Мпемба эффект: Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды) / Хабр

Парадокс Мпембы горячая вода замерзает быстрее холодной

Главная / Наука / Парадокс Мпембы — способность горячей воды замерзать быстрее холодной

Демонстрация эффекта Мпембы

Эффект Мпембы или парадокс Мпембы гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замерзнуть быстрее, чем холодная. Хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

Странная способность горячей воды в определенных условиях замерзать быстрее, чем холодная, известна человечеству с древнейших времен. Этот эффект упоминается еще у Аристотеля, но в современную науку вошел после домашних экспериментов танганьикского школьника Эрасто Мпембы, и под его именем.

Предыстория открытия

В 1963 году ученик средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить мороженое – вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания.

Мпемба промедлил с выполнением первой части задания и поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Он обратился за объяснением к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником. Эффект заинтересовал мальчика, и он проверил его на обычной воде.

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» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект. Существует несколько вариантов объяснения этого парадокса, но к единому мнению физики еще не пришли.

Эрасто Мпемба и Дэнис Осборн в 2013 году в Лондоне

Воспроизвести результаты, продемонстрированные Мпембой и его соавтором, профессором Деннисом Осборном (Denis Osborne), удается не всегда, однако свидетельств в пользу этого странного эффекта, имеется достаточно много. Но вот объяснения «парадоксу Мпембы» нет до сих пор.

Нагретые водородные связи способствуют образованию структуры льда

Еще в 2012 г. британское Королевское химическое общество объявило конкурс гипотез, объясняющих этот феномен, получив более 22 тыс. статей от ученых всего мира, однако ни одна из них не убедила большинство членов экспертной комиссии. Наиболее популярным объяснением остается испарение: горячая вода испаряется быстрее холодной, поэтому объем ее уменьшается немного быстрее, облегчая замерзание.

Свойства замерзания горячей (красная линия) и холодной (синяя линия) воды

С другой стороны, и этот вариант нельзя назвать окончательным: эффект Мпембы демонстрировался и в условиях, исключавших испарение. Новое объяснение предложили недавно ученые из Китая и США, статью которых опубликовал Journal of Chemical Theory and Computation.

Авторы смоделировали поведение короткоживущих кластеров молекул воды, объединенных водородными связями, при разных температурах. Водородные связи намного (примерно в 18-20 раз) слабее обычных ковалентных химических взаимодействий, однако сила их зависит от геометрии взаимного расположения молекул, между которыми эти связи образуются.

По мере нагревания водородные связи ослабевают и, как показало моделирование, молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. В холодной воде все происходит так же, только энергии на разрыв водородных связей требуется больше – и замерзание, соответственно, должно проходить медленнее.

«Как и почему работает эффект Мпембы?» — Яндекс Кью

Горячая вода действительно может замерзнуть быстрее, чем холодная

Наука

Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?

Автор Adam Mann

The Voorhes / Gallery Stock

9 июля 2022 г.

Эта статья была первоначально опубликована в Quanta.

Это звучит как один из самых простых экспериментов: возьмите две чашки воды: одну горячую, одну холодную. Поместите оба в морозильник и обратите внимание, какой из них замерзнет первым. Здравый смысл подсказывает, что чем холоднее будет вода. Но такие светила, как Аристотель, Рене Декарт и сэр Фрэнсис Бэкон, заметили, что горячая вода на самом деле может остывать быстрее. Точно так же сантехники сообщают, что трубы с горячей водой лопаются при минусовой погоде, а трубы с холодной водой остаются целыми. Тем не менее уже более полувека физики спорят о том, действительно ли происходит что-то подобное.

Современным термином для обозначения того, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, является эффект Мпембы, названный в честь Эрасто Мпембы, танзанийского подростка, который вместе с физиком Денисом Осборном провел первые систематические научные исследования этого явления в 1960-х годах. Хотя они смогли наблюдать эффект, последующие эксперименты не смогли последовательно воспроизвести этот результат. На точность экспериментов по исследованию замораживания может влиять множество тонких деталей, и у исследователей часто возникают проблемы с определением того, учли ли они все смешанные переменные.

