Мпемба эффект: Эффект Мпембы — Википедия

Эффект Мпембы — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эффе́кт Мпе́мбы, или парадо́кс Мпе́мбы, — псевдонаучный парадокс, который гласит, что горячая вода может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данное наблюдение противоречит первому началу термодинамики.

Mpemba-two-water-probes.svg

История открытия

То, что горячая вода остывает быстрее, упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла, но никак не повлияет последующее замораживание. В 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. В 1969 году в журнале «Physics Education

[en]» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект[1]. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «American Journal of Physics[en]»[2].

Анализ парадокса

Было предложено несколько вариантов объяснения этого парадокса:

  • Использование бытового холодильника с большим температурным гистерезисом в качестве экспериментального "прибора". Горячая вода, в отличие от холодной нагревает термостат, тот запускает компрессор и холодильник начинает морозить. Процесс инерционный, поэтому небольшое количество воды успевает даже замерзнуть. Использование термостатированого холодильника опровергает этот парадокс. (Однако эта версия не стыкуется с тем, что эффект, как было вышеупомянуто, предположительно, был известен Аристотелю, Френсису Бэкону и Рене Декарту, которые явно не пользовались термостатированым холодильником)
  • Горячая вода начинает испаряться. Но в холодном воздухе превращается в лед и начинает падать вниз, образовывая корку льда.
  • Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объём воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не плавит под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с горячей водой должен замерзать медленнее.
  • Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже её переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Из-за разницы в энергии, запасённой в водородных связях. Чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды — молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии и означает охлаждение[3].
  • Горячая вода может содержать меньше растворенных газов, потому что большое количество газа уходит при нагревании. Предполагается, что это изменяет свойства горячей воды и она быстрее охлаждается[4]
  • По мере нагревания водородные связи ослабевают и молекулы воды в кластерах занимают такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда[5]. В холодной воде все происходит так же, но энергии на разрыв водородных связей требуется больше — поэтому замерзание происходит медленнее[6].

Но однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено.

Отрицание существования эффекта Мпембы

24 ноября 2016 года в журнале «Scientific Reports

[en]» (входит в группу «Nature») была опубликована статья, где авторы утверждают, что в опубликованных ранее материалах нет чёткого научного определения эффекта, сами дают такое определение и показывают, что при следовании этому определению эффект не проявляется. В том числе, они указывают и на недостаточную строгость утверждения «горячая вода не остывает быстрее, чем холодная» (ожидаемое поведение) — очевидно, что горячую воду можно остудить быстрее, чем холодную, если, к примеру, увеличить мощность, используемую для охлаждения. В статье показано, в частности, что при охлаждении трёх 400-граммовых порций воды, во всём идентичных между собой за исключением начальной температуры (21,8; 57,3; 84,7 °C), залитых в одинаковые стаканы и помещённых в термостатированный морозильник при −18 °C, горячая вода достигала нулевой температуры дольше (соответственно за 6397, 9504 и 10812 секунд), как и следовало ожидать согласно первому закону термодинамики[7].

Примечания


Физики открыли усиленную версию эффекта Мпембы с помощью марковской динамики

Группа физиков из Израиля и США открыла усиленную версию эффекта Мпембы, благодаря которому горячая вода замерзает быстрее холодной. Для этого ученые смоделировали остывание системы в рамках марковской динамики и нашли особенные точки, в которых остывание горячей системы значительно ускоряется. Кроме того, ученые подтвердили общие соображения на примере модели антиферромагнетика и показали, что используемый метод продолжает работать в термодинамическом пределе. Статья опубликована в Physical Review X.

В 1963 году Эрасто Мпембма, 13-летний школьник из Магабмы (нынешняя Танзания), заметил, что формочки с горячим мороженым в школьном морозильнике застывают быстрее, чем с холодным. Об этом странном эффекте он сообщил профессору Деннису Осборну, которого пригласили в школу прочитать лекцию по физике. Сначала профессор не поверил школьнику, однако поставил эксперимент с замерзающей водой и убедился в существовании эффекта. После этого Мпемба и Осборн опубликовали в журнале

Physical Eduction статью с результатами эксперимента, а за описанным эффектом закрепилось название «эффект Мпембы».

К сожалению, из-за сложности эффекта Мпембы физики до сих пор не понимают, за счет чего он возникает. Различные исследовательские группы списывали этот эффект на испарение, переохлаждение, конвекцию, растворенные в жидкости примеси и даже на водородные связи между молекулами воды. Более того, некоторые ученые считают, что эффект Мпембы недостаточно строго сформулирован, чтобы можно было заявлять о его существовании. В частности, в стандартной формулировке этого эффекта не обговаривается, что именно нужно считать моментом замерзания — например, можно ли пренебрегать небольшими объемами пара, образовавшегося в ходе замерзания.

В то же время эффект Мпембы можно рассматривать как типичный пример неравновесного процесса — процесса, в ходе которого термодинамическая система выходит из равновесия. В самом деле, когда мы ставим в холодильник горячую воду, мы резко меняем внешние условия, а потому термодинамическое равновесие в системе не успевает установиться. Поэтому горячая вода может «срезать путь» через область параметров, которая недоступна для квазистатически охлаждающейся холодной воды. В этом контексте эффект Мпембы не ограничивается водой: в принципе, аномальное «срезание пути» также наблюдается в магнитных сплавах, сыпучих газах, полимерах и многих других системах.

Первую теоретическую модель, которая описывает «срезание пути» через область неравновесной эволюции, разработали около двух лет назад американские физики Чжиюэ Лу (Zhiyue Lu) и Орен Раз (Oren Raz). В основе предложенной модели лежала динамика марковских частиц, которая ухватывает эффекты в однородных системах, отклоняющихся от термодинамического равновесия. Грубо говоря, этот подход сопоставляет траекториям частиц некоторые распределения с заданной температурой, а затем следит за «перескакиванием» системы между распределениями. Тем не менее, в модели Лу и Раза возникало несколько важных вопросов, которые исследователи тогда решить не смогли. Во-первых, было не понятно, требуется ли для эффекта Мпембы «тонкая настройка» системы, то есть существование сингулярных точек в пространстве ее параметров. Во-вторых, в оригинальной статье ученые рассматривали не термодинамическую систему, а упрощенный случай системы нескольких тел. Следовательно, необходимо проверить, не ломается ли этот подход в термодинамическом пределе — например, на реальном примере с замерзающей водой.

Группа физиков под руководством Марии Вучеля (Marija Vucelja) развила подход Лу и Раза и подтвердила, что разработанная модель работает для простых термодинамических систем. Более того, ученые обнаружили так называемый сильный эффект Мпембы — значительное усиление эффекта Мпембы около дискретного набора начальных температур горячей системы.

