لماذا يتجمد الماء المغلي بشكل أسرع في الطقس البارد؟ لماذا الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد؟ تأثير مبيمبا. السؤال مطروح منذ فترة طويلة

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) - مفارقة تقول ذلك ماء ساخنفي 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.

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 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

لأن اختلاف درجات الحرارة بين ماء ساخنوالمزيد من الهواء البارد - 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 ، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي 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

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 المزيد من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي 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.

أي ماء يتجمد بشكل أسرع ، ساخن أم بارد ، يتأثر بعدة عوامل ، لكن السؤال نفسه يبدو غريبًا بعض الشيء. من المفهوم ضمنيًا ، ومن المعروف من الفيزياء ، أن الماء الساخن لا يزال بحاجة إلى وقت ليبرد إلى درجة حرارة الماء البارد المماثلة من أجل أن يتحول إلى جليد. يمكن تخطي هذه المرحلة ، وبالتالي تفوز في الوقت المناسب.

لكن الإجابة على السؤال حول أي الماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن - في الشارع في حالة الصقيع ، يعرف أي من سكان خطوط العرض الشمالية. في الواقع ، من الناحية العلمية ، اتضح أنه على أي حال ، يجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.

وكذلك فعل مدرس الفيزياء ، الذي اتصل به تلميذ المدرسة إيراستو مبيمبا في عام 1963 ليشرح لماذا يتجمد المزيج البارد للآيس كريم المستقبلي لفترة أطول من المزيج المشابه ولكنه ساخن.

"هذه ليست فيزياء العالم ، ولكنها نوع من فيزياء مبيمبا"

في ذلك الوقت ، ضحك المعلم فقط على هذا ، لكن دينيس أوزبورن ، أستاذ الفيزياء ، الذي ذهب في وقت ما إلى نفس المدرسة التي درس فيها إيراستو ، أكد بشكل تجريبي وجود مثل هذا التأثير ، على الرغم من عدم وجود تفسير لذلك في ذلك الوقت . في عام 1969 ، في شعبية مجلة علميةنشر مقالًا مشتركًا لهذين الشخصين اللذين وصفا هذا التأثير الغريب.

منذ ذلك الحين ، بالمناسبة ، السؤال عن الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، له اسمه الخاص - التأثير ، أو التناقض ، مبيمبا.

السؤال مطروح منذ فترة طويلة

وبطبيعة الحال ، حدثت هذه الظاهرة من قبل ، وقد ورد ذكرها في أعمال علماء آخرين. لم يكن التلميذ فقط مهتمًا بهذا السؤال ، لكن رينيه ديكارت وحتى أرسطو فكروا فيه في وقت واحد.

فيما يلي مجرد مقاربات لحل هذه المفارقة بدأت تظهر فقط في نهاية القرن العشرين.

شروط لحدوث مفارقة

كما هو الحال مع الآيس كريم ، لا يتجمد الماء العادي فقط أثناء التجربة. يجب أن تكون هناك ظروف معينة من أجل البدء في الجدل حول الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. ما الذي يؤثر على هذه العملية؟

الآن ، في القرن الحادي والعشرين ، تم طرح العديد من الخيارات التي يمكن أن تفسر هذا التناقض. قد يعتمد نوع الماء الذي يتجمد بشكل أسرع ، ساخنًا أم باردًا ، على حقيقة أنه يحتوي على معدل تبخر أعلى من الماء البارد. وبالتالي ، ينخفض حجمه ، ومع انخفاض الحجم ، يصبح وقت التجميد أقصر مما لو أخذنا حجمًا أوليًا مماثلًا من الماء البارد.

تم فك التجميد منذ فترة طويلة

أي ماء يتجمد بشكل أسرع ولماذا يحدث ذلك ، يمكن أن يتأثر بالبطانة الثلجية التي قد تكون موجودة في ثلاجة الثلاجة المستخدمة في التجربة. إذا أخذت حاويتين متماثلتين في الحجم ، لكن إحداهما تحتوي على ماء ساخن والأخرى ماء بارد ، فإن الحاوية التي تحتوي على ماء ساخن ستذيب الثلج تحتها ، وبالتالي تحسين ملامسة المستوى الحراري لجدار الثلاجة. لا يمكن لوعاء الماء البارد القيام بذلك. إذا لم يكن هناك مثل هذه البطانة بالثلج في الثلاجة ، فيجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع.