За последние несколько лет, пока продолжаются споры о том, возникает ли эффект Мпембы в воде, это явление было замечено и в других веществах — полимерах, льдоподобных твердых телах, называемых клатратными гидратами, и манганитовых минералах, охлаждающихся в магнитном поле. Эти новые направления помогают исследователям заглянуть в сложную динамику систем, находящихся вне термодинамического равновесия. Группа физиков, моделирующих неравновесные системы, предсказала, что эффект Мпембы должен проявляться в самых разных материалах (наряду с его обратным эффектом, когда холодное вещество нагревается быстрее, чем теплое). Недавние эксперименты, кажется, подтверждают эти идеи.

Однако самое знакомое вещество, вода, оказалось самым скользким.

«Стакан воды, застрявший в морозильной камере, кажется простым», — говорит Джон Беххофер, физик из Университета Саймона Фрейзера в Канаде, чьи недавние эксперименты являются одними из самых достоверных наблюдений эффекта Мпембы на сегодняшний день. «Но на самом деле это не так просто, как только вы начинаете думать об этом».

«Меня зовут Эрасто Б. Мпемба, и я собираюсь рассказать вам о своем открытии, которое произошло благодаря неправильному использованию холодильника». Так начинается 1969 в журнале Physics Education , в которой Мпемба описал случай в средней школе Магамба в Танзании, когда он и его одноклассники готовили мороженое.

В холодильнике учеников было мало места, и в спешке, чтобы схватить последний доступный лоток для льда, Мпемба решил не ждать, пока его смесь из кипяченого молока и сахара остынет до комнатной температуры. Через полтора часа его смесь превратилась в мороженое, а смесь одноклассника, который тоже в спешке пропустил варку и поставил свою молочно-сахарную смесь комнатной температуры прямо в холодильник, так и осталась замороженной. густая жидкая кашица. Когда Мпемба спросил своего учителя физики, почему это произошло, ему ответили: «Вы запутались, этого не может быть».

Позже Осборн пришел на урок физики в старшей школе Мпембы. Он вспомнил, как подросток поднял руку и спросил: «Если вы возьмете два стакана с равным объемом воды, один при температуре 35 ° C, а другой при 100 ° C, и поместите их в холодильник, то тот, который начал при 100 ° C замерзает первым. Почему?» Заинтригованный, Осборн попросил одного из своих техников из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе проверить это наблюдение и найти доказательства эффекта, носящего имя Мпембы. Тем не менее, Осборн пришел к выводу, что тесты были грубыми и потребуются более сложные эксперименты, чтобы выяснить, что может происходить.

На протяжении десятилетий ученые предлагали множество теоретических объяснений эффекта Мпембы. Вода — странное вещество, менее плотное в твердом состоянии, чем в жидком, и с твердой и жидкой фазами, которые могут сосуществовать при одной и той же температуре. Некоторые предполагают, что нагрев воды может разрушить рыхлую сеть слабых полярных водородных связей между молекулами воды в образце, увеличивая его беспорядок, что затем снижает количество энергии, необходимой для охлаждения образца. Более приземленное объяснение заключается в том, что горячая вода испаряется быстрее, чем холодная, что уменьшает ее объем и, следовательно, время, необходимое для замерзания. Или, возможно, в игру вступают внешние факторы: слой инея в морозильной камере может действовать как изолятор, препятствуя утечке тепла из холодной чашки, тогда как горячая чашка растопит иней и остынет быстрее.

Все эти объяснения предполагают, что эффект реален — что горячая вода действительно замерзает быстрее, чем холодная. Но не все убеждены.

В 2016 году физик Генри Берридж из Имперского колледжа Лондона и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели эксперимент, который показал, насколько чувствителен эффект к особенностям измерения. Барридж и Линден измерили, сколько времени требуется воде, чтобы достичь нуля градусов по Цельсию, и обнаружили, что показания зависят от того, куда они поместили термометр. Если бы они сравнили температуры между горячими и холодными чашками на одной высоте, эффект Мпембы не проявился. Но если бы измерения были ошибочными даже на сантиметр, они могли бы дать ложные доказательства эффекта Мпембы. Изучая литературу, Берридж и Линден обнаружили, что только Мпемба и Осборн в своем классическом исследовании видели слишком выраженный эффект Мпембы, чтобы его можно было приписать такому виду ошибки измерения.