Чтобы понять, почему возникает сильный эффект Мпембы, нужно вспомнить, как марковская динамика описывает эволюцию системы. В этом подходе каждому состоянию (например, состоянию с заданной полной энергией) сопоставляется некоторая вероятность, которая может меняться со временем. Скорость «перескакивания» системы между различными состояниями определяется набором собственных значений, которые можно вытащить из уравнения эволюции. Максимальное из этих собственных значений равно нулю — это отвечает стационарной ситуации, то есть равновесному распределению Больцмана. Следующее по величине собственное значение описывает скорость, с которой система приближается к равновесному распределению. На достаточно больших временах достаточно удерживать только этот вклад, поскольку остальные вклады затухают еще быстрее. Таким образом, распределение вероятностей системы через время t после начала эволюции можно приближенно описать следующей формулой: p(T, t) ≈ π(T

х) + a(T) e−λt pλ(T). Здесь T — температура системы, Tх — температура холодильника, π(T) — распределение Больцмана, pλ(T) — отклонение от равновесного состояния, λ — скорость его затухания, а a(T) — некоторый коэффициент, который зависит от температуры. Очевидно, что a(Tх) = 0, поскольку в изначально равновесной системе никакой динамики нет.

Глядя на эту формулу, легко догадаться, что качественная динамика закодирована в коэффициенте a(T). В самом деле, если a(T) — монотонная функция, то возмущение с более высокой температурой упадет до определенного фиксированного уровня за больший промежуток времени, чем возмущение с более низкой температурой. Если же это не так, и для горячей системы коэффициент больше, чем для холодной, то мы будем наблюдать противоположную ситуацию — эффект Мпембы. Более того, если при температуре горячей системы коэффициент a(T) ≈ 0, то эффект Мпембы будет практически неограниченно усиливаться. Аналогичным образом можно добиться обратного эффекта Мпембы и обратного сильного эффекта Мпембы, при котором сильно переохлажденная система нагревается быстрее, чем менее холодная.

Интересно, что возникновение сильного эффекта Мпембы можно связать с топологическими свойствами системы. Чтобы проиллюстрировать это утверждение, рассмотрим систему с тремя возможными состояниями {p1, p2, p3}. В каждый момент времени эти вероятности положительны, а их сумма равна единице: p1 + p2 + p3 = 1, поэтому множество допустимых точек представляет собой двумерный треугольник, вложенный в трехмерное пространство. В то же время, множество распределений Больцмана при всех возможных температурах формирует в этом пространстве непрерывную кривую. Начальная точка кривой лежит в центре треугольника (при бесконечной температуре вероятности всех состояний равны), а конечная — на одной из осей (при нулевой температуре система сваливается в основное состояние). Наконец, условие a(T) = 0 задает некоторую плоскость, которая пересекает треугольник допустимых вероятностей. При этом положение начальной и конечной точки кривой Больцмана по отношению к плоскости a(T) = 0 определяет, возникает ли сильный эффект Мпембы. Если обе точки лежат по одну сторону от плоскости, то эффект гарантированно возникает: кривая пересекает плоскость в четном числе точек, одна из которых отвечает температуре холодильника (a(T

х) = 0 по определению), а остальные — требуемой температуре горячей системы.

Треугольник допустимых параметров отмечен синим цветом, плоскость a(T) = 0 — зеленым, кривая Больцмана — красным

Israel Klich et al. / Physical Review X, 2019

Поэтому физики заключают, что сильный эффект Мпембы можно вывести из топологических соображений. Более того, из этих же соображений ученые доказывают, что индекс Мпембы — число точек, в которых индекс a(T) = 0, не меняется при небольших отклонениях параметров рассматриваемой системы (например, сдвиге энергетических уровней).

Эти качественные соображения ученые проверили на конкретной системе — модели антиферромагнетика, в которой спины живут на двух параллельных решетках и взаимодействуют только со спинами соседней решетки. С помощью численных расчетов физики подтвердили, что в системе возникает сильный эффект Мпембы, и построили для нее фазовую диаграмму. Более того, исследователи подтвердили, что динамика системы сохраняется в термодинамическом пределе, когда число спинов стремится к бесконечности.

Фазовая диаграмма антиферромагнетика с числом спинов N = 400. В белой области эффекта нет, в синей и зеленой — эффект слабый (прямой или обратный), в остальных областях — сильный (прямой или обратный, к которому может добавиться слабый противоположный эффект)

Israel Klich et al. / Physical Review X, 2019

Авторы статьи отмечают, что их работа пригодится не только для объяснения эффекта Мпембе, но и для ускорения численных расчетов. Дело в том, что алгоритмы Монте-Карло по схеме марковской цепи широко используются для моделирования процессов из самых разных областей. Например, с помощью таких алгоритмов можно рассмотреть конвективные ячейки на поверхности стареющей звезды, смоделировать эволюцию нейтронных звезд или галактик. Чтобы получить в рамках этого метода точный результат, нужно смоделировать много гипотетических конфигураций, поэтому ученые стараются как можно сильнее ускорить сходимость алгоритма. Открытие сильного эффекта Мпембе теоретически может повысить эту скорость.

Когда термодинамическая система выходит из равновесия, большая часть теоретических приближений перестает работать, и предсказать дальнейшую эволюцию системы становится очень сложно — особенно для настоящих систем, которые встречаются в реальной жизни. Поэтому физики разрабатывают новые методы, которые специально заточены под моделирование неравновесных процессов. Например, в октябре 2018 года американские физики придумали гибридный алгоритм, который совмещает работу классического и квантового компьютера и позволяет численно моделировать неравновесные процессы в квантовых системах. В декабре исследователи из Кембриджа и Сколтеха предложили моделировать систему спинов с помощью неравновесного конденсата когерентных центров, на который наложено резонансное воздействие. В качестве примера ученые рассмотрели модели Изинга или Поттса. А в апреле этого года группа физиков под руководством Михаила Лукина с помощью 51-кубитного квантового компьютера смоделировала квантовый фазовый переход в сильно коррелированной системе.

Дмитрий Трунин

Как быстро превратить воду в кубики льда

Эффект Мпембы

Эта история началась более полувека назад, но не получила развязки и по сей день. А всё потому, что, как бы ни старались тысячи пытливых умов со всей планеты, им никак не удаётся найти единственно верное решение загадки Мпембы.

В 1963 году неприметный африканский ученик по имени Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) подметил одну странность: тёплая смесь для мороженого застывает быстрее, чем охлаждённая.

Наблюдение казалось настолько неправдоподобным, что учителю физики оставалось лишь посмеяться над открытием незадачливого экспериментатора. Однако Эрасто был уверен в своей правоте и не побоялся снова стать посмешищем: чуть позже он поднял скользкий вопрос перед Денисом Осборном (Denis Osborne), профессором Университета Дар-эс-Салам, Танзания. Учёный не стал бросаться поспешными выводами и решил изучить проблему. После чего в 1969 году журнал Physics Education опубликовал материал, описывающий парадокс Мпембы.

В научных кругах тут же припомнили, что нечто похожее уже говорили величайшие умы былых времён. Например, ещё Аристотель упоминал о жителях древнегреческого Понта, которые во время зимней рыбалки нагревали воду и мочили в ней тростник, чтобы тот быстрее затвердевал. Многие столетия спустя Фрэнсис Бэкон писал: «Слегка прохладная вода замерзает гораздо легче, чем совершенно холодная».

