تأثير مبيمبا أو لماذا يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد؟ يعتبر تأثير Mpemba (مفارقة Mpemba) 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 إيراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من المزيج البارد. كطالب من Magamba المدرسة الثانويةفي تنزانيا ، فعل إيراستو مبيمبا العمل التطبيقيفي فنون الطهي. كان عليه أن يصنع آيس 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 في مدرسة مكواوا الثانوية ، فقد سأل البروفيسور 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 أحدهما 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". ومنذ ذلك الحين ، أطلق على التأثير الذي اكتشفوه اسم 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. التناقض في تأثير مبيمبا هو أن الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة بيئة، يجب أن يتناسب 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 Mpemba: التبخر يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية ، مما يقلل من حجمه ، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس 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. وثانياً ، تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة تبخر الانتقال من طور الماء إلى طور البخار. اختلاف درجة الحرارة يرجع ذلك إلى حقيقة أن اختلاف درجات الحرارة بينهما ماء ساخن والمزيد من الهواء البارد - وبالتالي يكون التبادل الحراري في هذه الحالة أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع. التبريد الفرعي 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 لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التكون ، يلزم وجود 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 الحراري 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 ، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء لفترة قصيرة ، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجة مئوية. لذلك ، ستكون عملية التبريد الإضافية 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 ، يُفترض أنه يتم فصل طبقات الماء الباردة والساخنة وتستمر عملية الحمل الحراري نفسها بعد انخفاض متوسط ​​درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجة مئوية. ومع ذلك ، لا توجد بيانات تجريبية التي من شأنها أن تؤكد هذه الفرضية ، أن طبقات المياه 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 غير الساخن. ماء بارد. لذلك ، تكون درجة تجمد الماء الساخن أعلى وتتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل أحيانًا هو العامل الرئيسي في شرح تأثير مبيمبا ، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة. الموصلية الحرارية 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 المجمد 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 بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعند الغلي تترسب بعض الأملاح فيه. حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل أساسي على الظروف التي يتم إجراء التجربة في ظلها. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا. O. V. Mosin

في هذه المقالة ، سوف نلقي نظرة على سبب تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد.

يتجمد الماء الساخن أسرع بكثير من الماء البارد! هذه خاصية مذهلةالماء ، التفسير الدقيق الذي لا يزال العلماء غير قادرين على العثور عليه ، معروف منذ العصور القديمة. على سبيل المثال ، حتى في أرسطو ، هناك وصف للصيد الشتوي: أدخل الصيادون قضبان الصيد في ثقوب في الجليد ، ولكي تتجمد بشكل أسرع ، سكبوا الماء الدافئ على الجليد. سمي اسم هذه الظاهرة باسم Erasto Mpemba في الستينيات من القرن العشرين. لاحظ منيمبا التأثير الغريب أثناء صنع الآيس كريم والتفت إلى مدرس الفيزياء الخاص به ، د. دينيس أوزبورن ، للحصول على شرح. أجرى مبيمبا والدكتور أوزبورن تجارب على الماء في درجات حرارة مختلفة وخلصا إلى أن الماء المغلي تقريبًا يبدأ في التجمد أسرع بكثير من الماء في درجة حرارة الغرفة. أجرى علماء آخرون تجاربهم الخاصة وحصلوا في كل مرة على نتائج مماثلة.

شرح ظاهرة فيزيائية

لا يوجد تفسير مقبول بشكل عام لسبب حدوث ذلك. يقترح العديد من الباحثين أن الأمر كله يتعلق بالتبريد الفائق للسائل ، والذي يحدث عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون درجة التجمد. بمعنى آخر ، إذا تجمد الماء عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية ، فيمكن أن تصل درجة حرارة الماء الفائق البرودة ، على سبيل المثال ، إلى -2 درجة مئوية ويظل سائلاً دون أن يتحول إلى ثلج. عندما نحاول تجميد الماء البارد ، هناك احتمال أن يصبح فائق البرودة في البداية ، وسيتصلب بعد مرور بعض الوقت. في الماء الساخن ، تحدث عمليات أخرى. يرتبط تحوله الأسرع إلى جليد بالحمل الحراري.

الحمل- هذه ظاهرة فيزيائية ترتفع فيها الطبقات السفلية الدافئة من السائل ، وتنخفض الطبقات العلوية المبردة.

الإجابة المختصرة هي لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع

اتضح أن السائل نفسه يبدو أنه يختلط ويبرد. نظرًا لحقيقة أن عملية الحمل الحراري نشطة في الماء الساخن ، فإن بلورات الجليد من السطح ستغرق بشكل أسرع وتبرد الماء الدافئ في القاع.

مرحبا أيها الأحباء حقائق مثيرة للاهتمام. اليوم سنتحدث عنه. لكني أعتقد أن السؤال الوارد في العنوان قد يبدو سخيفًا بكل بساطة - ولكن هل من الضروري دائمًا الوثوق تمامًا بالسمعة السيئة " الفطرة السليمة"، بدلاً من تجربة تحقق محددة بدقة. دعنا نحاول معرفة سبب تجميد الماء الساخن أسرع من الماء البارد؟

مرجع التاريخ

في مسألة تجميد الماء البارد والساخن ، تم ذكر "ليس كل شيء نقيًا" في أعمال أرسطو ، ثم تم تقديم ملاحظات مماثلة من قبل ف. بيكون ، ر. ديكارت ، وج. بلاك. في التاريخ الحديثأُطلق على هذا التأثير اسم "مفارقة مبيمبا" - على اسم تلميذ من تنجانيقا ، إيراستو مبيمبا ، الذي طرح نفس السؤال على أستاذ الفيزياء الزائر.

لم ينشأ سؤال الصبي من الصفر ، بل من الملاحظات الشخصية البحتة لعملية تبريد مخاليط الآيس كريم في المطبخ. بالطبع ، ضحك زملاء الدراسة الذين كانوا حاضرين هناك ، جنبًا إلى جنب مع مدرس المدرسة ، على Mpemba - ومع ذلك ، بعد فحص تجريبي أجراه الأستاذ D. Osborne شخصيًا ، "تبخرت" الرغبة في السخرية من Erasto منهم. علاوة على ذلك ، نشر مبيمبا ، مع أستاذ ، في عام 1969 في تعليم الفيزياء وصف مفصلهذا التأثير - ومنذ ذلك الحين ظل الاسم أعلاه عالقًا في الأدبيات العلمية.

ما هو جوهر الظاهرة؟

إعداد التجربة بسيط للغاية: مع تساوي الأشياء الأخرى ، يتم اختبار أوعية رقيقة الجدران متطابقة ، حيث توجد كميات متساوية تمامًا من الماء ، تختلف فقط في درجة الحرارة. يتم تحميل الأوعية في الثلاجة ، وبعد ذلك يتم تسجيل الوقت قبل تكوين الجليد في كل منها. المفارقة هي أنه في وعاء به سائل أكثر سخونة في البداية ، يحدث هذا بشكل أسرع.

كيف تفسر الفيزياء الحديثة هذا؟

لا يوجد تفسير شامل للمفارقة ، نظرًا لأن العديد من العمليات المتوازية تتقدم معًا ، وقد تختلف مساهمتها عن ظروف أولية محددة - ولكن مع نتيجة موحدة:

• قدرة السائل على البرودة الفائقة - الماء البارد في البداية يكون أكثر عرضة لانخفاض درجة حرارة الجسم ، أي يظل سائلاً عندما تكون درجة حرارته بالفعل أقل من نقطة التجمد
• التبريد المتسارع - يتحول البخار الناتج عن الماء الساخن إلى بلورات جليدية دقيقة ، والتي عند التراجع ، تسرع العملية ، وتعمل "كمبادل حراري خارجي" إضافي
• تأثير العزل - على عكس الماء الساخن ، يتجمد الماء البارد من الأعلى ، مما يؤدي إلى انخفاض في انتقال الحرارة بالحمل الحراري والإشعاع

هناك عدد من التفسيرات الأخرى آخر مرةعقدت الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء مسابقة لأفضل فرضية مؤخرًا ، في عام 2012) - ولكن لا توجد حتى الآن نظرية لا لبس فيها لجميع حالات مجموعات شروط الإدخال ...

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - 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.

كان Erasto Mpemba طالبًا في مدرسة Magambin الثانوية في تنزانيا يقوم بأعمال الطبخ العملية. 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 في مدرسة مكواوا الثانوية ، فقد سأل البروفيسور 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 فيه 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 - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. 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 شرح 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 المجمد 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 بأن الماء الساخن قادر على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعند الغلي تترسب بعض الأملاح فيه.

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

O. V. Mosin

أدبيمصادر:

"الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد. لماذا يفعل ذلك؟" ، Jearl Walker in The Amateur Scientist، Scientific American، Vol. 237 ، لا. 3 ، ص 246-257 ؛ سبتمبر 1977.

"تجميد الماء الساخن والبارد" ، ز.س. كيل في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 37 ، لا. 5 ، ص 564-565 ؛ مايو 1969.

"التبريد الفائق وتأثير مبيمبا" ، ديفيد أويرباخ ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 63 ، لا. 10 ، ص 882-885 ؛ أكتوبر 1995.

"تأثير مبيمبا: أوقات التجمد في الماء الساخن والبارد" ، تشارلز إيه نايت ، في المجلة الأمريكية للفيزياء ، المجلد. 64 ، لا. 5 ، ص 524 ؛ مايو 1996.

هل فكرت يومًا في السؤال لماذا يتجمد الماء المسخن إلى 82 درجة مئوية أسرع من الماء البارد؟ على الأرجح لا ، فأنا أكثر من متأكد من أن السؤال لم يخطر ببالك مطلقًا - ما هو الماء الذي يتجمد بشكل أسرع ساخنًا أم باردًا؟

ومع ذلك، هذا اكتشاف مذهلمن صنع تلميذ أفريقي عادي إيراستو مبيمبا في عام 1963. كانت التجربة المعتادة لصبي فضولي ، بالطبع ، لم يستطع تفسير المعنى الخاص به بشكل صحيح ، وعلاوة على ذلك ، لم يتمكن العلماء من جميع أنحاء العالم حتى عام 1966 من إعطاء فكرة واضحة ومعقولة الجواب على السؤال - لماذا الماء الساخنيتجمد أسرع من البرد.

لماذا يتجمد الماء الساخن عند 4 درجات مئوية والماء البارد عند 0.

يحتوي الماء البارد على الكثير من الأكسجين المذاب، هو الذي يحافظ على درجة تجمد الماء عند 0 درجة. إذا تمت إزالة الأكسجين من الماء ، وهذا بالضبط ما يحدث عند تسخين الماء ، تذوب فقاعات الهواء في الماء ، كما هو شائع الآن ، الانهيار ، لا يتحول الماء إلى جليد عند درجة الصفر ، حيث معتاد، وبالفعل عند 4 درجات مئوية. الأكسجين المذاب في الماء هو الذي يكسر الروابط بين جزيئات الماء ، ويمنع الماء من الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة ، ويتحول ببساطة إلى