Результаты «подчеркивают, насколько чувствительны эти эксперименты, даже если вы не включаете процесс замораживания», — говорит Берридж.

Тем не менее, многие исследователи считают, что эффект Мпембы возможен, по крайней мере, при определенных условиях. Ведь Аристотель писал в четвертом веке до н.э. что «многие люди, когда хотят быстро охладить воду, начинают с того, что выставляют ее на солнце», польза от чего, по-видимому, была заметна еще до изобретения чувствительных термометров. Точно так же Мпемба школьного возраста мог заметить неуловимую разницу между его замороженным мороженым и суспензией его одноклассников. Тем не менее, открытия Берриджа и Линдена подчеркивают ключевую причину, по которой эффект Мпембы, реальный или нет, может быть так трудно определить: температура в чашке с быстро остывающей водой меняется, потому что вода не в равновесии, а физики очень мало понимают в этом вопросе. неравновесные системы.

В состоянии равновесия жидкость в бутылке может быть описана уравнением с тремя параметрами: ее температура, ее объем и число молекул. Засунь эту бутылку в морозилку, и все ставки сняты. Частицы на внешнем краю будут погружены в ледяную среду, а те, что глубже, останутся теплыми. Такие метки, как , температура, и , давление, , больше не являются четко определенными, а вместо этого постоянно колеблются.

Когда Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в средней школе прочитал об эффекте Мпембы, он пробрался на нефтеперерабатывающий завод в китайской провинции Шаньдун, где работала его мать, и использовал точное лабораторное оборудование для измерения температуры как функции времени в образец воды (в итоге он переохладил воду, не замерзнув). Позже, изучая неравновесную термодинамику в качестве аспиранта, он попытался переформулировать свой подход к эффекту Мпембы. «Существует ли какое-либо термодинамическое правило, которое запрещает следующее: что-то, начиная дальше от конечного равновесия, приближается к равновесию быстрее, чем что-то, начиная с близкого?» он спросил.

Лу познакомился с Ореном Разом, который сейчас изучает неравновесную статистическую механику в Научном институте Вейцмана в Израиле, и они начали разработку основы для исследования эффекта Мпембы в целом, а не только в воде. Их статья 2017 года в Proceedings of the National Academy of Sciences смоделировала случайную динамику частиц, показав, что в принципе существуют неравновесные условия, при которых может возникнуть эффект Мпембы и его обратный эффект. Абстрактные результаты показали, что компоненты более горячей системы, благодаря большей энергии, способны исследовать больше возможных конфигураций и, следовательно, обнаруживать состояния, которые действуют как своего рода обход, позволяя горячей системе догнать более холодную, поскольку оба падают. к более холодному конечному состоянию.

«У всех нас есть наивное представление о том, что температура должна изменяться монотонно, — говорит Раз. «Вы начинаете с высокой температуры, затем средней температуры и переходите к низкой температуре». Но для чего-то, выведенного из равновесия, «не совсем верно говорить, что система имеет температуру», и «поскольку это так, у вас могут быть странные короткие пути».

Наводящая на размышления работа привлекла внимание других, в том числе испанской группы, которая начала моделировать так называемые гранулированные жидкости — наборы твердых частиц, которые могут течь подобно жидкостям, например, песок или семена, — и показала, что они тоже может иметь мпемба-подобные эффекты. Статистический физик Мария Вучеля из Университета Вирджинии начала задаваться вопросом, насколько распространенным может быть это явление. «Это похоже на иголку в стоге сена или может быть полезно для оптимальных протоколов нагрева или охлаждения?» она спросила. В 2019 годуВ исследовании она, Раз и два соавтора обнаружили, что эффект Мпембы может проявляться в значительной части неупорядоченных материалов. Хотя вода не является такой системой, результаты исследования охватывают широкий спектр возможных материалов.

