم ، يزداد معدل تبريده. تم دحض النسخة الأكثر شيوعًا في النهاية ، حيث تم إجراء تجربة تم فيها استبعاد التبخر ، ولكن تم تأكيد التأثير مع ذلك.

يعتقد علماء آخرون أن سبب تأثير مبيمبا هو تبخر الغازات الذائبة في الماء. في رأيهم ، أثناء عملية التسخين ، تتبخر الغازات المذابة في الماء ، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الماء البارد. كما هو معروف ، تؤدي الزيادة في الكثافة إلى التغيير الخصائص الفيزيائيةالماء (زيادة التوصيل الحراري) ، وبالتالي زيادة معدل التبريد.

بالإضافة إلى ذلك ، تم طرح عدد من الفرضيات التي تصف معدل دوران الماء كدالة لدرجة الحرارة. في العديد من الدراسات ، جرت محاولة لتحديد العلاقة بين مادة الحاويات التي يوجد بها السائل. بدت العديد من النظريات معقولة للغاية ، لكن لم يتم تأكيدها علميًا بسبب نقص البيانات الأولية ، أو التناقضات في التجارب الأخرى ، أو بسبب حقيقة أن العوامل المحددة لم تكن قابلة للمقارنة مع معدل تبريد المياه. شكك بعض العلماء في أعمالهم في وجود التأثير.

في عام 2013 ، باحثون من جامعة التكنولوجياادعى نانيانغ في سنغافورة أنه حل لغز تأثير مبيمبا. وفقًا لدراستهم ، يكمن سبب الظاهرة في حقيقة أن كمية الطاقة المخزنة فيها روابط هيدروجينيةبين جزيئات الماء البارد والساخن تختلف اختلافا كبيرا.

أظهرت طرق المحاكاة الحاسوبية النتائج التالية: كلما ارتفعت درجة حرارة الماء ، زادت المسافة بين الجزيئات بسبب زيادة قوى التنافر. نتيجة لذلك ، يتم شد روابط الجزيئات الهيدروجينية ، مما يؤدي إلى تخزين المزيد من الطاقة. عند تبريدها ، تبدأ الجزيئات في الاقتراب من بعضها البعض ، وتطلق الطاقة من الروابط الهيدروجينية. في هذه الحالة ، يكون إطلاق الطاقة مصحوبًا بانخفاض في درجة الحرارة.

في أكتوبر 2017 ، اكتشف الفيزيائيون الإسبان ، في سياق دراسة أخرى ، أن إزالة المادة من التوازن (التسخين القوي قبل التبريد القوي) هو الذي يلعب دورًا كبيرًا في تكوين التأثير. لقد حددوا الظروف التي يكون فيها احتمال التأثير هو الحد الأقصى. بالإضافة إلى ذلك ، أكد علماء من إسبانيا وجود تأثير مبيمبا العكسي. ووجدوا أنه عند تسخين العينة الأكثر برودة يمكن أن تصل إلى درجة حرارة عالية أسرع من العينة الدافئة.

على الرغم من المعلومات الشاملة والتجارب العديدة ، يعتزم العلماء مواصلة دراسة التأثير.

تأثير Mpemba في الحياة الحقيقية

هل تساءلت يومًا عن سبب غمر حلبة التزلج على الجليد في الشتاء ماء ساخنوليس باردا؟ كما فهمت بالفعل ، فإنهم يفعلون ذلك لأن حلبة التزلج المليئة بالماء الساخن ستتجمد بشكل أسرع مما لو كانت مملوءة بالماء البارد. للسبب نفسه ، تُسكب الشرائح في مدن الجليد الشتوي بالماء الساخن.

وبالتالي ، فإن معرفة وجود هذه الظاهرة يتيح للناس توفير الوقت عند إعداد مواقع الرياضات الشتوية.

بالإضافة إلى ذلك ، يُستخدم تأثير Mpemba أحيانًا في الصناعة - لتقليل وقت تجميد المنتجات والمواد والمواد التي تحتوي على الماء.

تأثير مبيمبا(Mpemba Paradox) هي مفارقة تنص على أن الماء الساخن في ظل ظروف معينة يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد ، على الرغم من أنه يجب أن يمر بدرجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتعارض مع الأفكار المعتادة ، والتي بموجبها ، في ظل نفس الظروف ، يحتاج الجسم الأكثر حرارة إلى مزيد من الوقت ليبرد إلى درجة حرارة معينة أكثر من الجسم الأكثر برودة ليبرد بنفس درجة الحرارة.

