چرا آب جوش در هوای سرد سریعتر یخ می زند؟ چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند؟ اثر Mpemba. این سوال برای مدت طولانی مطرح بوده است

اثر Mpemba(پارادوکس مپمبا) پارادوکسی است که بیان می کند آب گرمدر برخی شرایط سریعتر از آب سرد یخ می زند، اگرچه در طول فرآیند انجماد باید از دمای آب سرد عبور کند. این پارادوکس یک واقعیت تجربی است که با ایده‌های معمولی در تناقض است که بر اساس آن، در شرایط یکسان، جسمی که گرم‌تر شده است، زمان بیشتری برای خنک شدن تا دمای معینی نیاز دارد تا جسمی که حرارت کمتری دارد تا در همان دما خنک شود.

این پدیده زمانی توسط ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت مورد توجه قرار گرفت، اما تنها در سال 1963 بود که اراستو امپمبا، دانش‌آموز تانزانیایی متوجه شد که مخلوط بستنی داغ سریع‌تر از بستنی سرد یخ می‌زند.

شاگرد ماگامبینسکایا بودن دبیرستاندر تانزانیا Erasto Mpemba انجام داد کار عملیدر آشپزی او باید بستنی خانگی درست می کرد - شیر را بجوشانید، شکر را در آن حل کنید، آن را تا دمای اتاق خنک کنید و سپس آن را در یخچال قرار دهید تا منجمد شود. ظاهراً امپمبا دانش آموز سخت کوشی خاصی نبود و در تکمیل قسمت اول کار به تأخیر افتاد. از ترس اینکه تا آخر درس درست نشه، شیر داغ رو توی یخچال گذاشت. در کمال تعجب، حتی زودتر از شیر رفقای خود که مطابق با فناوری داده شده تهیه شده بود، یخ زد.

پس از این، Mpemba نه تنها با شیر، بلکه با آب معمولی نیز آزمایش کرد. در هر صورت، قبلاً به عنوان دانش آموز در مدرسه متوسطه Mkwava، از پروفسور دنیس آزبورن از کالج دانشگاهی در دارالسلام (دعوت شده توسط مدیر مدرسه برای ارائه یک سخنرانی در مورد فیزیک برای دانش آموزان) به طور خاص در مورد آب پرسید: «اگر شما در نظر بگیرید. دو ظرف یکسان با حجم آب مساوی به طوری که در یکی از آنها دمای آب 35 درجه سانتیگراد و در دیگری - 100 درجه سانتیگراد باشد و آنها را در فریزر قرار دهید سپس در دومی آب سریعتر یخ بزند. چرا؟" آزبورن به این موضوع علاقه مند شد و به زودی، در سال 1969، او و Mpemba نتایج آزمایش های خود را در مجله Physics Education منتشر کردند. از آن زمان، اثری که آنها کشف کردند نامیده می شود اثر Mpemba.

تا به حال هیچ کس دقیقاً نمی داند چگونه این اثر عجیب را توضیح دهد. دانشمندان یک نسخه واحد ندارند، اگرچه تعداد زیادی وجود دارد. همه چیز در مورد تفاوت در خواص آب سرد و گرم است، اما هنوز مشخص نیست که کدام خواص در این مورد نقش دارند: تفاوت در فوق خنک شدن، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا تأثیر گازهای مایع بر روی آب در دماهای مختلف

پارادوکس اثر Mpemba این است که در طی آن بدن تا درجه حرارت خنک می شود محیط، باید متناسب با اختلاف دمای این جسم و محیط باشد. این قانون توسط نیوتن ایجاد شد و از آن زمان تاکنون بارها در عمل تایید شده است. در این اثر، آب با دمای 100 درجه سانتی گراد تا دمای 0 درجه سانتی گراد سریعتر از همان مقدار آب با دمای 35 درجه سانتی گراد سرد می شود.

با این حال، این هنوز به معنای پارادوکس نیست، زیرا اثر Mpemba را می توان در چارچوب فیزیک شناخته شده توضیح داد. در اینجا چند توضیح برای اثر Mpemba آورده شده است:

تبخیر

اثر تبخیر یک اثر دوگانه است. در مرحله اول، جرم آب مورد نیاز برای خنک سازی کاهش می یابد. و ثانیاً به دلیل کاهش گرمای تبخیر انتقال از فاز آب به فاز بخار، دما کاهش می یابد.

اختلاف دما

به دلیل اختلاف دما بین آب گرمو هوای سرد بیشتری وجود دارد - بنابراین تبادل حرارت در این مورد شدیدتر است و آب گرم سریعتر خنک می شود.

هیپوترمی

وقتی آب زیر صفر درجه سانتیگراد سرد می شود، همیشه یخ نمی زند. تحت برخی شرایط، می تواند تحت سرد شدن فوق العاده قرار گیرد و در دماهای زیر انجماد به مایع باقی بماند. در برخی موارد، آب حتی در دمای 20- درجه سانتیگراد می تواند مایع باقی بماند.

دلیل این اثر این است که برای اینکه اولین بلورهای یخ شروع به تشکیل شدن کنند، به مراکز تشکیل کریستال نیاز است. اگر آنها در آب مایع وجود نداشته باشند، ابرسرد شدن تا زمانی ادامه می یابد که دما به اندازه کافی کاهش یابد تا کریستال ها به طور خود به خود تشکیل شوند. هنگامی که آنها در مایع فوق سرد شده شروع به تشکیل می کنند، شروع به رشد سریعتر می کنند و یخ لجن تشکیل می دهند که یخ می زند و یخ را تشکیل می دهد.

آب داغ بیشتر مستعد هیپوترمی است زیرا حرارت دادن آن گازها و حباب های محلول را حذف می کند که به نوبه خود می توانند به عنوان مراکز تشکیل بلورهای یخ عمل کنند.

چرا هیپوترمی باعث یخ زدن سریعتر آب گرم می شود؟ در مورد آب سرد که فوق خنک نیست، موارد زیر اتفاق می افتد. در این صورت لایه نازکی از یخ روی سطح ظرف تشکیل می شود. این لایه یخ به عنوان عایق بین آب و هوای سرد عمل می کند و از تبخیر بیشتر جلوگیری می کند. سرعت تشکیل کریستال های یخ در این حالت کمتر خواهد بود. در مورد آب گرمی که در معرض فوق خنک سازی قرار می گیرد، آب فوق خنک شده دارای لایه سطحی محافظ یخ نیست. بنابراین، گرما را از طریق قسمت باز بسیار سریعتر از دست می دهد.

هنگامی که فرآیند فوق خنک کننده به پایان می رسد و آب یخ می زند، گرمای بسیار بیشتری از دست می رود و در نتیجه تشکیل می شود یخ بیشتر.

بسیاری از محققان این اثر هیپوترمی را عامل اصلی در مورد اثر Mpemba می دانند.

همرفت

آب سرد از بالا شروع به یخ زدن می کند، در نتیجه فرآیندهای تابش گرما و همرفت و در نتیجه از دست دادن گرما بدتر می شود، در حالی که آب گرم از پایین شروع به یخ زدن می کند.

این اثر با یک ناهنجاری در چگالی آب توضیح داده می شود. حداکثر چگالی آب در 4 درجه سانتیگراد است. اگر آب را تا 4 درجه سانتیگراد خنک کنید و در دمای کمتری قرار دهید، لایه سطحی آب سریعتر یخ میزند. از آنجایی که این آب در دمای 4 درجه سانتیگراد چگالی کمتری نسبت به آب دارد، روی سطح باقی می ماند و یک لایه نازک سرد تشکیل می دهد. در این شرایط، در مدت زمان کوتاهی یک لایه نازک یخ روی سطح آب تشکیل می شود، اما این لایه یخ به عنوان عایق عمل می کند و از لایه های پایینی آب محافظت می کند که در دمای 4 درجه سانتی گراد باقی می مانند. بنابراین، فرآیند خنک‌سازی بیشتر کندتر خواهد بود.

در مورد آب گرم وضعیت کاملا متفاوت است. لایه سطحی آب به دلیل تبخیر و اختلاف دما بیشتر سریعتر خنک می شود. علاوه بر این، لایه‌های آب سرد متراکم‌تر از لایه‌های آب گرم هستند، بنابراین لایه آب سرد فرو می‌رود و لایه آب گرم را به سطح می‌آورد. این گردش آب کاهش سریع دما را تضمین می کند.

اما چرا این فرآیند به نقطه تعادل نمی رسد؟ برای توضیح اثر Mpemba از این دیدگاه همرفت، لازم است فرض کنیم که لایه‌های سرد و گرم آب از هم جدا شده‌اند و فرآیند همرفت پس از کاهش متوسط دمای آب به زیر 4 درجه سانتی‌گراد ادامه می‌یابد.

با این حال، هیچ مدرک تجربی برای حمایت از این فرضیه وجود ندارد که لایه‌های سرد و گرم آب توسط فرآیند همرفت از هم جدا می‌شوند.

گازهای حل شده در آب

آب همیشه حاوی گازهای محلول در آن است - اکسیژن و دی اکسید کربن. این گازها توانایی کاهش نقطه انجماد آب را دارند. هنگامی که آب گرم می شود، این گازها از آب خارج می شوند زیرا در دماهای بالا حلالیت آنها در آب کمتر است. بنابراین، زمانی که آب گرم سرد می شود، همیشه حاوی گازهای محلول کمتری نسبت به آب سرد گرم نشده است. بنابراین نقطه انجماد آب گرم شده بیشتر است و سریعتر یخ می زند. این عامل گاهی اوقات به عنوان اصلی ترین عامل در توضیح اثر Mpemba در نظر گرفته می شود، اگرچه هیچ داده تجربی تأیید کننده این واقعیت وجود ندارد.

رسانایی گرمایی

همه این شرایط (و همچنین سایر شرایط) در بسیاری از آزمایش‌ها مورد مطالعه قرار گرفتند، اما پاسخ روشنی برای این سؤال - که کدام یک از آنها صد در صد بازتولید اثر Mpemba را فراهم می‌کنند - هرگز به دست نیامد.

به عنوان مثال، در سال 1995، فیزیکدان آلمانی، دیوید اورباخ، تأثیر آب فوق خنک کننده را بر این اثر مطالعه کرد. او کشف کرد که آب داغ، با رسیدن به حالت فوق سرد، در دمای بالاتر از آب سرد و در نتیجه سریعتر از دومی یخ می‌زند. اما آب سرد سریعتر از آب گرم به حالت فوق خنک می رسد و در نتیجه تاخیر قبلی را جبران می کند.

علاوه بر این، نتایج Auerbach با داده‌های قبلی که آب داغ به دلیل مراکز کریستالیزاسیون کمتر می‌توانست به ابرسرد شدن بیشتری دست یابد، در تضاد بود. وقتی آب گرم می شود گازهای محلول در آن از آن خارج می شود و وقتی آب می جوشد مقداری املاح حل شده در آن رسوب می کند.

در حال حاضر، تنها یک چیز را می توان بیان کرد - بازتولید این اثر به طور قابل توجهی بستگی به شرایطی دارد که در آن آزمایش انجام می شود. دقیقاً به این دلیل که همیشه بازتولید نمی شود.

O. V. Mosin

ادبیمنابع:

"آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند. چرا این کار را انجام می دهد؟"، جرل واکر در The Amator Scientist، Scientific American، جلد. 237، شماره 3، ص 246-257; سپتامبر 1977.

«یخ زدن آب سرد و گرم»، جی.S. کل در مجله آمریکایی فیزیک، جلد. 37، شماره 5، ص 564-565; مه 1969.

«Supercooling and the Mpemba effect»، دیوید اورباخ، در مجله آمریکایی فیزیک، جلد. 63، شماره 10، ص 882-885; اکتبر 1995.

"اثر Mpemba: زمان های انجماد آب گرم و سرد"، چارلز ای. نایت، در مجله آمریکایی فیزیک، جلد. 64، شماره 5، ص 524; اردیبهشت 96.

عوامل زیادی وجود دارد که بر یخ زدن سریعتر آب تأثیر می گذارد، گرم یا سرد، اما خود این سؤال کمی عجیب به نظر می رسد. مفهوم، و این از فیزیک شناخته شده است، این است که آب گرم برای تبدیل شدن به یخ هنوز به زمان نیاز دارد تا با دمای آب سرد مقایسه شود. این مرحله را می توان نادیده گرفت و بر این اساس، او به موقع برنده می شود.

اما پاسخ به این سوال که کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم - در بیرون در سرما، هر ساکن در عرض های جغرافیایی شمالی می داند. در واقع، از نظر علمی، معلوم می شود که در هر صورت، آب سرد به سادگی سریعتر یخ می زند.

معلم فیزیک، که در سال 1963 توسط یک دانش آموز Erasto Mpemba به او مراجعه کرد، همین موضوع را با درخواست توضیح داد که چرا مخلوط سرد بستنی آینده نسبت به بستنی مشابه، اما داغ، زمان بیشتری برای یخ زدن دارد.

"این فیزیک جهانی نیست، بلکه نوعی فیزیک Mpemba است"

در آن زمان معلم فقط به این موضوع خندید، اما دنیس آزبورن، استاد فیزیک، که زمانی از همان مدرسه ای که اراستو در آن تحصیل می کرد بازدید کرد، به طور تجربی وجود چنین تأثیری را تأیید کرد، اگرچه در آن زمان هیچ توضیحی برای آن وجود نداشت. در سال 1969، در محبوب مجله علمیمقاله مشترکی توسط این دو نفر منتشر شد که این اثر عجیب و غریب را توصیف کرد.

از آن زمان، به هر حال، این سوال که کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - نام خاص خود را دارد - اثر Mpemba یا پارادوکس.

این سوال برای مدت طولانی مطرح بوده است

طبیعتاً چنین پدیده ای قبلاً رخ داده است و در آثار دانشمندان دیگر نیز به آن اشاره شده است. نه تنها دانش آموز به این موضوع علاقه مند بود، بلکه رنه دکارت و حتی ارسطو نیز زمانی به آن فکر می کردند.

اما آنها فقط در پایان قرن بیستم به دنبال رویکردهایی برای حل این پارادوکس بودند.

شرایط برای وقوع یک پارادوکس

مانند بستنی، فقط آب ساده نیست که در طول آزمایش یخ می‌زند. برای شروع بحث در مورد اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم - باید شرایط خاصی وجود داشته باشد. چه چیزی بر روند این فرآیند تأثیر می گذارد؟

اکنون، در قرن بیست و یکم، گزینه های متعددی مطرح شده است که می تواند این تناقض را توضیح دهد. اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند، گرم یا سرد، ممکن است به این واقعیت بستگی داشته باشد که میزان تبخیر آن بیشتر از آب سرد است. بنابراین حجم آن کاهش می یابد و با کاهش حجم، زمان انجماد کمتر از زمانی می شود که همان حجم اولیه آب سرد را بگیریم.

مدتی است که فریزر را یخ زدایی کرده اید.

اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند و چرا این اتفاق می افتد می تواند تحت تأثیر پوشش برفی باشد که ممکن است در فریزر یخچال مورد استفاده برای آزمایش وجود داشته باشد. اگر دو ظرف را بردارید که از نظر حجم یکسان هستند، اما یکی از آنها حاوی آب گرم و دیگری سرد است، ظرف حاوی آب گرم، برف زیر را آب می کند و در نتیجه تماس سطح حرارتی با دیواره یخچال بهبود می یابد. یک ظرف آب سرد نمی تواند این کار را انجام دهد. اگر چنین پوششی با برف در محفظه یخچال وجود نداشته باشد، آب سرد باید سریعتر یخ بزند.

بالا - پایین

همچنین پدیده ای که آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - به شرح زیر توضیح داده شده است. با پیروی از قوانین خاصی، آب سرد شروع به یخ زدن می کند لایه های بالایی، وقتی گرم است برعکس عمل می کند - از پایین به بالا شروع به یخ زدن می کند. به نظر می رسد که آب سرد، داشتن یک لایه سرد در بالای آن با یخ که قبلاً در مکان هایی تشکیل شده است، بنابراین فرآیندهای همرفت و همرفت را بدتر می کند. تابش حرارتی، بدین ترتیب توضیح می دهد که کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم. عکس‌هایی از آزمایش‌های آماتور پیوست شده‌اند، و این به وضوح در اینجا قابل مشاهده است.

گرما خاموش می شود، با عجله به سمت بالا می رود و در آنجا با یک لایه بسیار خنک برخورد می کند. هیچ مسیر آزاد برای تشعشع گرما وجود ندارد، بنابراین فرآیند خنک سازی دشوار می شود. آب گرم مطلقاً چنین مانعی در مسیر خود ندارد. کدام یک سریع تر یخ می زند - سرد یا گرم، چه چیزی نتیجه احتمالی را تعیین می کند؟

ناخالصی های موجود در آب به عنوان یک عامل موثر بر نتیجه

اگر تقلب نکنید و از آب استفاده کنید همان ترکیبدر جایی که غلظت برخی از مواد یکسان است، آب سرد باید سریعتر منجمد شود. اما اگر موقعیتی در هنگام منحل شدن رخ دهد عناصر شیمیاییفقط در آب گرم موجود هستند و آب سرد آنها را ندارد، پس امکان یخ زدن زودتر آب گرم وجود دارد. این امر با این واقعیت توضیح داده می شود که مواد محلول در آب، مراکز تبلور ایجاد می کنند و با تعداد کمی از این مراکز، تبدیل آب به حالت جامد دشوار است. حتی ممکن است آب فوق خنک شود، به این معنا که در دمای زیر صفر در حالت مایع باشد.

اما ظاهراً همه این نسخه ها کاملاً مناسب دانشمندان نبود و آنها به کار روی این موضوع ادامه دادند. در سال 2013، تیمی از محققان در سنگاپور گفتند که یک معمای قدیمی را حل کرده اند.

گروهی از دانشمندان چینی ادعا می کنند که راز این اثر در مقدار انرژی است که بین مولکول های آب در پیوندهای آن ذخیره می شود که پیوند هیدروژنی نامیده می شود.

پاسخ دانشمندان چینی

آنچه در ادامه می آید اطلاعاتی است که برای درک آن ها باید دانش شیمی داشته باشید تا بفهمید کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد. همانطور که مشخص است، از دو اتم H (هیدروژن) و یک اتم O (اکسیژن) تشکیل شده است که در کنار هم قرار دارند. پیوندهای کووالانسی.

اما همچنین اتم های هیدروژن یک مولکول به مولکول های مجاور، به جزء اکسیژن آنها جذب می شوند. به این پیوندها پیوند هیدروژنی می گویند.

شایان ذکر است که در عین حال، مولکول های آب اثر دافعه ای روی یکدیگر دارند. دانشمندان خاطرنشان کردند که وقتی آب گرم می شود، فاصله بین مولکول های آن افزایش می یابد و این توسط نیروهای دافعه تسهیل می شود. معلوم می شود که با اشغال همان فاصله بین مولکول ها در حالت سرد، می توان گفت که کش می شوند و منبع انرژی بیشتری دارند. این ذخیره انرژی است که زمانی آزاد می شود که مولکول های آب شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند، یعنی خنک شدن اتفاق می افتد. معلوم می شود که ذخیره انرژی بیشتر در آب گرم و آزاد شدن بیشتر آن هنگام خنک شدن تا دمای زیر صفر سریعتر از آب سرد رخ می دهد که ذخیره کمتری از چنین انرژی دارد. بنابراین کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم؟ در خیابان و در آزمایشگاه، پارادوکس Mpemba باید رخ دهد، و آب داغ باید سریعتر به یخ تبدیل شود.

اما سوال همچنان باز است

تنها تأیید نظری این راه حل وجود دارد - همه اینها در فرمول های زیبا نوشته شده است و قابل قبول به نظر می رسد. اما وقتی داده‌های تجربی که در آن آب سریع‌تر یخ می‌زند - گرم یا سرد - مورد استفاده عملی قرار می‌گیرند و نتایج آن‌ها ارائه می‌شود، می‌توان سؤال پارادوکس Mpemba را بسته در نظر گرفت.

پدیده یخ زدن آب گرم با سرعت بیشتری نسبت به آب سرد در علم به عنوان اثر Mpemba شناخته می شود. ذهن‌های بزرگی مانند ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت به این پدیده متناقض فکر می‌کردند، اما هزاران سال است که هیچ‌کس هنوز نتوانسته توضیح معقولی برای این پدیده ارائه دهد.

فقط در سال 1963، یک دانش آموز از جمهوری تانگانیکا، Erasto Mpemba، با استفاده از مثال بستنی متوجه این تأثیر شد، اما هیچ بزرگسالی توضیحی به او نداد. با این وجود، فیزیکدانان و شیمیدانان به طور جدی به چنین پدیده ای ساده، اما غیرقابل درک فکر کرده اند.

از آن زمان، نسخه های مختلفی بیان شده است که یکی از آنها به شرح زیر است: بخشی از آب گرم ابتدا به سادگی تبخیر می شود و سپس، زمانی که کمتر از آن باقی می ماند، آب سریعتر یخ می زند. این نسخه، به دلیل سادگی، محبوب ترین شد، اما به طور کامل دانشمندان را راضی نکرد.

اکنون تیمی از محققان از دانشگاه فناوریدانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور به رهبری شی ژانگ شیمیدان گفت که آنها معمای قدیمی را حل کرده اند که چرا آب گرم سریعتر از آب سرد منجمد می شود. همانطور که کارشناسان چینی دریافته اند، راز در مقدار انرژی ذخیره شده نهفته است پیوند های هیدروژنیبین مولکول های آب

همانطور که می‌دانید مولکول‌های آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده‌اند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌شوند که در سطح ذرات شبیه تبادل الکترون است. یکی دیگر واقعیت شناخته شدهدر این واقعیت نهفته است که اتم های هیدروژن از مولکول های همسایه به اتم های اکسیژن جذب می شوند - و پیوندهای هیدروژنی تشکیل می شود.

در عین حال، مولکول های آب به طور کلی یکدیگر را دفع می کنند. دانشمندان سنگاپور متوجه شدند: هرچه آب گرمتر باشد، به دلیل افزایش نیروهای دافعه، فاصله بین مولکول های مایع بیشتر می شود. در نتیجه پیوندهای هیدروژنی کشیده می شوند و در نتیجه انرژی بیشتری ذخیره می کنند. این انرژی با سرد شدن آب آزاد می شود - مولکول ها به یکدیگر نزدیک می شوند. و آزاد شدن انرژی همانطور که مشخص است به معنای خنک شدن است.

همانطور که شیمیدانان در مقاله خود می نویسند، که می توان آن را در وب سایت preprint arXiv.org یافت، پیوندهای هیدروژنی در آب گرم قوی تر از آب سرد است. بنابراین، معلوم می شود که انرژی بیشتری در پیوندهای هیدروژنی آب گرم ذخیره می شود، به این معنی که وقتی تا دمای زیر صفر سرد شود، مقدار بیشتری از آن آزاد می شود. به همین دلیل سخت شدن سریعتر اتفاق می افتد.

تا به امروز، دانشمندان این معما را فقط به صورت تئوری حل کرده اند. هنگامی که آنها شواهد قانع کننده ای از نسخه خود ارائه می دهند، این سوال که چرا آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند را می توان بسته در نظر گرفت.

در سال 1963، یک دانش آموز تانزانیایی به نام Erasto Mpemba از معلم خود سوال احمقانه ای پرسید: چرا بستنی گرم در فریزر او سریعتر از بستنی سرد منجمد می شود؟

به عنوان دانش آموز در دبیرستان ماگامبی در تانزانیا، Erasto Mpemba به عنوان یک آشپز کار عملی انجام داد. او باید بستنی خانگی درست می کرد - شیر را بجوشانید، شکر را در آن حل کنید، آن را تا دمای اتاق خنک کنید و سپس آن را در یخچال قرار دهید تا منجمد شود. ظاهراً امپمبا دانش آموز سخت کوشی خاصی نبود و در تکمیل قسمت اول کار به تأخیر افتاد. از ترس اینکه تا آخر درس درست نشه، شیر داغ رو توی یخچال گذاشت. در کمال تعجب، حتی زودتر از شیر رفقای خود که مطابق با فناوری داده شده تهیه شده بود، یخ زد.

او برای توضیح به معلم فیزیک مراجعه کرد، اما او فقط به دانش آموز خندید و این جمله را گفت: "این فیزیک جهانی نیست، بلکه فیزیک Mpemba است." پس از این، Mpemba نه تنها با شیر، بلکه با آب معمولی نیز آزمایش کرد.

در هر صورت، قبلاً به عنوان دانش آموز در مدرسه متوسطه Mkwava، از پروفسور دنیس آزبورن از کالج دانشگاهی در دارالسلام (دعوت شده توسط مدیر مدرسه برای ارائه یک سخنرانی در مورد فیزیک برای دانش آموزان) به طور خاص در مورد آب پرسید: «اگر شما در نظر بگیرید. دو ظرف یکسان با حجم آب مساوی به طوری که در یکی از آنها دمای آب 35 درجه سانتیگراد و در دیگری - 100 درجه سانتیگراد باشد و آنها را در فریزر قرار دهید سپس در دومی آب سریعتر یخ بزند. چرا؟" آزبورن به این موضوع علاقه مند شد و به زودی، در سال 1969، او و Mpemba نتایج آزمایش های خود را در مجله Physics Education منتشر کردند. از آن زمان، اثری که آنها کشف کردند، اثر Mpemba نامیده شد.

آیا شما علاقه مندید که بدانید چرا این اتفاق می افتد؟ همین چند سال پیش، دانشمندان موفق به توضیح این پدیده شدند...

اثر Mpemba (Mpemba Paradox) پارادوکسی است که بیان می‌کند آب گرم در برخی شرایط سریع‌تر از آب سرد یخ می‌زند، اگرچه در طول فرآیند انجماد باید از دمای آب سرد عبور کند. این پارادوکس یک واقعیت تجربی است که با ایده‌های معمولی در تناقض است که بر اساس آن، در شرایط یکسان، جسمی که گرم‌تر شده است، زمان بیشتری برای خنک شدن تا دمای معینی نیاز دارد تا جسمی که حرارت کمتری دارد تا در همان دما خنک شود.

این پدیده در زمان خود مورد توجه ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت قرار گرفت. تا به حال هیچ کس دقیقاً نمی داند چگونه این اثر عجیب را توضیح دهد. دانشمندان یک نسخه واحد ندارند، اگرچه تعداد زیادی وجود دارد. همه چیز در مورد تفاوت در خواص آب سرد و گرم است، اما هنوز مشخص نیست که کدام خواص در این مورد نقش دارند: تفاوت در فوق خنک شدن، تبخیر، تشکیل یخ، همرفت یا تأثیر گازهای مایع بر روی آب در دماهای مختلف پارادوکس اثر Mpemba این است که زمانی که یک جسم تا دمای محیط خنک می شود باید متناسب با اختلاف دمای بین این جسم و محیط باشد. این قانون توسط نیوتن ایجاد شد و از آن زمان تاکنون بارها در عمل تایید شده است. در این اثر، آب با دمای 100 درجه سانتی گراد تا دمای 0 درجه سانتی گراد سریعتر از همان مقدار آب با دمای 35 درجه سانتی گراد سرد می شود.

اکنون تیمی از محققان دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور به سرپرستی شی ژانگ شیمیدان می‌گویند که این معمای قدیمی را حل کرده‌اند که چرا آب گرم سریع‌تر از آب سرد یخ می‌زند. همانطور که کارشناسان چینی دریافته اند، راز در مقدار انرژی ذخیره شده در پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب نهفته است.

همانطور که می‌دانید مولکول‌های آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده‌اند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌شوند که در سطح ذرات شبیه تبادل الکترون است. یکی دیگر از واقعیت های شناخته شده این است که اتم های هیدروژن از مولکول های همسایه به اتم های اکسیژن جذب می شوند - پیوندهای هیدروژنی تشکیل می شود.

در اینجا فرضیاتی وجود دارد که توسط دانشمندان ارائه شده است:

تبخیر

آب داغ سریعتر از ظرف تبخیر می شود و در نتیجه حجم آن کاهش می یابد و حجم کمتری از آب در همان دما سریعتر یخ می زند. آبی که تا دمای 100 درجه سانتیگراد گرم می شود، با سرد شدن تا دمای 0 درجه سانتیگراد، 16 درصد از جرم خود را از دست می دهد. اثر تبخیر یک اثر دوگانه است. در مرحله اول، جرم آب مورد نیاز برای خنک سازی کاهش می یابد. و دوم اینکه در اثر تبخیر دمای آن کاهش می یابد.

اختلاف دما

با توجه به اینکه اختلاف دمای آب گرم و هوای سرد بیشتر است بنابراین تبادل حرارت در این حالت شدیدتر بوده و آب گرم سریعتر سرد می شود.

هیپوترمی
وقتی آب کمتر از 0 درجه سانتیگراد سرد می شود، همیشه یخ نمی زند. تحت برخی شرایط، می تواند تحت سرد شدن فوق العاده قرار گیرد و در دماهای زیر انجماد به مایع باقی بماند. در برخی موارد، آب حتی در دمای 20- درجه سانتیگراد می تواند مایع باقی بماند. دلیل این اثر این است که برای اینکه اولین بلورهای یخ شروع به تشکیل شدن کنند، به مراکز تشکیل کریستال نیاز است. اگر آنها در آب مایع وجود نداشته باشند، ابرسرد شدن تا زمانی ادامه می یابد که دما به اندازه کافی کاهش یابد تا کریستال ها به طور خود به خود تشکیل شوند. هنگامی که آنها در مایع فوق سرد شده شروع به تشکیل می کنند، شروع به رشد سریعتر می کنند و یخ لجن تشکیل می دهند که یخ می زند و یخ را تشکیل می دهد. آب داغ بیشتر مستعد هیپوترمی است زیرا حرارت دادن آن گازها و حباب های محلول را حذف می کند که به نوبه خود می توانند به عنوان مراکز تشکیل بلورهای یخ عمل کنند. چرا هیپوترمی باعث یخ زدن سریعتر آب گرم می شود؟ در مورد آب سردی که فوق سرد نمی شود، این اتفاق می افتد: لایه نازکی از یخ روی سطح آن تشکیل می شود که به عنوان عایق بین آب و هوای سرد عمل می کند و در نتیجه از تبخیر بیشتر جلوگیری می کند. سرعت تشکیل کریستال های یخ در این حالت کمتر خواهد بود. در مورد آب گرمی که در معرض فوق خنک سازی قرار می گیرد، آب فوق خنک شده دارای لایه سطحی محافظ یخ نیست. بنابراین، گرما را از طریق قسمت باز بسیار سریعتر از دست می دهد. هنگامی که فرآیند فوق خنک کننده به پایان می رسد و آب یخ می زند، گرمای بسیار بیشتری از دست می رود و بنابراین یخ بیشتری تشکیل می شود. بسیاری از محققان این اثر هیپوترمی را عامل اصلی در مورد اثر Mpemba می دانند.
همرفت

آب سرد از بالا شروع به یخ زدن می کند، در نتیجه فرآیندهای تابش گرما و همرفت و در نتیجه از دست دادن گرما بدتر می شود، در حالی که آب گرم از پایین شروع به یخ زدن می کند. این اثر با یک ناهنجاری در چگالی آب توضیح داده می شود. آب حداکثر چگالی خود را در 4 درجه سانتیگراد دارد. اگر آب را تا 4 درجه سانتی گراد خنک کنید و در محیطی با دمای کمتر قرار دهید، لایه سطحی آب سریعتر یخ می زند. از آنجایی که این آب در دمای 4 درجه سانتی گراد چگالی کمتری نسبت به آب دارد، روی سطح باقی می ماند و یک لایه نازک سرد تشکیل می دهد. در این شرایط در مدت زمان کوتاهی لایه نازکی از یخ روی سطح آب تشکیل می شود اما این لایه یخ به عنوان یک عایق عمل می کند و از لایه های پایینی آب محافظت می کند که در دمای 4 درجه سانتی گراد باقی می مانند. . بنابراین، فرآیند خنک‌سازی بیشتر کندتر خواهد بود. در مورد آب گرم وضعیت کاملا متفاوت است. لایه سطحی آب به دلیل تبخیر و اختلاف دما بیشتر سریعتر خنک می شود. همچنین لایه‌های آب سرد متراکم‌تر از لایه‌های آب گرم هستند، بنابراین لایه آب سرد فرو می‌رود و لایه آب گرم را به سطح می‌آورد. این گردش آب کاهش سریع دما را تضمین می کند. اما چرا این فرآیند به نقطه تعادل نمی رسد؟ برای توضیح اثر Mpemba از نقطه نظر همرفت، لازم است فرض کنیم که لایه‌های سرد و گرم آب از هم جدا شده‌اند و فرآیند همرفت پس از کاهش متوسط دمای آب به زیر 4 درجه سانتی‌گراد ادامه می‌یابد. با این حال، هیچ مدرک تجربی برای حمایت از این فرضیه وجود ندارد که لایه‌های سرد و گرم آب توسط فرآیند همرفت از هم جدا می‌شوند.

گازهای حل شده در آب

رسانایی گرمایی

زمانی که آب در ظروف کوچک در فریزر محفظه یخچال قرار می گیرد، این مکانیسم می تواند نقش بسزایی داشته باشد. در این شرایط مشاهده شده است که یک ظرف آب داغ یخ فریزر زیر آن را ذوب می کند و در نتیجه تماس حرارتی با دیواره فریزر و هدایت حرارتی را بهبود می بخشد. در نتیجه گرما از ظرف آب گرم سریعتر از ظرف سرد خارج می شود. به نوبه خود، یک ظرف با آب سرد، برف زیر را آب نمی کند. همه این شرایط (و همچنین سایر شرایط) در بسیاری از آزمایش‌ها مورد مطالعه قرار گرفتند، اما پاسخ روشنی به این سؤال - که کدام یک از آنها بازتولید 100٪ اثر Mpemba را تضمین می‌کنند - هرگز به دست نیامد. به عنوان مثال، در سال 1995، فیزیکدان آلمانی، دیوید اورباخ، تأثیر آب فوق خنک کننده را بر این اثر مطالعه کرد. او کشف کرد که آب داغ، با رسیدن به حالت فوق سرد، در دمای بالاتر از آب سرد و در نتیجه سریعتر از دومی یخ می‌زند. اما آب سرد سریعتر از آب گرم به حالت فوق خنک می رسد و در نتیجه تاخیر قبلی را جبران می کند. علاوه بر این، نتایج Auerbach با داده‌های قبلی که آب داغ به دلیل مراکز کریستالیزاسیون کمتر می‌توانست به ابرسرد شدن بیشتری دست یابد، در تضاد بود. وقتی آب گرم می شود گازهای محلول در آن از آن خارج می شود و وقتی آب می جوشد مقداری املاح حل شده در آن رسوب می کند. در حال حاضر، تنها یک چیز را می توان بیان کرد: بازتولید این اثر به طور قابل توجهی بستگی به شرایطی دارد که در آن آزمایش انجام می شود. دقیقاً به این دلیل که همیشه بازتولید نمی شود.

اما همانطور که می گویند محتمل ترین دلیل است.

انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا به هر کسی که بتواند توضیح دهد 1000 پوند جایزه می دهد. نکته علمیدرک اینکه چرا در برخی موارد آب گرم سریعتر از آب سرد منجمد می شود.

"علم مدرن هنوز نمی تواند به این سوال به ظاهر ساده پاسخ دهد. بستنی سازها و بارمن ها از این جلوه در کارهای روزانه خود استفاده می کنند، اما هیچ کس واقعاً نمی داند که چرا این کار موثر است. پروفسور دیوید فیلیپس، رئیس انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا، در بیانیه مطبوعاتی انجمن گفت: این مشکل برای هزاران سال شناخته شده است، و فیلسوفانی مانند ارسطو و دکارت در مورد آن فکر می کنند.

چگونه آشپزی از آفریقا یک استاد فیزیک بریتانیایی را شکست داد

این یک شوخی اول آوریل نیست، بلکه یک واقعیت فیزیکی خشن است. علم مدرن که به راحتی با کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها کار می‌کند و شتاب‌دهنده‌های غول‌پیکر برای جستجوی کوارک‌ها و بوزون‌ها می‌سازد، نمی‌تواند توضیح دهد که آب اولیه چگونه «کار می‌کند». کتاب درسی مدرسه به وضوح بیان می کند که برای خنک کردن بدن گرمتر نسبت به خنک کردن بدن سرد زمان بیشتری نیاز است. اما برای آب این قانون همیشه رعایت نمی شود. ارسطو در قرن چهارم قبل از میلاد به این پارادوکس توجه کرد. ه. این چیزی است که من نوشتم یونان باستاندر کتاب Meteorologica I: «این واقعیت که آب از قبل گرم شده است به یخ زدن آن کمک می کند. بنابراین، بسیاری از مردم وقتی می خواهند آب داغ را سریعتر خنک کنند، ابتدا آن را زیر نور خورشید قرار می دهند...» در قرون وسطی فرانسیس بیکن و رنه دکارت سعی در توضیح این پدیده داشتند. افسوس که نه فیلسوفان بزرگ و نه دانشمندان متعددی که گرمافیزیک کلاسیک را توسعه دادند در این امر موفق نبودند و بنابراین در این مورد واقعیت ناخوشایند"فراموش شده" برای مدت طولانی.