Чтобы выяснить, имеют ли эти теоретические догадки какое-либо реальное основание, Раз и Лу обратились к Беххоферу, экспериментатору. «Буквально, они схватили меня после выступления и сказали: «Эй, у нас есть кое-что, о чем мы хотим, чтобы вы услышали», — вспоминает Беххофер.

Экспериментальная установка, которую придумали Беххофер и его соавтор Авинаш Кумар, предлагает очень концептуальный, упрощенный взгляд на совокупность частиц, находящихся под влиянием различных сил. Микроскопическая стеклянная бусинка, представляющая частицу, помещена в W-образный «энергетический ландшафт», созданный с помощью лазеров. Более глубокая из двух долин в этом ландшафте является стабильным местом отдыха. Более мелкая долина — это «метастабильное» состояние: частица может упасть в нее, но в конечном итоге может попасть в более глубокую яму. Ученые погрузили этот пейзаж в воду и с помощью оптического пинцета поместили в него стеклянную бусинку 1000 раз; в совокупности испытания эквивалентны системе с 1000 частицами.

Первоначально «горячей» системой была система, в которой стеклянную бусину можно было разместить где угодно, поскольку более горячие системы обладают большей энергией и, следовательно, могут исследовать больше ландшафта. В «теплой» системе стартовая позиция была ограничена меньшей площадью вблизи долин. В процессе охлаждения стеклянная бусинка сначала оседала в одном из двух углублений, а затем в течение более длительного времени прыгала туда-сюда между ними, ударяясь о молекулы воды. Охлаждение считалось завершенным, когда стеклянные шарики стабилизировались и проводили определенное время в каждой лунке, например, 20 процентов своего времени в метастабильной и 80 процентов в стабильной. (Эти соотношения зависели от начальной температуры воды и размеров долин.)

При определенных начальных условиях горячей системе потребовалось больше времени, чтобы прийти в окончательную конфигурацию, чем теплой системе, что соответствует нашей интуиции. Но иногда частицы в горячей системе быстрее оседали в колодцах. Когда экспериментальные параметры были настроены правильно, частицы горячей системы почти сразу же нашли свою окончательную конфигурацию, охлаждаясь экспоненциально быстрее, чем теплая система — ситуация, которую Раз, Вучеля и их коллеги предсказали и назвали «сильным эффектом Мпембы». Они сообщили о результатах в 2020 Nature и опубликовал аналогичные эксперименты, показывающие обратный эффект Мпембы в PNAS ранее в этом году.

«Результаты очевидны», — говорит Рауль Рика Аларкон из Университета Гранады в Испании, который работает над независимыми экспериментами, связанными с эффектом Мпембы. «Они показывают, что система, которая находится дальше от цели, может достичь этой цели быстрее, чем другая, которая находится ближе к цели».

Однако не все до конца уверены, что эффект Мпембы был продемонстрирован в любой системе. «Я всегда читаю эти эксперименты, и они меня не впечатляют, — говорит Берридж. «Я никогда не нахожу четкого физического объяснения, и я чувствую, что это оставляет нас с интересным вопросом о том, существуют ли значимые эффекты, подобные Мпембе».

Испытания Беххофера, по-видимому, дают некоторое представление о том, как эффект Мпембы может возникать в системах с метастабильными состояниями, но является ли это единственным механизмом и как конкретное вещество подвергается такому неравновесному нагреву или охлаждению, неизвестно.

Определение того, происходит ли это явление в воде, остается еще одним открытым вопросом. В апреле Раз и его аспирант Рой Хольцман опубликовали статью, показывающую, что эффект Мпембы может происходить через родственный механизм, который Раз ранее описал с Лу в системах, которые претерпевают фазовый переход второго рода, а это означает, что их твердые и жидкие формы могут не сосуществуют при одной и той же температуре. Вода не является такой системой (у нее есть фазовые переходы первого рода), но Беххёфер описывает работу как постепенно подкрадывающуюся к ответу для воды.

По крайней мере, теоретическая и экспериментальная работа над эффектом Мпембы начала давать физикам доступ к неравновесным системам, которых им иначе не хватало. «Релаксация к равновесию — важный вопрос, для которого, честно говоря, у нас нет хорошей теории», — говорит Раз. Определение того, какие системы могут вести себя странным и нелогичным образом, «дало бы нам гораздо лучшую картину того, как системы расслабляются по направлению к равновесию».

После того, как Мпемба разжег десятилетнюю полемику своими подростковыми допросами, он сам продолжил изучать управление дикой природой, став перед уходом на пенсию главным охотоведом в Министерстве природных ресурсов и туризма Танзании. По словам Кристин Осборн, вдовы Дениса Осборна, Мпемба скончался примерно в 2020 году. Наука продолжает основываться на его настойчивых заявлениях об эффекте, который носит его имя. Осборн, вместе обсуждая результаты их исследований, извлек урок из первоначального скептицизма и отвержения, с которыми столкнулось противоречивое утверждение школьника: «Оно указывает на опасность авторитарной физики».

Эффект Мпембы: горячая вода замерзает раньше, чем холодная, Рон Куртус

SfC Home > Physics > Thermal Energy >

Рон Куртус

Эффект Мпембы — это особое явление, когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная .

Открытие этого эффекта было сделано старшеклассником по имени Мпемба в Танзании, Африка, в 1969. Он заметил это явление, когда готовил мороженое, и ему было достаточно любопытно, чтобы это отметить. Его учителя не верили, что это возможно, и потребовалось несколько лет экспериментов, пока научное сообщество наконец не признало его открытие.

У вас могут возникнуть следующие вопросы:

Какие факторы вызывают замерзание воды?
Как можно объяснить эффект Мпембы?
Какие экспериментальные условия необходимы для этого эффекта?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц измерения

Как замерзает вода

Чтобы объяснить, как работает эффект Мпембы, сначала нужно понять факторы, влияющие на замерзание воды.

Тепло и температура

Очевидно, что температура является фактором замерзания воды.

Определения

Температура воды в сосуде представляет собой среднюю энергию ее молекул. Теплота количества воды определяется как общее количество энергии всех ее молекул. Таким образом, теплота зависит от того, сколько воды находится в контейнере и, следовательно, сколько молекул находится в контейнере.

Изменение состояния

Когда вы помещаете емкость с водой в морозильную камеру холодильника, вода охлаждается и, наконец, замерзает. Температура воды снижается по мере уменьшения тепловой энергии молекул воды. После того, как температура достигает точки замерзания 32 ^o F или 0 ^o C, вода начинает переходить из жидкого состояния в твердое.

Температура сохраняется до замерзания

Обратите внимание, что температура воды падает до тех пор, пока не достигнет точки замерзания. Тогда он останется на 32 ^o F или 0 ^o C, пока вода не затвердеет. После того, как вода превратится в лед, ее температура может стать ниже, если температура воздуха ниже.

Кондукция

Большая часть охлаждения осуществляется за счет теплопроводности.

Контейнер

Контейнер находится в прямом контакте с каким-либо холодным материалом, например, с полкой морозильной камеры. Контейнер становится холодным, а также охлаждает воду за счет теплопроводности.

Металл является хорошим проводником, поэтому металлическое ведро ускорит охлаждение воды за счет проводимости. С другой стороны, дерево — плохой проводник тепла. Деревянное ведро потребует других методов теплопередачи для охлаждения воды.

Воздух

Холодный воздух контактирует как с контейнером, так и с водой. Вода передает тепло более холодному воздуху посредством теплопроводности, тем самым понижая температуру воды.

Конвекция

Конвекция – это передача энергии посредством движения потоков газа или жидкости. Вы можете увидеть это движение, нагревая кастрюлю с водой на плите. Вы также можете почувствовать его действие в холодный ветреный день.

Различная плотность вызывает конвекцию воды

Так как холодная вода более плотная, чем теплая, она будет опускаться на дно контейнера, вызывая конвекционные потоки во время процесса замораживания. Когда температура воды опускается ниже 39 ^o F или 4 ^o C, она становится менее плотной и всплывает на поверхность до тех пор, пока вода окончательно не замерзнет.

Конвекция воздуха

Существует также эффект движения холодного воздуха. В некоторых морозильных камерах есть небольшие вентиляторы для перемещения холодного воздуха, поэтому вода может охлаждаться за счет этой воздушной конвекции. Ветреный зимний день может охладить гораздо сильнее, чем тихий день при той же температуре.

Замедленное замерзание

В некоторых ситуациях, когда вода движется, время, необходимое для замерзания, может увеличиться по сравнению со стоячей водой. Например, зимой утки часто плавают в пруду, чтобы он не замерз.

Испарение

Когда жидкость испаряется, молекулы с более высокой энергией оставляют позади себя молекулы с более низкой энергией, что приводит к понижению температуры материала. Вы можете испытать это, нанеся немного воды на кожу и дуя на нее, чтобы усилить испарение. От горячей воды испаряется больше, чем от холодной.

Излучение

Теплая вода может излучать часть своей энергии, но степень охлаждения, вызванная излучением, незначительна.

Объяснение эффекта

Используя знания о факторах, влияющих на замерзание воды, ученые попытались найти объяснение эффекта Мпембы. Факторами, которые позволяют этому эффекту иметь место, являются теплопроводность, испарение, конвекция и растворенные газы. Поскольку это сложный эффект, эти объяснения несколько умозрительны.

Хорошая проводимость и хороший контакт

Согласно одной из теорий, иней на контейнере может замедлить процесс охлаждения.

Если горячую воду поместить в морозильную камеру в небольшом контейнере, который является хорошим проводником тепла (или холода), тепло контейнера может растопить любой иней, собирающийся на его поверхности. Это включает в себя лед на нижней поверхности. Когда этот лед снова замерзает, он создает хорошее соединение между контейнером и поверхностью, обеспечивая гораздо лучшую проводимость холода, чем контейнер с холодной водой, поверхность которого покрыта инеем, включая дно. В результате тепло отводится из более теплой емкости быстрее, чем из емкости с холодной водой.

Конвекционная и изолирующая поверхность

Подобно тому, как слой инея на поверхности сосуда может замедлить передачу тепла от воды, слой льда на верхней поверхности воды может изолировать воду от более холодного воздуха токи.

Поскольку между 37 ^o F и 32 ^o F (3 ^o C и 0 ^o C) вода становится менее плотной, она всплывает на поверхность и затем окончательно замерзает. Этот тонкий слой льда будет действовать как изолятор, защищающий воду внизу от быстрого замерзания, и замедлит процесс замерзания холодной воды.

В случае с теплой водой конвекционные потоки заставят лед таять, позволяя воде быстрее остывать.

Испарение

Считается, что испарение является одним из факторов, позволяющих теплой воде замерзать быстрее, чем холодной. Из теплой или горячей воды испаряется больше, чем из холодной. Таким образом, испарение не только уносит часть воды, в результате чего немного меньше воды замерзает в контейнере с теплой водой, но также вызывает падение температуры теплого контейнера из-за потери тепла.

Плохая теплопроводность и испарение

Если контейнер сделан из дерева, плохо проводящего тепло (или холод), то большая часть охлаждения будет вызвана испарением, а не теплопроводностью. Это может быть важным фактором в объяснении того, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Например, Мпемба использовал деревянные ведра, когда готовил мороженое, и заметил это явление.

Растворенные газы

Еще один возможный фактор касается того факта, что вода всегда содержит растворенные газы, такие как кислород и углекислый газ. Эти примеси снижают температуру замерзания.

При нагревании воды газы вытесняются, потому что их растворимость в воде меньше при более высоких температурах. Таким образом, когда горячая вода охлаждается, в ней меньше растворенного газа, чем в ненагретой воде, поэтому она имеет более высокую температуру замерзания и замерзает первой.

Экспериментальные условия

Зная факторы, влияющие на замерзание теплой воды, вы можете попытаться воспроизвести эффект Мпембы. В любом хорошем эксперименте вы хотите изменить только одну переменную, а все остальное оставить прежним. Вы также должны быть в состоянии определить, когда вы достигли результата эксперимента.

Факторы

Факторы, которые должны оставаться неизменными:

Температура морозильной камеры
Количество воды в контейнере
Размер, форма и материал контейнера
Любой тип движения воздуха над водой

Единственное, что вы можете изменить, это начальную температуру воды.

При замерзании

Большой проблемой является определение момента замерзания воды. Мпемба делал мороженое, когда сделал свое открытие. Он не пользовался таймером, но был достаточно наблюдателен, чтобы заметить разницу во времени заморозки.

Вы можете использовать термометр или датчик температуры в воде, чтобы увидеть, когда температура у дна выравнивается до точки замерзания. Затем часто проверяйте, чтобы определить, когда вода в контейнере замерзла. Возможно, прозрачный контейнер поможет.

Различные начальные температуры

Лучший способ проверить теорию — провести эксперимент при различных температурах воды. Таким образом, вы могли бы найти, какая теплая вода замерзнет быстрее, чем вода с более низкой температурой. Могут быть и другие температуры воды, для которых эффект не сохраняется.

Конечно, вам может повезти, и вы укажете правильный температурный диапазон с первого раза.

Проведение эксперимента

Вы можете провести эксперимент, используя один или даже несколько контейнеров, которые поместите в морозильную камеру.

(См. Эксперименты с состояниями вещества: эффект Мпембы, чтобы подготовить эксперимент.)

Резюме

Благодаря эффекту Мпембы теплая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная, при определенных условиях. Испарение, проводимость, конвекция и растворенные газы являются возможными причинами, по которым эффект работает. Возможно, вам придется попробовать разные конфигурации, чтобы убедиться в этом эффекте.

Обратите внимание на необычное

Ресурсы и ссылки

Учетные данные Рона Куртуса

Веб-сайты

Может ли горячая вода замерзнуть быстрее, чем холодная? — Калифорнийский университет, кафедра физики

Детали эксперимента — Джеймс Браунридж; Университет Бингемптома (SUNY) Факультет физики

Эффект Мпембы — энциклопедия Wikipedia

Ресурсы по физике

Технические статьи

Найт, Чарльз А. , «Эффект Мпембы: время замерзания горячей и холодной воды», письмо в American Journal of Physics , том 64, май 1996 г., стр. 524

Ауэрбах, Дэвид, «Переохлаждение и эффект Мпембы: когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная», American Journal of Physics , том 63, 882-885, (1995)

Статья в журнале Scientific American, опубликованная в 1977 году. Том 237, № 3, страницы 246-257

Дорси, NE, 901:02 утра. Филос. соц. 38, 247-328, (1948).

Дорси, Небраска, Свойства обычного водного вещества, Рейнхольд, Скрэнтон, Пенсильвания, (1940).

Книги

(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные от покупки книг)

Книги с самым высоким рейтингом по физике замораживания

Поделитесь этой страницей

Нажмите на эту кнопку, чтобы добавить ее в закладки страница через Twitter, Facebook, электронную почту или другие сервисы:

Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.

Парадокс Мпембы горячая вода замерзает быстрее холодной

Предыстория открытия

Нагретые водородные связи способствуют образованию структуры льда

«Как и почему работает эффект Мпембы?» — Яндекс Кью

Горячая вода действительно может замерзнуть быстрее, чем холодная

Эффект Мпембы: горячая вода замерзает раньше, чем холодная, Рон Куртус

Как замерзает вода

Тепло и температура

Определения

Изменение состояния

Температура сохраняется до замерзания

Кондукция

Контейнер

Воздух

Конвекция

Различная плотность вызывает конвекцию воды

Конвекция воздуха

Замедленное замерзание

Испарение

Излучение

Объяснение эффекта

Хорошая проводимость и хороший контакт

Конвекционная и изолирующая поверхность

Испарение

Плохая теплопроводность и испарение

Растворенные газы

Экспериментальные условия

Факторы

При замерзании

Различные начальные температуры

Проведение эксперимента

Резюме

Ресурсы и ссылки

Веб-сайты

Технические статьи

Книги

Поделитесь этой страницей

Студенты и исследователи

Leave a Reply Отменить ответ