В общем, вопрос стар как мир, но это лишь подогревает интерес к разгадке. На протяжении нескольких последних десятилетий выдвигалось немало теорий, объясняющих эффект Мпембы. Наиболее вероятные из них были озвучены в 2013 году на торжественном мероприятии, проведённом Королевским химическим обществом Великобритании. Профессиональная ассоциация изучила 22 000 (!) мнений и выделила среди них лишь одно, принадлежащее Николе Бреговичу (Nikola Bregović).

Хорватский химик указал на важность процессов конвекции и переохлаждения жидкости при её замерзании.

Вот как эти явления описаны в «Википедии»:

  • Холодная вода начинает замерзать сверху, замедляя тем самым процессы теплового излучения и конвекции, а значит, и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
  • Переохлаждённая жидкость — жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном давлении. Переохлаждённая жидкость получается из обычной путём охлаждения при отсутствии центров кристаллизации.

Всемирное признание и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.

Эрасто Мпемба и Денис Осборнscienceblogs.com

Какой должна быть температура воды перед заморозкой

На этот вопрос однозначного ответа всё же нет. Королевское химическое общество хоть и определилось, но не прекратило споры окончательно. До сих пор выдвигаются новые гипотезы и звучат опровержения.

Хотя есть небольшая зацепка: научно-популярный журнал New Scientist провёл исследования и пришёл к выводу, что наилучшие условия для повторения эффекта Мпембы — две ёмкости воды с температурой 35 и 5 °C.

Таким образом, если до вечеринки осталось совсем немного времени, залейте в формочки для льда воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.

Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом - 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:

Испарение

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.

Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше - следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение

Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.

Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.

Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.

Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.

Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.

Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность

Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос - какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы - так и не было получено.

Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.

Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.

Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

О. В. Мосин

Литературные источники:

"Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

"The Final Word", New Scientist, 2nd December 1995.

Эффект Мпембы » Русский Клуб г.Тампере


В 1963 году школьник из Танзании по имени Эрасто Мпемба задал своему учителю глупый вопрос — почему в его морозилке теплое мороженое замерзает быстрее, чем холодное?

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое – вскипятить молоко, растворить в нём сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник ещё горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой.

Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объёмами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

Вам интересно узнать почему так происходит ? Буквально несколько лет назад ученым удалось объяснить данное явление …

Эффект Мпембы

Водородные связи O:H-O в кристалле льда.

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) – парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах. Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен ещё Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Эффект Мпембы

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями, что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи.

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Вот какие предположения выдвигаются учеными

Испарение Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100°С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0°С. Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, из-за испарения понижается её температура.

Разница температур Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше – следовательно, теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение Когда вода охлаждается ниже 0°С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20°С. Причина этого эффекта в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда, нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд. Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда. Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается, происходит следующее: на её поверхности образуется тонкий слой льда, который действует как изолятор между водой и холодным воздухом, и тем самым препятствует дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх. Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Если охладить воду до 4°С и поместить её в среду с более низкой температурой, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4°С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4°С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее. В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстро за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодные слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры. Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4°С. Однако нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше, и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность Этот механизм может играть существенную роль, когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос – какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы – так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлаждённого состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при её кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли. Утверждать пока можно только одно – воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

А вот как говорят, наиболее вероятная причина. Как пишут химики в своей статье, которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

Эффект Мпембы — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эффе́кт Мпе́мбы, или парадо́кс Мпе́мбы, — псевдонаучный парадокс, который гласит, что горячая вода может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данное наблюдение противоречит первому началу термодинамики.

Mpemba-two-water-probes.svg

История открытия

То, что горячая вода остывает быстрее, упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла, но никак не повлияет последующее замораживание. В 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. В 1969 году в журнале «Physics Education[en]» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект[1]. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «American Journal of Physics[en]»[2].

Анализ парадокса

Было предложено несколько вариантов объяснения этого парадокса:

  • Использование бытового холодильника с большим температурным гистерезисом в качестве экспериментального "прибора". Горячая вода, в отличие от холодной нагревает термостат, тот запускает компрессор и холодильник начинает морозить. Процесс инерционный, поэтому небольшое количество воды успевает даже замерзнуть. Использование термостатированого холодильника опровергает этот парадокс. (Однако эта версия не стыкуется с тем, что эффект, как было вышеупомянуто, предположительно, был известен Аристотелю, Френсису Бэкону и Рене Декарту, которые явно не пользовались термостатированым холодильником)
  • Горячая вода начинает испаряться. Но в холодном воздухе превращается в лед и начинает падать вниз, образовывая корку льда.
  • Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объём воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не плавит под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с горячей водой должен замерзать медленнее.
  • Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже её переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Из-за разницы в энергии, запасённой в водородных связях. Чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды — молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии и означает охлаждение[3].
  • Горячая вода может содержать меньше растворенных газов, потому что большое количество газа уходит при нагревании. Предполагается, что это изменяет свойства горячей воды и она быстрее охлаждается[4]
  • По мере нагревания водородные связи ослабевают и молекулы воды в кластерах занимают такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда[5]. В холодной воде все происходит так же, но энергии на разрыв водородных связей требуется больше — поэтому замерзание происходит медленнее[6].

Но однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено.

Отрицание существования эффекта Мпембы

24 ноября 2016 года в журнале «Scientific Reports[en]» (входит в группу «Nature») была опубликована статья, где авторы утверждают, что в опубликованных ранее материалах нет чёткого научного определения эффекта, сами дают такое определение и показывают, что при следовании этому определению эффект не проявляется. В том числе, они указывают и на недостаточную строгость утверждения «горячая вода не остывает быстрее, чем холодная» (ожидаемое поведение) — очевидно, что горячую воду можно остудить быстрее, чем холодную, если, к примеру, увеличить мощность, используемую для охлаждения. В статье показано, в частности, что при охлаждении трёх 400-граммовых порций воды, во всём идентичных между собой за исключением начальной температуры (21,8; 57,3; 84,7 °C), залитых в одинаковые стаканы и помещённых в термостатированный морозильник при −18 °C, горячая вода достигала нулевой температуры дольше (соответственно за 6397, 9504 и 10812 секунд), как и следовало ожидать согласно первому закону термодинамики[7].

Примечания


Три парадокса Мпембы, или Заблудившийся паяц

Эрасто Мпемба и профессор Денис Осборн

О том, что горячая вода замерзает быстрее холодной, а рассеянным бывает полезнее быть, чем внимательным

13 декабря 2013 Иван Куликов

Реальность — фокусник. Нужная карта оказывается не в правой руке, и не в левой, а за ухом у соседа, в другой комнате или в далеком городе. Интуиция, мышление, интеллект считают себя обманутыми, но на самом деле они обманывали себя сами. В науке таких случаев — сплошь и рядом. На той неделе целых три.

Парадокс первый: Горячее тоже мёрзнет

Когда мы с отцом заливали во дворе каток (а это был старый московский двор) из шланга, подключённого к кухонному крану, воде надлежало быть обязательно горячей. Почему? Отцовское объяснение, что горячая вода на морозе быстрее замерзает (а это были последние трескучие морозы перед тем, как по телевизору объявили о глобальном потеплении), противоречило элементарной интуиции. Мышление восставало. Тогда я ещё не знал, что имел дело с эффектом Мпембы.

