Mpemba učinak(Mpemba's paradox) je paradoks koji tvrdi da Vruća voda Pod nekim uvjetima smrzava se brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode tijekom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja proturječi uobičajenim idejama, prema kojima je, pod istim uvjetima, jače zagrijanom tijelu potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrijanom tijelu da se ohladi na istu temperaturu.
Ovaj su fenomen svojedobno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, no tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća smjesa za sladoled smrzava brže od hladne.
Biti student Magambinskaya Srednja škola u Tanzaniji Erasto Mpemba učinio praktični rad u kuhanju. Trebao je napraviti domaći sladoled - prokuhati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s dovršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće izdržati do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, ono se smrznulo čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno prema zadanoj tehnologiji.
Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar Es Salaamu (pozvan od strane ravnatelja škole da održi predavanje o fizici učenicima) upravo o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude s jednakim volumenom vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrznuti. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba učinak.
Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature.
Paradoks Mpemba efekta je da se vrijeme tijekom kojeg se tijelo ohladi na temperaturu okoliš, mora biti proporcionalna razlici temperature između ovog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom se učinku voda s temperaturom od 100°C brže hladi na temperaturu od 0°C od iste količine vode s temperaturom od 35°C.
Međutim, to još ne implicira paradoks, budući da se Mpemba efekt može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za Mpemba učinak:
Isparavanje
Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manja količina vode iste temperature se brže smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C.
Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u parnu fazu smanjuje.
Temperaturna razlika
Zbog činjenice da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća, stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi.
Hipotermija
Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uvjetima može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući ostati tekući na temperaturama ispod ledišta. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na temperaturi od –20 C.
Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se prvi kristali leda počeli stvarati. Ako ih nema u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada se počnu formirati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, tvoreći bljuzgavicu, koja će se zamrznuti i formirati led.
Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem uklanja otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda.
Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda djelovat će kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju vruće vode podvrgnute prehlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh.
Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda.
Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta.
Konvekcija
Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo.
Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima najveću gustoću na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na temperaturi od 4 C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim uvjetima će se u kratkom vremenu na površini vode stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator, štiteći donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga će daljnji proces hlađenja biti sporiji.
Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže ohladiti 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. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature.
Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C.
Međutim, nema eksperimentalnih dokaza koji bi poduprli ovu hipotezu da su hladni i vrući slojevi vode odvojeni procesom konvekcije.
Plinovi otopljeni u vodi
Voda uvijek sadrži plinove otopljene u njoj - kisik i ugljični dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi manja pri visokim temperaturama. Stoga, kada se vruća voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju ovu činjenicu.
Toplinska vodljivost
Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavi u zamrzivač odjeljka hladnjaka u malim posudama. Pod tim uvjetima, primijećeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude s toplom vodom nego iz posude s hladnom vodom. S druge strane, posuda s hladnom vodom ne otapa snijeg ispod nje.
Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, no jasan odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobiven.
Na primjer, 1995. njemački fizičar David Auerbach proučavao je utjecaj prehlađene vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje.
Osim toga, Auerbachovi rezultati su bili u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda uspjela postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke soli otopljene u njoj.
Za sada se može reći samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima u kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek.
Mpemba efekt ili zašto se topla voda smrzava brže od hladne? Mpemba efekt (Mpemba paradoks) je paradoks koji kaže da se topla voda pod nekim uvjetima smrzava brže od hladne vode, iako mora prijeći temperaturu hladne vode tijekom procesa smrzavanja. Ovaj paradoks je eksperimentalna činjenica koja proturječi uobičajenim idejama, prema kojima je, pod istim uvjetima, jače zagrijanom tijelu potrebno više vremena da se ohladi na određenu temperaturu nego manje zagrijanom tijelu da se ohladi na istu temperaturu. Ovaj su fenomen svojedobno primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes, no tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba otkrio da se vruća smjesa za sladoled smrzava brže od hladne. Kao učenik srednje škole Magambi u Tanzaniji, Erasto Mpemba obavljao je praktični rad kao kuhar. Trebao je napraviti domaći sladoled - prokuhati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očito Mpemba nije bio osobito marljiv učenik i odugovlačio je s dovršavanjem prvog dijela zadatka. U strahu da neće izdržati do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, ono se smrznulo čak i ranije nego mlijeko njegovih drugova, pripremljeno prema zadanoj tehnologiji. Nakon toga, Mpemba je eksperimentirao ne samo s mlijekom, već i s običnom vodom. U svakom slučaju, već kao učenik srednje škole Mkwava, pitao je profesora Dennisa Osbornea sa sveučilišnog koledža u Dar Es Salaamu (pozvan od strane ravnatelja škole da održi predavanje o fizici učenicima) upravo o vodi: „Ako uzmete dvije identične posude s jednakim volumenom vode tako da u jednoj od njih voda ima temperaturu od 35 ° C, au drugoj - 100 ° C, i stavite ih u zamrzivač, tada će se u drugoj voda brže smrznuti. Zašto? Osborne se zainteresirao za ovo pitanje i ubrzo, 1969. godine, on i Mpemba objavili su rezultate svojih eksperimenata u časopisu Physics Education. Od tada se učinak koji su otkrili naziva Mpemba efekt. Do sada nitko ne zna točno kako objasniti ovaj čudan učinak. Znanstvenici nemaju jednu verziju, iako ih ima mnogo. Sve je u razlici u svojstvima tople i hladne vode, ali još nije jasno koja svojstva igraju ulogu u ovom slučaju: razlika u superhlađenju, isparavanju, stvaranju leda, konvekciji ili utjecajukapljenih plinova na vodu na različite temperature. Paradoks Mpemba efekta je da bi vrijeme tijekom kojeg se tijelo ohladi na temperaturu okoline trebalo biti proporcionalno razlici temperature između tog tijela i okoline. Ovaj zakon je uspostavio Newton i od tada je mnogo puta potvrđen u praksi. U tom se učinku voda s temperaturom od 100°C brže hladi na temperaturu od 0°C od iste količine vode s temperaturom od 35°C. Međutim, to još ne implicira paradoks, budući da se Mpemba efekt može objasniti u okviru poznate fizike. Evo nekoliko objašnjenja za Mpemba efekt: Isparavanje Vruća voda brže isparava iz posude, čime se smanjuje njezin volumen, a manji volumen vode na istoj temperaturi se brže smrzava. Voda zagrijana na 100 C gubi 16% svoje mase kada se ohladi na 0 C. Učinak isparavanja je dvostruki učinak. Prvo, smanjuje se masa vode potrebna za hlađenje. I drugo, temperatura se smanjuje zbog činjenice da se toplina isparavanja prijelaza iz vodene faze u parnu fazu smanjuje. Temperaturna razlika Budući da je temperaturna razlika između tople vode i hladnog zraka veća, stoga je izmjena topline u ovom slučaju intenzivnija i topla voda se brže hladi. Hipotermija Kada se voda ohladi ispod 0 C, ne smrzava se uvijek. Pod nekim uvjetima može se podvrgnuti superhlađenju, nastavljajući ostati tekući na temperaturama ispod ledišta. U nekim slučajevima voda može ostati tekuća čak i na temperaturi od -20 C. Razlog za ovaj učinak je taj što su potrebni centri za stvaranje kristala da bi se počeli stvarati prvi kristali leda. Ako ih nema u tekućoj vodi, superhlađenje će se nastaviti sve dok temperatura ne padne dovoljno da se kristali spontano formiraju. Kada se počnu formirati u prehlađenoj tekućini, počet će rasti brže, tvoreći bljuzgavicu, koja će se zamrznuti i formirati led. Vruća voda je najosjetljivija na hipotermiju jer zagrijavanjem uklanja otopljene plinove i mjehuriće, koji zauzvrat mogu poslužiti kao središta za stvaranje kristala leda. Zašto hipotermija uzrokuje brže smrzavanje tople vode? U slučaju hladne vode koja nije prehlađena događa se sljedeće. U tom slučaju će se na površini posude stvoriti tanak sloj leda. Ovaj sloj leda djelovat će kao izolator između vode i hladnog zraka i spriječit će daljnje isparavanje. Brzina stvaranja kristala leda u ovom će slučaju biti manja. U slučaju vruće vode podvrgnute prehlađenju, prehlađena voda nema zaštitni površinski sloj leda. Stoga gubi toplinu mnogo brže kroz otvoreni vrh. Kada proces superhlađenja završi i voda se smrzne, gubi se mnogo više topline i stoga se stvara više leda. Mnogi istraživači ovog učinka smatraju hipotermiju glavnim faktorom u slučaju Mpemba efekta. Konvekcija Hladna voda počinje se smrzavati odozgo, čime se pogoršavaju procesi toplinskog zračenja i konvekcije, a time i gubitak topline, dok se topla voda počinje smrzavati odozdo. Ovaj učinak se objašnjava anomalijom u gustoći vode. Voda ima najveću gustoću na 4 C. Ako vodu ohladite na 4 C i stavite je na nižu temperaturu, površinski sloj vode će se brže smrznuti. Budući da je ova voda manje gustoća od vode na temperaturi od 4 C, ostat će na površini, stvarajući tanak hladan sloj. U tim uvjetima će se u kratkom vremenu na površini vode stvoriti tanak sloj leda, ali će taj sloj leda služiti kao izolator, štiteći donje slojeve vode koji će ostati na temperaturi od 4 C. Stoga će daljnji proces hlađenja biti sporiji. Kod tople vode situacija je potpuno drugačija. Površinski sloj vode će se brže ohladiti 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. Ovo kruženje vode osigurava brzi pad temperature. Ali zašto ovaj proces ne dostiže točku ravnoteže? Da bi se objasnio Mpemba efekt s ove točke gledišta konvekcije, bilo bi potrebno pretpostaviti da su hladni i vrući sloj vode odvojeni i da se sam proces konvekcije nastavlja nakon što prosječna temperatura vode padne ispod 4 C. Međutim, nema eksperimentalne podatke koji bi potvrdili ovu hipotezu da su hladni i vrući slojevi vode odvojeni procesom konvekcije. Plinovi otopljeni u vodi Voda uvijek sadrži u sebi otopljene plinove – kisik i ugljikov dioksid. Ovi plinovi imaju sposobnost sniziti točku ledišta vode. Kada se voda zagrijava, ti se plinovi oslobađaju iz vode jer je njihova topljivost u vodi manja pri visokim temperaturama. Stoga, kada se vruća voda hladi, uvijek sadrži manje otopljenih plinova nego u nezagrijanoj hladnoj vodi. Stoga je ledište zagrijane vode više i brže se smrzava. Ovaj faktor se ponekad smatra glavnim u objašnjenju Mpemba efekta, iako nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju ovu činjenicu. Toplinska vodljivost Ovaj mehanizam može igrati značajnu ulogu kada se voda stavlja u zamrzivač odjeljka hladnjaka u malim posudama. Pod tim uvjetima, primijećeno je da posuda s vrućom vodom otapa led u zamrzivaču ispod, čime se poboljšava toplinski kontakt sa stijenkom zamrzivača i toplinska vodljivost. Kao rezultat toga, toplina se brže uklanja iz posude s toplom vodom nego iz posude s hladnom vodom. S druge strane, posuda s hladnom vodom ne otapa snijeg ispod nje. Svi ovi (kao i drugi) uvjeti proučavani su u mnogim eksperimentima, no jasan odgovor na pitanje - koji od njih osiguravaju stopostotnu reprodukciju Mpemba efekta - nikada nije dobiven. Na primjer, 1995. njemački fizičar David Auerbach proučavao je utjecaj prehlađene vode na ovaj učinak. Otkrio je da se vruća voda, kada dosegne prehlađeno stanje, smrzava na višoj temperaturi od hladne vode, a time i brže od potonje. Ali hladna voda dostiže prehlađeno stanje brže od tople vode, čime se kompenzira prethodno kašnjenje. Osim toga, Auerbachovi rezultati su bili u suprotnosti s prethodnim podacima da je topla voda uspjela postići veće superhlađenje zbog manje kristalizacijskih centara. Kada se voda zagrijava, iz nje se uklanjaju u njoj otopljeni plinovi, a kada se kuha, iz nje se talože neke soli otopljene u njoj. Za sada se može reći samo jedno - reprodukcija ovog efekta bitno ovisi o uvjetima u kojima se eksperiment izvodi. Upravo zato što se ne reproducira uvijek. O. V. Mosin
Mnogi su istraživači iznosili i iznose vlastite verzije zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode. Čini se kao paradoks - na kraju krajeva, da bi se zamrznula, topla voda se prvo mora ohladiti. Međutim, činjenica ostaje činjenica, a znanstvenici to objašnjavaju na različite načine.
Na ovaj trenutak Postoji nekoliko verzija koje objašnjavaju ovu činjenicu:
- Budući da vruća voda brže isparava, njezin se volumen smanjuje. I smrzavanje manje količine vode na istoj temperaturi događa se brže.
- Odjeljak zamrzivača hladnjaka ima snježnu foliju. Posuda s vrućom vodom otapa snijeg ispod nje. To poboljšava toplinski kontakt sa zamrzivačem.
- Smrzavanje hladne vode, za razliku od tople vode, počinje na vrhu. Istodobno se pogoršava konvekcija i toplinsko zračenje, a time i gubitak topline.
- Hladna voda sadrži centre kristalizacije – u njoj otopljene tvari. Ako je njihov sadržaj u vodi mali, zaleđivanje je teško, ali je istovremeno moguće superhlađenje - kada je na temperaturama ispod nule u tekućem stanju.
Iako pošteno možemo reći da se ovaj učinak ne promatra uvijek. Vrlo često se hladna voda smrzava brže od tople vode.
Na kojoj se temperaturi voda smrzava
Zašto se voda uopće smrzava? Sadrži određenu količinu mineralnih ili organskih čestica. To mogu biti, na primjer, vrlo male čestice pijeska, prašine ili gline. Kako se temperatura zraka smanjuje, te su čestice središta oko kojih nastaju kristali leda.
Ulogu kristalizacijskih jezgri također mogu imati mjehurići zraka i pukotine u posudi s vodom. Na brzinu procesa pretvaranja vode u led uvelike utječe broj takvih centara – ako ih je mnogo, tekućina se brže smrzava. U normalnim uvjetima, uz normalan atmosferski tlak, voda prelazi u kruto stanje iz tekućine na temperaturi od 0 stupnjeva.
Suština Mpemba efekta
Mpemba efekt je paradoks čija je bit da se pod određenim okolnostima topla voda smrzava brže od hladne vode. Tu su pojavu uočili Aristotel i Descartes. Međutim, tek je 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba utvrdio da se vrući sladoled smrzava kraće od hladnog. Do tog je zaključka došao dok je rješavao kuharski zadatak.
Morao je otopiti šećer u prokuhanom mlijeku i nakon što ga je ohladio staviti u hladnjak da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio osobito marljiv i kasno je počeo s dovršavanjem prvog dijela zadatka. Stoga nije čekao da se mlijeko ohladi, već ga je vruće stavio u hladnjak. Bio je vrlo iznenađen kada se smrznuo čak i brže od njegovih kolega iz razreda, koji su radili posao u skladu sa zadanom tehnologijom.
Ta je činjenica jako zainteresirala mladića i počeo je eksperimentirati s običnom vodom. Godine 1969. časopis Physics Education objavio je rezultate istraživanja Mpembe i profesora Dennisa Osbornea sa Sveučilišta Dar Es Salaam. Učinak koji su opisali dobio je ime Mpemba. Međutim, ni danas nema jasnog objašnjenja fenomena. Svi se znanstvenici slažu da glavnu ulogu u tome imaju razlike u svojstvima ohlađene i tople vode, no ne zna se što točno.
Singapurska verzija
Fizičare s jednog od singapurskih sveučilišta zanimalo je i pitanje koja se voda brže smrzava - topla ili hladna? Tim istraživača predvođen Xi Zhangom objasnio je ovaj paradoks upravo svojstvima vode. Svi znaju sastav vode iz škole - atom kisika i dva atoma vodika. Kisik u određenoj mjeri odvlači elektrone od vodika, tako da je molekula određena vrsta "magneta".
Kao rezultat toga, određene molekule u vodi se lagano privlače jedna drugoj i spojene su vodikovom vezom. Njegova snaga je mnogo puta manja od kovalentne veze. Singapurski istraživači smatraju da objašnjenje Mpembina paradoksa leži upravo u vodikovim vezama. Ako su molekule vode vrlo tijesno jedna uz drugu, tada tako jaka interakcija između molekula može deformirati kovalentnu vezu u sredini same molekule.
Ali kada se voda zagrijava, vezane molekule se malo udaljavaju jedna od druge. Kao rezultat toga dolazi do opuštanja u sredini molekula kovalentne veze uz oslobađanje viška energije i prijelaz na nižu razina energije. To dovodi do činjenice da se vruća voda počinje brzo hladiti. Barem tako pokazuju teoretski izračuni singapurskih znanstvenika.
Trenutačno smrzavanje vode - 5 nevjerojatnih trikova: Video
Pozdrav dragi ljubavnici Zanimljivosti. Danas ćemo razgovarati s vama o. Ali mislim da pitanje postavljeno u naslovu može izgledati jednostavno apsurdno - ali treba li uvijek nepodijeljeno vjerovati notornom "zdravom razumu", a ne strogo utvrđenom testnom eksperimentu. Pokušajmo shvatiti zašto se topla voda smrzava brže od hladne vode?
Povijesna referenca
Da u pitanju smrzavanja hladne i tople vode “nije sve čisto” spominjalo se u djelima Aristotela, zatim su slične napomene dali F. Bacon, R. Descartes i J. Black. U moderna povijest Taj je učinak nazvan "Mpembin paradoks" - po učeniku iz Tanganjike Erastu Mpembi, koji je isto pitanje postavio gostujućem profesoru fizike.
Dječakovo pitanje nije nastalo niotkuda, već iz čisto osobnog promatranja procesa hlađenja sladolednih smjesa u kuhinji. Naravno, kolege iz razreda koji su bili prisutni, zajedno sa školskim učiteljem, nasmijali su Mpembu - međutim, nakon eksperimentalnog testa koji je osobno proveo profesor D. Osborne, želja za ismijavanjem Erasta iz njih je "isparila". Štoviše, Mpemba je, zajedno s profesorom, objavio detaljan opis ovog efekta u Physics Education 1969. - i od tada je gore spomenuti naziv fiksiran u znanstvenoj literaturi.
Što je bit fenomena?
Postavljanje eksperimenta je vrlo jednostavno: pod jednakim uvjetima, testiraju se identične posude tankih stijenki koje sadrže strogo jednake količine vode, a razlikuju se samo po temperaturi. Posude se stavljaju u hladnjak, nakon čega se bilježi vrijeme do stvaranja leda u svakoj od njih. Paradoks je da se u posudi s inicijalno toplijom tekućinom to događa brže.
Kako to moderna fizika objašnjava?
Paradoks nema univerzalno objašnjenje, budući da se nekoliko paralelnih procesa odvija zajedno, čiji doprinos može varirati ovisno o specifičnim početnim uvjetima - ali s ujednačenim rezultatom:
- sposobnost tekućine da se prehladi - inicijalno hladna voda sklonija je prehlađenju, tj. ostaje tekuć kada je njegova temperatura već ispod točke smrzavanja
- ubrzano hlađenje - para iz tople vode pretvara se u mikrokristale leda, koji pri povratku ubrzavaju proces, radeći kao dodatni "vanjski izmjenjivač topline"
- izolacijski učinak - za razliku od tople vode, hladna voda se smrzava odozgo, što dovodi do smanjenja prijenosa topline konvekcijom i zračenjem
Postoji niz drugih objašnjenja ( posljednji put Britansko Kraljevsko kemijsko društvo nedavno je, 2012. godine, održalo natjecanje za najbolju hipotezu) - ali još uvijek ne postoji jednoznačna teorija za sve slučajeve kombinacija ulaznih uvjeta...
Britansko Kraljevsko kemijsko društvo nudi nagradu od 1000 funti svakome tko zna objasniti znanstvena točka razumijevanje zašto se u nekim slučajevima topla voda smrzava brže od hladne vode.
“Moderna znanost još uvijek ne može odgovoriti na ovo naizgled jednostavno pitanje. Proizvođači sladoleda i barmeni koriste ovaj efekt u svakodnevnom radu, ali nitko zapravo ne zna zašto djeluje. Ovaj problem poznat je tisućljećima, o njemu su razmišljali filozofi poput Aristotela i Descartesa”, rekao je predsjednik britanskog Kraljevskog kemijsko društvo, profesor David Phillips, kako je navedeno u priopćenju Društva.
Kako je kuhar iz Afrike pobijedio britanskog profesora fizike
Ovo nije prvotravanjska šala, već surova fizička stvarnost. Moderna znanost, koja s lakoćom operira s galaksijama i crnim rupama i gradi divovske akceleratore za traženje kvarkova i bozona, ne može objasniti kako elementarna voda “radi”. U školskom udžbeniku jasno stoji da je za hlađenje toplijeg tijela potrebno više vremena nego za hlađenje hladnog tijela. Ali za vodu ovaj zakon nije uvijek promatrano. Aristotel je skrenuo pozornost na ovaj paradoks u 4. stoljeću pr. e. Evo što je stari Grk napisao u svojoj knjizi Meteorologica I: “Činjenica da je voda prethodno zagrijana uzrokuje njeno smrzavanje. Stoga mnogi ljudi, kada žele brže ohladiti vruću vodu, prvo je stave na sunce...” U srednjem vijeku Francis Bacon i Rene Descartes pokušali su objasniti ovaj fenomen. Nažalost, ni veliki filozofi ni brojni znanstvenici koji su razvili klasičnu termofiziku nisu uspjeli u tome, pa je tako neugodna činjenica dugo bila "zaboravljena".
I tek su se 1968. “sjetili” zahvaljujući školarcu Erastu Mpembeu iz Tanzanije, dalekom od svake znanosti. Tijekom studija u kulinarskoj školi 1963. godine, 13-godišnji Mpembe dobio je zadatak napraviti sladoled. Prema tehnologiji, bilo je potrebno prokuhati mlijeko, u njemu otopiti šećer, ohladiti na sobnu temperaturu, a potom staviti u hladnjak da se zamrzne. Očigledno, Mpemba nije bio marljiv učenik i oklijevao je. U strahu da neće izdržati do kraja sata, stavio je još vruće mlijeko u hladnjak. Na njegovo iznenađenje, smrznulo se čak i ranije od mlijeka njegovih drugova, pripremljenog prema svim pravilima.
Kad je Mpemba svoje otkriće podijelio sa svojim profesorom fizike, ovaj mu se smijao pred cijelim razredom. Mpemba se sjetio uvrede. Pet godina kasnije, već kao student na sveučilištu u Dar es Salaamu, prisustvovao je predavanju poznatog fizičara Denisa G. Osbornea. Nakon predavanja, postavio je pitanje znanstveniku: “Ako uzmete dvije identične posude s jednakom količinom vode, jednu na 35 °C (95 °F), a drugu na 100 °C (212 °F), i stavite ih u zamrzivaču, tada će se voda u vrućoj posudi brže smrznuti. Zašto?" Možete zamisliti reakciju britanskog profesora na pitanje mladića iz Bogom zaboravljene Tanzanije. Ismijavao je učenika. Međutim, Mpemba je bio spreman na takav odgovor i izazvao je znanstvenika na okladu. Njihov spor završio je eksperimentalnim testom koji je potvrdio da je Mpemba bio u pravu i da je Osborne poražen. Tako je kuharski šegrt upisao svoje ime u povijest znanosti, a od sada se ovaj fenomen naziva “Mpemba efekt”. Nemoguće ga je odbaciti, proglasiti ga "nepostojećim". Fenomen postoji i, kako je napisao pjesnik, "ne boli".
Jesu li za to krive čestice prašine i otopljene tvari?
Tijekom godina mnogi su pokušavali razotkriti misterij smrzavanja vode. Predložena je cijela hrpa objašnjenja za ovaj fenomen: isparavanje, konvekcija, utjecaj otopljenih tvari - ali niti jedan od ovih faktora ne može se smatrati konačnim. Brojni su znanstvenici cijeli život posvetili Mpemba efektu. Djelatnik Odjela za radijacijsku sigurnost Državno sveučilište New York - James Brownridge - u slobodno vrijeme proučava paradoks više od desetljeća. Nakon provođenja stotina eksperimenata, znanstvenik tvrdi da ima dokaze o "krivnji" hipotermije. Brownridge objašnjava da na 0°C voda postaje samo prehlađena i počinje se smrzavati kada temperatura padne ispod. Točku ledišta reguliraju nečistoće u vodi – one mijenjaju brzinu stvaranja kristala leda. Nečistoće, kao što su čestice prašine, bakterije i otopljene soli, imaju karakterističnu temperaturu nukleacije kada se kristali leda formiraju oko centara kristalizacije. Kada je u vodi prisutno više elemenata odjednom, ledište određuje onaj koji ima najvišu temperaturu nukleacije.
Za eksperiment je Brownridge uzeo dva uzorka vode iste temperature i stavio ih u zamrzivač. Otkrio je da se jedan od uzoraka uvijek smrzava prije drugoga, vjerojatno zbog različite kombinacije nečistoća.
Brownridge kaže da se vruća voda hladi brže jer postoji veća razlika između temperature vode i zamrzivača - to joj pomaže da dosegne svoju točku smrzavanja prije nego hladna voda dosegne svoju prirodnu točku smrzavanja, koja je najmanje 5°C niža.
Međutim, Brownridgeovo razmišljanje otvara mnoga pitanja. Stoga oni koji mogu na svoj način objasniti Mpemba efekt imaju priliku natjecati se za tisuću funti sterlinga Britanskog kraljevskog kemijskog društva.
