Mpemba efekat(Mpembin paradoks) - paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uslovima smrzava brže od hladne vode, iako mora proći temperaturu hladne vode u procesu smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja je u suprotnosti sa uobičajenim idejama, prema kojima, pod istim uslovima, zagrejanom telu je potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrejanom telu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovu pojavu su svojevremeno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, ali je tek 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća mješavina sladoleda smrzava brže od hladne.
Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba je radio kao kuhar. Trebalo je da napravi domaći sladoled - prokuva mleko, rastvori šećer u njemu, ohladi na sobnu temperaturu, a zatim stavi u frižider da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio posebno marljiv učenik i kasnio je sa izvršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće stići do kraja časa, stavio je još vruće mlijeko u frižider. Na njegovo iznenađenje, smrzlo se čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno po zadatoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentisao ne samo s mlijekom, već i sa običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa Univerzitetskog koledža u Dar Es Salamu (pozvanog od direktora škole da učenicima održi predavanje o fizici) konkretno o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude sa jednakim količinama vode tako da u jednoj voda ima temperaturu od 35°C, a u drugoj - 100°C i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrzavati. Zašto?" Osborne se zainteresovao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba su objavili rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se efekat koji su otkrili naziva Mpemba efekat.
Do sada niko ne zna tačno kako da objasni ovaj čudan efekat. Naučnici nemaju ni jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve se radi o razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u prehlađenju, isparavanju, formiranju leda, konvekciji ili uticaju tečnih gasova na vodu na različite temperature.
Paradoks Mpemba efekta je da vrijeme tokom kojeg se tijelo hladi na temperaturu okoline treba biti proporcionalno temperaturnoj razlici između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je ustanovio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom efektu, voda temperature 100°C hladi se na temperaturu od 0°C brže od iste količine vode sa temperaturom od 35°C.
Međutim, to još ne znači paradoks, jer se Mpemba efekat može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za efekat Mpemba:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njen volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi brže se smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Efekat isparavanja je dvostruki efekat. Prvo, smanjuje se masa vode potrebne za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se smanjuje toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u fazu pare.
Temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog vazduha veća, samim tim je i razmena toplote u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
Hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uslovima, može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući da ostane tečnost na temperaturama ispod nule. U nekim slučajevima voda može ostati tečna čak i na temperaturi od –20 C.
Razlog za ovaj efekat je taj što su za formiranje prvih kristala leda potrebni centri za formiranje kristala. Ako nisu prisutni u tekućoj vodi, onda će se superhlađenje nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada počnu da se formiraju u prehlađenoj tečnosti, počet će brže rasti, formirajući bljuzgavi led, koji će se smrznuti i formirati led.
Topla voda je najpodložnija hipotermiji jer se zagrijavanjem uklanjaju otopljeni plinovi i mjehurići, koji zauzvrat mogu poslužiti kao centri za formiranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže zamrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena dešava se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude formirati tanak sloj leda. Ovaj sloj leda će delovati kao izolator između vode i hladnog vazduha i sprečiće dalje isparavanje. Brzina formiranja kristala leda u ovom slučaju će biti niža. U slučaju tople vode koja je podvrgnuta superhlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Zbog toga mnogo brže gubi toplinu kroz otvoreni vrh.
Kada se proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.
Mnogi istraživači ovog efekta smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje da se smrzava odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplotnog zračenja i konvekcije, a samim tim i gubitak toplote, dok topla voda počinje da se smrzava odozdo.
Ovaj efekat se objašnjava anomalijom u gustini vode. Voda ima maksimalnu gustinu na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrzavati. Pošto je ova voda manje gusta od vode na temperaturi od 4 C, ona će ostati na površini, formirajući tanak hladan sloj. U ovim uslovima na površini vode će se za kratko vreme formirati tanak sloj leda, ali će ovaj sloj leda služiti kao izolator, štiteći donje slojeve vode, koji će ostati na temperaturi od 4 C. Zbog toga će dalji proces hlađenja biti sporiji.
U slučaju tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže hladiti zbog isparavanja i veće temperaturne razlike. Osim toga, slojevi hladne vode su gušći od slojeva tople vode, tako da će sloj hladne vode potonuti, podižući sloj tople vode na površinu. Ova cirkulacija vode osigurava brz pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže tačku ravnoteže? Da bismo objasnili Mpemba efekat sa ove tačke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i topli sloj vode razdvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.
Međutim, ne postoje eksperimentalni dokazi koji podržavaju ovu hipotezu da su hladni i topli slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.
Gasovi rastvoreni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost da smanje tačku smrzavanja vode. Kada se voda zagrije, ovi plinovi se oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi niža na visokim temperaturama. Stoga, kada se topla voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Zbog toga je tačka smrzavanja zagrijane vode viša i ona se brže smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjavanju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji bi potvrdili ovu činjenicu.
Toplotna provodljivost
Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač hladnjaka u malim posudama. U ovim uslovima, primećeno je da posuda sa toplom vodom topi led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplotni kontakt sa zidom zamrzivača i toplotna provodljivost. Kao rezultat, toplina se uklanja iz posude za toplu vodu brže nego iz hladne. Zauzvrat, posuda sa hladnom vodom ne topi snijeg ispod.
Svi ovi (kao i drugi) uslovi proučavani su u mnogim eksperimentima, ali jasan odgovor na pitanje - koji od njih obezbeđuju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobijen.
Na primjer, 1995. godine njemački fizičar David Auerbach proučavao je učinak prehlađene vode na ovaj efekat. Otkrio je da se topla voda, dostižući prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a samim tim i brže od ove druge. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se nadoknađuje prethodno zaostajanje.
Osim toga, Auerbachovi rezultati bili su u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda mogla postići veće prehlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrije, iz nje se uklanjaju plinovi otopljeni u njoj, a kada se prokuha, talože se neke soli otopljene u njoj.
Za sada se može konstatovati samo jedno - reprodukcija ovog efekta značajno zavisi od uslova pod kojima se eksperiment sprovodi. Upravo zato što se ne reprodukuje uvek.
O. V. Mosin
Literaryizvori:
"Topla voda se smrzava brže od hladne vode. Zašto to radi?", Jearl Walker u The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, br. 3, str. 246-257; Septembra 1977.
"Zamrzavanje tople i hladne vode", G.S. Kell u American Journal of Physics, Vol. 37, br. 5, str. 564-565; maj 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, u American Journal of Physics, Vol. 63, br. 10, str. 882-885; Okt 1995.
"Efekat Mpemba: vremena smrzavanja tople i hladne vode", Charles A. Knight, u American Journal of Physics, Vol. 64, br. 5, str. 524; Maj, 1996.
U savremenim uslovima ljudski organizam doživljava gladovanje vodom: to je uglavnom zbog karakteristika veštačkog okruženja u kojem živimo, dehidracionog efekta klimatizovanog vazduha i hrane koju jedemo. Navikli smo ne samo da utažimo žeđ, već i da izvučemo neki dodatni efekat iz pijenja: prijatan ukus bezalkoholnih pića, tonik kafe ili čaja. Zaboravili smo jednostavno piti vodu.
Moje piće
ČESTO I POLAKO PIJTE VODU SOBNE TEMPERATURE, BEZ ČEKANJA DA OSJETITE JAKU ŽEDJ
Gazirane pića često sadrže kukuruzni sirup, koji sadrži visok nivo fruktoze, koja se direktno pretvara u trigliceride (građevinske blokove masti), a ne u glukozu, koja je gorivo za funkciju mozga. Sada o mlijeku: njegovim proteinima je potrebno dosta vremena za varenje, a za razgradnju laktoze (mliječnog šećera) potreban je enzim laktaza, koji ne proizvode svi ljudi. Svježe cijeđeni sokovi su zdraviji, ali ovo je i vrsta superkoncentrovanog vještačkog napitka – mnogo bi zdravije bilo jesti cijelo voće, zajedno sa vlaknima i balastnim tvarima koje sadrži. Jednom riječju, nikakve druge tekućine – čak ni one koje smo navikli smatrati zdravim i prirodnim – ne mogu nam zamijeniti običnu vodu za piće.
Jedna voda
Mnogima su časovi hemije ostavili u sjećanju samo formulu vode, H2O, kao i uvjerenje da bez vode život na našoj planeti uopće ne bi nastao. To je istina: uz njegovo direktno sudjelovanje, odvijaju se gotovo sve biokemijske reakcije. Na kraju krajeva, voda je univerzalni rastvarač. Građevinski materijal za stalnu obnovu organizma (odnosno za sintezu bjelančevina) i izvora energije (ugljikohidrati), kisik, hormoni i enzimi kruže u međućelijskom prostoru i ulaze u stanice, otapajući se u vodi. A metabolički proizvodi se uklanjaju iz ćelija i iz tijela također u otopini.
Voda „ulazi i izlazi“ kroz posebne vodene kanale koji se nalaze u plazma membrani ćelija i nazivaju se „akvaporini“ (za svoje otkriće dvojica američkih naučnika, Peter Agree i Roderic McKinnon, dobili su Nobelovu nagradu 2003. godine za hemiju). Ako se molekuli vode dodaju druge tvari - uostalom, proces rastvaranja je praćen složenim interakcijama sa solima, šećerima, kiselinama, alkoholom, kemikalijama koje nastaju tijekom apsorpcije lijekova ili aditiva za hranu - tada ove glomazne formacije nisu u stanju prolaze kroz male vodene pore. Čini se da u tijelu ima vode (ponekad je čak i previše, a to nazivamo zadržavanje tekućine, edem), ali ona ne prodire u stanice, zbog čega se inhibiraju metabolički procesi, a toksini ne eliminisan. Naravno, osoba osjeća neshvatljivu slabost i umor, čiji je uzrok bukvalno otopljen u vodi.
Odaberite dobar filter
Uz svu raznolikost filtera za vodu, obavljaju isti zadatak: prečišćavaju vodu od mehaničkih zagađivača (pijesak, kamenac, hrđa), dijelom od hemijskih zagađivača (hlor, soli teških metala, herbicidi, pesticida, naftnih derivata), kao i od bakterija i virusa. Princip rada je također sličan: voda prolazi kroz zamjenjive patrone s filterskim medijem. Većina njih "radi" s univerzalnim adsorbentom - aktivnim ugljenom i smolama za izmjenjivanje jona, koje su različite za svakog proizvođača. Što voda sporije prolazi kroz filter, to je čišći. Za one koji žele da budu sigurni da će voda biti 97-99% pročišćena, postoje filteri zasnovani na sistemu reverzne osmoze. Tamo se prečišćavanje odvija propuštanjem vode kroz višeslojnu membranu pod pritiskom od 3,5-4 atmosfere. Dimenzije ćelija u membrani su toliko male da kroz njih mogu proći samo molekule H2O i vodonika i kiseonika otopljenih u vodi. Prednost takve vode je što zaista možete biti sigurni u njenu čistoću. Nedostaci: nema ukus, može se smatrati bliskim destilovanom, od čega organizam nema nikakve koristi.
Iz slavine i iz boce
Voda iz slavine možda nije zdrava (ipak prolazi kilometrima cijevi), ali je barem sigurna – prvenstveno zahvaljujući jonima hlora koji se koriste za dezinfekciju. Djelovanje klora štetno je za svaku živu ćeliju - od bakterija do stanica našeg tijela, stoga je prije pijenja vode iz slavine bolje filtrirati. „U principu, postoje dvije opcije: filtrirati vodu iz slavine ili kupiti flaširanu vodu, ali nisam odlučio za sebe koja bi bila bolja“, priznaje Valerij Sergejev. – S jedne strane, flaširana voda je skupa, a ne postoji uvek poverenje u njen kvalitet: da li su nam umesto arteške vode ubacili filtriranu vodu iz česme? S druge strane, filtrirana voda postaje neuravnotežena, „prazna“. Tokom procesa filtracije, on je lišen gotovo svih soli, uključujući i one esencijalne, poput soli kalcija (koje mogu dovesti do krhkih kostiju), kao i esencijalnih mikroelemenata.”
Prema riječima terapeuta Sergeja Stebletsova, čak ni izvorska voda iz podnožja Alpa ili dobivena kao rezultat otapanja glečera ne donosi uvijek zajamčene koristi: bolje je piti lokalnu vodu, na čiji se sastav elektrolita osoba prilagodila. Čini se da je najrazumnija kompromisna opcija: nemojte se plašiti filtrirane vode iz slavine, već neka bude pravilo da pijete kvalitetnu flaširanu vodu kada ste van kuće.
Količina i kvalitet
Kada i kako, i što je najvažnije, koliko vode piti – mišljenja stručnjaka po ovom pitanju su različita. Prema Ayurvedi, dnevno treba piti dva do tri litra vode, a njena temperatura treba da bude onoliko visoka koliko možete tolerisati. „Ako popijete puno vode odjednom, glavni cilj – čišćenje organizma – neće biti postignut“, objašnjava Mohamed Ali, doktor iz Kerala Ayurvedic centra. „Zbog toga treba piti stalno, ali malo po malo: dva-tri gutljaja svakih 10-15 minuta.” Jutro bi, kaže, trebalo da počne čašom vode sobne temperature. Kao i lijek, mora se uzimati na prazan želudac bez ustajanja iz kreveta. Štaviše, voda ne bi trebalo da stoji u čaši preko noći - u ovom slučaju postaje "mrtva" - i ne bi trebalo da bude voda iz slavine. Prema Mohammedu Aliju, drevni ajurvedski učitelji savjetovali su pijenje kišnice, ali sada to ne bi trebalo činiti iz očiglednih razloga - previše je zagađena. Vjerovatno je najbolje ujutro popiti vodu iz svježe otvorene flaše.
OSJEĆAJ UGODNOSTI JE GLAVNI ZNAK KOJI ĆE VAM DA SHVATITE KOLIKO VODE JE TELU TREBA
Kada pijemo vodu u toku dana, prema ajurvedi, vredi voditi računa: ako želimo da smršamo, bolje je da je pijemo pre jela, a ako želimo da se udebljamo, onda posle. Shodno tome, oni koji žele da svoje kilograme sačuvaju netaknutim mogu piti vodu tokom obroka.
Predstavnik druge istočnjačke škole, profesor kineske medicine Gao Yan, smatra da je najbolje piti vodu sobne temperature. “Malo je hladniji od tjelesne temperature i pokreće procese čišćenja tijela”, objašnjava on. Evropski stručnjaci takođe veruju da nam treba dva do tri litra vode dnevno – posebno ljeti, kada je vruće. „Trebalo bi da bude blago mineralizovan, sa prevlašću anjona hlora i kationa kalcijuma, magnezijuma i kalijuma“, objašnjava Valerij Sergejev. “Ovo nadoknađuje prirodni gubitak soli zbog pojačanog znojenja.” Dakle, možete piti vodu poput "Slavyanovskaya", "Smirnovskaya", "Kashinskaya", "Novoterskaya" bez ograničenja. No, visoko mineralizirane vode, kao što je "Essentuki-17", lijek su za bolesti gastrointestinalnog trakta, koji stimulira lučenje želučanog soka i pokretljivost crijeva. „Ako volite gaziranu mineralnu vodu, onda je to dobro za vaše zdravlje“, kaže Valerij Sergejev. – Bolje gasi žeđ i stimuliše rad gastrointestinalnog trakta. Ali ako ima bilo kakvih smetnji u radu želuca, žgaravice i nelagode, bolje je prijeći na negaziranu vodu.”
Verujte osećanjima
Dakle, pijenje oko dva litra vode dnevno smatra se fiziološkom normom. Ali, ako još nismo stekli naviku da pijemo vodu, da li treba da brojimo čaše koje pijemo, kao da se pridržavamo lekarske naredbe? „Tjelo samo zna koliko mu je vode potrebno“, kaže Sergej Steblecov. – Nekima je dovoljno litar i po dnevno, drugima dva i po nije dovoljno. Sve zavisi od načina rada bubrega, pluća, kože i gastrointestinalnog trakta kroz koji voda izlazi iz organizma. Glavni pokazatelj na koji bi se trebali fokusirati je osjećaj ugode.”
Zašto se voda smrzava? Voda je neverovatno čudo prirode. Neophodan je za sav život na zemlji. U vodi je, prema naučnicima, nastao život. Iznenađujuće je da voda može postojati u tri stanja: tečnom, čvrstom i gasovitom. Istovremeno, može se kretati iz jednog stanja u drugo. Velika većina vode na planeti je tečna. Čvrsto stanje vode je led.
Zašto se voda smrzava na hladnoći?
Na sposobnost vode da se transformiše u različita stanja utiče njen sastav. Molekuli vode su slabo vezani jedni za druge; uvijek se kreću i grupišu, ali u isto vrijeme ne mogu formirati određenu strukturu. Voda poprima oblik posude u koju je smještena, ali sama po sebi ne može držati nijedan određeni model. Na primjer, sipamo vodu u posudu i tekućina će poprimiti svoj oblik, ali je neće moći zadržati izvan posude.
Kada se zagriju, molekule vode počinju se kretati jedna u odnosu na drugu još brže i haotičnije, gubeći međusobnu vezu u većoj mjeri. U tom slučaju voda postaje para.
Kada niske temperature utiču na vodu, kretanje molekula je inhibirano, veza između njih se jača i tada mogu izgraditi strukturu - heksagonalne kristale. Stanje transformacije vlage u led naziva se kristalizacija, skrućivanje.
U tako jakom stanju može dugo zadržati različite oblike koje zadobija. Voda počinje da se smrzava na temperaturi od 0 stepeni Celzijusa. Dakle, prijelaz vode iz tekućeg u čvrsto stanje, u led, određen je fizičkim svojstvima vode, njenim sastavom.
Zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?
Govoreći o "transformaciji" vode u led, uočavaju se neobični fenomeni. Vruća se smrzava brže od hladnog, ma koliko to izgledalo nevjerovatno. Ova činjenica je odavno poznata, ali dugo nije bilo moguće otkriti tajnu tajanstvenih svojstava vode. Tek u dvadesetom veku naučnici širom sveta su pokušali da objasne razlog zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode.
Godine 1963. dječak po imenu Mpemba iz Tanzanije primijetio je dok je pravio sladoled da se ukusna poslastica brže stvrdne ako se pravi od toplog, a ne hladnog mlijeka. Počeli su ga ismijavati kada je svoja zapažanja podijelio sa svojim učiteljem i prijateljima. Samo jedna osoba, profesor Dennis Osborne, kojeg je Mpemba upoznao kao odrasla osoba, obratio je pažnju na ovu činjenicu.
Iznesene su mnoge hipoteze o tome da se topla voda smrzava brže od hladne vode, ali sve su ostale pretpostavke. “Čudno” ponašanje vode naziva se “Mpemba efekat”. Istraživanja se i dalje vrše. Naučnici iz mnogih zemalja pokušavaju da dokažu „Mpemba efekat“, ali za sada bezuspešno.
Mnogi istraživači ovu činjenicu smatraju nevrijednom pažnje, jer sladoled ima drugačija svojstva u odnosu na tvrdu vodu. Fizičari iz Singapura su 2013. godine teoretski dokazali misteriju Mpemba efekta, ali potvrda laboratorijskih studija o neshvatljivom fenomenu još uvijek ne postoji.
Voda se smrzava odozgo, a ne odozdo
Gotovo svi znaju da se na rezervoarima na niskim temperaturama prvo formira tanka ledena kora, koja postaje deblja i jača kako se mraz pojačava. A da nije bilo ovog nevjerovatnog svojstva vode, malo je vjerovatno da bi neko mogao klizati, jer bi led jednostavno potonuo na dno rezervoara.
Voda se, kao i većina sličnih supstanci, skuplja i smanjuje u volumenu kada se ohladi, ali do temperature ne niže od 3 stepena Celzijusa. Na nižim temperaturama voda se, naprotiv, širi i gustoća joj se povećava. Led je lakši od vode i to ga drži na vrhu.
Zašto se destilovana voda ne smrzava?
Destilirana voda se naziva čistom, ona je „oslobođena“ svih nečistoća i kiseonika. Nečistoće su fragmenti na koje se vezuju molekuli vode. Pri prelasku iz tečnog stanja u led dolazi do sabijanja nečistoća prisutnih u vodi.Destilovana voda se, zbog odsustva drugih supstanci, širi, a rastojanje između molekula se povećava.
Nastali led će plutati na površini jer je lakši od vode. Ipak, destilovana voda može da se smrzne, ali njena tačka smrzavanja je mnogo niža od obične vode. Istovremeno je uočeno da ako udarite, na primjer, bocu destilovane vode ili je protresete, voda će odmah početi da se smrzava. Ovo se objašnjava adhezijom molekula pri udaru.
Tačka smrzavanja mineralne vode
Mineralna voda je zasićena solima i hemikalijama koje su korisne za ljude. Tačka smrzavanja mineralne vode je niža od one obične vode. Udaranjem ili protresanjem posude s vodom ubrzat će se proces zamrzavanja na isti način kao kod destilirane vode. Molekuli vode će se prilijepiti jedni za druge i strukturirati u kristale, u skladu s tim, voda će se smrznuti.
Da li se slana voda smrzava?
Ima ljudi koji vjeruju da se ne smrzava. Ova izjava nije u potpunosti tačna. Slana voda takođe ima tendenciju da se smrzava, ali njena tačka smrzavanja je znatno ispod nule. Objašnjenje za ovo leži u molekularnom sastavu vode.
Sol, odnosno njeni mali kristali, ne dozvoljavaju molekulama vode da se povežu. Zamrzavanje slane vode ovisi o koncentraciji soli koju sadrži. Što je više soli u vodi, niža je tačka smrzavanja. Zašto su antarktički led i santi leda rezerve slatke vode? Prema naučnicima, radi se o fragmentima kontinenta koji su se odvojili prije više miliona godina. Njihovo obrazovanje nije olakšalo mjesto gdje se nalaze.
Morska voda se takođe smrzava na veoma niskim temperaturama. Kristali leda koji se formiraju na površini vode istiskuju kristale soli, pa što dublje salamura postaje bogatija. Ako uzmete led s vodene površine mora i otopite ga, otopljena voda će biti gotovo svježa.
Da li se Bogojavljenska voda smrzava?
Bogojavljenska voda se naziva „sveta“. Postoji mišljenje da na Bogojavljensku noć i naredna tri dana voda u svim rezervoarima postaje „sveta“, posjedujući magična ljekovita svojstva. Zaista se može dugo čuvati bez promjene ukusa, ali se smrzava. Svako to može potvrditi. Stavite u hladne 2 flaše napunjene običnom vodom prikupljenom na Bogojavljensku noć. Voda će se jednako smrznuti u obje boce.
Da li se voda u bunaru smrzava?
Ljudi više vole da piju vodu iz bunara, smatrajući je korisnijom i pogodnijom za organizam. Da li se voda iz bunara zamrzava zimi? Odgovor na ovo pitanje je očigledan. Ako je bunar dovoljno dubok, nivo vode se ne diže iznad tačke smrzavanja tla, što znači da se voda u bunaru neće smrzavati. Ako je bunar plitak, tada gornji sloj vode može biti prekriven ledenom korom ili značajnim slojem leda.
Voda je nevjerovatna supstanca koja može prelaziti iz jednog u drugo stanje zbog svog hemijskog sastava. Tačka smrzavanja vode varira. Voda je vjerovatno jedina izuzetna supstanca koja se može proširiti na niskim temperaturama.
smrznuta voda
Svi znaju o važnosti i prednostima vode za život. Ispostavilo se da voda odmrznuta nakon smrzavanja ima ljekovita svojstva na ljudsko tijelo. Mijenja svoju strukturu nakon procesa smrzavanja i odmrzavanja. Mnogi ljudi dugovječnost planinara pripisuju potrošnji otopljene vode iz izvora koji teku u planinama.
Mnogo je faktora koji utiču na to da se voda brže smrzava, vruća ili hladna, ali samo pitanje izgleda malo čudno. Implikacija, a to je poznato iz fizike, je da toploj vodi još treba vremena da se ohladi na temperaturu hladne vode koja se poredi kako bi se pretvorila u led. Ova faza se može preskočiti i, shodno tome, ona pobjeđuje na vrijeme.
Ali odgovor na pitanje koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća - vani na hladnoći, zna svaki stanovnik sjevernih geografskih širina. Zapravo, naučno se ispostavilo da će u svakom slučaju hladna voda jednostavno brže zamrznuti.
Nastavnik fizike, kojem se 1963. godine obratio školarac Erasto Mpemba, pomislio je isto sa zahtjevom da objasni zašto hladnoj mješavini budućeg sladoleda treba duže da se smrzne od slične, ali vruće.
“Ovo nije univerzalna fizika, već neka vrsta Mpemba fizike”
U to vrijeme učitelj se samo nasmijao na ovo, ali Deniss Osborne, profesor fizike, koji je svojevremeno posjetio istu školu u kojoj je Erasto studirao, eksperimentalno je potvrdio postojanje takvog efekta, iako za to tada nije bilo objašnjenja. Godine 1969. u jednom popularnom naučnom časopisu objavljen je zajednički članak ove dvije osobe, koji opisuje ovaj neobičan efekat.
Od tada, inače, pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna - ima svoje ime - Mpemba efekat, ili paradoks.
Pitanje postoji već dugo vremena
Naravno, takav fenomen se dogodio i ranije, a spominjao se iu radovima drugih naučnika. Ne samo da je školarac bio zainteresovan za ovo pitanje, već su o tome svojevremeno razmišljali i Rene Descartes, pa čak i Aristotel.
Ali pristupe za rešavanje ovog paradoksa počeli su da traže tek krajem dvadesetog veka.
Uslovi za pojavu paradoksa
Kao i kod sladoleda, nije samo obična voda ta koja se smrzava tokom eksperimenta. Moraju postojati određeni uslovi da bi se započelo svađanje oko toga koja voda se brže smrzava - hladna ili vruća. Šta utiče na tok ovog procesa?
Sada, u 21. vijeku, izneseno je nekoliko opcija koje mogu objasniti ovaj paradoks. Koja voda se brže smrzava, topla ili hladna, može zavisiti od činjenice da ima veću stopu isparavanja od hladne vode. Dakle, njegov volumen se smanjuje, a kako se volumen smanjuje, vrijeme zamrzavanja postaje kraće nego ako uzmemo istu početnu zapreminu hladne vode.
Prošlo je dosta vremena otkako ste odmrznuli zamrzivač.
Koja se voda brže smrzava i zašto se to događa može utjecati snježna obloga koja može biti prisutna u zamrzivaču frižidera koji se koristi za eksperiment. Ako uzmete dvije posude identične zapremine, ali jedna od njih sadrži toplu vodu, a druga hladnu, posuda sa toplom vodom će otopiti snijeg ispod, čime će se poboljšati kontakt termičke razine sa zidom hladnjaka. Posuda sa hladnom vodom to ne može učiniti. Ako u odjeljku hladnjaka nema takve obloge sa snijegom, hladna voda bi se trebala brže smrzavati.
Vrh - dno
Takođe, pojava da se voda brže smrzava - topla ili hladna - objašnjava se na sljedeći način. Po određenim zakonima, hladna voda počinje da se smrzava iz gornjih slojeva, kada topla voda radi suprotno - počinje da se smrzava odozdo prema gore. Ispostavilo se da hladna voda, sa hladnim slojem na vrhu sa već na nekim mestima formiranim ledom, pogoršava procese konvekcije i toplotnog zračenja, objašnjavajući koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća. Fotografije iz amaterskih eksperimenata su u prilogu, a to je jasno vidljivo ovdje.
Toplota nestaje, juri naviše, i tamo se susreće sa veoma hladnim slojem. Nema slobodnog puta za toplotno zračenje, pa proces hlađenja postaje težak. Topla voda apsolutno nema takvih prepreka na svom putu. Koja se brže smrzava - hladna ili vruća, šta određuje vjerojatni ishod? Odgovor možete proširiti tako što ćete reći da svaka voda ima određene tvari otopljene u njoj.
Nečistoće u vodi kao faktor koji utiče na ishod
Ako ne varate i koristite vodu istog sastava, u kojoj su koncentracije pojedinih supstanci identične, onda bi hladna voda trebala brže da se smrzne. Ali ako se dogodi situacija da su otopljeni hemijski elementi prisutni samo u toploj vodi, a hladna ih nema, tada topla voda ima priliku da se zamrzne ranije. To se objašnjava činjenicom da otopljene tvari u vodi stvaraju centre kristalizacije, a s malim brojem ovih centara otežana je transformacija vode u čvrsto stanje. Moguće je čak i da će voda biti prehlađena, u smislu da će na temperaturama ispod nule biti u tečnom stanju.
Ali sve ove verzije, očigledno, nisu u potpunosti odgovarale naučnicima i oni su nastavili da rade na ovom pitanju. Godine 2013. tim istraživača iz Singapura rekao je da su riješili vjekovnu misteriju.
Grupa kineskih naučnika tvrdi da tajna ovog efekta leži u količini energije koja je uskladištena između molekula vode u njenim vezama, nazvanim vodonične veze.
Odgovor kineskih naučnika
Slede informacije, da biste razumeli koje je potrebno da imate neko znanje iz hemije da biste razumeli koja voda se brže smrzava - topla ili hladna. Kao što je poznato, sastoji se od dva atoma H (vodonika) i jednog O (kiseonika) atoma, koji se drže zajedno kovalentnim vezama.
Ali i atome vodika jedne molekule privlače susjedne molekule, njihova komponenta kisika. Ove veze se nazivaju vodoničnim vezama.
Vrijedi zapamtiti da u isto vrijeme molekuli vode imaju odbojni učinak jedni na druge. Naučnici su primijetili da kada se voda zagrije, udaljenost između njenih molekula se povećava, a to je olakšano odbojnim silama. Ispostavilo se da zauzimanjem iste udaljenosti između molekula u hladnom stanju može se reći da se rastežu i da imaju veću zalihu energije. Upravo ta rezerva energije se oslobađa kada se molekule vode počnu približavati jedna drugoj, odnosno dolazi do hlađenja. Pokazalo se da se veća rezerva energije u toploj vodi, i njeno veće oslobađanje pri hlađenju na temperature ispod nule, dešava brže nego u hladnoj vodi, koja ima manju rezervu te energije. Dakle, koja se voda brže smrzava - hladna ili vruća? Na ulici i u laboratoriji trebao bi se dogoditi Mpembin paradoks, a topla voda bi se trebala brže pretvoriti u led.
Ali pitanje je i dalje otvoreno
Postoji samo teorijska potvrda ovog rješenja - sve je to napisano prekrasnim formulama i čini se uvjerljivim. Ali kada se eksperimentalni podaci o tome koja voda brže smrzava - topla ili hladna - stave u praktičnu upotrebu, a njihovi rezultati budu predstavljeni, onda se pitanje Mpembinog paradoksa može smatrati zatvorenim.
„Najjednostavnije stabilno jedinjenje vodonika i kiseonika“, definicija je vode koju daje Koncizna hemijska enciklopedija. Ali, ako pogledate, ova tečnost nije tako jednostavna. Ima mnogo izvanrednih, nevjerovatnih i vrlo posebnih svojstava. Ukrajinski istraživač vode nam je rekao o jedinstvenim sposobnostima vode Stanislav Suprunenko.
Visok toplotni kapacitet
Voda se zagrijava pet puta sporije od pijeska i deset puta sporije od željeza. Da bi se litar vode zagrejao za jedan stepen, potrebno je 3300 puta više toplote nego da se zagreje litar vazduha. Apsorbirajući ogromnu količinu topline, sama tvar se ne zagrijava značajno. Ali kada se ohladi, daje onoliko toplote koliko je primio prilikom zagrevanja. Ova sposobnost akumulacije i oslobađanja topline omogućava izglađivanje oštrih temperaturnih fluktuacija na površini zemlje. Ali to nije sve! Toplotni kapacitet vode opada kako temperatura raste od 0 do 370C, odnosno u tim granicama je lako zagrijati, neće trebati puno topline i vremena. Ali nakon temperaturne granice od 370C, njegov toplinski kapacitet se povećava, što znači da će se morati uložiti više napora da se zagrije. Utvrđeno je: voda ima minimalni toplotni kapacitet na temperaturi od 36.790C, a to je normalna temperatura ljudskog tijela! Dakle, ova kvaliteta vode osigurava stabilnost temperature ljudskog tijela.
Visoka površinska napetost vode
Površinska napetost je sila privlačenja i kohezije između molekula. Može se vizuelno posmatrati u šoljici napunjenoj čajem. Ako mu polako dodajete vodu, neće odmah preliti. Pogledajte pažljivije: možete vidjeti tanak film iznad površine tečnosti - on sprečava izlivanje tečnosti. Nabubri kako se dodaje, a to će se dogoditi tek na „zadnjoj kapi“.
Sve tečnosti imaju površinski napon, ali je kod svakog različit. Voda ima jednu od najvećih površinskih napetosti. Samo živa ima više, zbog čega se, kada se prolije, odmah pretvara u kuglice: molekuli supstance su čvrsto "pričvršćeni" jedni za druge. Ali alkohol, eter i sirćetna kiselina imaju mnogo nižu površinsku napetost. Njihovi se molekuli manje privlače jedni prema drugima i, shodno tome, brže isparavaju i šire svoj miris.
Visoka latentna toplota isparavanja
Fotografija Shutterstock
Za isparavanje vode potrebno je pet i po puta više topline nego da se prokuha. Da nije ovog svojstva vode - da polako isparava - mnoga jezera i rijeke bi jednostavno presušile u vrelo ljeto.
Globalno, milion tona vode ispari iz hidrosfere svake minute. Kao rezultat toga, kolosalna količina topline ulazi u atmosferu, što je ekvivalentno radu 40 hiljada elektrana kapaciteta od 1 milijarde kW svaka.
Produžetak
Kako temperatura pada, sve tvari se skupljaju. Sve, samo ne vodu. Dok temperatura ne padne ispod 40C, voda se ponaša sasvim normalno - postaje malo gušća, smanjuje svoj volumen. Ali nakon 3.980C se ponaša, odnosno počinje da se širi, uprkos smanjenju temperature! Proces ide glatko do temperature od 00C dok se voda ne smrzne. Čim se formira led, volumen već čvrste vode naglo se povećava za 10%.