أسفل العلوي

كما أن الظاهرة التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخن أو بارد ، موضحة على النحو التالي. باتباع قوانين معينة ، يبدأ الماء البارد في التجميد الطبقات العلياعندما يكون الجو ساخنًا في الاتجاه المعاكس - يبدأ في التجمد من الأسفل إلى الأعلى. في الوقت نفسه ، اتضح أن الماء البارد ، وجود طبقة باردة في الأعلى مع وجود ثلج قد تشكل بالفعل في بعض الأماكن ، مما يضعف عمليات الحمل الحراري و الإشعاع الحراري، وبالتالي توضيح الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن. تم إرفاق صورة من تجارب الهواة ، وهنا تظهر بوضوح.

تنطفئ الحرارة ، وتميل إلى الأعلى ، وهناك تلتقي بطبقة شديدة البرودة. لا يوجد مسار حر للإشعاع الحراري ، وبالتالي تصبح عملية التبريد صعبة. الماء الساخن لا يحتوي على الإطلاق مثل هذه الحواجز في طريقه. الذي يتجمد بشكل أسرع - بارد أو ساخن ، والذي تعتمد عليه النتيجة المحتملة ، يمكنك توسيع الإجابة بالقول أن أي ماء به مواد معينة مذابة فيه.

الشوائب في تكوين الماء كعامل مؤثر في النتيجة

إذا كنت لا تغش واستخدام الماء مع نفس التكوينعندما تكون تركيزات بعض المواد متطابقة ، يجب أن يتجمد الماء البارد بشكل أسرع. ولكن إذا حدث الموقف عند المنحل العناصر الكيميائيةمتوفر فقط في الماء الساخن ، في حين أن الماء البارد لا يحتوي عليها ، فهناك احتمال أن يتجمد الماء الساخن في وقت مبكر. ويفسر ذلك حقيقة أن المواد الذائبة في الماء تخلق مراكز تبلور ، ومع وجود عدد قليل من هذه المراكز ، يكون تحويل الماء إلى حالة صلبة أمرًا صعبًا. حتى التبريد الفائق للماء ممكن ، بمعنى أنه في درجات حرارة دون الصفر سيكون في حالة سائلة.

لكن كل هذه الإصدارات ، على ما يبدو ، لم تناسب العلماء تمامًا ، واستمروا في العمل على هذه القضية. في عام 2013 ، قال فريق من الباحثين في سنغافورة إنهم تمكنوا من حل اللغز القديم.

تدعي مجموعة من العلماء الصينيين أن سر هذا التأثير يكمن في كمية الطاقة المخزنة بين جزيئات الماء في روابطها ، والتي تسمى روابط الهيدروجين.

الجواب من العلماء الصينيين

سيتبع ذلك مزيد من المعلومات ، لفهم أنه من الضروري الحصول على بعض المعرفة في الكيمياء من أجل معرفة الماء الذي يتجمد بشكل أسرع - ساخن أو بارد. كما تعلم ، يتكون من ذرتين H (هيدروجين) وذرة O (أكسجين) متماسكة معًا روابط تساهمية.

لكن ذرات الهيدروجين في جزيء واحد تنجذب أيضًا إلى الجزيئات المجاورة ، إلى مكون الأكسجين الخاص بها. تسمى هذه الروابط روابط هيدروجينية.

في الوقت نفسه ، يجدر بنا أن نتذكر أنه في نفس الوقت ، تعمل جزيئات الماء بشكل مثير للاشمئزاز على بعضها البعض. لاحظ العلماء أنه عند تسخين الماء ، تزداد المسافة بين جزيئاته ، وتسهل قوى التنافر ذلك. اتضح أن احتلال مسافة واحدة بين الجزيئات في حالة باردة ، يمكن للمرء أن يقول إنها تتمدد ، ولديها مصدر طاقة أكبر. يتم إطلاق احتياطي الطاقة هذا عندما تبدأ جزيئات الماء في الاقتراب من بعضها البعض ، أي يحدث التبريد. اتضح أن إمدادًا أكبر من الطاقة في الماء الساخن ، وإطلاقه الأكبر عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر ، يحدث بشكل أسرع من الماء البارد ، الذي يحتوي على كمية أقل من هذه الطاقة. أي ماء يتجمد بشكل أسرع - بارد أم ساخن؟ في الشارع وفي المختبر ، يجب أن تحدث مفارقة مبيمبا ، ويجب أن يتحول الماء الساخن إلى جليد بشكل أسرع.

