Która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, zależy od wielu czynników, ale samo pytanie wydaje się trochę dziwne. Sugeruje się, a z fizyki wiadomo, że gorąca woda wciąż potrzebuje czasu, aby schłodzić się do temperatury porównywalnej zimnej wody, aby zamienić się w lód. Z zimną wodą ten etap można pominąć, a zatem wygrywa na czas.
Ale odpowiedź na pytanie, która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca - na ulicy w mrozie, zna każdy mieszkaniec północnych szerokości geograficznych. W rzeczywistości, z naukowego punktu widzenia, okazuje się, że tak czy inaczej zimna woda po prostu musi zamarznąć szybciej.
Podobnie jak nauczyciel fizyki, do którego w 1963 roku uczeń Erasto Mpemba zwrócił się z prośbą o wyjaśnienie, dlaczego zimna mieszanka przyszłych lodów zamarza dłużej niż ta sama, ale gorąca.
To nie jest światowa fizyka, ale jakiś rodzaj fizyki Mpemby
W tym czasie nauczyciel tylko się z tego śmiał, ale Deniss Osborn, profesor fizyki, który kiedyś chodził do tej samej szkoły, w której studiował Erasto, eksperymentalnie potwierdził istnienie takiego efektu, chociaż był nie ma na to wytłumaczenia. W 1969 roku popularnonaukowe czasopismo opublikowało wspólny artykuł dwóch mężczyzn, którzy opisali ten szczególny efekt.
Od tego czasu pytanie, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna, ma swoją nazwę - efekt, czyli paradoks, Mpemba.
Pytanie pojawiło się dawno temu
Oczywiście, takie zjawisko miało już miejsce wcześniej i zostało wspomniane w pracach innych naukowców. Nie tylko uczeń był zainteresowany tym pytaniem, ale kiedyś zastanawiali się nad tym Francis Bacon, Kartezjusz, a nawet Arystoteles.
To właśnie podejścia do rozwiązania tego paradoksu zaczęto szukać dopiero pod koniec XX wieku.
Warunki wystąpienia paradoksu
Podobnie jak w przypadku lodów, podczas eksperymentu zamarza nie tylko zwykła woda. Aby można było się spierać, która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca, muszą być spełnione pewne warunki. Co wpływa na ten proces?
Teraz, w XXI wieku, przedstawiono kilka opcji, które mogą wyjaśnićten paradoks. To, która woda zamarza szybciej, gorąca czy zimna, może zależeć od tego, że gorąca woda ma większą szybkość parowania niż woda zimna. W ten sposób jego objętość maleje, a wraz ze spadkiem objętości czas zamrażania staje się krótszy niż w przypadku przyjęcia podobnej początkowej objętości zimnej wody.
Zamrażarka była rozmrażana przez długi czas
To, która woda zamarza szybciej i dlaczego tak się dzieje, może mieć wpływ na warstwę śniegu, która może znajdować się w zamrażarce lodówki używanej do eksperymentu. Jeśli weźmiesz dwa pojemniki o identycznej objętości, ale jeden z nich będzie miał gorącą wodę, a drugi zimną, pojemnik z gorącą wodą stopi pod nim śnieg, poprawiając w ten sposób kontakt poziomu termicznego ze ścianą lodówki. Pojemnik na zimną wodę tego nie zrobi. Jeśli w komorze lodówki nie ma takiej wykładziny ze śniegiem, zimna woda powinna zamarzać szybciej.
Góra - dół
Ponadto zjawisko szybszego zamarzania wody - gorącej lub zimnej, wyjaśniono w następujący sposób. Zgodnie z pewnymi prawami, zimna woda zaczyna zamarzać od górnych warstw, a gorąca odwrotnie – zaczyna zamarzać od dołu do góry. Okazuje się, że zimna woda, mając na wierzchu zimną warstwę z lodem już uformowanym w niektórych miejscach, zaburza w ten sposób procesy konwekcji i promieniowania cieplnego, wyjaśniając w ten sposób, która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca. Zdjęcia od amatoraeksperymenty są załączone i jest to wyraźnie widoczne tutaj.
Ciepło wychodzi, zmierzając w górę, i tam spotyka się z bardzo schłodzoną warstwą. Nie ma swobodnej drogi promieniowania ciepła, więc proces chłodzenia staje się trudny. Ciepła woda nie ma absolutnie żadnych takich barier na swojej drodze. Która zamarza szybciej - zimna lub gorąca, od czego zależy prawdopodobny wynik, możesz rozszerzyć odpowiedź, mówiąc, że w każdej wodzie są rozpuszczone pewne substancje.
Zanieczyszczenia w składzie wody jako czynnik wpływający na wynik
Jeśli nie oszukujesz i nie używasz wody o tym samym składzie, w której stężenia niektórych substancji są identyczne, zimna woda powinna zamarzać szybciej. Ale jeśli zdarzy się sytuacja, że rozpuszczone pierwiastki chemiczne są obecne tylko w gorącej wodzie, a zimna ich nie posiada, to gorąca woda ma możliwość wcześniej zamarznąć. Wyjaśnia to fakt, że rozpuszczone w wodzie substancje tworzą centra krystalizacji, a przy niewielkiej liczbie tych centrów przekształcenie wody w stan stały jest trudne. Możliwe jest nawet przechłodzenie wody, w tym sensie, że w temperaturach poniżej zera będzie ona w stanie ciekłym.
Ale wszystkie te wersje najwyraźniej nie w pełni odpowiadały naukowcom i nadal pracowali nad tym problemem. W 2013 roku zespół naukowców z Singapuru powiedział, że rozwiązał odwieczną zagadkę.
Grupa chińskich naukowców twierdzi, że sekret tego efektu tkwi w ilości energii przechowywanej między cząsteczkami wody w jej wiązaniach, zwanych wiązaniami wodorowymi.
Wskazówka od chińskich naukowców
Przyjdą następujące informacje, do zrozumienia których musisz mieć pewną wiedzę chemiczną, aby dowiedzieć się, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna. Jak wiesz, cząsteczka wody składa się z dwóch atomów H (wodór) i jednego atomu O (tlenu) połączonych wiązaniami kowalencyjnymi.
Ale atomy wodoru jednej cząsteczki są również przyciągane do sąsiednich cząsteczek, do ich składnika tlenowego. To właśnie te wiązania nazywane są wiązaniami wodorowymi.
Warto pamiętać, że jednocześnie cząsteczki wody działają na siebie odpychająco. Naukowcy zauważyli, że gdy woda jest podgrzewana, zwiększa się odległość między jej cząsteczkami, a ułatwiają to siły odpychające. Okazuje się, że wiązania wodorowe, zajmujące jedną odległość między cząsteczkami w stanie zimnym, można powiedzieć, że są rozciągnięte i mają większy zapas energii. To właśnie ta rezerwa energii jest uwalniana, gdy cząsteczki wody zaczynają się do siebie zbliżać, czyli następuje chłodzenie. Okazuje się, że większa podaż energii w gorącej wodzie i jej większe uwalnianie po schłodzeniu do ujemnych temperatur następuje szybciej niż w zimnej wodzie, która ma taki zapas.mniej energii. Więc która woda zamarza szybciej - zimna czy gorąca? Paradoks Mpemby powinien mieć miejsce na zewnątrz i w laboratorium, a gorąca woda powinna szybciej zamieniać się w lód.
Ale nadal otwarte
Istnieje tylko teoretyczne potwierdzenie tej wskazówki - wszystko to jest napisane pięknymi formułami i wydaje się prawdopodobne. Ale kiedy dane eksperymentalne, która woda zamarza szybciej - gorąca czy zimna, zostaną przedstawione w sensie praktycznym, a ich wyniki zostaną zaprezentowane, to będzie można rozważyć kwestię paradoksu Mpemby zamkniętą.