لوحظ هذه الظاهرة في ذلك الوقت من قبل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت ، ولكن فقط في عام 1963 ، وجد تلميذ المدرسة التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من المزيج البارد.

كطالب من Magamba المدرسة الثانويةفي تنزانيا ، فعل إراستو مبيمبا العمل التطبيقيفي فنون الطهي. كان عليه أن يصنع الآيس كريم منزلي الصنع - يغلي الحليب ، ويذوب السكر فيه ، ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومماطلًا في الجزء الأول من المهمة. خوفًا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الذي لا يزال ساخنًا في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة.

بعد ذلك ، جربت Mpemba ليس فقط مع الحليب ، ولكن أيضًا بالماء العادي. على أي حال ، لكونه طالبًا بالفعل في مدرسة مكواوا الثانوية ، فقد سأل الأستاذ دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (بدعوة من مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) حول المياه: "إذا أخذت حاويتان متطابقتان بهما كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في إحداهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، ووضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا ا؟ أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه القضية وسرعان ما في عام 1969 ، مع مبيمبا ، نشروا نتائج تجاربهم في مجلة "تعليم الفيزياء". منذ ذلك الحين ، تم استدعاء التأثير الذي اكتشفوه تأثير مبيمبا.

حتى الآن ، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. العلماء ليس لديهم نسخة واحدة ، على الرغم من وجود العديد منها. يتعلق الأمر كله بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد ، ولكن لم يتضح بعد الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الاختلاف في التبريد الفائق أو التبخر أو تكوين الجليد أو الحمل الحراري أو تأثير الغازات المسالة على الماء في درجات حرارة مختلفة.

تكمن المفارقة في تأثير مبيمبا في أن الوقت الذي يبرد خلاله الجسم إلى درجة الحرارة المحيطة يجب أن يكون متناسبًا مع اختلاف درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. تم وضع هذا القانون من قبل نيوتن ومنذ ذلك الحين تم تأكيده عدة مرات في الممارسة العملية. في نفس التأثير ، يبرد الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية أسرع من نفس كمية الماء عند 35 درجة مئوية.

ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني بعد وجود مفارقة ، حيث يمكن أيضًا تفسير تأثير مبيمبا ضمن الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء بنفس درجة الحرارة بشكل أسرع. يفقد الماء المسخن إلى 100 درجة مئوية 16٪ من كتلته عند تبريده إلى 0 درجة مئوية.

تأثير التبخر له تأثير مزدوج. أولاً ، يتم تقليل كتلة الماء المطلوبة للتبريد. وثانيًا ، تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة تبخر الانتقال من طور الماء إلى طور البخار.

الفرق في درجة الحرارة

نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم

عندما يتم تبريد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية ، فإنه لا يتجمد دائمًا. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يخضع للتبريد الفائق مع الاستمرار في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. في بعض الحالات ، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.

والسبب في هذا التأثير هو أنه من أجل أن تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، هناك حاجة إلى مراكز لتكوين البلورات. إذا لم تكن في الماء السائل ، فسيستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات في التكون تلقائيًا. عندما تبدأ في التكوّن في السائل فائق التبريد ، فإنها ستبدأ في النمو بشكل أسرع ، وتشكل طينًا جليديًا يتجمد ليشكل جليدًا.

الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض درجة الحرارة لأن تسخينه يزيل الغازات الذائبة والفقاعات ، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.

لماذا يتسبب انخفاض حرارة الجسم في تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد ، الذي لا يتم تبريده بشكل فائق ، يحدث ما يلي. في هذه الحالة ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. تعمل طبقة الجليد هذه كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن الذي يخضع للتبريد الفرعي ، لا يحتوي الماء المبرد تحت التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. لذلك ، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع من خلال الجزء العلوي المفتوح.

عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء ، يُفقد قدر أكبر من الحرارة وبالتالي يتشكل المزيد من الجليد.

يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.

الحمل

يبدأ الماء البارد في التجمد من الأعلى ، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري ، وبالتالي فقدان الحرارة ، بينما يبدأ الماء الساخن في التجمد من الأسفل.

يفسر هذا التأثير من خلال شذوذ في كثافة الماء. كثافة الماء قصوى عند 4 درجة مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعه في درجة حرارة منخفضة ، فإن الطبقة السطحية من الماء ستتجمد بشكل أسرع. لأن هذه المياه أقل كثافة من الماء عند 4 درجات مئوية ، فإنها ستبقى على السطح مكونة طبقة باردة رقيقة. في ظل هذه الظروف ، ستتكون طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستعمل كعامل عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجة مئوية. ، المزيد من التبريد سيكون أبطأ.

في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. ستبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر والاختلاف الكبير في درجات الحرارة. كما أن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن ، لذلك ستغرق طبقة الماء البارد ، مما يرفع طبقة الماء الدافئ إلى السطح. يضمن دوران الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.

لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير Mpemba من وجهة النظر هذه للحمل الحراري ، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد أن ينخفض ​​متوسط ​​درجة حرارة الماء عن 4 درجة مئوية.

ومع ذلك ، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة بالحمل الحراري.

الغازات المذابة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - أكسجين و نشبع. هذه الغازات لديها القدرة على خفض درجة تجمد الماء. عندما يتم تسخين الماء ، يتم إطلاق هذه الغازات من الماء لأن قابليتها للذوبان في الماء عند درجة حرارة عالية أقل. لذلك ، عندما يتم تبريد الماء الساخن ، هناك دائمًا عدد أقل من الغازات المذابة فيه مقارنة بالماء البارد غير الساخن. لذلك ، تكون درجة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في تفسير تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

توصيل حراري

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عندما يتم وضع الماء في الثلاجة المجمدة في حاويات صغيرة. في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن الحاوية التي تحتوي على الماء الساخن تذوب ثلج الفريزر تحتها ، وبالتالي تحسين الاتصال الحراري بجدار الفريزر والتوصيل الحراري. نتيجة لذلك ، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن أسرع من الحاوية الباردة. في المقابل ، الحاوية بالماء البارد لا تذوب الثلج تحتها.

تمت دراسة كل هذه الظروف (بالإضافة إلى غيرها) في العديد من التجارب ، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة 100٪ لتأثير مبيمبا.

لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1995 ، درس الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ تأثير التبريد الفائق للماء على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن ، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد ، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق أسرع من الماء الساخن ، وبالتالي يعوض التأخر السابق.

بالإضافة إلى ذلك ، تناقضت نتائج Auerbach مع البيانات السابقة القائلة بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعند غليانه تترسب بعض الأملاح المذابة فيه.

حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل أساسي على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

الماء هو واحد من أكثر السوائل المدهشة في العالم خصائص غير عادية. على سبيل المثال ، الجليد - حالة صلبة من السائل ، له جاذبية محددة أقل من الماء نفسه ، مما جعل ظهور الحياة على الأرض وتطورها ممكنًا بعدة طرق. بالإضافة إلى ذلك ، في شبه العلمية ، و عالم علميهناك مناقشات حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد. كل من يثبت سرعة تجميد سائل ساخن في ظل ظروف معينة ويثبت قراره علميًا سيحصل على جائزة قدرها 1000 جنيه إسترليني من الجمعية الملكية البريطانية للكيميائيين.

خلفية

تمت ملاحظة حقيقة أن الماء الساخن ، في ظل عدد من الظروف ، يسبق الماء البارد من حيث معدل التجمد ، في العصور الوسطى. بذل كل من فرانسيس بيكون ورينيه ديكارت الكثير من الجهد لشرح هذه الظاهرة. ومع ذلك ، من وجهة نظر الهندسة الحرارية الكلاسيكية ، لا يمكن تفسير هذا التناقض ، وحاولوا إسكاته بخجل. كان الدافع لاستمرار النزاع قصة غريبة إلى حد ما حدثت لطالب المدرسة التنزاني إيراستو مبيمبا (إيراستو مبيمبا) في عام 1963. ذات مرة ، خلال درس صنع الحلوى في مدرسة للطهي ، لم يكن لدى الصبي ، المشتت من أشياء أخرى ، الوقت لتبريد خليط الآيس كريم في الوقت المناسب ووضع محلول السكر في الحليب الساخن في الفريزر. ولدهشته ، تم تبريد المنتج بشكل أسرع إلى حد ما من زملائه الممارسين الذين لاحظوا نظام درجة الحرارة لصنع الآيس كريم.

في محاولة لفهم جوهر الظاهرة ، تحول الصبي إلى مدرس فيزياء ، سخر من تجاربه في الطهي دون الخوض في التفاصيل. ومع ذلك ، تميز إيراستو بالمثابرة التي تحسد عليها واستمر في تجاربه لم يعد على الحليب ، ولكن على الماء. لقد تأكد من أن الماء الساخن يتجمد في بعض الحالات أسرع من الماء البارد.

التحق إراستو مبيمبي بجامعة دار السلام بمحاضرة ألقاها البروفيسور دينيس جي أوزبورن. بعد التخرج حيرت الطالب العالم بمشكلة معدل تجمد الماء حسب درجة حرارته. ج. سخر أوزبورن من طرح السؤال ، قائلاً بثقة أن أي خاسر يعرف أن الماء البارد سيتجمد بشكل أسرع. ومع ذلك ، فإن المثابرة الطبيعية للشاب جعلت نفسها محسوسة. لقد راهن مع الأستاذ ، وعرض إجراء اختبار تجريبي هنا ، في المختبر. وضع إيراستو حاويتين من الماء في المجمد ، واحدة عند 95 درجة فهرنهايت (35 درجة مئوية) والأخرى عند 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية). ما كانت مفاجأة الأستاذ و "المراوح" المحيطين به عندما تجمد الماء في الحاوية الثانية بشكل أسرع. ومنذ ذلك الحين ، أُطلق على هذه الظاهرة اسم "مفارقة مبيمبا".

ومع ذلك ، لا توجد حتى الآن فرضية نظرية متماسكة تشرح "مفارقة مبيمبا". ليس من الواضح ما هي العوامل الخارجية التركيب الكيميائيالماء ووجود الغازات المذابة فيه و المعادنتؤثر على معدل تجمد السوائل عند درجات حرارة مختلفة. تكمن المفارقة في "تأثير مبيمبا" في أنه يتعارض مع أحد القوانين التي اكتشفها إ. نيوتن ، والذي ينص على أن وقت تبريد الماء يتناسب طرديًا مع اختلاف درجة الحرارة بين السائل والبيئة. وإذا كانت جميع السوائل الأخرى خاضعة تمامًا لهذا القانون ، فإن الماء في بعض الحالات يكون استثناءً.

لماذا الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع؟ر

هناك عدة إصدارات حول سبب تجميد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. أهمها:

• يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع ، بينما ينخفض ​​حجمه ، ويبرد حجم أصغر من السائل بشكل أسرع - عندما يتم تبريد الماء من + 100 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية ، تصل خسائر الحجم عند الضغط الجوي إلى 15٪ ؛
• معدل التبادل الحراري بين السائل و بيئةكلما زاد الفرق في درجة الحرارة ، زاد الاختلاف في درجة الحرارة ، وبالتالي فإن فقدان حرارة الماء المغلي يمر بشكل أسرع ؛
• عندما يبرد الماء الساخن ، تتشكل قشرة جليدية على سطحه ، مما يمنع السائل من التجمد تمامًا والتبخر ؛
• عند درجة حرارة عالية من الماء ، يحدث خلطه بالحمل الحراري ، مما يقلل من وقت التجميد ؛
• الغازات المذابة في الماء تقلل من نقطة التجمد ، وتستهلك الطاقة لتكوين الكريستال - لا توجد غازات مذابة في الماء الساخن.

كل هذه الظروف خضعت للتحقق التجريبي المتكرر. على وجه الخصوص ، اكتشف العالم الألماني ديفيد أورباخ أن درجة حرارة تبلور الماء الساخن أعلى قليلاً من درجة حرارة الماء البارد ، مما يجعل من الممكن تجميد الأول بسرعة أكبر. ومع ذلك ، تعرضت تجاربه لاحقًا لانتقادات ، واقتنع العديد من العلماء بأن "تأثير مبيمبا" الذي يتجمد فيه الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا ، لا يمكن إعادة إنتاجه إلا في ظل ظروف معينة ، لم يبحث عنها أحد حتى الآن.

تقدم الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء مكافأة قدرها 1000 جنيه إسترليني لأي شخص يمكنه الشرح معها نقطة علميةانظر لماذا في بعض الحالات يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد.

لا يزال العلم الحديث عاجزًا عن الإجابة عن هذا السؤال الذي يبدو بسيطًا. يستخدم صانعو الآيس كريم والسقاة هذا التأثير في عملهم اليومي ، لكن لا أحد يعرف حقًا سبب نجاحه. قال رئيس الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء ، البروفيسور ديفيد فيليبس ، في بيان صحفي صادر عن الجمعية ، إن هذه المشكلة معروفة منذ آلاف السنين ، وقد فكر فيها فلاسفة مثل أرسطو وديكارت.

كيف تغلب طاهٍ أفريقي على أستاذ فيزياء بريطاني

هذه ليست نكتة كذبة أبريل ، لكنها حقيقة فيزيائية قاسية. لا يمكن لعلم اليوم ، الذي يعمل بسهولة على المجرات والثقوب السوداء ، ببناء مسرعات عملاقة للبحث عن الكواركات والبوزونات ، أن يشرح كيف "يعمل" عنصر الماء. ينص الكتاب المدرسي بشكل لا لبس فيه على أن تبريد الجسم الساخن يستغرق وقتًا أطول من وقت تبريد الجسم البارد. لكن بالنسبة للمياه ، لا يتم احترام هذا القانون دائمًا. لفت أرسطو الانتباه إلى هذه المفارقة في القرن الرابع قبل الميلاد. ه. هذا ما كتبه اليونانية القديمةفي Meteorologica I: "حقيقة أن الماء مسخن مسبقًا يساهم في تجميده. لذلك ، عندما يريد الكثير من الناس تبريد الماء الساخن بسرعة ، وضعه أولاً في الشمس ... "في العصور الوسطى ، حاول فرانسيس بيكون ورينيه ديكارت شرح هذه الظاهرة. للأسف ، لم ينجح في ذلك الفلاسفة العظماء ولا العديد من العلماء الذين طوروا الفيزياء الحرارية الكلاسيكية ، وبالتالي في هذا الشأن حقيقة مزعجةلفترة طويلة "المنسية".

وفقط في عام 1968 "تذكروا" بفضل تلميذ المدرسة إيراستو مبيمبا من تنزانيا ، بعيدًا عن أي علم. أثناء الدراسة في مدرسة للطبخ ، في عام 1963 ، تم تكليف مبيمبي البالغ من العمر 13 عامًا بمهمة صنع الآيس كريم. وفقًا للتقنية ، كان من الضروري غلي الحليب ، وإذابة السكر فيه ، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة ، ثم وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا ومترددًا. خوفًا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الذي لا يزال ساخنًا في الثلاجة. لدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، المعد وفقًا لجميع القواعد.

عندما شارك مبيمبا اكتشافه مع مدرس فيزياء ، سخر منه أمام الفصل بأكمله. تذكر مبيمبا الإهانة. بعد خمس سنوات ، كان بالفعل طالبًا في جامعة دار السلام ، وكان يحضر محاضرة للفيزيائي الشهير دينيس جي أوزبورن. بعد المحاضرة ، سأل العالم سؤالاً: "إذا أخذت إناءين متطابقين بنفس كمية الماء ، إحداهما عند 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) والأخرى عند 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) ، منهم في الفريزر ، ثم الماء في وعاء ساخن سوف يتجمد بشكل أسرع. لماذا؟" يمكنك أن تتخيل رد فعل أستاذ بريطاني على سؤال من شاب من تنزانيا المهجورة. لقد سخر من الطالب. ومع ذلك ، كان مبيمبا مستعدًا لمثل هذه الإجابة وتحدى العالم في رهان. وبلغت حجتهم ذروتها في اختبار تجريبي أثبت أن مبيمبا على حق وهزم أوزبورن. لذلك قام الطالب - طباخ بتسجيل اسمه في تاريخ العلم ، ومن الآن فصاعدًا تسمى هذه الظاهرة "تأثير مبيمبا". لتجاهلها ، إعلانها كما لو أن "غير موجود" لا يعمل. الظاهرة موجودة ، وكما كتب الشاعر "ليس في السن بالقدم".

هل جزيئات الغبار والمواد المذابة هي المسؤولة؟

على مر السنين ، حاول الكثيرون كشف لغز تجميد المياه. تم اقتراح مجموعة كاملة من التفسيرات لهذه الظاهرة: التبخر ، والحمل الحراري ، وتأثير المواد المذابة - ولكن لا يمكن اعتبار أي من هذه العوامل نهائية. كرس عدد من العلماء حياتهم كلها لتأثير مبيمبا. موظف قسم السلامة الاشعاعية جامعة الدولةنيويورك - جيمس براونريدج - إن وقت فراغكان يدرس المفارقة منذ أكثر من عقد حتى الآن. بعد إجراء مئات التجارب ، يدعي العالم أن لديه أدلة على "الذنب" من انخفاض درجة حرارة الجسم. يوضح براونريدج أنه عند 0 درجة مئوية ، فإن الماء يبرد فقط ، ويبدأ في التجمد عندما تنخفض درجة الحرارة أدناه. يتم تنظيم نقطة التجمد بواسطة الشوائب الموجودة في الماء - فهي تغير معدل تكوين بلورات الجليد. الشوائب ، وهي جزيئات الغبار والبكتيريا والأملاح الذائبة ، لها درجة حرارة تنوي مميزة ، عندما تتشكل بلورات الجليد حول مراكز التبلور. عند وجود عدة عناصر في الماء مرة واحدة ، يتم تحديد نقطة التجمد بواسطة العنصر الذي يحتوي على أعلى درجة حرارة تنوي.

للتجربة ، أخذ براونريدج عينتين من الماء في نفس درجة الحرارة ووضعتهما في الفريزر. وجد أن إحدى العينات تتجمد دائمًا قبل الأخرى - ويفترض أن ذلك يرجع إلى تركيبة مختلفةالشوائب.

تدعي براونريدج أن الماء الساخن يبرد بشكل أسرع بسبب الاختلاف الكبير في درجة الحرارة بين الماء والمجمد - وهذا يساعده في الوصول إلى نقطة التجمد قبل أن يصل الماء البارد إلى نقطة التجمد الطبيعية ، والتي تقل عن 5 درجات مئوية على الأقل.

ومع ذلك ، فإن منطق براونريدج يثير العديد من الأسئلة. لذلك ، فإن أولئك الذين يمكنهم شرح تأثير مبيمبا بطريقتهم الخاصة لديهم فرصة للتنافس على ألف جنيه إسترليني من الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء.

لقد طرح العديد من الباحثين وطرح إصداراتهم الخاصة عن سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. قد يبدو الأمر مفارقة - فبعد كل شيء ، من أجل التجميد ، يحتاج الماء الساخن أولاً إلى التبريد. ومع ذلك ، تبقى الحقيقة ، ويشرحها العلماء بطرق مختلفة.

على ال هذه اللحظةهناك العديد من الإصدارات التي تشرح هذه الحقيقة:

1. نظرًا لأن التبخر في الماء الساخن أسرع ، يتناقص حجمه. تتجمد كمية أقل من الماء لها نفس درجة الحرارة بشكل أسرع.
2. حجرة الفريزر بالثلاجة مبطنة بالثلج. وعاء يحتوي على ماء ساخن يذيب الثلج تحته. هذا يحسن الاتصال الحراري بالفريزر.
3. يبدأ تجميد الماء البارد ، على عكس الساخن ، من الأعلى. في هذه الحالة ، يتفاقم الإشعاع الحراري والحرارة ، وبالتالي فقدان الحرارة.
4. يوجد في الماء البارد مراكز تبلور - مواد مذابة فيه. مع وجود محتوى صغير منهم في الماء ، يكون الجليد صعبًا ، على الرغم من أنه في نفس الوقت ، يكون انخفاض درجة الحرارة ممكنًا - عندما يكون في حالة سائلة عند درجات حرارة أقل من الصفر.

على الرغم من الإنصاف ، يمكن القول إن هذا التأثير لا يتم ملاحظته دائمًا. غالبًا ما يتجمد الماء البارد أسرع من الماء الساخن.

في أي درجة حرارة يتجمد الماء

لماذا يتجمد الماء على الإطلاق؟ يحتوي على كمية معينة من الجسيمات المعدنية أو العضوية. هذه ، على سبيل المثال ، يمكن أن تكون جزيئات دقيقة جدًا من الرمل أو الغبار أو الطين. مع انخفاض درجة حرارة الهواء ، تصبح هذه الجسيمات مراكز تتشكل حولها بلورات الجليد.

يمكن أيضًا أداء دور نوى التبلور عن طريق فقاعات الهواء والشقوق في وعاء يحتوي على ماء. يتأثر معدل عملية تحويل الماء إلى جليد إلى حد كبير بعدد هذه المراكز - إذا كان هناك الكثير منها ، يتجمد السائل بشكل أسرع. في ظل الظروف العادية والطبيعية الضغط الجوي، يتحول الماء إلى حالة صلبة من سائل عند درجة حرارة 0 درجة.

جوهر تأثير مبيمبا

يُفهم تأثير مبيمبا على أنه مفارقة ، وجوهرها هو أنه في ظل ظروف معينة ، يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد. لاحظ أرسطو وديكارت هذه الظاهرة. ومع ذلك ، لم يكن حتى عام 1963 عندما قرر إيراستو مبيمبا ، وهو تلميذ من تنزانيا ، أن الآيس كريم الساخن يتجمد في أكثر من وقت قصيرمن البرد. لقد توصل إلى مثل هذا الاستنتاج أثناء أداء مهمة الطهي.

كان عليه إذابة السكر في الحليب المغلي ، وبعد تبريده ، وضعه في الثلاجة حتى يتجمد. على ما يبدو ، لم تختلف Mpemba في الاجتهاد الخاص وبدأت في تنفيذ الجزء الأول من المهمة في وقت متأخر. لذلك لم ينتظر الحليب ليبرد ، ويضعه في الثلاجة ساخناً. لقد تفاجأ جدًا عندما تجمد بشكل أسرع من زملائه في الفصل ، الذين قاموا بالعمل وفقًا للتكنولوجيا المعينة.

هذه الحقيقة أثارت اهتمام الشاب كثيرًا ، وبدأ التجارب بالماء العادي. في عام 1969 ، نشرت مجلة Physics Education نتائج البحث الذي أجراه مبيمبا والبروفيسور دينيس أوزبورن من جامعة دار السلام. تم إعطاء التأثير الذي وصفوه اسم Mpemba. ومع ذلك ، حتى اليوم لا يوجد تفسير واضح لهذه الظاهرة. يتفق جميع العلماء على أن الدور الرئيسي في ذلك يعود إلى الاختلافات في خصائص الماء المبرد والساخن ، لكن ما هو غير معروف بالضبط.

نسخة سنغافورة

أحد علماء الفيزياء جامعات سنغافورةكنت مهتمًا أيضًا بالسؤال ، أي الماء يتجمد بشكل أسرع - ساخن أم بارد؟ شرح فريق من الباحثين بقيادة Xi Zhang هذا التناقض بدقة من خلال خصائص الماء. لا يزال الجميع يعرف تكوين الماء من المدرسة - ذرة الأكسجين وذرتان من الهيدروجين. يسحب الأكسجين إلى حد ما الإلكترونات من الهيدروجين ، لذا فإن الجزيء هو نوع معين من "المغناطيس".

نتيجة لذلك ، تنجذب جزيئات معينة في الماء إلى بعضها البعض وتتحد برابطة هيدروجينية. قوتها أقل بعدة مرات من الرابطة التساهمية. يعتقد الباحثون السنغافوريون أن تفسير مفارقة مبيمبا يكمن بالضبط في الروابط الهيدروجينية. إذا كانت جزيئات الماء متقاربة جدًا معًا ، فإن مثل هذا التفاعل القوي بين الجزيئات يمكن أن يشوه الرابطة التساهمية في منتصف الجزيء نفسه.

ولكن عندما يتم تسخين الماء ، تتحرك الجزيئات المرتبطة قليلاً بعيدًا عن بعضها البعض. نتيجة لذلك ، يحدث الاسترخاء في منتصف الجزيئات. روابط تساهميةمع عودة الطاقة الزائدة والانتقال إلى مستوى أدنى مستوى الطاقة. هذا يؤدي إلى حقيقة أن الماء الساخن يبدأ في البرودة بسرعة. على الأقل ، هذا ما تظهره الحسابات النظرية التي أجراها العلماء السنغافوريون.

تجميد الماء الفوري - 5 حيل لا تصدق: فيديو