В 1963 году африканский юноша Эрасто Мпемба обнаружил, к полной растерянности школьного учителя по физике, что подогретая жидкость замерзает в холодильнике быстрее, чем холодная (естественно, как и холодная, пройдя стадию охлаждения до нуля градусов Цельсия). Английский физик Денис Осборн, посетив с лекцией Дар-эс-Салам, где юноша учился, этот факт проверил и в конце 60-х опубликовал совместно с Мпембой статью в серьёзном научном журнале. Есть с десяток объяснений эффекта Мпембы от быстро опровергнутых (горячая вода быстрее испаряется, поэтому замерзает меньший её объём) до витиеватых и сложно проверяемых. Все они туманны и сомнительны. Над странным феноменом размышляли Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт, но объяснения эффекта у физиков нет до сих пор.

В Сингапуре, в Наньянском технологическом университете, тоже задумались над эффектом Мпембы. Разгадка, как считают там, кроется в водородных связях. На эту тему на сайте научных электронных препринтов arxiv.org появилась недавно целая статья. Вспомним школьные уроки химии, хрестоматийную Н2О. В этой молекуле атом водорода расходует единственный электрон, связываясь с атомом кислорода (такая связь называется ковалентной). Кислород тратит на ковалентную связь с двумя атомами водорода два электрона, а два остаются у него незанятыми. Из-за такого электронного мезальянса молекула воды полярна: её кислородный «выступ» имеет отрицательный заряд за счёт свободных электронов, а водородные — положительный. Каждый положительно заряженный выступ (то есть сильно «оголённый» атом водорода) притягивается к соседнему отрицательно заряжённому, связываясь со свободным электроном другой молекулы воды.

Водородные связи между молекулами воды (пунктирные линии). Желтыми линиями обозначены ковалентные связи между атомом кислорода (красный) и атомами водорода (серый).

 

Такая межмолекулярная связь и носит название водородной. Нетрудно подсчитать, что каждая молекула воды образует с другими четыре водородные связи.

Водородные связи не такие сильные, как ковалентные, но достаточно сильные, чтобы температура кипения составила не 70 градусов по Цельсию (если энергию этих связей вычесть), а 100. Не исключено, что межмолекулярные связи виноваты и в более быстром замерзании воды. Логика следующая. При нагревании воды водородные связи растягиваются с увеличением расстояния между молекулами. Растяжение означает запасание энергии (как у пружины, в которой при растяжении кинетическая энергия накапливается, а потом высвобождается при сжатии). При охлаждении дополнительная энергия, запасённая в растянутых водородных связях, высвобождается, а поскольку потеря дополнительной энергии вызывает и дополнительное падение температуры, тёплая вода замерзает быстрее, чем холодная. В статье подсчитано, что дополнительной энергии, накопленной в водородных связях, достаточно, чтобы влиять на темпы замерзания воды.

Красиво, но это пока гипотеза. Требуются сложные вычисления на компьютере плюс точные и нетривиальные эксперименты для проверки математической модели, которая описывает разные энергетические сценарии охлаждения и замерзания воды. Только после этого можно увериться, что эффект Мпембы разгадан. Пока же остаётся мириться с вопиющим фактом, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Помните об этом, когда будете заливать каток.

Парадокс второй: реванш в облаках

Эффект Мпембы — один из множества примеров, как наше мышление достраивает картину миру, которая в итоге может категорически не совпасть с реальностью. Мышление нас обманывает. Вода не стремиться поразить нас никакими «фокусами»: реальность такая, какая она есть, и если какая-нибудь часть реальности противоречит нашему представлению о ней, мы называем это парадоксом. Хуже, когда мышление становится серьёзным препятствием в усвоении собственного жизненного опыта. А то, что это так, психология подтверждает регулярно на не менее простых примерах, чем скорость замерзания воды.

Представим, что специальные, хорошо опробованные тесты выявили в группе внимательных, сосредоточенных людей и людей рассеянных, несобранных. Следующий тест должен показать, кто в этой группе лучше самообучается. Обычно это какой-нибудь несложный тест на реакцию и внимание. Например, нужно предугадать место, где появится тот или иной значок на экране монитора. В ходе теста правила поведения значков начинает изменяться, но разные люди усваивают их по-разному. Вопрос: кто лучше справится с этим тестом — более внимательные или более рассеянные?

Вопреки интуиции тесты однозначно показали, что быстрее и лучше самообучаются именно рассеянные люди, а не более собранные и сосредоточенные. Этот психологический «эффект Мпембы», озвученный намедни в одном из докладов на международной конференции Neuroscience-2013, был случайно зафиксирован группой психологов из Университета Джорджтауна, которая изучает механизмы самообучения. Точнее, такую базовую его разновидность, как спонтанное, скрытое обучение, известное как implicit learning.

Простой и наглядный пример спонтанного скрытого обучения — самостоятельное приобретение полезных навыков. Предположим, два ваших друга, один рассеянный, другой — образец самоконтроля, учатся метать дротики. Сколько бы советов вы ни дали, сколько бы пособий по игре в дартс они ни проштудировали, каких бы тренеров ни наняли, ни у кого не выйдет с первого раза загнать все дротики в десятку. Правила знают оба, но одной теории мало: научиться некоторым вещам можно лишь на собственном опыте.

Банальный пример, но важно другое. Выходит, что согласно обнаруженной зависимости шансов попасть в десятку у друга-копуши, который вечно витает в облаках, больше, чем у полной его противоположности! Именно эту зависимость выявили психологические тесты, о которых шла речь выше. На самом деле об эффекте «горя от ума» хорошо известно и преподавателям иностранных языков, и разного рода инструкторам и спортивным тренерам, которые регулярно призывают подопечных не концентрировать внимание на своих и чужих действиях, подавить самоанализ и перестать постоянно контролировать свои ошибки. Проще говоря — выключить свой мозг. Расслабиться. Довериться процессу, который интеллект пытается, но не в состоянии контролировать и лишь всё портит.

«Выключить мозг» — рецепт успеха не только при тренировке физических и моторных навыков, но также в некоторых случаях интеллектуальной деятельности. Ведь что, как не интеллект, подсказывает нам, будто горячая вода замерзает дольше, чем холодная?

Парадокс третий: праведники проигрывают негодяям

Что, как не интеллект, подсказывает, что центры мозга, которые реагируют на чужую боль, должны проявлять большую активность при виде физических страданий приятных нам людей, а не отъявленных мерзавцев?

Между тем наш мозг, как показывает магниторезонансная томография, поступает ровно наоборот. И это ещё один «эффект Мпембы», озвученный на той неделе нейрофизиологами из Университета Южной Калифорнии в научном журнале Frontiers in Psychology. С точки зрения эволюции такое поведение объяснимо: любая информация о существах, которые потенциально угрожают нашей жизни, ситуативно более важна для мозга, чем информация о тех, кто не несёт угрозы или полезен. Можно сказать и так: интерес к страданиям «плохих» критически перевешивает интерес к страданиям «хороших» в плане оценки нашей выгоды от ущерба, причинённого страданиями врагам. Страдания «плохих» более выгодны, поэтому и более интересны.

Но объяснение работы мозга не так здесь важно, как упрямство нашего мышления, которое в очередной раз пыталось нас надуть — логично дорисовать картину противоположную той, что есть на самом деле. Пожалуй, именно этот момент здесь наиболее интересен, а не скорость замерзания воды или электрические разряды нервных клеток. Мышление как будто не совпадает с мозгом — забегает вперёд, несёт убедительную чушь, быстро обнаруживает, что ошиблось номером, и где происходит что-то интересное, тушуется и берёт слова назад, когда ему предъявляют факты. Но что это за навязчивый суфлёр, который диктует ему реплики, как будто взятые из альтернативной пьесы, где горячее замерзает медленнее, чем холодное, страдания праведников стоят на первом месте, а рассеянные плохо учатся на своих ошибках? Кажется, мы просто переводим стрелки. Вернее предположить, что суфлёр — это реальность, а мышление — актёр, который перепутал реплики, роли и время выхода на сцену. Или хуже — пьесу. Нет, ещё хуже — театр, где разыгрывается другая, параллельная действительность, к которой он подстраивается на ходу. Забавный заблудившийся паяц.

Парадокс первый: Xi Zhang Yongli Huang, Zengsheng Ma, Chang Q Sun.
O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox

Парадокс второй: C.M. Stilman, A.M. Coffin, J.H. Howard, Jr. et al.
Dispositional mindfulness is associated with reduced implicit
learning. Presentation Abstract on Neuroscience-2013.

Парадокс третий: Glenn Ryan Fox, Mona Sobhani and Lisa Aziz-zadeh.
Witnessing hateful people in pain modulates brain activity in regions
associated with physical pain and reward. // Frontiers in Psychology,
23 October 2013

Мпемба эффект

Эрасто Мпемба

«Если две системы охлаждаются, вода, которая начинает нагреваться, может замерзнуть первой».

Mpemba & Osborne (1969) [1388]

май горячей воды замерзнуть быстрее, чем холодная вода

Бумага, вводящая в заблуждение

майская горячая вода замерзнуть быстрее, чем холодная вода

Обычно ожидается, что охлаждение горячей системы займет больше времени, чем охлаждение идентичной, но более прохладной системы.Удивительно, но это не всегда так в воде и магнитных сплавах [3465], где наблюдается, что горячая система может охлаждаться быстрее. Уже много лет известно, что предварительно кипяченая вода замерзает до того, как кипятят воду, если исходить из той же (окружающей) температуры. f Это было признано еще в Аристотеле в 4 век до н.э. [2043], который заявил, «Тот факт, что вода была предварительно подогрета, способствует ее быстрому замерзанию: потому что она охлаждается раньше, чем ».Кроме того, хорошо известно, что трубы с горячей водой более подвержены разрыву в холодную погоду, чем трубы с холодной водой.

Кажется, способность горячей воды замерзать быстрее, чем холодная нелогичным, так как казалось бы, что горячая вода должна сначала стать холодной водой и, следовательно, время, необходимое для этого всегда будет задерживать замерзание относительно холодной воды. тем не мение эксперименты показывают, что существует неравновесный процесс, при котором не перемешивается горячая вода (например, 90 ° C) часто (но далеко не всегда), кажется, замерзает быстрее чем такое же количество не перемешанной холодной воды (например, 18 ° C) при прочих равных условиях [158] (см. также график внизу слева [2810]).Эффект Мпембы был доказан в спиновом стекле (тип неупорядоченного магнита) [3708].

Эффект Мпемба, Майская вода заморозить быстрее, чем холодная вода ', было доведено до сведения научного сообщества упорством Эрасто Мпемба [1388], 13-летний танзанийский школьник, и , который отказался отвергать свои собственные доказательства или кланяться неверующему издевательству, что он может заморозить мороженое быстрее, если он его сначала разогреет.Эффект Мпембы и его обратный эффект (более холодный образец может нагреваться быстрее, чем более горячий образец), как было доказано теорией и расчетами, существуют в простой системе однородной гранулированной жидкости [3112]. Основанием для этого является то, что некоторым частицам может быть дано больше энергии, чем другим, даже если средняя температура не изменилась; теория, которая еще лучше согласуется с гипотезой о 2 состояниях для воды. Подобное поведение наблюдалось в резонаторах из углеродных нанотрубок [3113]

К сожалению, эффект Мпемба (Горячая вода может замораживание быстрее, чем холодная вода) не очень хорошо сформулировано для точных испытаний, так как температура не указана, а также количество замерзания.Он никогда не предназначался для точного определения, как и другие аномалии, такие как температура максимальной плотности, но больше как интересное явление природы, которое было замечено с начала записанной истории и содержит интересную и поучительную историю для студентов. Не описана стандартная экспериментальная установка с различными режимами охлаждения, вызывающими различия в наблюдениях и объяснениях, в зависимости, например, от базовой температуры охлаждения. Обычно принимается, что типичная разница в начальных температурах может составлять около 40 ° С, а степень замерзания такова, что она должна быть заметно обширной, но не полной.В определении слово «может» справедливо интерпретируется как «чаще, чем нет» и, конечно, не как «всегда».

Доказательство эффекта Мпембы, от [2810]

Многие объяснения были выдвинуты [959, 1921]. b Одна из тех, кто получил определенную поддержку, состоит в том, что из горячей воды происходит достаточное испарение, что приводит к более быстрому охлаждению и уменьшению массы, а значит, и к более быстрому охлаждению (даже в том случае, если изначально существует переходная температура между жарко и изначально холоднее, кривые охлаждения [1716]) и замерзания [1390].Похоже, что в экспериментах не было потеряно достаточной массы, чтобы поддержать такое объяснение, чтобы быть единственной причиной, и эффект Мпембы очевиден, даже когда у сосуда есть крышка. В связи с этим объяснением, часть причины может быть из-за различных размеров и постоянных конвективных потоков, создаваемых, когда горячая вода охлаждается в различных экспериментальных установках. Показано, что важность содержания газа связана с высокой статистической достоверностью [2810]. Другой сценарий касается водородной связи O: H – O, обладающей памятью, тепловая релаксация которой определяет скорость излучения энергии по своей природе [2227].Эта гипотеза нуждается в дополнительном обосновании, поскольку отдельные связи между соседними атомами кислорода (молекул H 2 O) имеют только кратковременные времена жизни, d . Также, как представляется, нет веских причин, почему поведение водорода O: H – O связь не является полностью обратимой, и описанные кривые охлаждения были оспорены [2809].

Замораживание горячей воды перед холодной

Начальное количество льда, произведенного на

нуклеация составляет около 1.3% за каждые

степень переохлаждения.

Самый вероятный сценарий (описан в [158], оспорен [1415], но позднее поддержан [2047]) является то, что степень переохлаждения больше, под при некоторых обстоятельствах в изначально холодной воде, чем вначале горячей вода. Действительно, уже более ста лет известно, что термическая история жидкости влияет на кинетику фазовых превращений в ее твердое тело [3330]; хотя часто было обнаружено, что это противоположно тому, что было обнаружено в воде с предварительным нагревом, усиливающим эффект переохлаждения.