و فقط در سال 1968 آنها به لطف دانش آموز Erasto Mpembe از تانزانیا ، به دور از هر علمی "به یاد آوردند". در حالی که در سال 1963 در مدرسه هنرهای آشپزی تحصیل می کرد، امپمب 13 ساله وظیفه ساخت بستنی را به عهده گرفت. با توجه به تکنولوژی، لازم بود شیر را بجوشانید، شکر را در آن حل کنید، تا دمای اتاق خنک کنید و سپس در یخچال بگذارید تا یخ بزند. ظاهراً مپمبا دانشجوی کوشا نبود و مردد بود. از ترس اینکه تا آخر درس درست نشه، شیر داغ رو توی یخچال گذاشت. در کمال تعجب، حتی زودتر از شیر رفقایش که طبق تمام قوانین تهیه شده بود، یخ زد.

هنگامی که مپمبا کشف خود را با معلم فیزیک خود در میان گذاشت، او در حضور تمام کلاس به او خندید. مپمبا توهین را به یاد آورد. پنج سال بعد، که قبلاً دانشجوی دانشگاه دارالسلام بود، در سخنرانی فیزیکدان معروف دنیس جی آزبورن شرکت کرد. پس از سخنرانی، او از دانشمند سؤالی پرسید: "اگر دو ظرف یکسان با مقدار مساوی آب، یکی در دمای 35 درجه سانتیگراد (95 درجه فارنهایت) و دیگری در 100 درجه سانتیگراد (212 درجه فارنهایت) بردارید و آنها را قرار دهید. در فریزر، سپس آب در ظرف داغ سریعتر یخ می زند. چرا؟" می توانید واکنش یک پروفسور بریتانیایی به سوال مرد جوانی از خداحافظی تانزانیا را تصور کنید. دانش آموز را مسخره کرد. با این حال، Mpemba برای چنین پاسخی آماده بود و دانشمند را به شرط بندی به چالش کشید. اختلاف آنها با یک آزمایش آزمایشی به پایان رسید که تأیید کرد حق با مپمبا بود و آزبورن شکست خورد. بنابراین، آشپز شاگرد نام خود را در تاریخ علم نوشت و از این پس این پدیده "اثر مپمبا" نامیده می شود. غیرممکن است که آن را کنار بگذاریم، آن را به عنوان "غیر موجود" اعلام کنیم. این پدیده وجود دارد، و همانطور که شاعر نوشته است، "درد ندارد."

آیا ذرات گرد و غبار و املاح مقصر هستند؟

در طول سال ها، بسیاری تلاش کرده اند راز یخ زدن آب را کشف کنند. مجموعه کاملی از توضیحات برای این پدیده ارائه شده است: تبخیر، همرفت، تأثیر مواد محلول - اما هیچ یک از این عوامل را نمی توان قطعی در نظر گرفت. تعدادی از دانشمندان تمام زندگی خود را وقف اثر Mpemba کرده اند. کارمند اداره ایمنی در برابر تشعشعات دانشگاه دولتینیویورک - جیمز براونریج - در وقت آزادبیش از یک دهه است که در حال مطالعه پارادوکس است. پس از انجام صدها آزمایش، دانشمند ادعا می کند که شواهدی از "گناه بودن" هیپوترمی دارد. براونریج توضیح می‌دهد که در دمای صفر درجه سانتی‌گراد، آب فقط فوق‌سرد می‌شود و زمانی که دما به پایین‌تر می‌آید شروع به یخ زدن می‌کند. نقطه انجماد توسط ناخالصی های موجود در آب تنظیم می شود - آنها سرعت تشکیل کریستال های یخ را تغییر می دهند. ناخالصی ها، مانند ذرات گرد و غبار، باکتری ها و نمک های محلول، زمانی که کریستال های یخ در اطراف مراکز تبلور تشکیل می شوند، دمای هسته مشخصی دارند. هنگامی که چندین عنصر به طور همزمان در آب وجود دارند، نقطه انجماد توسط عنصری تعیین می شود که بالاترین دمای هسته را دارد.

برای این آزمایش، براونریج دو نمونه آب با دمای یکسان برداشت و آنها را در فریزر قرار داد. او کشف کرد که یکی از نمونه ها همیشه قبل از دیگری یخ می زند - احتمالاً به دلیل ترکیبات مختلفناخالصی ها

براونریج می گوید آب گرم سریعتر سرد می شود زیرا بین دمای آب و فریزر تفاوت بیشتری وجود دارد - این به آن کمک می کند قبل از رسیدن آب سرد به نقطه انجماد طبیعی خود که حداقل 5 درجه سانتیگراد کمتر است به نقطه انجماد خود برسد.

با این حال، استدلال براونریج سؤالات زیادی را ایجاد می کند. بنابراین، کسانی که می توانند اثر Mpemba را به روش خود توضیح دهند، این شانس را دارند که برای هزار پوند استرلینگ از انجمن سلطنتی شیمی بریتانیا رقابت کنند.