لكن السؤال لا يزال مفتوحا

لا يوجد سوى تأكيد نظري لهذا الدليل - كل هذا مكتوب بصيغ جميلة ويبدو معقولاً. ولكن عندما يتم وضع البيانات التجريبية ، التي يتجمد فيها الماء بشكل أسرع - ساخنًا أو باردًا ، بالمعنى العملي ، وسيتم تقديم نتائجها ، عندئذٍ سيكون من الممكن اعتبار مسألة مفارقة مبيمبا مغلقة.

تُعرف ظاهرة تجمد الماء الساخن بمعدل أسرع من الماء البارد في العلم بتأثير مبيمبا. فكرت عقول عظيمة مثل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت في هذه الظاهرة المتناقضة ، لكن لآلاف السنين لم يتمكن أحد حتى الآن من تقديم تفسير معقول لهذه الظاهرة.

فقط في عام 1963 ، لاحظ تلميذ من جمهورية تنجانيقا ، إراستو مبيمبا ، هذا التأثير على مثال الآيس كريم ، لكن لم يقدم له أي من البالغين تفسيرًا. ومع ذلك ، فكر الفيزيائيون والكيميائيون بجدية في مثل هذه الظاهرة البسيطة ، ولكن غير المفهومة.

منذ ذلك الحين ، تم التعبير عن إصدارات مختلفة ، كان أحدها على النحو التالي: جزء من الماء الساخن يتبخر ببساطة في البداية ، وبعد ذلك ، عندما تبقى كمية أقل ، يتصلب الماء بشكل أسرع. أصبح هذا الإصدار ، بسبب بساطته ، هو الأكثر شعبية ، لكن العلماء لم يكونوا راضين تمامًا.

الآن فريق من الباحثين من جامعة التكنولوجياقال نانيانغ في سنغافورة (جامعة نانيانغ التكنولوجية) ، بقيادة الكيميائي شي تشانغ ، إنهم حلوا اللغز القديم المتمثل في سبب تجمد الماء الدافئ بشكل أسرع من الماء البارد. كما اكتشف الخبراء الصينيون ، يكمن السر في كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

كما تعلم ، تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واثنين من ذرات الهيدروجين مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية ، والتي تبدو على مستوى الجسيمات وكأنها تبادل للإلكترونات. اخر حقيقة معروفةهو أن ذرات الهيدروجين تنجذب إلى ذرات الأكسجين من الجزيئات المجاورة - وهذا يشكل روابط هيدروجينية.

في الوقت نفسه ، تتنافر جزيئات الماء ككل. لاحظ علماء من سنغافورة أنه كلما زادت درجة حرارة الماء ، زادت المسافة بين جزيئات السائل نتيجة زيادة قوى التنافر. نتيجة لذلك ، تتمدد روابط الهيدروجين ، وبالتالي تخزن المزيد من الطاقة. يتم إطلاق هذه الطاقة عندما يبرد الماء - تقترب الجزيئات من بعضها البعض. وعودة الطاقة ، كما تعلم ، تعني التبريد.

كما كتب الكيميائيون في مقالتهم ، والتي يمكن العثور عليها في موقع arXiv.org ، فإن الروابط الهيدروجينية تتمدد بقوة أكبر في الماء الساخن منها في الماء البارد. وهكذا ، اتضح أنه يتم تخزين المزيد من الطاقة في روابط الهيدروجين الخاصة بالماء الساخن ، مما يعني أن المزيد منها يتم إطلاقه عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر. لهذا السبب ، يكون التجميد أسرع.

حتى الآن ، حل العلماء هذا اللغز من الناحية النظرية فقط. عندما يقدمون دليلاً مقنعًا على نسختهم ، يمكن اعتبار السؤال عن سبب تجميد الماء الساخن أسرع من الماء البارد مغلقًا.

في عام 1963 ، سأل تلميذ من تنزانيا يُدعى إيراستو مبيمبا معلمه سؤالًا غبيًا - لماذا يتجمد الآيس كريم الدافئ أسرع من الآيس كريم البارد في المجمد الخاص به؟

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. خوفا من أنه لن يكون في الوقت المناسب بنهاية الدرس ، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته ، تجمد حتى قبل حليب رفاقه ، الذي تم تحضيره وفقًا لتكنولوجيا معينة.

التفت إلى مدرس الفيزياء للتوضيح ، لكنه سخر فقط من الطالب قائلاً: "هذه ليست فيزياء العالم ، لكنها فيزياء مبيمبا". 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 تأخذ وعاءين متطابقين مع كميات متساوية من الماء بحيث يكون الماء في إحداهما 35 درجة مئوية ، والآخر - 100 درجة مئوية ، وتضعهما في الفريزر ، ثم في الثانية سيتجمد الماء أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذه المشكلة وسرعان ما في عام 1969 ، مع مبيمبا ، نشروا نتائج تجاربهم في مجلة Physics Education. ومنذ ذلك الحين ، أطلق على التأثير الذي اكتشفوه اسم تأثير مبيمبا.

هل أنت فضولي لمعرفة سبب حدوث ذلك؟ قبل بضع سنوات فقط تمكن العلماء من تفسير هذه الظاهرة ...

يعتبر تأثير Mpemba (Mpemba Paradox) 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. 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.

الآن فريق من الباحثين من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة ، بقيادة الكيميائي Xi Zhang ، يقولون إنهم تمكنوا من حل اللغز القديم حول سبب تجمد الماء الدافئ بشكل أسرع من الماء البارد. كما اكتشف الخبراء الصينيون ، يكمن السر في كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

كما تعلم ، تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واثنين من ذرات الهيدروجين مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية ، والتي تبدو على مستوى الجسيمات وكأنها تبادل للإلكترونات. حقيقة أخرى معروفة هي أن ذرات الهيدروجين تنجذب إلى ذرات الأكسجين من الجزيئات المجاورة - تتشكل روابط الهيدروجين.

فيما يلي الفرضيات التي طرحها العلماء:

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 حتى 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 ، بسبب التبخر ، تنخفض درجة حرارته.

الفرق في درجة الحرارة

نظرًا لحقيقة أن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر - وبالتالي ، يكون نقل الحرارة 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 غير المبرد ، ما يحدث هو أن طبقة رقيقة من الجليد تتشكل على سطحه ، تعمل كعازل بين الماء والهواء البارد ، وبالتالي تمنع 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 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة ، فسوف تتجمد الطبقة السطحية من الماء 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 ستكون بمثابة عازل يحمي الطبقات السفلية من الماء ، والتي ستبقى عند 4 درجات مئوية. لذلك ، ستكون عملية التبريد الإضافية أبطأ. في حالة الماء الساخن ، الوضع مختلف تمامًا. ستبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر والاختلافات الكبيرة 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 نظر الحمل الحراري ، ينبغي للمرء أن يفترض أن طبقات الماء الباردة والساخنة مفصولة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد أن ينخفض متوسط درجة حرارة الماء عن 4 درجات مئوية. ومع ذلك ، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء البارد والساخن 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 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 لا لبس فيها 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 المزيد من التبريد الفائق بسبب قلة مراكز التبلور. عند تسخين الماء ، يتم إزالة الغازات المذابة فيه ، وعندما يغلي تترسب بعض الأملاح فيه. حتى الآن ، يمكن التأكيد على شيء واحد فقط - إن إعادة إنتاج هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم إجراء التجربة في ظلها. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

وإليك السبب الأكثر ترجيحًا.

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 أدخل الطالب - طباخ 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 الدولةمن مدينة نيويورك ، كان جيمس براونريدج يدرس التناقض في أوقات فراغه لأكثر من عقد من الزمان. 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. عندما يكون هناك 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 - ربما بسبب مجموعة مختلفة من الشوائب.

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.