В этом случае изначально горячая вода замерзает при более высокая температура (меньшее переохлаждение), но меньше замерзший лед твердый, и значительный количество еще жидкой воды остается в ловушке и скрыто под внешним слоем льда. Изначально холодная вода замерзает при более низкой температуре до более полного твердый лед с менее включенной жидкой водой; Нижний температура вызывает интенсивное зародышеобразование и быстрее скорость роста кристалла.Если температура замерзания поддерживается около -6 ° C, тогда изначально горячая вода скорее всего (видимо) сначала заморозят. Если замерзает продолжается, изначально холодная вода всегда полностью замерзает перед изначально горячей водой. Придя к такому выводу, было обнаружено, что это объяснение эффекта Мпембы впервые было экспериментально определено в 1775 году [1861]. Многие факторы, включая температуру охлаждающей ванны, материал в охлаждающей ванне и физические размеры и характеристики сосудов, влияют как на скорость охлаждения, так и на то, происходит ли переохлаждение или нет [2281], так что эти факторы должны быть четко указано и контролируется.Такие факторы необходимо учитывать при сравнении различных экспериментальных процедур.

почему изначально холодный переохлаждение воды больше объясняется с точки зрения концентрации газа и кластеризации воды (влияние на энтропию [2961]). Разумеется, вода ведет себя по-разному и имеет различную структуру при той же температуре в зависимости от того, нагревается она или охлаждается [1697]. Икосаэдрические кластеры не позволяют легко необходимое расположение молекул воды, чтобы позволить гексагональное инициирование кристаллов льда; такая кластеризация причина поверхностного переохлаждение воды.Вода, которая изначально холодная будет иметь максимальную (равновесную) концентрацию такая икосаэдрическая кластеризация. Первоначально горячая вода имеет потерял большую часть своей упорядоченной кластеризации (более высокая энтропия [2961]) и, если охлаждение время достаточно короткое, оно не будет полностью восстановлено до замораживания. Эксперименты на воде низкой плотности вокруг макромолекул показали что такие процессы кластеризации могут занять некоторое время [4]. Здесь также важно, что образование клатратных льдов, структуры которых тесно связаны с икосаэдрическими кластерами, ведет себя противоположным образом.Таким образом, их переохлаждение (до образования клатратного льда) из горячей воды намного больше, чем из холодной воды [1391]. c Также было дано основание для этого объяснения, впоследствии основанного на различиях водородных связей в кластерах [2999].

Было обнаружено, что заряд на границе раздела с жидкостью влияет на температуру замерзания переохлажденной воды [1737]. Поскольку поверхности нанопузырьков считаются отрицательными, ожидается, что такие нанопузырьки с их обширной площадью поверхности увеличат переохлаждение.Ожидается, что нагревание воды, содержащей нанопузырьки, приведет к разрушению нанопузырьков по мере их увеличения из-за меньшей растворимости газа при более высоких температурах и их рассеиванию. Эффект Мпембы тогда просто объясняется потерей нанопузырьков в горячей воде, которые кинетически слишком медленны для реформирования при охлаждении.

Также возможно, что растворенные газы могут способствовать переохлаждению ([2810]; наведите указатель мыши на рисунок выше, чтобы увидеть эффект удаления газов) путем увеличения степени структурирования путем гидрофобной гидратации. в предварительно холодной воде относительно газа, восстановленного ранее горячей вода.Критический эффект низких концентраций растворенного газа о структуре воды сообщается в [294] с повторное уравновешивание, как сообщается, занимает несколько дней. Кроме того, повышение давления когда газ выходит из раствора, когда вода начинает замерзать, таким образом, снижение точки замерзания и уменьшение тенденции к замерзанию (см. гостевую книгу). Так же Наличие крошечных пузырьков газа (полостей, образующихся при нагревании), с их более обширной границей раздела жидкость-газ, может увеличить скорость зародышеобразования, поэтому снижается переохлаждение [428].Другая возможность была описана в зависимости от изменений в любом растворенном материале с температурой (например, снижение содержания бикарбоната в нагретой «жесткой» воде), но это еще не было экспериментально проверено [1014]. Обоснование эффекта Мпембы в этом случае касается различий в концентрации растворенного вещества на границе раздела между льдом и жидкостью, вызывающих локальное снижение температуры плавления [1014].

Бумага, вводящая в заблуждение

Я редко пытаюсь критиковать научные публикации, но статья 2016 года, опубликованная в журнале Nature, Scientific Reports [2809], вместе с ее радиокомментарием BBC, вводит в заблуждение и требует ответа. и Эффект Мпембы касается переохлаждения и образования льда, в то время как эта статья предусматривает только охлаждение до 0 ° C или 4 ° C, но (что важно) избегает переохлаждения и образования льда и поэтому, несмотря на свое название, экспериментально не связана с эффект Мпемба, но с простым охлаждением жидкой воды. Бумага показывает, что холодная вода охлаждается до 0 ° C быстрее, чем горячая вода, и это, кажется, подтверждает мнение, приведенное выше, что эффект Мпембы сводится к различиям в переохлаждении ранее горячей и холодной жидкой воды.Статья [2809] не доказывает и не опровергает эффект Мпембы; Горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная вода ». е

[Страница аномалий: Вернуться к началу]


Сноски

a Эрасто Мпемба теперь уходит в отставку с должности главного игрового директора в Танзании. Он описывает свое открытие на YouTube. [Назад]

b Здесь представлена ​​победная запись в конкурсе Королевского химического общества, посвященная эффекту Мпемба.[Назад]

c Газогидратные клатратные льды также показывают аномально низкую скорость диссоциации [1539], что хорошо согласуется с этой гипотезой. Более поздние работы показали неоднозначные результаты [2817]. [Назад]

d Время жизни водородной связи O ··· H-O составляет ≈ ns, а время жизни ковалентной связи O ··· H-O ≈ ms. Профессор Сунь Чанцин категорически не согласен с моей оценкой этой области науки, заявляя (довольно тупо): « Мимолетные времена не имеют ничего общего со временем релаксации энергии« эмиссия-перенос-рассеивание »в« исток-путь-сток » система циклов вообще. ', см. Его статьи [2227] для более подробной информации о его работе. [Назад]

и В статье Берриджа и Линдена [2809] искажено то, что известно как эффект Мпембы [2877]. В своем реферате авторы утверждают, что эффект Мпембы является « утверждением, что быстрее охлаждать воду до заданной температуры, когда начальная температура выше ». Однако в ранней работе Мпембы и Осборна [1388] говорится: « Если две системы охлаждаются, вода, которая начинает нагреваться, может замерзнуть первой ».Последующие работы (например, [158, 959, 1921, 2810]) всегда включали процесс замораживания в эффект Мпембы. В конкурсе Королевского химического общества, приглашающем обсудить этот эффект в 2012 году, эффект Мпемба был определен как « Эффект Мпемба - это явление, при котором горячая вода замерзает быстрее, чем холодная вода », и в конкурсе приняли участие 22 000 участников. Аналогичное приглашение из журнала «Температура» (ISSN: 2332-8940) дало определение «теплая вода замерзает быстрее, чем холодная» [959c].Все предыдущие обсуждения эффекта Мпембы были связаны с видимым образованием льда и включали наблюдение, что горячая вода первоначально замерзает быстрее, чем холодная, по крайней мере, в течение некоторого времени.

В статье Берриджа и Линдена говорится, что « В широком смысле, когда два образца воды охлаждают до одинаковой температуры, таким же образом, причем два образца идентичны, за исключением их начальной температуры, и первоначально более горячий образец охлаждается в меньшем количестве. Со временем можно считать, что эффект Мпембы наблюдался ».Это неправильное определение эффекта Мпембы считает, что охлаждение до низкой температуры (ошибочно) такое же, как охлаждение и включает видимое образование льда. Их статья продолжает представлять экспериментальные результаты, но только для процесса охлаждения до температур, значительно превышающих температуры замерзшей воды и, конечно, не включая процесс замораживания, который никогда не наблюдался.

Burridge и Linden продолжают отклонять все предыдущие исследования, которые включали переохлаждение и замораживание, с общим заявлением, что они не имеют смысла.При этом они отвергают наблюдения многих ученых, в том числе Дж. С. Келла [1390], не представляя собственных экспериментальных данных и не поддерживая каких-либо предыдущих экспериментов. Винницкий а. В исследовании Kimura [158] они утверждают, что « не показал никаких доказательств эффекта Мпембы », но в своей реферате « эффект переохлаждения приводит к перераспределению времени экспериментального замораживания, что дает результаты, которые являются доказательством». о появлении эффекта Мпемба ».Burridge и Linden игнорируют данные в этой статье, так как они « не могут быть справедливо включены в наш анализ, так как мы исключаем процесс замораживания ».

Неудивительно, что Барридж и Линден заявляют: « Мы пришли к выводу, что, несмотря на все наши усилия, мы не смогли провести наблюдения за какими-либо физическими эффектами, которые можно было бы разумно охарактеризовать как эффект Мпембы », поскольку они никогда не проводили никаких экспериментов и не проводили никаких экспериментов. связанные наблюдения в любой попытке сделать это.Из их статьи также ясно, что Берридж и Линден неправильно понимают правильное и широко понятое определение эффекта Мпембы

Было много попыток объяснить эффект Мпембы часто упоминаемым переохлаждением. 30 лет назад Войцеховский и соавт. [2810] пришли к выводу, что растворенные газы вызвали эту аномалию переохлаждения с убедительными статистически значимыми (P <0,001) экспериментальными результатами, которые Бурридж и Линден не смогли найти.

В заключение, статья Берриджа и Линдена не доказывает и не опровергает эффект Мпембы и имеет вводящее в заблуждение название и реферат.

Ответ Барриджа и Линдена

Барридж ответил на мои вопросы, и я даю его неотредактированный ответ ниже, хотя считаю его ошибочным, вводящим в заблуждение и весьма спорным. Это также искажает комментарии, которые я сделал относительно ледообразования.

'Спасибо за отправку этих документов.Я встретился с профессором Полом Линденом, который, как мой соавтор, хорошо осведомлен обо всех наших сообщениях, и мы обсудили ваше мнение и конкретные документы, которые вы считаете доказательными.

Мы рассматриваем результаты работы за 2015 год, опубликованной группой на KTH, как очень убедительное доказательство того, что наши выводы полностью обоснованы. Эти эксперименты были проведены тщательно, были хорошо документированы и использовали современную технологию для повышения точности - они свидетельствуют о том, что эффект Мпембы можно наблюдать, но также и о том, что эффект Мпембы нельзя наблюдать с помощью повторяемого значимого документа - это именно то, что мы пришли к выводу.

Что касается статьи 1980-х годов, я разочарован тем, что не нашел эту статью до публикации нашей статьи - я хотел бы включить ссылку на нее и прокомментировать ее. Тем не менее, Пол и я согласны с тем, что это не изменило бы наши выводы и степень уверенности, с которой они верны.

Включенные данные интересны. Однако, как и большая часть работ, опубликованных об эффекте Мпемба, он в корне ошибочен.В документе не дается четкого определения и описания деталей, лежащих в основе вопроса первостепенной важности, то есть того, как было точно определено время, когда должно было произойти замораживание. Существует много проблем, связанных с образованием кристаллов льда в наименьшем масштабе, которые не обсуждаются, например, как вы указали, они часто могут плавиться обратно в жидкое состояние, прежде чем в конечном итоге снова замерзнуть. Эти и многие другие экспериментальные проблемы приводят к тому, что наблюдения за временем замораживания, которое происходит вначале, заведомо трудно сделать надежным и повторяемым образом.Без обсуждения всех экспериментальных трудностей, смягчающих процедур и доказательств степени их точного воздействия невозможно узнать, являются ли эти результаты статистически значимыми или нет. Таким образом, мы все еще чувствуем себя полностью в состоянии поддержать выводы нашей статьи.

Однако, если вы сможете повторить эти данные с документированным свидетельством всех смягчающих процедур, границ ошибок и неопределенностей, мы будем рады проверить эти данные и еще раз рассмотреть вопрос о том, остаются ли наши выводы обоснованными.

В отсутствие этих данных я перестану отвечать на любые сообщения, поскольку без этих данных наши сообщения перестали быть плодотворными ».

f Предполагаемое влияние кипения на воду при утилизации ее для более быстрой заморозки, что установлено экспериментами. Джозеф Блэк, профессор кафедры химии в Эдинбурге, Д. в письме сэру Джону Принглу, Барт. П. Р. С. Джозеф Блэк, Философские труды (1683-1775), Vol. 65 (1775), с. 124-128. [Назад]

[назад]

,
Почему горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная
Mpemba Effect Эффект Мпемба. Изображение: Джеймс Браунридж

(PhysOrg.com) - В течение нескольких поколений ученые знали, что горячая вода может иногда замерзать быстрее, чем холодная, и этот эффект известен как эффект Мпембы, но до сих пор не поняли, почему. Было предложено несколько теорий, но один ученый считает, что у него есть ответ.

Теории для эффекта Мпемба включали:

  • ускоряет испарение горячей воды, что уменьшает объем, оставшийся до замерзания

  • образование морозного слоя на холодной воде, его изоляция

  • различных концентраций растворенных веществ, таких как диоксид углерода, который удаляется при нагревании воды
Проблема заключается в том, что эффект не всегда проявляется, и холодная вода часто замерзает быстрее, чем горячая вода.

Джеймс Браунридж, сотрудник Государственного университета Нью-Йорка по радиационной безопасности, изучал этот эффект в свободное время в течение последнего десятилетия, проводя сотни экспериментов, и теперь говорит, что у него есть доказательства того, что это связано с переохлаждением. Браунридж сказал, что он обнаружил, что вода обычно переохлаждается при 0 ° C и только начинает замерзать ниже этой температуры. Температура замерзания определяется примесями в воде, которые образуют кристаллы льда. Все примеси, такие как пыль, бактерии и растворенные соли, имеют характерную температуру зародышеобразования, и при их наличии температура замерзания определяется той, которая имеет самую высокую температуру зародышеобразования.

В своих экспериментах Браунридж взял две пробы воды при одинаковой температуре и поместил их в морозильник. Он обнаружил, что один обычно замерзает раньше другого, по-видимому, из-за немного другой смеси примесей. Затем он вынул образцы из морозильника, один нагрел до комнатной температуры, а другой до 80 ° С, а затем снова заморозил их. В результате получалось, что если разница в температуре замерзания составляла, по меньшей мере, 5 ° C, та, которая имела самую высокую температуру замерзания, всегда замерзала раньше другой, если ее нагревали до 80 ° C, а затем повторно замораживали.

Браунридж сказал, что горячая вода охлаждается быстрее из-за большей разницы температур между водой и морозильной камерой, и это помогает ей достичь точки замерзания до того, как холодная вода достигнет своей естественной точки замерзания, которая как минимум на 5 ° C ниже. Он также сказал, что необходимо контролировать все условия, такие как расположение образцов в морозильной камере и тип контейнера, что, по его словам, другие исследователи не сделали.

Эффект, теперь известный как эффект Мпембы, был впервые отмечен в 4 веке до нашей эры Аристотелем, и многие ученые отмечали то же явление в течение столетий со времен Аристотеля.Он был назван эффектом Мпемба в 1960-х годах, когда школьник Эрасто Мпемба из Танзании заявил в своем научном классе, что мороженое быстрее замерзнет, ​​если его сначала нагреть, прежде чем положить в морозильник. Смех закончился только тогда, когда школьный инспектор сам попробовал эксперимент и подтвердил его.


Температура замерзания переохлажденной воды зависит от электрического заряда
Дополнительная информация: Эффект Mpemba - статья в вики;
Джеймс Д.Веб-страница Brownridge;
Научная статья Mpemba Effect, март 2010, Джеймсом Д. Браунриджем;
через новичка

© 2010 PhysOrg.com

Цитирование : Эффект Мпемба: почему горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная (2010 г., 26 марта) извлечено 17 июля 2020 г. с https: // физ.орг / Новости / 2010-03-Мпемба эффект докрасна-быстрее-cold.html

Этот документ защищен авторским правом. Кроме честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет Часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставлено исключительно в информационных целях.

,

Background Research - Mpemba Effect

Введение

Когда речь идет о питьевой воде, температура играет большую роль в принятии решения о том, хотим ли мы пить наши напитки горячими, холодными или, возможно, даже замораживать их для дальнейшего использования. За прошедшие века многие любопытные мужчины и женщины нашли интересные способы заморозить воду за короткое время. Однако то, что может показаться ироничным, заключается в том, что хотя холодная вода ближе к температуре замороженного продукта, доказано, что горячая вода замерзает намного быстрее, чем холодная вода! Многие эксперименты на протяжении многих лет проверяли эту теорию в обязательном порядке.Эта проверенная теория, или, скорее, это проверенное явление, называется эффектом Мпемба. Эффект Мпембы важен для научного выставочного проекта нашей группы, потому что он показывает эффективный пример того, как определенный вид вещества, жидкости, может претерпевать огромные изменения в течение небольшого промежутка времени из-за изменений температуры (Ouellette and Zivkovic 109). Мы заинтересованы в проведении этого эксперимента, потому что эффект Мпембы кажется очень противоречивым реальности; поэтому мы хотим доказать скептикам, что то, что следует рассматривать как невозможное, может быть доказано возможным.Глубоко исследуя этот парадокс, мы сможем показать миру более быстрые и быстрые способы утоления жажды освежающей водой, особенно в сухих засушливых местах, где вода горячая и несвежая, что затем становится очень отчаянной потребностью для бедных. ,

Краткое содержание

Область химии касается химического состава веществ и изменений, происходящих в веществе. Многие из этих вариаций описаны при обсуждении различных свойств вещества, в том числе жидкостей.Эффект Мпемба связан с этим полем, потому что он включает, как вода, жидкость, претерпевает изменения в своих свойствах. Эта реакция имеет исторический фон, который включает в себя много важных людей в своем расследовании. Начнем с того, что Эффект Мпемба был назван в честь Эрасто Б. Мпемба. В 1963 году 13-летнему Мпембе научили готовить мороженое для научного эксперимента в классе средней школы. В эксперименте Мпембе было приказано вскипятить молоко, смешанное с сахаром. Однако он случайно поместил смесь в холодильник, пока он еще был теплым.В результате его смесь замерзла в мороженое до того, как были взяты образцы его одноклассников. Мпемба не мог понять, как или почему этот эффект был возможен (Jeng). Он продолжал проводить эти эксперименты вплоть до старшей школы и имел редкую возможность показать свои эксперименты профессору Дени Осборну из Университетского колледжа Дар-эс-Салама. После нескольких наблюдений профессор Осборн провел некоторые свои собственные эксперименты с ним и был удивлен результатами. В 1969 году Осборн решил дать свои объяснения о том, как работает таинственный «эффект Мпембы», и опубликовал свои выводы в журнале Physics Education («Баффл Mpemba's

».

Efecto mpemba - Wikipedia, la enciclopedia libre

Википедия todavía no tiene una página llamada «Efecto mpemba».


Busca Efecto mpemba en otros proyectos hermanos de Wikipedia:
Wikcionario Wikcionario (diccionario)
Wikilibros Wikilibros (учебные пособия / учебные пособия)
Wikiquote Wikiquote (citas)
Wikiviajes Wikisource (библиотека)
Wikinoticias Wikinoticias (noticias)
Wikiversidad Wikiversidad (contenido académico)
Commons Commons (imágenes y multimedia)
Wikiviajes Wikiviajes (viajes)
Wikidata Wikidata (дата)
Wikiespecies Википедии (виды)
  • Comprueba У Comprueba si есть условное обозначение правильной формы, правильной и правильной, как в Википедии, так и в добровольном обмене информацией.Си-э-э-э-э-э-э-э-э, правильно и правильно, Викимедиа donde quizás podrías encontrarla.
  • Busca Busca «Efecto mpemba» и текст статьи из Википедии.
  • Nuvola apps fonts.png Консультация по художественному оформлению «Efecto mpemba».
  • Enlaces Busa las páginas de Wikipedia que tienen включает в себя «Efecto mpemba».
  • ¿Borrada? Сюй хабиас креадо ла паджина кон эсте номбре, лимпия каше де ту навегадор.
  • Symbol delete vote.svg También puede que la página que buscas haya sido borrada.

Si el artículo incluso así no existe:

  • Crear la página Crea el artículo utilisando nuestro asistente o solicita su creación.
  • Traducir Puedes traducir este artículo de otras Wikipedias.
  • Aviso Ru Wikipedia únicamente pueden incirse textos enciclopédicos y que tengan derechos de autor совместимые с лицензией Creative Commons Compartir-Igual 3.0. Нет информации о правах ребенка.
  • Ten en cuenta Ten en cuenta también que:
    • Статьи об информации и информации serán borrados - версия «Википедия: Esbozo» -.
    • Искусство публикации и автопромышленность serán borrados - версия «Wikipedia: Lo que Wikipedia no es» -.
,

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *