Mpemba प्रभाव(एमपेम्बा का विरोधाभास) एक विरोधाभास है जो बताता है कि कुछ शर्तों के तहत गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है, हालांकि इसे ठंड की प्रक्रिया में ठंडे पानी के तापमान को पार करना होगा। यह विरोधाभास एक प्रायोगिक तथ्य है जो सामान्य विचारों का खंडन करता है, जिसके अनुसार, समान परिस्थितियों में, एक गर्म शरीर को एक निश्चित तापमान तक ठंडा होने के लिए एक ठंडे शरीर की तुलना में एक ही तापमान पर ठंडा होने के लिए अधिक समय की आवश्यकता होती है।

इस घटना को उस समय अरस्तू, फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस द्वारा देखा गया था, लेकिन केवल 1963 में, तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा ने पाया कि एक गर्म आइसक्रीम का मिश्रण ठंडे की तुलना में तेजी से जमता है।

Magamba . के एक छात्र के रूप में उच्च विद्यालयतंजानिया में, एरास्टो मपेम्बा ने किया व्यावहारिक कार्यपाक कला में। उसे घर की बनी आइसक्रीम बनानी थी - दूध उबालें, उसमें चीनी घोलें, उसे कमरे के तापमान पर ठंडा करें और फिर उसे जमने के लिए फ्रिज में रख दें। जाहिरा तौर पर, Mpemba एक विशेष रूप से मेहनती छात्र नहीं था और असाइनमेंट के पहले भाग में विलंबित था। इस डर से कि पाठ के अंत तक वह समय पर नहीं पहुंचेगा, उसने अभी भी गर्म दूध को फ्रिज में रख दिया। उनके आश्चर्य के लिए, यह उनके साथियों के दूध से भी पहले जम गया, जो एक दी गई तकनीक के अनुसार तैयार किया गया था।

उसके बाद, Mpemba ने न केवल दूध के साथ, बल्कि के साथ भी प्रयोग किया सादे पानी. किसी भी मामले में, पहले से ही मकवावा हाई स्कूल में एक छात्र होने के नाते, उन्होंने दार एस सलाम (स्कूल के निदेशक द्वारा छात्रों को भौतिकी पर व्याख्यान देने के लिए आमंत्रित) में यूनिवर्सिटी कॉलेज के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न से पानी के बारे में पूछा: "अगर आप दो समान कंटेनर लेते हैं बराबर मात्रापानी ताकि उनमें से एक में पानी का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस हो, और दूसरे में - 100 डिग्री सेल्सियस, और उन्हें फ्रीजर में रख दें, फिर दूसरे में पानी तेजी से जम जाएगा। क्यों?" ओसबोर्न को इस सवाल में दिलचस्पी हो गई और जल्द ही, 1969 में, Mpemba के साथ, उन्होंने अपने प्रयोगों के परिणामों को भौतिकी शिक्षा पत्रिका में प्रकाशित किया। तब से, उनके द्वारा खोजे गए प्रभाव को कहा जाता है Mpemba प्रभाव.

अब तक, कोई नहीं जानता कि इस अजीब प्रभाव को कैसे समझाया जाए। वैज्ञानिकों के पास एक भी संस्करण नहीं है, हालांकि कई हैं। यह सब गर्म और ठंडे पानी के गुणों में अंतर के बारे में है, लेकिन यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि इस मामले में कौन से गुण भूमिका निभाते हैं: सुपरकूलिंग, वाष्पीकरण, बर्फ गठन, संवहन, या पानी पर तरलीकृत गैसों के प्रभाव में अंतर विभिन्न तापमान।

Mpemba प्रभाव का विरोधाभास यह है कि जिस समय के दौरान शरीर परिवेश के तापमान तक ठंडा हो जाता है, वह इस शरीर और पर्यावरण के बीच तापमान अंतर के समानुपाती होना चाहिए। यह नियम न्यूटन द्वारा स्थापित किया गया था और तब से व्यवहार में कई बार इसकी पुष्टि की गई है। उसी प्रभाव में, 100 डिग्री सेल्सियस पर पानी 35 डिग्री सेल्सियस पर पानी की समान मात्रा की तुलना में 0 डिग्री सेल्सियस तक तेजी से ठंडा हो जाता है।

हालाँकि, यह अभी तक एक विरोधाभास नहीं दर्शाता है, क्योंकि Mpemba प्रभाव को के संदर्भ में भी समझाया जा सकता है प्रसिद्ध भौतिकी. यहाँ Mpemba प्रभाव के लिए कुछ स्पष्टीकरण दिए गए हैं:

वाष्पीकरण

गर्म पानी कंटेनर से तेजी से वाष्पित हो जाता है, जिससे इसकी मात्रा कम हो जाती है, और समान तापमान वाले पानी की थोड़ी मात्रा तेजी से जम जाती है। 100 C तक गर्म किया गया पानी 0 C तक ठंडा होने पर अपने द्रव्यमान का 16% खो देता है।

वाष्पीकरण प्रभाव दोहरा प्रभाव है। सबसे पहले, ठंडा करने के लिए आवश्यक पानी का द्रव्यमान कम किया जाता है। और दूसरी बात, तापमान कम हो जाता है क्योंकि पानी के चरण से वाष्प चरण में संक्रमण के वाष्पीकरण की गर्मी कम हो जाती है।

तापमान अंतराल

इस तथ्य के कारण कि गर्म पानी और ठंडी हवा के बीच तापमान का अंतर अधिक होता है - इसलिए इस मामले में गर्मी का आदान-प्रदान अधिक तीव्र होता है और गर्म पानी तेजी से ठंडा होता है।

अल्प तपावस्था

जब पानी को 0C से नीचे ठंडा किया जाता है, तो यह हमेशा जमता नहीं है। कुछ शर्तों के तहत, यह हिमांक बिंदु से नीचे के तापमान पर तरल बने रहने के दौरान सुपरकूलिंग से गुजर सकता है। कुछ मामलों में, पानी -20 डिग्री सेल्सियस पर भी तरल रह सकता है।

इस प्रभाव का कारण यह है कि पहले बर्फ के क्रिस्टल बनने के लिए क्रिस्टल बनने के केंद्रों की आवश्यकता होती है। यदि वे तरल पानी में नहीं हैं, तो सुपरकूलिंग तब तक जारी रहेगी जब तक कि तापमान इतना कम न हो जाए कि क्रिस्टल अनायास बनने लगें। जब वे सुपरकूल्ड तरल में बनना शुरू करते हैं, तो वे तेजी से बढ़ना शुरू कर देंगे, जिससे एक बर्फ का टुकड़ा बन जाएगा जो बर्फ बनाने के लिए जम जाएगा।

गर्म पानी हाइपोथर्मिया के लिए अतिसंवेदनशील होता है क्योंकि इसे गर्म करने से घुली हुई गैसें और बुलबुले समाप्त हो जाते हैं, जो बदले में बर्फ के क्रिस्टल के निर्माण के लिए केंद्र के रूप में काम कर सकते हैं।

हाइपोथर्मिया गर्म पानी को तेजी से जमने का कारण क्यों बनता है? ठंडे पानी के मामले में, जो सुपरकूल्ड नहीं है, निम्नलिखित होता है। ऐसे में बर्तन की सतह पर बर्फ की एक पतली परत बन जाएगी। बर्फ की यह परत पानी और ठंडी हवा के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में कार्य करेगी और आगे वाष्पीकरण को रोकेगी। इस स्थिति में बर्फ के क्रिस्टल बनने की दर कम होगी। गर्म पानी के उप-शीतलन के मामले में, उप-ठंडा पानी में बर्फ की सुरक्षात्मक सतह परत नहीं होती है। इसलिए, खुले शीर्ष के माध्यम से यह बहुत तेजी से गर्मी खो देता है।

जब सुपरकूलिंग प्रक्रिया समाप्त हो जाती है और पानी जम जाता है, तो बहुत अधिक गर्मी खो जाती है और इसलिए अधिक बर्फ बनती है।

इस आशय के कई शोधकर्ता हाइपोथर्मिया को Mpemba प्रभाव के मामले में मुख्य कारक मानते हैं।

कंवेक्शन

ठंडा पानी ऊपर से जमने लगता है, जिससे गर्मी विकिरण और संवहन की प्रक्रिया बिगड़ जाती है, और इसलिए गर्मी का नुकसान होता है, जबकि गर्म पानी नीचे से जमने लगता है।

इस प्रभाव को पानी के घनत्व में एक विसंगति द्वारा समझाया गया है। पानी का अधिकतम घनत्व 4C है। यदि आप पानी को 4C तक ठंडा करते हैं और इसे कम तापमान पर रखते हैं, तो पानी की सतह की परत तेजी से जम जाएगी। चूँकि यह पानी 4°C पर पानी की तुलना में कम घना होता है, यह सतह पर रहेगा, जिससे एक पतली ठंडी परत बन जाएगी। इन परिस्थितियों में पानी की सतह पर थोड़े समय के लिए बर्फ की एक पतली परत बनेगी, लेकिन बर्फ की यह परत पानी की निचली परतों की रक्षा करने वाले एक इन्सुलेटर के रूप में काम करेगी, जो 4 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर रहेगी। इसलिए , आगे शीतलन धीमा होगा।

गर्म पानी के मामले में, स्थिति बिल्कुल अलग है। वाष्पीकरण और अधिक तापमान अंतर के कारण पानी की सतह की परत अधिक तेज़ी से ठंडी होगी। इसके अलावा, ठंडे पानी की परतें गर्म पानी की परतों की तुलना में घनी होती हैं, इसलिए ठंडे पानी की परत नीचे गिर जाएगी, जिससे गर्म पानी की परत सतह पर आ जाएगी। पानी का यह संचलन तापमान में तेजी से गिरावट सुनिश्चित करता है।

लेकिन यह प्रक्रिया संतुलन बिंदु तक क्यों नहीं पहुंच पाती है? संवहन के इस दृष्टिकोण से Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने के लिए, यह मान लेना आवश्यक होगा कि पानी की ठंडी और गर्म परतें अलग हो जाती हैं और औसत पानी का तापमान 4 C से नीचे जाने के बाद भी संवहन प्रक्रिया जारी रहती है।

हालाँकि, इस परिकल्पना का समर्थन करने के लिए कोई प्रायोगिक प्रमाण नहीं है कि पानी की ठंडी और गर्म परतें संवहन द्वारा अलग हो जाती हैं।

पानी में घुली गैसें

पानी में हमेशा घुली हुई गैसें होती हैं - ऑक्सीजन और कार्बन डाइआक्साइड. इन गैसों में पानी के हिमांक को कम करने की क्षमता होती है। जब पानी को गर्म किया जाता है, तो ये गैसें पानी से निकल जाती हैं क्योंकि उच्च तापमान पर पानी में इनकी घुलनशीलता कम होती है। इसलिए, जब गर्म पानी को ठंडा किया जाता है, तो उसमें हमेशा बिना गर्म किए ठंडे पानी की तुलना में कम घुलने वाली गैसें होती हैं। इसलिए, गर्म पानी का हिमांक अधिक होता है और यह तेजी से जम जाता है। इस कारक को कभी-कभी Mpemba प्रभाव की व्याख्या करने में मुख्य माना जाता है, हालांकि इस तथ्य की पुष्टि करने वाले कोई प्रयोगात्मक डेटा नहीं हैं।

ऊष्मीय चालकता

जब पानी छोटे कंटेनरों में रेफ्रिजरेटर फ्रीजर में रखा जाता है तो यह तंत्र महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। इन परिस्थितियों में, यह देखा गया है कि गर्म पानी वाला कंटेनर नीचे फ्रीजर की बर्फ को पिघला देता है, जिससे फ्रीजर की दीवार और तापीय चालकता के साथ थर्मल संपर्क में सुधार होता है। नतीजतन, ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी के कंटेनर से गर्मी तेजी से निकल जाती है। बदले में, ठंडे पानी वाला कंटेनर इसके नीचे बर्फ नहीं पिघलाता है।

इन सभी (साथ ही अन्य) स्थितियों का कई प्रयोगों में अध्ययन किया गया है, लेकिन इस सवाल का एक स्पष्ट जवाब - उनमें से कौन Mpemba प्रभाव का 100% प्रजनन प्रदान करता है - प्राप्त नहीं हुआ है।

इसलिए, उदाहरण के लिए, 1995 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी डेविड ऑरबैक ने इस प्रभाव पर पानी के सुपरकूलिंग के प्रभाव का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि गर्म पानी, सुपरकूल्ड अवस्था में पहुँचकर, ठंडे पानी की तुलना में अधिक तापमान पर जम जाता है, और इसलिए बाद वाले की तुलना में तेज़ होता है। परंतु ठंडा पानीसुपरकूल्ड अवस्था गर्म की तुलना में तेजी से पहुँचती है, जिससे पिछले अंतराल की भरपाई होती है।

इसके अलावा, Auerbach के परिणामों ने पहले के आंकड़ों का खंडन किया कि गर्म पानी कम क्रिस्टलीकरण केंद्रों के कारण अधिक सुपरकूलिंग प्राप्त करने में सक्षम है। जब पानी को गर्म किया जाता है तो उसमें घुली गैसें उसमें से निकल जाती हैं और जब इसे उबाला जाता है तो इसमें घुले कुछ लवण अवक्षेपित हो जाते हैं।

अब तक, केवल एक ही बात पर जोर दिया जा सकता है - इस प्रभाव का पुनरुत्पादन अनिवार्य रूप से उन परिस्थितियों पर निर्भर करता है जिनके तहत प्रयोग किया जाता है। ठीक है क्योंकि यह हमेशा पुन: उत्पन्न नहीं होता है।

नमस्कार प्रिय प्रेमियों रोचक तथ्य. आज हम बात करेंगे। लेकिन मुझे लगता है कि शीर्षक में दिया गया प्रश्न केवल बेतुका लग सकता है - लेकिन क्या किसी को हमेशा कुख्यात "सामान्य ज्ञान" पर अविभाज्य रूप से भरोसा करना चाहिए, और कड़ाई से परीक्षण अनुभव निर्धारित नहीं करना चाहिए। आइए जानने की कोशिश करते हैं कि गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्यों जमता है?

इतिहास संदर्भ

कि ठंडे और गर्म पानी को जमने के मुद्दे में "सब कुछ शुद्ध नहीं है" का उल्लेख अरस्तू के कार्यों में किया गया था, फिर इसी तरह के नोट एफ। बेकन, आर। डेसकार्टेस और जे। ब्लैक द्वारा बनाए गए थे। पर ताज़ा इतिहासइस आशय को "मपेम्बा विरोधाभास" नाम दिया गया था - तांगानिका के एक स्कूली छात्र के नाम पर, एरास्टो मपेम्बा, जिसने भौतिकी के एक अतिथि प्रोफेसर से यही प्रश्न पूछा था।

लड़के का सवाल खरोंच से नहीं, बल्कि रसोई में आइसक्रीम के मिश्रण को ठंडा करने की प्रक्रिया के विशुद्ध रूप से व्यक्तिगत अवलोकन से आया। बेशक, जो सहपाठी वहां मौजूद थे, उनके साथ स्कूल शिक्षक Mpemba का उपहास किया गया था - हालांकि, प्रोफेसर डी। ओसबोर्न द्वारा व्यक्तिगत रूप से एक प्रयोगात्मक सत्यापन के बाद, एरास्टो का मजाक बनाने की इच्छा उनसे "वाष्पित" हो गई। इसके अलावा, Mpemba, एक प्रोफेसर के साथ, 1969 में भौतिकी शिक्षा में प्रकाशित हुआ विस्तृत विवरणयह प्रभाव - और तब से उपरोक्त नाम वैज्ञानिक साहित्य में अटका हुआ है।

घटना का सार क्या है?

प्रयोग की स्थापना काफी सरल है: अन्य चीजें समान होने पर, समान पतली दीवार वाले जहाजों का परीक्षण किया जाता है, जिसमें पानी की समान मात्रा होती है, केवल तापमान में भिन्नता होती है। जहाजों को रेफ्रिजरेटर में लोड किया जाता है, जिसके बाद उनमें से प्रत्येक में बर्फ बनने से पहले का समय दर्ज किया जाता है। विरोधाभास यह है कि एक बर्तन में शुरू में गर्म तरल के साथ, यह तेजी से होता है।

आधुनिक भौतिकी इसे कैसे समझाती है?

विरोधाभास की कोई सार्वभौमिक व्याख्या नहीं है, क्योंकि कई समानांतर प्रक्रियाएं एक साथ आगे बढ़ती हैं, जिनमें से योगदान विशिष्ट प्रारंभिक स्थितियों से भिन्न हो सकता है - लेकिन एक समान परिणाम के साथ:

• एक तरल से सुपरकूल की क्षमता - शुरू में ठंडे पानी में हाइपोथर्मिया होने का खतरा अधिक होता है, अर्थात। तरल रहता है जब इसका तापमान पहले से ही हिमांक से नीचे होता है
• त्वरित शीतलन - गर्म पानी से भाप बर्फ के माइक्रोक्रिस्टल में बदल जाती है, जो वापस गिरने पर प्रक्रिया को तेज करती है, एक अतिरिक्त "बाहरी हीट एक्सचेंजर" के रूप में काम करती है।
• इन्सुलेशन प्रभाव - गर्म पानी के विपरीत, ठंडा पानी ऊपर से जम जाता है, जिससे संवहन और विकिरण द्वारा गर्मी हस्तांतरण में कमी आती है

कई अन्य स्पष्टीकरण हैं (हाल ही में ब्रिटिश रॉयल द्वारा सर्वश्रेष्ठ परिकल्पना के लिए एक प्रतियोगिता रासायनिक समाजहाल ही में, 2012 में आयोजित) - लेकिन इनपुट स्थितियों के संयोजन के सभी मामलों के लिए अभी भी कोई स्पष्ट सिद्धांत नहीं है ...

कौन सा पानी तेजी से जमता है, गर्म या ठंडा, कई कारकों से प्रभावित होता है, लेकिन सवाल खुद थोड़ा अजीब लगता है। यह समझा जाता है, और यह भौतिकी से जाना जाता है, कि गर्म पानी को बर्फ में बदलने के लिए तुलनीय ठंडे पानी के तापमान तक ठंडा होने के लिए अभी भी समय चाहिए। इस चरण को छोड़ा जा सकता है, और, तदनुसार, वह समय पर जीत जाती है।

लेकिन इस सवाल का जवाब कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म - सड़क पर ठंढ में, उत्तरी अक्षांश का कोई भी निवासी जानता है। वास्तव में, वैज्ञानिक रूप से, यह पता चला है कि किसी भी मामले में, ठंडे पानी को बस तेजी से जमना पड़ता है।

तो क्या भौतिकी के शिक्षक, जिन्हें 1963 में स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा ने संपर्क किया था, यह समझाने के अनुरोध के साथ कि भविष्य की आइसक्रीम का ठंडा मिश्रण एक समान, लेकिन गर्म से अधिक समय तक क्यों जमता है।

"यह विश्व भौतिकी नहीं है, बल्कि किसी प्रकार का Mpemba भौतिकी है"

उस समय, शिक्षक केवल इस पर हंसते थे, लेकिन भौतिकी के प्रोफेसर डेनिस ओसबोर्न, जो एक समय में उसी स्कूल में जाते थे जहां एरास्टो ने अध्ययन किया था, प्रयोगात्मक रूप से इस तरह के प्रभाव के अस्तित्व की पुष्टि की, हालांकि इसके लिए कोई स्पष्टीकरण नहीं था। . 1969 में, लोकप्रिय . में वैज्ञानिक पत्रिकाइस अजीबोगरीब प्रभाव का वर्णन करने वाले इन दो लोगों का एक संयुक्त लेख प्रकाशित किया।

तब से, जिस सवाल का पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा, उसका अपना नाम है - प्रभाव, या विरोधाभास, Mpemba।

यह सवाल काफी समय से चल रहा है

स्वाभाविक रूप से, ऐसी घटना पहले भी हुई है, और अन्य वैज्ञानिकों के कार्यों में इसका उल्लेख किया गया था। इस सवाल में न केवल स्कूली बच्चे की दिलचस्पी थी, बल्कि रेने डेसकार्टेस और यहां तक ​​​​कि अरस्तू ने भी एक समय इसके बारे में सोचा था।

यहाँ इस विरोधाभास को हल करने के लिए केवल दृष्टिकोण हैं जो बीसवीं शताब्दी के अंत में ही देखने लगे।

एक विरोधाभास होने की शर्तें

आइसक्रीम की तरह, यह केवल साधारण पानी नहीं है जो प्रयोग के दौरान जम जाता है। यह बहस शुरू करने के लिए कुछ शर्तें मौजूद होनी चाहिए कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म। इस प्रक्रिया को क्या प्रभावित करता है?

अब, 21वीं सदी में, कई विकल्प सामने रखे गए हैं जो इस विरोधाभास की व्याख्या कर सकते हैं। कौन सा पानी तेजी से जमता है, गर्म या ठंडा, यह इस बात पर निर्भर हो सकता है कि ठंडे पानी की तुलना में इसकी वाष्पीकरण दर अधिक होती है। इस प्रकार, इसकी मात्रा कम हो जाती है, और मात्रा में कमी के साथ, यदि हम ठंडे पानी की समान प्रारंभिक मात्रा लेते हैं, तो ठंड का समय कम हो जाता है।

फ्रीजर लंबे समय से डीफ़्रॉस्ट किया गया है

कौन सा पानी तेजी से जमता है, और ऐसा क्यों करता है, यह प्रयोग के लिए उपयोग किए जाने वाले रेफ्रिजरेटर के फ्रीजर में मौजूद बर्फ की परत से प्रभावित हो सकता है। यदि आप दो कंटेनर लेते हैं जो मात्रा में समान हैं, लेकिन उनमें से एक में गर्म पानी और दूसरा ठंडा पानी होगा, तो गर्म पानी वाला कंटेनर उसके नीचे की बर्फ को पिघला देगा, जिससे रेफ्रिजरेटर की दीवार के साथ थर्मल स्तर के संपर्क में सुधार होगा। एक ठंडे पानी का कंटेनर ऐसा नहीं कर सकता। यदि रेफ्रिजरेटर में बर्फ के साथ ऐसा कोई अस्तर नहीं है, तो ठंडे पानी को तेजी से जमना चाहिए।

ऊपर से नीचे

साथ ही, जिस परिघटना से पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा, उसे इस प्रकार समझाया गया है। कुछ नियमों का पालन करते हुए, ऊपरी परतों से ठंडा पानी जमने लगता है, जब गर्म पानी इसे दूसरी तरफ से करता है - यह नीचे से ऊपर तक जमने लगता है। यह पता चला है कि ठंडा पानी, कुछ स्थानों पर पहले से ही बर्फ के साथ एक ठंडी परत होने से, संवहन और थर्मल विकिरण की प्रक्रिया बिगड़ जाती है, जिससे यह समझा जाता है कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म। शौकिया प्रयोगों की एक तस्वीर संलग्न है, और यहाँ यह स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहा है।

गर्मी बाहर जाती है, ऊपर की ओर झुकती है, और वहाँ यह एक बहुत ही ठंडी परत से मिलती है। गर्मी विकिरण के लिए कोई मुक्त मार्ग नहीं है, इसलिए शीतलन प्रक्रिया कठिन हो जाती है। गर्म पानी के रास्ते में ऐसी कोई बाधा नहीं है। जो तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म, जिस पर संभावित परिणाम निर्भर करता है, आप यह कहकर उत्तर का विस्तार कर सकते हैं कि किसी भी पानी में कुछ पदार्थ घुले होते हैं।

परिणाम को प्रभावित करने वाले कारक के रूप में पानी की संरचना में अशुद्धियाँ

यदि आप धोखा नहीं देते हैं और उसी संरचना वाले पानी का उपयोग करते हैं, जहां कुछ पदार्थों की सांद्रता समान होती है, तो ठंडे पानी को तेजी से जमना चाहिए। लेकिन अगर भंग होने पर कोई स्थिति उत्पन्न होती है रासायनिक तत्वकेवल गर्म पानी में उपलब्ध है, जबकि ठंडे पानी में नहीं है, तो गर्म पानी के पहले जमने की संभावना है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि पानी में घुले हुए पदार्थ क्रिस्टलीकरण के केंद्र बनाते हैं, और इन केंद्रों की एक छोटी संख्या के साथ, पानी को ठोस अवस्था में बदलना मुश्किल है। पानी का सुपरकूलिंग भी इस अर्थ में संभव है कि शून्य से नीचे के तापमान पर यह तरल अवस्था में होगा।

लेकिन ये सभी संस्करण, जाहिरा तौर पर, अंत तक वैज्ञानिकों के अनुकूल नहीं थे, और उन्होंने इस मुद्दे पर काम करना जारी रखा। 2013 में, सिंगापुर में शोधकर्ताओं की एक टीम ने कहा कि उन्होंने सदियों पुराने रहस्य को सुलझा लिया है।

चीनी वैज्ञानिकों के एक समूह का दावा है कि इस प्रभाव का रहस्य पानी के अणुओं के बीच उसके बंधनों में जमा ऊर्जा की मात्रा में निहित है, जिसे हाइड्रोजन बांड कहा जाता है।

चीनी वैज्ञानिकों का जवाब

आगे की जानकारी का पालन करेंगे, जिसे समझने के लिए रसायन विज्ञान में कुछ ज्ञान होना आवश्यक है ताकि यह पता लगाया जा सके कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा। जैसा कि आप जानते हैं, इसमें दो H (हाइड्रोजन) परमाणु और एक O (ऑक्सीजन) परमाणु सहसंयोजक बंधों से जुड़े होते हैं।

लेकिन एक अणु के हाइड्रोजन परमाणु भी पड़ोसी अणुओं, उनके ऑक्सीजन घटक की ओर आकर्षित होते हैं। इन बंधों को हाइड्रोजन बंध कहते हैं।

साथ ही, यह याद रखने योग्य है कि उसी समय, पानी के अणु एक दूसरे पर प्रतिकारक रूप से कार्य करते हैं। वैज्ञानिकों ने नोट किया कि जब पानी को गर्म किया जाता है, तो उसके अणुओं के बीच की दूरी बढ़ जाती है, और यह प्रतिकारक शक्तियों द्वारा सुगम होता है। यह पता चला है कि ठंडे राज्य में अणुओं के बीच एक दूरी पर कब्जा कर रहा है, कोई कह सकता है कि वे खिंचाव करते हैं, और उनके पास ऊर्जा की अधिक आपूर्ति होती है। यह ऊर्जा आरक्षित है जो तब मुक्त होती है जब पानी के अणु एक दूसरे के पास आने लगते हैं, अर्थात शीतलन होता है। यह पता चला है कि गर्म पानी में ऊर्जा की एक बड़ी आपूर्ति, और उप-शून्य तापमान पर ठंडा होने पर इसकी अधिक रिहाई, ठंडे पानी की तुलना में तेजी से होती है, जिसमें ऐसी ऊर्जा की आपूर्ति कम होती है। तो कौन सा पानी तेजी से जमता है - ठंडा या गर्म? सड़क पर और प्रयोगशाला में, Mpemba विरोधाभास होना चाहिए, और गर्म पानी तेजी से बर्फ में बदल जाना चाहिए।

लेकिन सवाल अभी भी खुला है

इस सुराग की केवल सैद्धांतिक पुष्टि है - यह सब सुंदर सूत्रों में लिखा गया है और प्रशंसनीय लगता है। लेकिन जब प्रायोगिक डेटा, जो पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा, व्यावहारिक अर्थों में रखा जाएगा, और उनके परिणाम प्रस्तुत किए जाएंगे, तो मेम्पेबा विरोधाभास बंद होने के प्रश्न पर विचार करना संभव होगा।

रसायन विज्ञान स्कूल में मेरे पसंदीदा विषयों में से एक था। एक बार एक रसायन शास्त्र के शिक्षक ने हमें एक बहुत ही अजीब और कठिन काम दिया। उन्होंने हमें उन प्रश्नों की एक सूची दी, जिनका हमें रसायन शास्त्र के संदर्भ में उत्तर देना था। हमें इस कार्य के लिए कई दिनों का समय दिया गया था और हमें पुस्तकालयों और सूचना के अन्य उपलब्ध स्रोतों का उपयोग करने की अनुमति दी गई थी। इनमें से एक प्रश्न पानी के हिमांक से संबंधित है। मुझे ठीक से याद नहीं है कि प्रश्न कैसा लगा, लेकिन यह इस तथ्य के बारे में था कि यदि आप एक ही आकार की दो लकड़ी की बाल्टियाँ लेते हैं, एक गर्म पानी के साथ, दूसरी ठंडे पानी के साथ (बिल्कुल निर्दिष्ट तापमान पर), और उन्हें रखें एक निश्चित तापमान वाले वातावरण में, वे किसमें तेजी से जमेंगे? बेशक, जवाब ने तुरंत खुद को सुझाव दिया - ठंडे पानी की एक बाल्टी, लेकिन यह हमें बहुत सरल लग रहा था। लेकिन यह एक पूर्ण उत्तर देने के लिए पर्याप्त नहीं था, हमें इसे रासायनिक दृष्टिकोण से सिद्ध करने की आवश्यकता थी। तमाम सोच-विचार और शोध के बावजूद मैं कोई तार्किक निष्कर्ष नहीं निकाल सका। इस दिन, मैंने इस पाठ को छोड़ने का भी फैसला किया, इसलिए मुझे इस पहेली का हल कभी नहीं मिला।

वर्षों बीत गए, और मैंने पानी के क्वथनांक और हिमांक के बारे में रोज़मर्रा के बहुत सारे मिथक सीखे, और एक मिथक ने कहा: "गर्म पानी तेजी से जमता है।" मैंने कई वेबसाइटों को देखा लेकिन जानकारी बहुत परस्पर विरोधी थी। और ये सिर्फ राय थी, विज्ञान की दृष्टि से निराधार। और मैंने अपने अनुभव का संचालन करने का फैसला किया। चूँकि मुझे लकड़ी की बाल्टियाँ नहीं मिलीं, इसलिए मैंने एक फ्रीजर, स्टोवटॉप, कुछ पानी और एक डिजिटल थर्मामीटर का इस्तेमाल किया। मैं अपने अनुभव के परिणामों के बारे में थोड़ी देर बाद बात करूंगा। सबसे पहले, मैं आपके साथ पानी के बारे में कुछ दिलचस्प तर्क साझा करूँगा:

गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से जमता है। ज्यादातर विशेषज्ञों का कहना है कि गर्म पानी की तुलना में ठंडा पानी तेजी से जम जाएगा। लेकिन एक अजीब घटना (तथाकथित मेम्बा प्रभाव), अज्ञात कारणों से, विपरीत साबित होती है: ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी तेजी से जमता है। कई स्पष्टीकरणों में से एक वाष्पीकरण प्रक्रिया है: यदि ठंडे वातावरण में बहुत गर्म पानी रखा जाता है, तो पानी वाष्पित होने लगेगा (बाकी पानी तेजी से जम जाएगा)। और रसायन विज्ञान के नियमों के अनुसार, यह बिल्कुल भी मिथक नहीं है, और सबसे अधिक संभावना है कि शिक्षक हमसे यही सुनना चाहता था।

उबला हुआ पानी नल के पानी की तुलना में तेजी से जमता है। पिछली व्याख्या के बावजूद, कुछ विशेषज्ञों का तर्क है कि उबला हुआ पानी जो कमरे के तापमान तक ठंडा हो गया है, उसे तेजी से जमना चाहिए क्योंकि उबलने के परिणामस्वरूप ऑक्सीजन की मात्रा कम हो जाती है।

गर्म पानी की तुलना में ठंडा पानी तेजी से उबलता है। अगर गर्म पानी तेजी से जमता है, तो ठंडा पानी तेजी से उबल सकता है! यह सामान्य ज्ञान के विपरीत है और वैज्ञानिकों का तर्क है कि ऐसा नहीं हो सकता। गर्म नल के पानी को वास्तव में ठंडे पानी की तुलना में तेजी से उबालना चाहिए। लेकिन उबालने के लिए गर्म पानी का उपयोग करने से आप ऊर्जा की बचत नहीं करते हैं। आप कम गैस या बिजली का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन वॉटर हीटर उतनी ही ऊर्जा का उपयोग करेगा जितना कि ठंडे पानी को गर्म करने के लिए आवश्यक है। (सौर ऊर्जा थोड़ी अलग है।) वॉटर हीटर से पानी गर्म करने के परिणामस्वरूप तलछट बन सकती है, इसलिए पानी को गर्म होने में अधिक समय लगेगा।

अगर आप पानी में नमक डालेंगे तो यह जल्दी उबल जाएगा। नमक क्वथनांक को बढ़ाता है (और इसलिए हिमांक को कम करता है - यही वजह है कि कुछ गृहिणियां आइसक्रीम में थोड़ा सा सेंधा नमक मिलाती हैं)। लेकिन हम में ये मामलाएक और सवाल दिलचस्पी का है: पानी कब तक उबलता रहेगा और क्या इस मामले में क्वथनांक 100 ° C से ऊपर उठ सकता है)। कुकबुक क्या कहती है, इसके बावजूद वैज्ञानिकों का कहना है कि हम उबलते पानी में जितना नमक मिलाते हैं, वह उबाल के समय या तापमान को प्रभावित करने के लिए पर्याप्त नहीं है।

लेकिन यहाँ मुझे क्या मिला है:

ठंडा पानी: मैंने शुद्ध पानी के तीन 100 मिलीलीटर ग्लास बीकर का उपयोग किया: एक कमरे का तापमान (72 डिग्री फ़ारेनहाइट/22 डिग्री सेल्सियस), एक गर्म पानी (115 डिग्री फ़ारेनहाइट/46 डिग्री सेल्सियस), और एक उबला हुआ (212 डिग्री फ़ारेनहाइट/100 डिग्री) सी)। मैंने तीनों गिलासों को -18 डिग्री सेल्सियस पर फ्रीजर में रख दिया। और चूंकि मुझे पता था कि पानी तुरंत बर्फ में नहीं बदलेगा, इसलिए मैंने "लकड़ी के फ्लोट" द्वारा ठंड की डिग्री निर्धारित की। जब कांच के केंद्र में रखी छड़ी, आधार को नहीं छूती थी, तो मुझे लगा कि पानी जम गया है। मैंने हर पांच मिनट में चश्मा चेक किया। और मेरे परिणाम क्या हैं? 50 मिनट के बाद पहले गिलास में पानी जम गया। 80 मिनट बाद गर्म पानी जम गया। उबाला हुआ - 95 मिनट बाद। मेरे निष्कर्ष: फ्रीजर की स्थितियों और मेरे द्वारा उपयोग किए जाने वाले पानी को ध्यान में रखते हुए, मैं मेम्बा प्रभाव को पुन: उत्पन्न करने में असमर्थ था।

मैंने इस प्रयोग को पहले उबले हुए पानी के साथ कमरे के तापमान पर ठंडा करके भी आजमाया। यह 60 मिनट में जम गया - इसे जमने में ठंडे पानी की तुलना में अधिक समय लगा।

उबला हुआ पानी: मैंने कमरे के तापमान पर एक लीटर पानी लिया और आग लगा दी। वह 6 मिनट में उबल गई। फिर मैंने इसे फिर से कमरे के तापमान पर ठंडा किया और इसे गर्म में मिला दिया। उसी आग से 4 घंटे 30 मिनट में गर्म पानी उबाला जाता है. निष्कर्ष: जैसा कि अपेक्षित था, गर्म पानी बहुत तेजी से उबलता है।

उबला हुआ पानी (नमक के साथ): मैंने 1 लीटर पानी में 2 बड़े चम्मच टेबल सॉल्ट मिलाया। यह 6 मिनट 33 सेकंड में उबल गया, और जैसा कि थर्मामीटर ने दिखाया कि यह 102 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक पहुंच गया। निस्संदेह, नमक क्वथनांक को प्रभावित करता है, लेकिन ज्यादा नहीं। निष्कर्ष: पानी में नमक तापमान और उबलने के समय को ज्यादा प्रभावित नहीं करता है। मैं ईमानदारी से स्वीकार करता हूं कि मेरी रसोई को प्रयोगशाला कहना मुश्किल है, और शायद मेरे निष्कर्ष वास्तविकता के विपरीत हैं। मेरा फ्रीजर भोजन को असमान रूप से जम सकता है। मेरा कांच का चश्मा हो सकता है अनियमित आकार, आदि। लेकिन लैब में जो कुछ भी होता है, जब किचन में जमने या उबालने की बात आती है, तो सबसे महत्वपूर्ण बात सामान्य ज्ञान है।

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जैसा कि फोरम.ixbt.com फोरम पर सुझाया गया है, इस प्रभाव (ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी को तेजी से जमने का प्रभाव) को "अरिस्टोटल-म्पेम्बा प्रभाव" कहा जाता है।

वे। उबला हुआ पानी (ठंडा) "कच्चे" की तुलना में तेजी से जम जाता है

पानी दुनिया के सबसे आश्चर्यजनक तरल पदार्थों में से एक है, जिसमें असामान्य गुण हैं। उदाहरण के लिए, बर्फ ठोस अवस्थातरल, है विशिष्ट गुरुत्वपानी से भी कम, जिसने कई मायनों में पृथ्वी पर जीवन के उद्भव और विकास को संभव बनाया। इसके अलावा, निकट-वैज्ञानिक में, और वैज्ञानिक दुनियाइस बारे में चर्चा है कि कौन सा पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा। जो कोई भी कुछ शर्तों के तहत गर्म तरल को तेजी से जमने की पुष्टि करता है और वैज्ञानिक रूप से अपने निर्णय की पुष्टि करता है, उसे ब्रिटिश रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्स से £1,000 का पुरस्कार मिलेगा।

पार्श्वभूमि

तथ्य यह है कि, कई परिस्थितियों में, ठंड की दर के मामले में गर्म पानी ठंडे पानी से आगे है, मध्य युग में वापस देखा गया था। फ्रांसिस बेकन और रेने डेसकार्टेस ने इस घटना को समझाने में बहुत प्रयास किया है। हालांकि, शास्त्रीय गर्मी इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से, इस विरोधाभास को समझाया नहीं जा सकता है, और उन्होंने इसे दबाने की कोशिश की। विवाद को जारी रखने के लिए प्रेरणा कुछ जिज्ञासु कहानी थी जो 1963 में तंजानिया के स्कूली छात्र एरास्टो मपेम्बा (एरास्टो मपेम्बा) के साथ हुई थी। एक बार, एक कुकिंग स्कूल में मिठाई बनाने के पाठ के दौरान, अन्य चीजों से विचलित एक लड़के के पास आइसक्रीम के मिश्रण को समय पर ठंडा करने का समय नहीं था और गर्म दूध में चीनी का घोल फ्रीजर में डाल दिया। उनके आश्चर्य के लिए, उत्पाद उनके साथी चिकित्सकों की तुलना में कुछ तेजी से ठंडा हुआ, जिन्होंने आइसक्रीम बनाने के लिए तापमान शासन का पालन किया।

घटना के सार को समझने की कोशिश करते हुए, लड़के ने एक भौतिकी शिक्षक की ओर रुख किया, जिसने विवरण में जाने के बिना, उसके पाक प्रयोगों का उपहास किया। हालाँकि, एरास्टो को गहरी दृढ़ता से प्रतिष्ठित किया गया था और उसने दूध पर नहीं, बल्कि पानी पर अपने प्रयोग जारी रखे। उन्होंने सुनिश्चित किया कि कुछ मामलों में ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी तेजी से जमता है।

दार एस सलाम विश्वविद्यालय में प्रवेश करते हुए, एरास्टो म्पेम्बे ने प्रोफेसर डेनिस जी. ओसबोर्न के एक व्याख्यान में भाग लिया। स्नातक स्तर की पढ़ाई के बाद, छात्र ने वैज्ञानिक को उसके तापमान के आधार पर पानी के जमने की दर की समस्या से हैरान कर दिया। डी.जी. ओसबोर्न ने इस सवाल का मजाक उड़ाते हुए कहा कि कोई भी हारने वाला जानता है कि ठंडा पानी तेजी से जम जाएगा। हालांकि, युवक के स्वाभाविक तप ने खुद को महसूस किया। उन्होंने यहां प्रयोगशाला में एक प्रयोगात्मक परीक्षण करने की पेशकश करते हुए प्रोफेसर के साथ एक शर्त लगाई। एरास्टो ने पानी के दो कंटेनर फ्रीजर में रखे, एक 95°F (35°C) पर और दूसरा 212°F (100°C) पर। प्रोफेसर और आसपास के "प्रशंसकों" को क्या आश्चर्य हुआ जब दूसरे कंटेनर में पानी तेजी से जम गया। तब से, इस घटना को "मपेम्बा विरोधाभास" कहा गया है।

हालांकि, आज तक "मपेम्बा विरोधाभास" की व्याख्या करने वाली कोई सुसंगत सैद्धांतिक परिकल्पना नहीं है। यह स्पष्ट नहीं है कि बाहरी कारक क्या हैं रासायनिक संरचनाजल में घुली हुई गैसों और खनिजों की उपस्थिति विभिन्न तापमानों पर द्रवों के जमने की दर को प्रभावित करती है। "म्पेम्बा प्रभाव" का विरोधाभास यह है कि यह आई न्यूटन द्वारा खोजे गए कानूनों में से एक का खंडन करता है, जिसमें कहा गया है कि पानी का ठंडा समय तरल और पर्यावरण के बीच तापमान अंतर के सीधे आनुपातिक है। और अगर अन्य सभी तरल पदार्थ पूरी तरह से इस कानून के अधीन हैं, तो कुछ मामलों में पानी एक अपवाद है।

गर्म पानी तेजी से क्यों जमता है?टी

ठंडे पानी की तुलना में गर्म पानी तेजी से क्यों जमता है, इसके कई संस्करण हैं। मुख्य हैं:

• गर्म पानी तेजी से वाष्पित होता है, जबकि इसकी मात्रा कम हो जाती है, और तरल की एक छोटी मात्रा तेजी से ठंडी हो जाती है - जब पानी को + 100 ° से 0 ° तक ठंडा किया जाता है, तो वायुमंडलीय दबाव में मात्रा का नुकसान 15% तक पहुंच जाता है;
• तरल और के बीच गर्मी विनिमय की दर वातावरणउच्च, अधिक से अधिक तापमान अंतर, इसलिए उबलते पानी की गर्मी का नुकसान तेजी से गुजरता है;
• जब गर्म पानी ठंडा होता है, तो इसकी सतह पर एक बर्फ की परत बन जाती है, जो तरल को पूरी तरह से जमने और वाष्पित होने से रोकती है;
• पानी के उच्च तापमान पर, इसका संवहन मिश्रण होता है, जिससे ठंड का समय कम हो जाता है;
• पानी में घुलने वाली गैसें हिमांक को कम करती हैं, क्रिस्टल बनाने के लिए ऊर्जा लेती हैं - गर्म पानी में कोई घुली हुई गैसें नहीं होती हैं।

इन सभी शर्तों को बार-बार प्रयोगात्मक सत्यापन के अधीन किया गया है। विशेष रूप से, जर्मन वैज्ञानिक डेविड ऑरबैक ने पाया कि गर्म पानी का क्रिस्टलीकरण तापमान ठंडे पानी की तुलना में थोड़ा अधिक होता है, जिससे पूर्व को और अधिक तेज़ी से जमना संभव हो जाता है। हालाँकि, बाद में उनके प्रयोगों की आलोचना की गई और कई वैज्ञानिकों का मानना ​​​​है कि "मपेम्बा प्रभाव" जिसके बारे में पानी तेजी से जमता है - गर्म या ठंडा, केवल कुछ शर्तों के तहत पुन: पेश किया जा सकता है, जिसे अब तक किसी ने नहीं खोजा और ठोस किया है।