Mpemba efekt(Mpemba paradoks) - paradoks, mis väidab, et teatud tingimustel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi, kuigi külmumise käigus peab see läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt vajab kuumem keha samades tingimustes teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui jahedam keha sama temperatuurini jahtumiseks.
Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm.
Erasto Mpemba õppis Tansaanias Magambini keskkoolis praktilist kokatööd. Ta pidi valmistama isetehtud jäätist – keetma piima, lahustama selles suhkur, jahutama toatemperatuurini ja panema siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja venitas ülesande esimese osaga. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi.
Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igatahes, olles juba Mkvava keskkooli tudeng, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professorilt Dennis Osborne'ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsikaloengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega, nii et ühes neist on vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks? Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldasid nad koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates on nende avastatud efekti nn Mpemba efekt.
Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid.
Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub ümbritseva õhu temperatuurini, peab olema võrdeline selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sama efektiga jahtub vesi temperatuuril 100 °C kiiremini 0 °C-ni kui sama kogus vett 35 °C juures.
See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada ka tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta:
Aurustumine
Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ning väiksem kogus sama temperatuuriga vett külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist.
Aurustumisefekt on kahekordne efekt. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee massi. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb.
temperatuuri erinevus
Tulenevalt asjaolust, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride erinevus on suurem - seega on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini.
hüpotermia
Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõnel juhul võib vesi jääda vedelaks isegi -20 C juures.
Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide moodustumise keskusi. Kui need ei ole vedelas vees, jätkub ülejahutamine, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmub jääks.
Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine kõrvaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused.
Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Alajahutusega kuuma vee korral ei ole alajahtunud vees kaitsvat jääpinda. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu soojust palju kiiremini.
Kui ülejahutusprotsess lõpeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd.
Paljud selle efekti uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat.
Konvektsioon
Külm vesi hakkab ülevalt külmuma, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samas kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt.
Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , on edasine jahutamine aeglasem.
Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Samuti on külmaveekihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külmaveekiht vajub allapoole, tõstes sooja veekihi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse.
Kuid miks see protsess ei jõua tasakaalupunkti? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast tuleks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C.
Siiski puuduvad eksperimentaalsed tõendid selle hüpoteesi toetuseks, et külm ja kuum veekiht eraldatakse konvektsiooniga.
vees lahustunud gaasid
Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumispunkti. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees kõrgel temperatuuril on madalam. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi selle fakti kinnitamiseks puuduvad eksperimentaalsed andmed.
Soojusjuhtivus
See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikusse sügavkülma. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust soojus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata enda all lund.
Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – millised neist tagavad Mpemba efekti 100% taasesituse – pole saadud.
Nii näiteks uuris saksa füüsik David Auerbach 1995. aastal vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seega kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelmise viivituse.
Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad.
Seni saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita.
O. V. Mosin
Kirjanduslikallikatest:
"Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Miks see nii teeb?", Jearl Walker ajakirjas The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, nr. 3, lk 246–257; september 1977.
"Kuuma ja külma vee külmutamine", G.S. Kell ajakirjas American Journal of Physics, Vol. 37, nr. 5, lk 564–565; mai 1969.
"Supercooling and the Mpemba efekt", David Auerbach, American Journal of Physics, Vol. 63, nr. 10, lk 882–885; oktoober 1995.
"The Mpemba efekt: kuuma ja külma vee külmumisajad", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Vol. 64, nr. 5, lk 524; mai, 1996.
Kaasaegsetes tingimustes kogeb inimkeha veenälga: enamasti on see tingitud meie elukoha tehiskeskkonna omadustest, konditsioneeritud õhu ja söödava toidu kuivatavast toimest. Oleme harjunud mitte ainult janu kustutama, vaid tõmbama joomisest välja mõne lisaefekti: karastusjookide meeldiva maitse, kohvi või tee toniseerivad omadused. Oleme unustanud, kuidas lihtsalt vett juua.
Minu jook
JOOGITOA TEMPERATUUR VESI SAGELI JA VÄHE VÄHE, OOTATA TUGEVALT KOLMANDA TUNNE
Sood sisaldavad sageli maisisiirupit, mis on kõrge fruktoosisisaldusega, mis muundub otse triglütseriidideks (rasva ehituskivideks), mitte glükoosiks, mis on aju kütus. Nüüd piimast: selle valk seeditakse üsna pikka aega ja laktoosi (piimasuhkru) lagundamiseks on vaja ensüümi laktaasi, mida kõik inimesed ei tooda. Värskelt pressitud mahlad on tervislikumad, kuid see on ka omamoodi ülikontsentreeritud kunstjook - palju kasulikum oleks süüa tervet vilja koos selles sisalduvate kiudainete ja ballastainetega. Ühesõnaga, ükski teine vedelik – isegi need, mida me varem pidasime tervislikuks ja loomulikuks – ei asenda meie jaoks tavalist joogivett.
Üks vesi
Keemiatunnid jätsid paljudele mällu vaid vee H2O valemi ning kindlustunde, et ilma veeta poleks meie planeedil elu üldse tekkinud. See on nii: selle otsesel osalusel toimuvad peaaegu kõik biokeemilised reaktsioonid. Lõppude lõpuks on vesi universaalne lahusti. Organismi pidevaks uuenemiseks (st valkude sünteesiks) ja energiaallikate (süsivesikute) ehitusmaterjal, hapnik, hormoonid ja ensüümid ringlevad rakkudevahelises ruumis ja sisenevad vees lahustunud rakkudesse. Ja ainevahetusproduktid erituvad rakkudest ja organismist ka lahuses.
Vesi "siseneb ja väljub" spetsiaalsete veekanalite kaudu, mis asuvad rakkude plasmamembraanis ja mida nimetatakse "akvaporiinideks" (nende avastamise eest pälvisid kaks Ameerika teadlast - Peter Agree (Peter Agree) ja Roderick McKinnon - 2003. aastal Nobeli keemiaauhinna. ). Kui veemolekuli külge on kinnitatud muid aineid - lõppude lõpuks kaasnevad lahustumisprotsessiga keerulised vastasmõjud soolade, suhkrute, hapete, alkoholi, ravimite või toidulisandite assimilatsiooniprotsessis tekkinud kemikaalidega -, siis need mahukad moodustised on ei suuda läbida väikest veepoori. Tundub, et organismis on vett (vahel on seda isegi liiga palju ja me nimetame seda vedelikupeetuseks, turseks), kuid see ei tungi rakkudesse, mille tagajärjel on ainevahetusprotsessid pärsitud, toksiinid ei välju . Loomulikult tunneb inimene arusaamatut halba enesetunnet, väsimust, mille põhjus on sõna otseses mõttes vees lahustunud.
Valige hea filter
Erinevate veefiltrite puhul täidavad nad sama ülesannet: puhastavad vett mehaanilistest lisanditest (liiv, katlakivi, rooste), osaliselt keemilistest lisanditest (kloor, raskmetallide soolad, herbitsiidid, pestitsiidid, naftasaadused) nagu bakterid ja viirused.. Sarnane on ka tööpõhimõte: vesi läbib filtrikandjaga vahetatavaid kassette. Enamikus neist "töötab" universaalne adsorbent - aktiivsüsi ja ioonivahetusvaigud, mis on igal tootjal erinevad. Mida aeglasemalt vesi filtrit läbib, seda puhtam see on. Neile, kes tahavad olla kindlad, et vesi on 97-99% puhas, on pöördosmoosisüsteemil põhinevad filtrid. Seal toimub puhastamine, juhtides vett läbi mitmekihilise membraani rõhul 3,5–4 atmosfääri. Membraani rakkude mõõtmed on nii väikesed, et neist pääsevad läbi vaid H2O molekulid ning vees lahustunud vesinik ja hapnik. Sellise vee eeliseks on see, et võite olla tõesti kindel selle puhtuses. Puudused: sellel puudub maitse, seda võib pidada destilleeritud lähedaseks, millest kehal pole kasu.
Kraanist ja pudelist
Kraanivesi ei pruugi olla tervislik (läbib ju kilomeetrite pikkust torustikku), kuid vähemalt ohutu – eelkõige tänu selle desinfitseerimiseks kasutatavatele klooriioonidele. Kloori toime kahjustab kõiki elusrakke - bakteritest meie keha rakkudeni, seetõttu on parem see enne kraanivee joomist filtreerida. “Põhimõtteliselt on kaks väljapääsu: filtreerida kraanivett või osta pudelivett, kuid ma pole ise otsustanud, mis oleks õigem,” tunnistab Valeri Sergejev. - Ühest küljest on pudelivesi kallis ja selle kvaliteeti ei usaldata alati: kas arteesiavee asemel libistas filtreeritud kraanivett? Ja teisest küljest muutub filtreeritud vesi tasakaalustamata, "tühiseks". Filtreerimisprotsessi käigus jäetakse sellest ilma peaaegu kõik soolad, sealhulgas vajalikud, näiteks kaltsiumisoolad (mis võivad põhjustada luude haprust), samuti olulisi mikroelemente.
Terapeut Sergei Stebletsovi sõnul ei too isegi Alpide jalamilt või liustike sulamise tulemusena saadud allikavesi alati garanteeritud kasu: parem on juua kohalikku vett, millega inimene on kohanenud elektrolüütide koostisega. Kõige mõistlikum kompromiss tundub olevat: ära karda filtreeritud kraanivett, vaid väljaspool kodu võta reegliks kvaliteetse pudelivee joomine.
Kogus ja kvaliteet
Millal ja kuidas ning mis kõige tähtsam, kui palju vett juua - ekspertide arvamused selles küsimuses erinevad. Ayurveda järgi tuleks juua kaks kuni kolm liitrit vett päevas ning selle temperatuur peaks olema nii kõrge, kui jaksad. "Kui jood korraga palju vett, siis keha puhastamise põhieesmärki ei saavutata," selgitab Kerala Ayurveda keskuse arst Mohammed Ali. "Seetõttu tuleb juua pidevalt, aga vähehaaval: kaks-kolm lonksu 10-15 minutiga." Hommikut tuleb tema sõnul alustada klaasitäie toasooja veega. Seda, nagu ravimit, tuleb võtta tühja kõhuga, voodist tõusmata. Veelgi enam, vesi ei tohiks üleöö klaasis seista – sel juhul muutub see "surnuks" - ja see ei tohiks olla kraanivesi. Mohammed Ali sõnul soovitasid iidsed Ayurveda õpetajad juua vihmavett, kuid praegu ei tohiks seda teha arusaadavatel põhjustel – see on liiga saastunud. Tõenäoliselt on kõige parem juua vett hommikul värskelt avatud pudelist.
MUGAVUSTUNNE ON PÕHIMÄRK, MIS PANEB TEID MÕISTMA, MILLIST VETT ORGANISM VAJAB
Kui joome päeval vett, tasub Ayurveda järgi arvestada: kui tahame kaalust alla võtta, siis parem juua seda enne sööki ja kui kaalus juurde võtta, siis pärast. Sellest lähtuvalt võivad need, kes soovivad oma kilogramme tervena hoida, söögi ajal vett juua.
Teise idamaise koolkonna esindaja, hiina meditsiini professor Gao Yan leiab, et kõige parem on juua vett toatemperatuuril. "See on kehatemperatuurist veidi jahedam ja see käivitab keha puhastusprotsessid," selgitab ta. Ka Euroopa eksperdid usuvad, et vajame kaks kuni kolm liitrit vett päevas – eriti suvel, kui on palav. "See peaks olema veidi mineraliseerunud, ülekaalus kloorianioonid ning kaltsiumi, magneesiumi ja kaaliumi katioonid," selgitab Valeri Sergejev. "See korvab suurenenud higistamise ajal loomuliku soolade kaotuse." Nii et vett nagu "Slavjanovskaja", "Smirnovskaja", "Kashinskaja", "Novoterskaja" võib juua ilma piiranguteta. Kuid kõrge mineralisatsiooniga veed, näiteks Essentuki-17, on ravim seedetrakti haiguste vastu, mis stimuleerib maomahla eritumist ja soolestiku motoorikat. "Kui teile meeldib gaseeritud mineraalvesi, on see teile hea," ütleb Valeri Sergejev. - Kustutab paremini janu, ergutab seedekulgla tegevust. Kui aga esineb häireid mao töös, kõrvetised ja ebamugavustunne, on parem minna üle gaseerimata veele.
Usalda tundeid
Seega peetakse umbes kahe liitri vee joomist päevas füsioloogiliseks normiks. Aga kui meil pole veel vee joomise harjumust välja kujunenud, kas siis peaksime joodud klaase üles lugema, nagu järgiksime arstide ettekirjutusi? "Keha ise teab, kui palju vett ta vajab," ütleb Sergei Stebletsov. - Poolteist liitrist päevas piisab, teisest ei piisa ja kaks ja pool. Kõik sõltub neerude, kopsude, naha ja seedetrakti töörežiimist, mille kaudu vesi kehast väljub. Peamine näitaja, millele peaksite keskenduma, on mugavustunne.
Miks vesi külmub? Vesi on hämmastav looduse ime. See on hädavajalik kogu eluks maa peal. Teadlaste sõnul tekkis elu just vees. On hämmastav, et vesi suudab püsida kolmes olekus: vedel, tahke ja gaasiline. Samal ajal võib see liikuda ühest olekust teise. Valdav osa planeedi veest on vedelas olekus. Vee tahke olek on jää.
Miks vesi külmub
Vee omadust minna erinevatesse olekutesse mõjutab selle koostis. Vee molekulid on omavahel lõdvalt seotud; nad on alati liikuvad ja rühmituvad, kuid nad ei saa moodustada kindlat struktuuri. Vesi on anuma kujul, millesse see asetatakse, kuid üksinda ei saa see hoida ühtegi konkreetset mudelit. Näiteks valame kastrulisse vett ja vedelik võtab oma kuju, kuid ei suuda seda hoida väljaspool nõusid.
Kuumutamisel hakkavad veemolekulid üksteise suhtes veelgi kiiremini ja kaootilisemalt liikuma, kaotades suuremal määral omavahelise ühenduse. Sel juhul muutub vesi auruks.
Kui vett mõjutavad madalad temperatuurid, siis molekulide liikumine aeglustub, nendevaheline ühendus tugevneb ja siis saavad nad ehitada struktuuri – kuusnurkseid kristalle. Niiskuse jääks muutumise olekut nimetatakse kristalliseerumiseks, tahkumiseks.
Sellises tugevas olekus suudab ta oma erinevaid vorme pikka aega säilitada. Vesi hakkab külmuma 0 kraadi juures. Seega on vee üleminek vedelast olekust tahkeks jääks tingitud vee füüsikalistest omadustest, selle koostisest.
Miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi?
Rääkides vee "muutumisest" jääks, täheldatakse kurioosseid nähtusi. Kuum külmub kiiremini kui külm, hoolimata sellest, kui ebatõenäoline see näib. See tõsiasi on teada olnud pikka aega, kuid pikka aega ei olnud võimalik paljastada vee salapäraste omaduste saladust. Alles kahekümnendal sajandil püüdsid teadlased üle maailma selgitada kuuma vee kiirema külmumise põhjust võrreldes külma veega.
1963. aastal märkas üks Tansaaniast pärit poiss nimega Mpemba jäätist tehes, et maitsev delikatess taheneb kiiremini, kui seda teha pigem sooja kui külma piimaga. Nad hakkasid teda naeruvääristama, kui ta jagas oma tähelepanekuid oma õpetaja ja sõpradega. Sellele asjaolule juhtis tähelepanu ainult üks inimene - professor Dennis Osborne, kellega Mpemba kohtus täiskasvanuna.
Kuuma vee kui külma kiire külmumise kohta on püstitatud palju hüpoteese, kuid need kõik jäid oletusteks. Vee "veidrat" käitumist nimetatakse "Mpemba efektiks". Uuringuid tehakse endiselt. Paljude riikide teadlased üritavad "Mpemba efekti" tõestada, kuid seni tulutult.
Paljud teadlased peavad seda asjaolu tähelepanuväärseks, kuna jäätisel on vastupidiselt karedale veele muud omadused. Singapuri füüsikud tõestasid 2013. aastal teoreetiliselt Mpemba efekti müsteeriumi ja arusaamatu nähtuse laboratoorsete uuringute kohta pole siiani kinnitust.
Vesi külmub ülevalt, mitte alt
Peaaegu kõik teavad, et madalal temperatuuril tekib veekogudele esmalt õhuke jääkoorik, mis pakase tugevnedes muutub paksemaks ja tugevamaks. Ja kui poleks seda vee hämmastavat omadust, siis on ebatõenäoline, et keegi saaks uisutada, kuna jää vajuks lihtsalt veehoidla põhja.
Vesi, nagu enamik sarnaseid aineid, tõmbub jahutamisel kokku ja selle maht väheneb, kuid temperatuurini, mis ei ole madalam kui 3 kraadi Celsiuse järgi. Madalamatel temperatuuridel vesi, vastupidi, paisub ja selle tihedus suureneb. Jää on veest kergem ja see hoiab seda peal.
Miks destilleeritud vesi ei külmu?
Destilleeritud vett nimetatakse puhtaks, see on "vabastatud" igasugustest lisanditest, hapnikust. Lisandid on need killud, mille külge on kinnitatud veemolekulid. Vedelast jääle üleminekul pressitakse kokku vees olevad lisandid, destilleeritud vesi paisub teiste ainete puudumise tõttu, molekulide vaheline kaugus suureneb.
Saadud jää hõljub pinnal, kuna see on veest kergem. Siiski võib destilleeritud vesi külmuda, kuid selle külmumispunkt on tavalisest veest palju madalam. Samas märgati, et näiteks destilleeritud veepudelit tasub lüüa või loksutada ning vesi hakkab kohe jäätuma. Seda seletatakse molekulide adhesiooniga kokkupõrkel.
Mineraalvee külmumispunkt
Mineraalvesi on küllastunud sooladega, inimesele kasulike kemikaalidega. Mineraalvee külmumistemperatuur on madalam kui tavalisel veel. Kui lööte nõu veega või raputate seda, kiireneb külmumisprotsess samamoodi nagu destilleeritud vee puhul. Veemolekulid kleepuvad üksteise külge ja moodustavad vastavalt kristalle, vesi külmub.
Kas soolane vesi külmub
On inimesi, kes usuvad, et see ei külmuta. See väide ei vasta täielikult tõele. Ka soolane vesi kipub jäätuma, kuid selle külmumispunkt on kõvasti alla nulli. Selle seletus peitub vee molekulaarses koostises.
Sool või õigemini selle väikesed kristallid ei lase veemolekulidel ühendust saada. Soolase vee külmutamine sõltub selles sisalduva soola kontsentratsioonist. Mida rohkem soola on vees, seda madalam on külmumispunkt. Miks on Antarktika jää ja jäämäed mageveevarud? Teadlaste sõnul on need killud mandriosast, mis murdusid miljoneid aastaid tagasi. Nende haridust ei soodustanud koht, kus nad on.
Merevesi külmub ka väga madalatel temperatuuridel. Vee pinnale tekkinud jääkristallid suruvad soolakristallid välja, nii et mida sügavamal on soolvesi küllastunud. Kui võtta mere veepinnalt jää ja see sulatada, siis on sulavesi peaaegu värske.
Kas ristimisvesi külmub?
Kolmekuningapäeva vett nimetatakse "pühaks". Arvatakse, et kolmekuningapäeva õhtul ja järgmise kolme päeva jooksul muutub vesi kõigis reservuaarides "pühaks", millel on maagilised raviomadused. Seda saab tõesti kaua säilitada ilma maitset muutmata, kuid see külmub. Igaüks saab seda kontrollida. Asetage 2 pudelit, mis on täidetud kolmekuningapäeva õhtul, külma. Vesi külmub mõlemas pudelis võrdselt.
Kas vesi külmub kaevus?
Inimesed eelistavad juua vett kaevust, pidades seda kasulikumaks ja kehale sobivamaks. Kas kaevude vesi külmub talvel? Vastus sellele küsimusele on ilmne. Kui kaev on piisavalt sügav, ei tõuse veetase vastavalt maapinna külmumispunktist kõrgemale, et vesi kaevus ei külmuks. Kui kaev on madal, võib ülemine veekiht olla kaetud jääkooriku või olulise jääkihiga.
Vesi on hämmastav aine, mis võib oma keemilise koostise tõttu muutuda ühest olekust teise. Vee külmumispunkt on erinev. Vesi on ainus, tõenäoliselt erandlik aine, mis võib madalatel temperatuuridel paisuda.
külmunud vesi
Kõik teavad vee tähtsusest ja kasulikkusest elule. Selgub, et pärast külmutamist sulatatud veele on inimkehale tervendavad omadused. See muudab oma struktuuri pärast külmutamise ja sulatamise protsesse. Paljud peavad mägismaalaste pikaealisuse põhjuseks mägedes voolavate allikate sulavee kasutamist.
Kumb vesi külmub kiiremini, kas kuum või külm, seda mõjutavad paljud tegurid, kuid küsimus ise tundub veidi kummaline. Arusaadavalt ja füüsikast on teada, et kuum vesi vajab jääks muutumiseks veel aega, et jahtuda võrreldava külma vee temperatuurini. selle etapi saab vahele jätta ja vastavalt sellele võidab ta õigeaegselt.
Kuid vastust küsimusele, milline vesi külmub pakasega tänaval kiiremini - külm või kuum, teab iga põhjalaiuskraadi elanik. Tegelikult tuleb teaduslikult välja, et igal juhul peab külm vesi lihtsalt kiiremini külmuma.
Nii tegi ka füüsikaõpetaja, kelle poole pöördus 1963. aastal koolipoiss Erasto Mpemba palvega selgitada, miks tulevase jäätise külm segu külmub kauem kui sarnane, kuid kuum.
"See pole maailma füüsika, vaid mingi Mpemba füüsika"
Toona õpetaja ainult naeris selle peale, aga füüsikaprofessor Deniss Osborne, kes käis omal ajal samas koolis, kus Erasto õppis, kinnitas katseliselt sellise efekti olemasolu, kuigi sel hetkel polnud sellele seletust. . 1969. aastal avaldas populaarteaduslik ajakiri kahe mehe ühise artikli, kes kirjeldasid seda omapärast efekti.
Sellest ajast peale, muide, on küsimusel, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm, oma nimetus - efekt või paradoks, Mpemba.
Küsimus on olnud juba pikka aega
Loomulikult on sellist nähtust varemgi esinenud ja seda on mainitud ka teiste teadlaste töödes. See küsimus ei huvitanud mitte ainult koolipoissi, vaid Rene Descartes ja isegi Aristoteles mõtlesid sellele omal ajal.
Siin on vaid lähenemisviise selle paradoksi lahendamiseks, mida hakati vaatama alles kahekümnenda sajandi lõpus.
Tingimused paradoksi tekkimiseks
Nagu jäätise puhul, ei külmu katse käigus lihtsalt tavaline vesi. Selleks, et hakata vaidlema, kumb vesi külmub kiiremini - külm või kuum, peavad olema teatud tingimused. Mis seda protsessi mõjutab?
Nüüd, 21. sajandil, on välja pakutud mitu võimalust, mis võivad seda paradoksi selgitada. Milline vesi külmub kiiremini, kuum või külm, võib sõltuda sellest, et selle aurustumiskiirus on kõrgem kui külmal. Seega selle maht väheneb ja mahu vähenemisel muutub külmumisaeg lühemaks kui siis, kui võtaksime sarnase algmahu külma vett.
Sügavkülm on juba ammu sulanud
Milline vesi külmub kiiremini ja miks, seda võib mõjutada eksperimendis kasutatud külmiku sügavkülmikus esineda võiv lumevooder. Kui võtta kaks mahult identset anumat, kuid ühes neist on kuum vesi ja teises külm vesi, sulatab kuuma veega anum selle all oleva lume, parandades seeläbi termilise taseme kontakti külmiku seinaga. Külma vee anum ei suuda seda teha. Kui külmkapis sellist lumega vooderdust pole, peaks külm vesi kiiremini külmuma.
Ülemine - alumine
Samuti selgitatakse nähtust, mille kohaselt vesi külmub kiiremini - kuumalt või külmalt, järgmiselt. Teatud seaduspärasusi järgides hakkab külm vesi jäätuma ülemistest kihtidest, kui kuum vesi teeb seda vastupidi - hakkab külmuma alt üles. Selgub, et külm vesi, mille peal on külm kiht, mille peal on kohati juba tekkinud jää, halvendab seega konvektsiooni ja soojuskiirguse protsesse, selgitades sellega, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum. Lisatud on foto amatöörkatsetest ja siin on see selgelt nähtav.
Kuumus kustub, kaldudes ülespoole, ja seal kohtub see väga jaheda kihiga. Soojuskiirgusele pole vaba teed, mistõttu jahutusprotsess muutub keeruliseks. Kuuma vee teel pole selliseid tõkkeid. Kumb külmub kiiremini - külm või kuum, millest sõltub tõenäoline tulemus, saate vastust laiendada, öeldes, et igas vees on teatud aineid lahustunud.
Lisandid vee koostises kui tulemust mõjutav tegur
Kui sa ei peta ja kasutad sama koostisega vett, kus teatud ainete kontsentratsioonid on identsed, siis külm vesi peaks külmuma kiiremini. Kuid kui tekib olukord, kus lahustunud keemilisi elemente leidub ainult kuumas vees, samas kui külmas vees neid ei ole, on kuumal veel võimalus külmuda varem. Seda seletatakse asjaoluga, et vees lahustunud ained tekitavad kristallisatsioonitsentreid ja nende tsentrite vähese arvu korral on vee muutmine tahkeks olekuks keeruline. Isegi vee ülejahutamine on võimalik selles mõttes, et miinustemperatuuril on see vedelas olekus.
Kuid ilmselt ei sobinud kõik need versioonid teadlastele lõpuni ja nad jätkasid selle probleemi kallal tööd. 2013. aastal ütles Singapuri teadlaste meeskond, et nad on lahendanud igivana mõistatuse.
Rühm Hiina teadlasi väidab, et selle efekti saladus peitub energia hulgas, mis salvestub veemolekulide vahele selle sidemetes, mida nimetatakse vesiniksidemeteks.
Hiina teadlaste vastus
Järgneb lisateave, mille mõistmiseks on vaja mõningaid teadmisi keemiast, et aru saada, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm. Nagu teate, koosneb see kahest H (vesiniku) aatomist ja ühest O (hapniku) aatomist, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed.
Kuid ühe molekuli vesinikuaatomeid tõmbavad ka naabermolekulid, nende hapnikukomponent. Neid sidemeid nimetatakse vesiniksidemeteks.
Samas tasub meeles pidada, et samal ajal mõjuvad veemolekulid üksteisele tõrjuvalt. Teadlased märkisid, et kui vett kuumutatakse, suureneb selle molekulide vaheline kaugus ja seda soodustavad tõrjuvad jõud. Selgub, et külmas olekus molekulide vahel ühe vahemaa hõivamisel võib öelda, et need venivad ja neil on suurem energiavarustus. Just see energiavaru vabaneb siis, kui veemolekulid hakkavad üksteisele lähenema, st toimub jahtumine. Selgub, et suurem energiavaru kuumas vees ja selle suurem vabanemine miinustemperatuurini jahutamisel toimub kiiremini kui külmas vees, mille energiavaru on väiksem. Niisiis, milline vesi külmub kiiremini - külm või kuum? Tänaval ja laboris peaks tekkima Mpemba paradoks ja kuum vesi peaks muutuma kiiremini jääks.
Kuid küsimus on endiselt lahtine
Sellel vihjel on vaid teoreetiline kinnitus – kõik see on ilusate valemitega kirja pandud ja tundub usutav. Kuid kui eksperimentaalsed andmed, milline vesi külmub kiiremini - kuum või külm, asetatakse praktilisse tähendusse ja esitatakse nende tulemused, siis on võimalik Mpemba paradoksi küsimust lõpetatuks lugeda.
"Kõige lihtsam stabiilne vesiniku ja hapniku ühend," on vee määratlus Concise Chemical Encyclopedia's. Kuid kui vaatate, pole see vedelik nii lihtne. Sellel on palju ebatavalisi, hämmastavaid ja väga erilisi omadusi. Ukraina vee-uurija rääkis meile vee ainulaadsetest võimetest Stanislav Suprunenko.
Kõrge soojusmahtuvus
Vesi soojeneb viis korda aeglasemalt kui liiv ja kümme korda aeglasemalt kui raud. Ühe kraadi vee soojendamiseks kulub 3300 korda rohkem soojust kui liitri õhu soojendamiseks. Neelates tohutul hulgal soojust, ei kuumene aine ise oluliselt. Jahtudes annab aga soojust välja sama palju, kui kuumutamisel endasse võttis. See soojuse kogunemise ja vabastamise võime võimaldab tasandada teravaid temperatuurikõikumisi maapinnal. Kuid see pole veel kõik! Vee soojusmahtuvus väheneb temperatuuri tõustes 0-lt 370C-ni ehk selle raames on seda lihtne soojendada, see ei võta palju soojust ja aega. Kuid pärast temperatuuripiirangut 370C suureneb selle soojusmahtuvus, mis tähendab, et selle soojendamiseks tuleb rohkem pingutada. On kindlaks tehtud, et vee minimaalne soojusmahtuvus on temperatuuril 36,790C ja see on inimese keha normaalne temperatuur! Nii et just selline vee kvaliteet tagab inimkeha temperatuuri stabiilsuse.
Vee kõrge pindpinevus
Pindpinevus on molekulide vaheline tõmbejõud. Visuaalselt on seda võimalik jälgida teega täidetud tassis. Kui lisate sellele aeglaselt vett, ei voola see kohe üle. Vaata lähemalt: vedeliku pinna kohal on näha kõige õhem kilet – see ei lase vedelikul välja valguda. Täitmisel paisub ja alles “viimasel tilgal” juhtub see ikka.
Kõikidel vedelikel on pindpinevus, kuid see on igaühe jaoks erinev. Vesi on ühe suurima pindpinevusega. Ainult elavhõbedas on rohkem, mistõttu muutub see mahavalgumisel kohe pallideks: aine molekulid on üksteisega kindlalt “kinnitud”. Kuid alkoholil, eetris ja äädikhappel on palju väiksem pindpinevus. Nende molekulid tõmbavad üksteist vähem ja seetõttu aurustuvad nad kiiremini ja levitavad oma lõhna.
Kõrge latentne aurustumissoojus
Foto Shutterstock
Vee aurustamiseks kulub viis ja pool korda rohkem soojust kui keetmiseks. Kui poleks vee seda omadust – aeglaselt aurustuda –, kuivaksid paljud järved ja jõed kuumal suvel lihtsalt ära.
Globaalses mastaabis aurustub hüdrosfäärist iga minut miljon tonni vett. Selle tulemusena satub atmosfääri kolossaalne kogus soojust, mis võrdub 40 000 elektrijaama tööga, igaühe võimsusega 1 miljard kW.
Laiendus
Kui temperatuur langeb, kahanevad kõik ained. Kõik peale vee. Kuni temperatuur langeb alla 40C, käitub vesi üsna normaalselt - veidi tihendudes vähendab selle mahtu. Kuid pärast 3, 980С see käitub, täpsemalt hakkab see paisuma, hoolimata temperatuuri langusest! Protsess kulgeb sujuvalt kuni temperatuurini 00C, kuni vesi külmub. Niipea kui jää tekib, suureneb juba tahke vee maht järsult 10%.
