Mpemba էֆեկտ(Mpemba Paradox) պարադոքս է, որը նշում է, որ տաք ջուրը որոշակի պայմաններում ավելի արագ է սառչում, քան սառը ջուրը, չնայած այն պետք է անցնի սառը ջրի ջերմաստիճանը սառեցման գործընթացում: Այս պարադոքսը փորձարարական փաստ է, որը հակասում է սովորական գաղափարներին, ըստ որոնց, նույն պայմաններում ավելի տաք մարմնին ավելի շատ ժամանակ է պետք որոշակի ջերմաստիճանի սառչելու համար, քան ավելի սառը մարմնին՝ նույն ջերմաստիճանը սառչելու համար:

Այդ երևույթը ժամանակին նկատել են Արիստոտելը, Ֆրենսիս Բեկոնը և Ռենե Դեկարտը, բայց միայն 1963 թվականին տանզանացի դպրոցական Էրաստո Մպեմբան պարզել է, որ տաք պաղպաղակի խառնուրդն ավելի արագ է սառչում, քան սառը:

Էրաստո Մպեմբան Տանզանիայի Մագամբին ավագ դպրոցի աշակերտ էր և գործնական խոհարարական աշխատանք էր կատարում: Նա պետք է տնական պաղպաղակ պատրաստեր՝ կաթը եռացնել, մեջը շաքարավազ լուծել, սառեցնել սենյակային ջերմաստիճանի, իսկ հետո դնել սառնարանը, որ սառչի։ Ըստ երևույթին, Մպեմբան առանձնապես ջանասեր ուսանող չէր և հետաձգում էր առաջադրանքի առաջին մասը։ Վախենալով, որ դասի ավարտին ժամանակին չի հասնի, դեռ տաք կաթը դրեց սառնարանը։ Ի զարմանս իրեն, այն սառել է նույնիսկ ավելի շուտ, քան իր ընկերների կաթը՝ պատրաստված տվյալ տեխնոլոգիայով։

Դրանից հետո Մպեմբան փորձարկեց ոչ միայն կաթով, այլեւ սովորական ջրով։ Ամեն դեպքում, լինելով Մկվավա ավագ դպրոցի աշակերտ, նա Դար էս Սալաամի համալսարանական քոլեջի պրոֆեսոր Դենիս Օսբորնին (հրավիրված դպրոցի տնօրենի կողմից ուսանողներին ֆիզիկայի վերաբերյալ դասախոսություն կարդալու) ջրի մասին հարցրեց. երկու նույնական տարաներ՝ ջրի հավասար ծավալներով, որպեսզի դրանցից մեկում ջուրը ունենա 35°C, իսկ մյուսում՝ 100°C, և դրանք դրեք սառցախցիկի մեջ, այնուհետև երկրորդում ջուրն ավելի արագ կսառչի։ Ինչո՞ւ։ Օսբորնը սկսեց հետաքրքրվել այս հարցով և շուտով 1969 թվականին Մպեմբայի հետ միասին նրանք հրապարակեցին իրենց փորձերի արդյունքները «Ֆիզիկական կրթություն» ամսագրում։ Այդ ժամանակից ի վեր նրանց հայտնաբերած էֆեկտը կոչվում է Mpemba էֆեկտ.

Մինչ այժմ ոչ ոք հստակ չգիտի, թե ինչպես բացատրել այս տարօրինակ ազդեցությունը։ Գիտնականները չունեն մեկ վարկած, թեև դրանք շատ են։ Ամեն ինչ տաք և սառը ջրի հատկությունների տարբերության մասին է, բայց դեռ պարզ չէ, թե այս դեպքում որ հատկություններն են դեր խաղում՝ գերսառեցման, գոլորշիացման, սառույցի ձևավորման, կոնվեկցիայի կամ ջրի վրա հեղուկ գազերի ազդեցությունը: տարբեր ջերմաստիճաններ:

Mpemba էֆեկտի պարադոքսն այն է, որ այն ժամանակը, որի ընթացքում մարմինը սառչում է մինչև շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը, պետք է համաչափ լինի այս մարմնի և շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի տարբերությանը: Այս օրենքը հաստատվել է Նյուտոնի կողմից և դրանից հետո բազմիցս հաստատվել է գործնականում։ Նույն էֆեկտի դեպքում 100°C-ում ջուրը սառչում է մինչև 0°C ավելի արագ, քան նույն քանակությամբ ջուրը 35°C-ում:

Այնուամենայնիվ, սա դեռ չի ենթադրում պարադոքս, քանի որ Mpemba էֆեկտը կարող է բացատրվել նաև հայտնի ֆիզիկայի շրջանակներում: Ահա Mpemba էֆեկտի մի քանի բացատրություն.

Գոլորշիացում

Տաք ջուրն ավելի արագ է գոլորշիանում տարայից՝ դրանով իսկ նվազեցնելով դրա ծավալը, իսկ նույն ջերմաստիճանով ջրի ավելի փոքր ծավալն ավելի արագ է սառչում։ 100 C տաքացվող ջուրը մինչև 0 C սառչելիս կորցնում է իր զանգվածի 16%-ը։

Գոլորշիացման էֆեկտը կրկնակի ազդեցություն է: Նախ կրճատվում է սառեցման համար պահանջվող ջրի զանգվածը։ Եվ երկրորդը, ջերմաստիճանը նվազում է այն պատճառով, որ ջրի փուլից գոլորշի փուլ անցման գոլորշիացման ջերմությունը նվազում է:

ջերմաստիճանի տարբերություն

Շնորհիվ այն բանի, որ տաք ջրի և սառը օդի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունն ավելի մեծ է, հետևաբար ջերմափոխանակությունն այս դեպքում ավելի ինտենսիվ է, և տաք ջուրն ավելի արագ է սառչում:

հիպոթերմիա

Երբ ջուրը սառչում է 0 C-ից ցածր, այն միշտ չէ, որ սառչում է: Որոշակի պայմաններում այն ​​կարող է ենթարկվել գերսառեցման՝ շարունակելով մնալ հեղուկ սառեցման կետից ցածր ջերմաստիճանում: Որոշ դեպքերում ջուրը կարող է հեղուկ մնալ նույնիսկ -20 C-ում:

Այս ազդեցության պատճառն այն է, որ առաջին սառցե բյուրեղների ձևավորման համար անհրաժեշտ են բյուրեղների ձևավորման կենտրոններ: Եթե ​​դրանք հեղուկ ջրի մեջ չեն, ապա գերսառեցումը կշարունակվի այնքան ժամանակ, մինչև ջերմաստիճանը այնքան իջնի, որ բյուրեղները սկսեն ինքնաբերաբար ձևավորվել: Երբ նրանք սկսում են ձևավորվել գերսառեցված հեղուկում, նրանք կսկսեն ավելի արագ աճել՝ ձևավորելով սառցե ցեխ, որը սառույցով կձևավորի սառույց։

Տաք ջուրը առավել ենթակա է հիպոթերմային, քանի որ այն տաքացնելով վերացնում է լուծված գազերը և փուչիկները, որոնք իրենց հերթին կարող են ծառայել որպես սառցե բյուրեղների ձևավորման կենտրոններ:

Ինչու է հիպոթերմիան առաջացնում տաք ջուր ավելի արագ սառչում: Սառը ջրի դեպքում, որը գերսառեցված չէ, տեղի է ունենում հետեւյալը. Այս դեպքում անոթի մակերեսին կստեղծվի սառույցի բարակ շերտ։ Սառույցի այս շերտը կգործի որպես մեկուսիչ ջրի և սառը օդի միջև և կկանխի հետագա գոլորշիացումը: Սառցե բյուրեղների առաջացման արագությունն այս դեպքում ավելի քիչ կլինի։ Ենթասառեցման ենթարկվող տաք ջրի դեպքում ենթահովացված ջուրը չունի սառույցի պաշտպանիչ մակերեսային շերտ։ Հետեւաբար, այն շատ ավելի արագ է կորցնում ջերմությունը բաց վերևի միջով:

Երբ գերսառեցման գործընթացն ավարտվում է, և ջուրը սառչում է, շատ ավելի շատ ջերմություն է կորչում և, հետևաբար, ավելի շատ սառույց է ձևավորվում:

Այս էֆեկտի շատ հետազոտողներ հիպոթերմիային համարում են Mpemba էֆեկտի դեպքում հիմնական գործոնը։

Կոնվեկցիա

Սառը ջուրը սկսում է սառչել վերևից, դրանով իսկ վատթարացնելով ջերմային ճառագայթման և կոնվեկցիայի գործընթացները, հետևաբար ջերմության կորուստը, իսկ տաք ջուրը սկսում է սառչել ներքևից:

Այս ազդեցությունը բացատրվում է ջրի խտության անոմալիայով։ Ջուրը առավելագույն խտություն ունի 4 C: Եթե ջուրը սառչեք մինչև 4 C և դրեք ավելի ցածր ջերմաստիճանի, ապա ջրի մակերեսային շերտը ավելի արագ կսառչի: Քանի որ այս ջուրը ավելի քիչ խտություն ունի, քան ջուրը 4°C ջերմաստիճանում, այն կմնա մակերեսի վրա՝ ձևավորելով բարակ սառը շերտ։ Այս պայմաններում ջրի մակերեսին կարճ ժամանակով կձևավորվի սառույցի բարակ շերտ, բայց սառույցի այս շերտը կծառայի որպես ջրի ստորին շերտերը պաշտպանող մեկուսիչ, որը կմնա 4 C ջերմաստիճանում։ , հետագա սառեցումն ավելի դանդաղ կլինի։

Տաք ջրի դեպքում իրավիճակը բոլորովին այլ է. Ջրի մակերեսային շերտը ավելի արագ կսառչի գոլորշիացման և ջերմաստիճանի ավելի մեծ տարբերության պատճառով: Բացի այդ, սառը ջրի շերտերն ավելի խիտ են, քան տաք ջրի շերտերը, ուստի սառը ջրի շերտը կիջնի ցած՝ բարձրացնելով տաք ջրի շերտը մակերեսին: Ջրի այս շրջանառությունը ապահովում է ջերմաստիճանի արագ անկում:

Բայց ինչո՞ւ այս գործընթացը չի հասնում հավասարակշռության կետին: Կոնվեկցիայի այս տեսանկյունից Mpemba էֆեկտը բացատրելու համար անհրաժեշտ կլինի ենթադրել, որ ջրի սառը և տաք շերտերը բաժանված են, և կոնվեկցիոն պրոցեսն ինքնին շարունակվում է այն բանից հետո, երբ ջրի միջին ջերմաստիճանը իջնում ​​է 4 C-ից:

Այնուամենայնիվ, չկա որևէ փորձարարական ապացույց, որը հաստատում է այս վարկածը, որ ջրի սառը և տաք շերտերը բաժանված են կոնվեկցիայի միջոցով:

ջրում լուծված գազեր

Ջուրը միշտ պարունակում է իր մեջ լուծված գազեր՝ թթվածին և ածխաթթու գազ։ Այս գազերը ջրի սառեցման կետն իջեցնելու հատկություն ունեն։ Երբ ջուրը տաքացվում է, այդ գազերը դուրս են գալիս ջրից, քանի որ բարձր ջերմաստիճանում դրանց լուծելիությունը ջրի մեջ ավելի ցածր է: Հետեւաբար, երբ տաք ջուրը սառչում է, դրա մեջ միշտ ավելի քիչ լուծված գազեր կան, քան չջեռուցվող սառը ջրում։ Ուստի տաքացվող ջրի սառեցման կետն ավելի բարձր է, և այն ավելի արագ է սառչում։ Այս գործոնը երբեմն համարվում է հիմնականը՝ Mpemba էֆեկտը բացատրելիս, թեև այս փաստը հաստատող փորձարարական տվյալներ չկան։

Ջերմային ջերմահաղորդություն

Այս մեխանիզմը կարող է զգալի դեր խաղալ, երբ ջուրը տեղադրվում է սառնարանային սառցախցիկում փոքր տարաներով: Այս պայմաններում նկատվել է, որ տաք ջրով բեռնարկղը հալեցնում է տակի սառցախցի սառույցը, դրանով իսկ բարելավելով ջերմային շփումը սառցարանի պատի հետ և ջերմահաղորդականությունը: Արդյունքում տաք ջրի տարայից ջերմությունը հանվում է ավելի արագ, քան սառը։ Իր հերթին սառը ջրով տարան տակը ձյուն չի հալեցնում։

Այս բոլոր (ինչպես նաև այլ) պայմաններն ուսումնասիրվել են բազմաթիվ փորձերի ժամանակ, սակայն միանշանակ պատասխան այն հարցին, թե դրանցից որն է ապահովում Mpemba էֆեկտի 100% վերարտադրությունը, չի ստացվել:

Այսպես, օրինակ, 1995 թվականին գերմանացի ֆիզիկոս Դեյվիդ Աուերբախն ուսումնասիրել է ջրի գերսառեցման ազդեցությունն այս էֆեկտի վրա։ Նա հայտնաբերեց, որ տաք ջուրը, հասնելով գերսառեցված վիճակի, սառչում է ավելի բարձր ջերմաստիճանում, քան սառը ջուրը, հետևաբար՝ ավելի արագ, քան վերջինս։ Բայց սառը ջուրը հասնում է գերսառեցված վիճակին ավելի արագ, քան տաք ջուրը, դրանով իսկ փոխհատուցելով նախորդ ուշացումը:

Բացի այդ, Auerbach-ի արդյունքները հակասում էին ավելի վաղ տվյալներին, որ տաք ջուրն ի վիճակի է հասնել ավելի մեծ գերսառեցման ավելի քիչ բյուրեղացման կենտրոնների պատճառով: Ջուրը տաքացնելիս նրա մեջ լուծված գազերը դուրս են հանվում, իսկ երբ եռում են, նստվածք են ստանում մեջ լուծված որոշ աղեր։

Առայժմ կարելի է միայն մեկ բան պնդել՝ այս էֆեկտի վերարտադրումն էապես կախված է այն պայմաններից, որոնցում իրականացվում է փորձը։ Հենց այն պատճառով, որ այն միշտ չէ, որ վերարտադրվում է։

Ողջույն սիրելի փաստերի սիրահարներ։ Այսօր մենք կխոսենք. Բայց ես կարծում եմ, որ վերնագրում դրված հարցը կարող է պարզապես անհեթեթ թվալ, բայց պետք է միշտ վստահել տխրահռչակ «առողջ բանականությանը», այլ ոչ թե խիստ սահմանված թեստավորման փորձին: Փորձենք պարզել, թե ինչու է տաք ջուրն ավելի արագ սառչում, քան սառը ջուրը:

Պատմության տեղեկանք

Այն մասին, որ սառը և տաք ջրի սառեցման հարցում «ամեն ինչ մաքուր չէ», նշվել է Արիստոտելի աշխատություններում, ապա նմանատիպ գրառումներ են կատարել Ֆ. Բեկոնը, Ռ. Դեկարտը և Ջ. Բլեքը։ Նորագույն պատմության մեջ «Mpemba paradox» անվանումը կցվել է այս ազդեցությամբ՝ Տանգանիկայի դպրոցական Էրաստո Մպեմբայի անունով, ով նույն հարցը տվեց ֆիզիկայի այցելու պրոֆեսորին:

Տղայի հարցը ծագել է ոչ թե զրոյից, այլ խոհանոցում պաղպաղակի խառնուրդների սառեցման գործընթացի զուտ անձնական դիտարկումներից։ Իհարկե, այնտեղ ներկա դասընկերները դպրոցի ուսուցչի հետ միասին ծիծաղում էին Մպեմբայի վրա, սակայն անձամբ պրոֆեսոր Դ.Օսբորնի փորձնական ստուգումից հետո Էրաստոյին ծաղրելու ցանկությունը նրանցից «ցնդեց»։ Ավելին, Մպեմբան, պրոֆեսորի հետ միասին, 1969 թվականին հրապարակեց այս ազդեցության մանրամասն նկարագրությունը Ֆիզիկական կրթության մեջ, և այդ ժամանակվանից վերը նշված անունը ամրագրվեց գիտական ​​գրականության մեջ:

Ո՞րն է երևույթի էությունը:

Փորձի կազմաձևումը բավականին պարզ է. այլ հավասար պայմանների դեպքում փորձարկվում են միանման բարակ պատերով անոթներ, որոնցում կա խիստ հավասար քանակությամբ ջուր, որը տարբերվում է միայն ջերմաստիճանով: Անոթները բեռնվում են սառնարան, որից հետո գրանցվում է ժամանակը մինչև դրանցից յուրաքանչյուրում սառույցի ձևավորումը։ Պարադոքսն այն է, որ ի սկզբանե ավելի տաք հեղուկ ունեցող անոթում դա ավելի արագ է տեղի ունենում:

Ինչպե՞ս է դա բացատրում ժամանակակից ֆիզիկան:

Պարադոքսը չունի համընդհանուր բացատրություն, քանի որ մի քանի զուգահեռ գործընթացներ ընթանում են միասին, որոնց ներդրումը կարող է տարբերվել կոնկրետ սկզբնական պայմաններից, բայց միատեսակ արդյունքով.

• հեղուկի գերսառեցման ունակությունը - սկզբում սառը ջուրն ավելի հակված է հիպոթերմային, այսինքն. մնում է հեղուկ, երբ նրա ջերմաստիճանն արդեն սառեցման կետից ցածր է
• արագացված սառեցում. տաք ջրից գոլորշին վերածվում է սառցե միկրոբյուրեղների, որոնք ետ ընկնելիս արագացնում են գործընթացը՝ աշխատելով որպես լրացուցիչ «արտաքին ջերմափոխանակիչ»:
• Մեկուսիչ ազդեցություն - ի տարբերություն տաք ջրի, սառը ջուրը սառչում է վերևից, ինչը հանգեցնում է կոնվեկցիայի և ճառագայթման միջոցով ջերմության փոխանցման նվազմանը

Կան մի շարք այլ բացատրություններ (վերջին անգամ, երբ լավագույն վարկածի մրցույթը անցկացվել է Բրիտանական Քիմիայի թագավորական ընկերության կողմից վերջերս՝ 2012 թվականին), բայց դեռևս չկա միանշանակ տեսություն մուտքային պայմանների համակցության բոլոր դեպքերի համար…

Թե որ ջուրն է ավելի արագ սառչում` տաք թե սառը, ազդում են բազմաթիվ գործոնների վրա, սակայն հարցն ինքնին մի փոքր տարօրինակ է թվում. Հասկանալի է, և ֆիզիկայից հայտնի է, որ տաք ջրին դեռ ժամանակ է պետք սառույցի վերածվելու համար, որպեսզի սառչի մինչև համեմատելի սառը ջրի ջերմաստիճանը: այս փուլը կարելի է բաց թողնել, և, համապատասխանաբար, նա ժամանակին հաղթում է:

Բայց այն հարցի պատասխանը, թե որ ջուրն է ավելի արագ սառչում` սառը, թե տաք, փողոցում սառնամանիքին, հյուսիսային լայնությունների ցանկացած բնակիչ գիտի: Փաստորեն, գիտականորեն պարզվում է, որ ամեն դեպքում սառը ջուրն ուղղակի պետք է ավելի արագ սառչի։

Այդպես վարվեց ֆիզիկայի ուսուցիչը, որին մոտեցավ դպրոցական Էրաստո Մպեմբան 1963 թվականին՝ խնդրելով բացատրել, թե ինչու է ապագա պաղպաղակի սառը խառնուրդն ավելի երկար սառչում, քան նմանատիպ, բայց տաքը:

«Սա համաշխարհային ֆիզիկա չէ, այլ Մպեմբա ֆիզիկա»

Այդ ժամանակ ուսուցիչը միայն ծիծաղեց դրա վրա, բայց ֆիզիկայի պրոֆեսոր Դենիս Օսբորնը, ով մի ժամանակ սովորում էր այն նույն դպրոցում, որտեղ սովորում էր Էրաստոն, փորձարարական կերպով հաստատեց նման էֆեկտի առկայությունը, թեև այն ժամանակ դրա բացատրությունը չկար: . 1969 թվականին հանրաճանաչ գիտական ​​ամսագիրը հրապարակեց երկու տղամարդկանց համատեղ հոդվածը, ովքեր նկարագրեցին այս յուրահատուկ ազդեցությունը։

Այդ ժամանակից ի վեր, ի դեպ, հարցը, թե որ ջուրն է ավելի արագ սառչում` տաք թե սառը, ունի իր անունը` էֆեկտ, թե պարադոքս` Մպեմբա:

Հարցը վաղուց էր

Բնականաբար, նման երեւույթ նախկինում էլ եղել է, եւ դրա մասին խոսվել է այլ գիտնականների աշխատություններում։ Այս հարցը հետաքրքրում էր ոչ միայն դպրոցականին, այլեւ Ռենե Դեկարտը և նույնիսկ Արիստոտելը ժամանակին մտածում էին դրա մասին։

Ահա միայն այս պարադոքսի լուծման մոտեցումները սկսեցին նայել միայն քսաներորդ դարի վերջին:

Պարադոքսի առաջացման պայմանները

Ինչպես պաղպաղակի դեպքում, փորձի ժամանակ միայն սովորական ջուրը չէ, որ սառչում է: Որոշակի պայմաններ պետք է լինեն, որպեսզի սկսենք վիճել, թե որ ջուրն է ավելի արագ սառչում` սառը, թե տաքը: Ի՞նչն է ազդում այս գործընթացի վրա:

Այժմ՝ 21-րդ դարում, մի քանի տարբերակներ են առաջ քաշվել, որոնք կարող են բացատրել այս պարադոքսը։ Որ ջուրն է ավելի արագ սառչում, տաք թե սառը, կարող է կախված լինել այն փաստից, որ այն ունի ավելի բարձր գոլորշիացման արագություն, քան սառը ջուրը: Այսպիսով, նրա ծավալը նվազում է, և ծավալի նվազման դեպքում սառեցման ժամանակն ավելի կարճ է դառնում, քան եթե վերցնենք սառը ջրի նմանատիպ սկզբնական ծավալը։

Սառցարանը վաղուց հալվել է

Որ ջուրն է ավելի արագ սառչում և ինչու է դա անում, կարող է ազդել ձյան ծածկույթի վրա, որը կարող է առկա լինել փորձի համար օգտագործվող սառնարանի սառնարանում: Եթե ​​վերցնում եք երկու տարա, որոնք ծավալով նույնական են, բայց դրանցից մեկը կունենա տաք ջուր, մյուսում սառը ջուր, տաք ջրով տարան կհալչի տակի ձյունը՝ դրանով իսկ բարելավելով ջերմային մակարդակի շփումը սառնարանի պատի հետ։ Սառը ջրի տարան դա չի կարող անել: Եթե ​​սառնարանում ձյան նման երեսպատում չկա, սառը ջուրը պետք է ավելի արագ սառչի։

Վերև - ներքև

Նաև այն երևույթը, որի ջուրն ավելի արագ է սառչում` տաք թե սառը, բացատրվում է հետևյալ կերպ. Հետևելով որոշակի օրենքների՝ սառը ջուրը սկսում է սառչել վերին շերտերից, երբ տաք ջուրը դա անում է հակառակը՝ այն սկսում է սառչել ներքևից վեր։ Պարզվում է, որ սառը ջուրը, վրան ունենալով սառը շերտ, որի վրա արդեն որոշ տեղերում գոյացած սառույցը, այդպիսով վատթարանում է կոնվեկցիայի և ջերմային ճառագայթման գործընթացները՝ դրանով բացատրելով, թե որ ջուրն է ավելի արագ սառչում` սառը, թե տաք: Կցված է լուսանկար սիրողական փորձերից, և այստեղ այն հստակ երևում է։

Ջերմությունը դուրս է գալիս՝ ձգվելով դեպի վեր, և այնտեղ հանդիպում է շատ զով շերտի։ Ջերմային ճառագայթման համար ազատ ճանապարհ չկա, ուստի հովացման գործընթացը դժվարանում է: Տաք ջուրն իր ճանապարհին բացարձակապես նման արգելքներ չունի։ Որն է ավելի արագ սառչում` սառը, թե տաք, որից կախված է հավանական արդյունքը, կարող եք ընդլայնել պատասխանը` ասելով, որ ցանկացած ջրի մեջ լուծված են որոշակի նյութեր:

Ջրի բաղադրության մեջ առկա կեղտը որպես արդյունքի վրա ազդող գործոն

Եթե ​​դուք չեք խաբում և օգտագործում եք նույն բաղադրությամբ ջուր, որտեղ որոշ նյութերի կոնցենտրացիաները նույնական են, ապա սառը ջուրը պետք է ավելի արագ սառչի։ Բայց եթե այնպիսի իրավիճակ է ստեղծվում, երբ լուծված քիմիական տարրերը առկա են միայն տաք ջրում, մինչդեռ սառը ջուրը չի տիրապետում դրանց, ապա տաք ջուրը հնարավորություն ունի ավելի վաղ սառչել։ Դա բացատրվում է նրանով, որ ջրի մեջ լուծված նյութերը ստեղծում են բյուրեղացման կենտրոններ, և այդ կենտրոնների փոքր քանակի դեպքում ջրի վերածումը պինդ վիճակի դժվար է։ Հնարավոր է նույնիսկ ջրի գերսառեցում, այն իմաստով, որ զրոյից ցածր ջերմաստիճանում այն ​​կլինի հեղուկ վիճակում։

Բայց այս բոլոր վարկածները, ըստ երեւույթին, մինչեւ վերջ հարիր չէին գիտնականներին, եւ նրանք շարունակեցին աշխատել այս հարցի վրա։ 2013 թվականին Սինգապուրում հետազոտողների մի խումբ ասաց, որ իրենք լուծել են դարավոր առեղծվածը:

Մի խումբ չինացի գիտնականներ պնդում են, որ այս ազդեցության գաղտնիքը կայանում է էներգիայի քանակի մեջ, որը պահպանվում է ջրի մոլեկուլների միջև՝ ջրածնային կապերի մեջ:

Չինացի գիտնականների պատասխանը

Կհետևեն լրացուցիչ տեղեկություններ, որոնց հասկանալու համար անհրաժեշտ է որոշակի գիտելիքներ ունենալ քիմիայից՝ պարզելու համար, թե որ ջուրն է ավելի արագ սառչում` տաք թե սառը: Ինչպես գիտեք, այն բաղկացած է երկու H (ջրածնի) ատոմներից և մեկ O (թթվածին) ատոմներից, որոնք միասին պահվում են կովալենտային կապերով։

Բայց մեկ մոլեկուլի ջրածնի ատոմները նույնպես ձգվում են դեպի հարեւան մոլեկուլները՝ նրանց թթվածնի բաղադրիչը։ Այս կապերը կոչվում են ջրածնային կապեր:

Միևնույն ժամանակ հարկ է հիշել, որ միաժամանակ ջրի մոլեկուլները վանողաբար են գործում միմյանց վրա։ Գիտնականները նշել են, որ երբ ջուրը տաքացվում է, նրա մոլեկուլների միջև հեռավորությունը մեծանում է, և դրան նպաստում են վանող ուժերը։ Պարզվում է, որ սառը վիճակում մոլեկուլների միջև մեկ տարածություն զբաղեցնելով, կարելի է ասել, որ դրանք ձգվում են, և ունեն էներգիայի ավելի մեծ պաշար։ Հենց այդ էներգիայի պաշարն է ազատվում, երբ ջրի մոլեկուլները սկսում են մոտենալ միմյանց, այսինքն՝ սառչում է տեղի ունենում։ Պարզվում է, որ տաք ջրի մեջ էներգիայի ավելի մեծ պաշարը և զրոյից ցածր ջերմաստիճանի սառեցման ժամանակ դրա ավելի մեծ արտազատումը տեղի է ունենում ավելի արագ, քան սառը ջրում, որն ունի նման էներգիայի ավելի փոքր պաշար: Այսպիսով, ո՞ր ջուրն է ավելի արագ սառչում` սառը, թե տաք: Փողոցում և լաբորատորիայում պետք է տեղի ունենա Mpemba պարադոքսը, և տաք ջուրը պետք է ավելի արագ վերածվի սառույցի:

Բայց հարցը դեռ բաց է

Այս թելադրանքի միայն տեսական հաստատում կա. այս ամենը գրված է գեղեցիկ բանաձևերով և հավանական է թվում: Բայց երբ փորձնական տվյալները, որոնց ջուրն ավելի արագ է սառչում` տաք թե սառը, գործնական իմաստով կդրվեն, և դրանց արդյունքները կներկայացվեն, այն ժամանակ հնարավոր կլինի Մպեմբայի պարադոքսի հարցը փակված համարել։

Քիմիան դպրոցում իմ ամենասիրած առարկաներից մեկն էր: Մի անգամ քիմիայի ուսուցիչը մեզ շատ տարօրինակ ու դժվար առաջադրանք տվեց. Նա մեզ տվեց հարցերի ցանկ, որոնց պետք է պատասխանեինք քիմիայի առումով։ Մեզ մի քանի օր ժամանակ տրվեց այս առաջադրանքի համար և թույլ տվեցինք օգտվել գրադարաններից և տեղեկատվության այլ մատչելի աղբյուրներից: Այս հարցերից մեկը վերաբերում էր ջրի սառեցման կետին։ Չեմ հիշում, թե կոնկրետ ինչպես հնչեց հարցը, բայց խոսքը վերաբերում էր նրան, որ եթե վերցնում եք նույն չափի երկու փայտե դույլ, մեկը տաք ջրով, մյուսը սառը ջրով (ճիշտ նշված ջերմաստիճանում) և տեղադրեք դրանք. որոշակի ջերմաստիճան ունեցող միջավայրում ո՞րն են ավելի արագ սառեցնելու: Իհարկե, պատասխանն անմիջապես ինքն իրեն հուշեց՝ մի դույլ սառը ջրով, բայց մեզ դա չափազանց պարզ թվաց։ Բայց սա բավարար չէր ամբողջական պատասխան տալու համար, պետք էր դա ապացուցել քիմիական տեսանկյունից։ Չնայած իմ բոլոր մտորումներին ու հետազոտություններին, ես չկարողացա տրամաբանական եզրակացություն անել։ Այս օրը ես նույնիսկ որոշեցի բաց թողնել այս դասը, ուստի երբեք չգտա այս հանելուկի լուծումը:

Անցան տարիներ, և ես իմացա շատ կենցաղային առասպելներ ջրի եռման և սառեցման կետի մասին, և մի առասպել ասում էր. «տաք ջուրն ավելի արագ է սառչում»: Ես նայեցի բազմաթիվ կայքեր, բայց տեղեկատվությունը չափազանց հակասական էր: Իսկ սրանք ուղղակի կարծիքներ էին՝ գիտության տեսանկյունից անհիմն։ Եվ ես որոշեցի անցկացնել իմ սեփական փորձը: Քանի որ չկարողացա գտնել փայտե դույլեր, օգտագործեցի սառնարան, վառարան, մի քիչ ջուր և թվային ջերմաչափ: Փորձառությանս արդյունքների մասին կխոսեմ մի փոքր ուշ։ Նախ, ես ձեզ հետ կկիսվեմ ջրի վերաբերյալ մի քանի հետաքրքիր փաստարկներով.

Տաք ջուրն ավելի արագ է սառչում, քան սառը։ Փորձագետների մեծ մասն ասում է, որ սառը ջուրն ավելի արագ կսառչի, քան տաք ջուրը։ Բայց մեկ զվարճալի երեւույթ (այսպես կոչված, Memba էֆեկտը), անհայտ պատճառներով, ապացուցում է հակառակը՝ տաք ջուրն ավելի արագ է սառչում, քան սառը ջուրը։ Մի քանի բացատրություններից մեկը գոլորշիացման գործընթացն է. եթե շատ տաք ջուր տեղադրվի սառը միջավայրում, ապա ջուրը կսկսի գոլորշիանալ (ջրի մնացած քանակությունը ավելի արագ կսառչի): Իսկ քիմիայի օրենքներով սա ամենևին առասպել չէ, և ամենայն հավանականությամբ հենց դա էր ուզում լսել մեզանից ուսուցիչը։

Եռացրած ջուրն ավելի արագ է սառչում, քան ծորակի ջուրը: Չնայած նախորդ բացատրությանը, որոշ փորձագետներ պնդում են, որ եռացրած ջուրը, որը սառչել է սենյակային ջերմաստիճանում, պետք է ավելի արագ սառչի, քանի որ եռալը նվազեցնում է թթվածնի քանակը:

Սառը ջուրն ավելի արագ է եռում, քան տաք ջուրը։ Եթե ​​տաք ջուրն ավելի արագ է սառչում, ապա սառը ջուրը կարող է ավելի արագ եռալ: Սա հակասում է ողջախոհությանը, և գիտնականները պնդում են, որ դա պարզապես չի կարող լինել: Տաք ջուրը իրականում պետք է ավելի արագ եռա, քան սառը ջուրը: Բայց եռացնելու համար տաք ջուր օգտագործելով՝ դուք էներգիա չեք խնայում։ Դուք կարող եք ավելի քիչ գազ կամ էլեկտրաէներգիա օգտագործել, բայց ջրատաքացուցիչը կօգտագործի նույն քանակությամբ էներգիա, որն անհրաժեշտ է սառը ջուրը տաքացնելու համար: (Արևային էներգիան մի փոքր այլ է): Ջուրը ջրատաքացուցիչով տաքացնելու արդյունքում կարող է նստվածք առաջանալ, ուստի ջրի տաքացման համար ավելի երկար ժամանակ կպահանջվի։

Եթե ​​ջրին աղ ավելացնեք, այն ավելի արագ կեռա։ Աղը բարձրացնում է եռման ջերմաստիճանը (և հետևաբար իջեցնում է սառեցման ջերմաստիճանը, այդ իսկ պատճառով որոշ տնային տնտեսուհիներ պաղպաղակի մեջ մի քիչ քարի աղ են ավելացնում): Բայց այս դեպքում մեզ մեկ այլ հարց է հետաքրքրում՝ որքան ժամանակ ջուրը եռալու է և արդյոք եռման կետն այս դեպքում կարող է բարձրանալ 100 ° C-ից բարձր: Չնայած այն, ինչ ասում են խոհարարական գրքերը, գիտնականներն ասում են, որ աղի քանակությունը, որը մենք ավելացնում ենք եռացող ջրին, բավարար չէ եռման ժամանակի կամ ջերմաստիճանի վրա ազդելու համար։

Բայց ահա թե ինչ ստացա.

Սառը ջուր. ես օգտագործել եմ մաքրված ջրի երեք բաժակ 100 մլ բաժակ՝ մեկ սենյակային ջերմաստիճանի (72°F/22°C), մեկ տաք ջուր (115°F/46°C) և մեկ եռացրած (212°F/100°C): Գ). Բոլոր երեք բաժակները դրեցի սառցախցիկում -18°C ջերմաստիճանում։ Եվ քանի որ գիտեի, որ ջուրն անմիջապես սառույցի չի վերածվի, «փայտե բոցով» որոշեցի սառցակալման աստիճանը։ Երբ ապակու կենտրոնում դրված փայտն այլևս չդիպավ հիմքին, ես հավատացի, որ ջուրը սառել է։ Ես ստուգում էի ակնոցները հինգ րոպեն մեկ: Իսկ ինչպիսի՞ն են իմ արդյունքները: Առաջին բաժակի ջուրը սառել է 50 րոպե հետո։ Տաք ջուրը սառել է 80 րոպե հետո։ Եփած - 95 րոպե հետո: Իմ եզրակացությունները. Հաշվի առնելով սառցախցիկի պայմանները և իմ օգտագործած ջուրը, ես չկարողացա վերարտադրել Memba էֆեկտը:

Ես փորձեցի նաև այս փորձը սենյակային ջերմաստիճանում սառեցված նախկինում եռացրած ջրով: Այն սառեցրեց 60 րոպեում, սառը ջրից ավելի երկար ժամանակ պահանջվեց:

Եփած ջուր. Վերցրի մեկ լիտր սենյակային ջերմաստիճանի ջուր և դրեցի կրակի վրա։ Նա եռացրեց 6 րոպեում: Հետո նորից սառեցրի սենյակային ջերմաստիճանի ու ավելացրեցի տաքի վրա։ Նույն կրակով տաք ջուրը եռաց 4 ժամ 30 րոպեում։ Եզրակացություն. ինչպես և սպասվում էր, տաք ջուրը շատ ավելի արագ է եռում:

Եփած ջուր (աղով) 1 լիտր ջրին ավելացրել եմ 2 մեծ ճաշի գդալ կերակրի աղ։ Այն եռացել է 6 րոպե 33 վայրկյանում, և ինչպես ցույց է տվել ջերմաչափը հասել է 102°C ջերմաստիճանի։ Անկասկած, աղը ազդում է եռման կետի վրա, բայց ոչ շատ։ Եզրակացություն՝ ջրի մեջ աղը մեծապես չի ազդում ջերմաստիճանի և եռման ժամանակի վրա։ Անկեղծորեն ընդունում եմ, որ իմ խոհանոցը դժվար է լաբորատորիա անվանել, և գուցե իմ եզրակացությունները հակասում են իրականությանը։ Իմ սառցախցիկը կարող է սննդամթերքը անհավասար սառեցնել: Իմ ապակե ակնոցները կարող են անկանոն լինել և այլն: Բայց ինչ էլ որ պատահի լաբորատորիայում, երբ խոսքը վերաբերում է խոհանոցում ջրի սառեցմանը կամ եռացմանը, ամենակարեւորը ողջախոհությունն է:

հղում ջրի մասին հետաքրքիր փաստերի հետ
ինչպես առաջարկվում է forum.ixbt.com ֆորումում, այս էֆեկտը (տաք ջուրն ավելի արագ սառեցնելու էֆեկտը, քան սառը ջուրը) կոչվում է «Արիստոտել-Մպեմբայի էֆեկտ»:

Նրանք. եռացրած ջուրը (սառեցված) ավելի արագ է սառչում, քան «հումքը»

Ջուրն աշխարհի ամենազարմանալի հեղուկներից է, որն ունի արտասովոր հատկություններ։ Օրինակ՝ սառույցը հեղուկի պինդ վիճակ է, ունի հատուկ կշիռ ավելի ցածր, քան հենց ջուրը, ինչը շատ առումներով հնարավոր դարձրեց Երկրի վրա կյանքի առաջացումը և զարգացումը: Բացի այդ, գրեթե գիտական, և իսկապես գիտական ​​աշխարհում քննարկումներ են ընթանում, թե որ ջուրն է ավելի արագ սառչում` տաք, թե սառը: Ով որոշակի պայմաններում ապացուցի տաք հեղուկի ավելի արագ սառեցումը և գիտականորեն հիմնավորի իր որոշումը, 1000 ֆունտ ստեռլինգ պարգև կստանա բրիտանական քիմիկոսների թագավորական ընկերության կողմից։

Նախապատմություն

Այն, որ մի շարք պայմաններում տաք ջուրը սառեցման արագությամբ առաջ է սառը ջրից, նկատել են դեռ միջնադարում։ Ֆրենսիս Բեկոնը և Ռենե Դեկարտը մեծ ջանքեր են գործադրել այս երևույթը բացատրելու համար։ Այնուամենայնիվ, դասական ջերմային տեխնիկայի տեսանկյունից այս պարադոքսը հնարավոր չէ բացատրել, և նրանք փորձեցին խայտառակ կերպով լռեցնել այն: Վեճը շարունակելու խթան հանդիսացավ մի փոքր հետաքրքրաշարժ պատմություն, որը պատահեց տանզանացի դպրոցական Էրաստո Մպեմբայի (Erasto Mpemba) հետ 1963 թվականին: Մի անգամ, խոհարարական դպրոցում աղանդեր պատրաստելու դասի ժամանակ, մի տղա, շեղված այլ բաներով, ժամանակին չհասցրեց սառեցնել պաղպաղակի խառնուրդը և տաք կաթի մեջ շաքարի լուծույթ լցնել սառնարանում: Ի զարմանս նրա, արտադրանքը որոշ չափով ավելի արագ սառեց, քան իր գործընկեր պրակտիկանտները, ովքեր պահպանում էին պաղպաղակի պատրաստման ջերմաստիճանի ռեժիմը:

Փորձելով հասկանալ երեւույթի էությունը՝ տղան դիմել է ֆիզիկայի ուսուցչուհուն, ով, առանց մանրամասնելու, ծաղրել է իր խոհարարական փորձերը։ Սակայն Էրաստոն աչքի էր ընկնում նախանձելի համառությամբ և շարունակեց իր փորձերը ոչ թե կաթի, այլ ջրի վրա։ Նա համոզվեց, որ որոշ դեպքերում տաք ջուրն ավելի արագ է սառչում, քան սառը ջուրը։

Մտնելով Դար էս Սալաամի համալսարան՝ Էրաստո Մպեմբեն ներկա է եղել պրոֆեսոր Դենիս Գ. Օսբորնի դասախոսությանը: Ավարտելուց հետո ուսանողը գիտնականին տարակուսել է ջրի ջերմաստիճանից կախված ջրի սառեցման արագության խնդրով։ Դ.Գ. Օսբորնը ծաղրում էր հենց հարցի առաջադրումը` բուռն կերպով նշելով, որ ցանկացած պարտվող գիտի, որ սառը ջուրն ավելի արագ կսառչի: Սակայն երիտասարդի բնական համառությունն իրեն զգացնել տվեց։ Նա գրազ է եկել պրոֆեսորի հետ՝ առաջարկելով փորձարարական թեստ անցկացնել այստեղ՝ լաբորատորիայում։ Էրաստոն երկու տարա ջուր դրեց սառնարանում, մեկը 95°F (35°C), իսկ մյուսը 212°F (100°C): Ինչպիսի՞ն էր պրոֆեսորի ու շրջակա «երկրպագուների» զարմանքը, երբ երկրորդ տարայի ջուրն ավելի արագ սառեց։ Այդ ժամանակից ի վեր այս երեւույթը ստացել է «Mpemba Paradox» անվանումը։

Այնուամենայնիվ, մինչ օրս չկա «Mpemba պարադոքսը» բացատրող տեսական համահունչ վարկած։ Պարզ չէ, թե ինչ արտաքին գործոններ՝ ջրի քիմիական բաղադրությունը, նրանում լուծված գազերի ու հանքանյութերի առկայությունը ազդում են տարբեր ջերմաստիճաններում հեղուկների սառեցման արագության վրա։ «Մպեմբայի էֆեկտի» պարադոքսն այն է, որ այն հակասում է Ի.Նյուտոնի հայտնաբերած օրենքներից մեկին, որտեղ ասվում է, որ ջրի սառեցման ժամանակը ուղիղ համեմատական ​​է հեղուկի և շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի տարբերությանը: Իսկ եթե մնացած բոլոր հեղուկներն ամբողջությամբ ենթարկվում են այս օրենքին, ապա ջուրը որոշ դեպքերում բացառություն է։

Ինչու՞ է տաք ջուրն ավելի արագ սառչում:տ

Կան մի քանի վարկածներ, թե ինչու է տաք ջուրն ավելի արագ սառչում, քան սառը: Հիմնականներն են.

• տաք ջուրն ավելի արագ է գոլորշիանում, մինչդեռ դրա ծավալը նվազում է, և հեղուկի ավելի փոքր ծավալը ավելի արագ է սառչում. երբ ջուրը սառչում է + 100 ° С-ից մինչև 0 ° С, մթնոլորտային ճնշման դեպքում ծավալի կորուստները հասնում են 15% -ի;
• հեղուկի և շրջակա միջավայրի միջև ջերմափոխանակության ինտենսիվությունը որքան բարձր է, այնքան մեծ է ջերմաստիճանի տարբերությունը, ուստի եռացող ջրի ջերմության կորուստն ավելի արագ է անցնում.
• երբ տաք ջուրը սառչում է, դրա մակերևույթի վրա ձևավորվում է սառցե կեղև, որը թույլ չի տալիս հեղուկի ամբողջովին սառչել և գոլորշիանալ.
• ջրի բարձր ջերմաստիճանի դեպքում դրա կոնվեկցիոն խառնումը տեղի է ունենում՝ նվազեցնելով սառեցման ժամանակը.
• Ջրի մեջ լուծված գազերը իջեցնում են սառեցման կետը՝ էներգիա վերցնելով բյուրեղների ձևավորման համար. տաք ջրում լուծված գազեր չկան:

Այս բոլոր պայմանները ենթարկվել են կրկնակի փորձնական ստուգման: Մասնավորապես, գերմանացի գիտնական Դեյվիդ Աուերբախը պարզել է, որ տաք ջրի բյուրեղացման ջերմաստիճանը մի փոքր ավելի բարձր է, քան սառը, ինչը հնարավորություն է տալիս ավելի արագ սառեցնել առաջինը։ Այնուամենայնիվ, ավելի ուշ նրա փորձերը քննադատվեցին, և շատ գիտնականներ համոզված են, որ «Mpemba-ի էֆեկտը», որի մասին ջուրն ավելի արագ սառչում է` տաք թե սառը, կարող է վերարտադրվել միայն որոշակի պայմաններում, որոնք մինչ այժմ ոչ ոք չի փնտրել և կոնկրետացնել: