21.11.2017 11.10.2018 Aleksander Firtsev

« Milline vesi külmub kiiremini külm või kuum?”- proovige esitada oma sõpradele küsimus, tõenäoliselt vastab enamik neist, et külm vesi külmub kiiremini - ja teeb vea.

Tegelikult, kui panna sügavkülma korraga kaks ühesuguse kuju ja mahuga anumat, millest ühes on külm vesi ja teises kuum, siis külmub see kiiremini. kuum vesi.

Selline väide võib tunduda absurdne ja ebamõistlik. Loogiliselt võttes peab kuum vesi esmalt jahtuma külma temperatuurini ja külm vesi peaks sel ajal juba jääks muutuma.

Miks ületab kuum vesi külmumise teel külma vee? Proovime selle välja mõelda.

Vaatluste ja uurimistöö ajalugu

Inimesed on paradoksaalset mõju täheldanud iidsetest aegadest peale, kuid keegi ei omistanud sellele erilist tähtsust. Nii märkisid Arestotel, aga ka Rene Descartes ja Francis Bacon oma märkmetes ebakõlasid külma ja kuuma vee külmumise kiiruses. Ebatavaline nähtus avaldus sageli igapäevaelus.

Pikka aega ei uuritud nähtust kuidagi ja see ei tekitanud teadlastes erilist huvi.

Ebatavalise efekti uurimine algas 1963. aastal, kui uudishimulik õpilane Tansaaniast Erasto Mpemba märkas, et jäätise jaoks mõeldud kuum piim külmub kiiremini kui külm piim. Lootes saada selgitust ebatavalise efekti põhjuste kohta, küsis noormees koolis oma füüsikaõpetajalt. Õpetaja aga ainult naeris tema üle.

Hiljem kordas Mpemba katset, kuid oma katses ei kasutanud ta enam piima, vaid vett ning paradoksaalne efekt kordus uuesti.

Kuus aastat hiljem, 1969. aastal, esitas Mpemba selle küsimuse füüsikaprofessor Dennis Osborne’ile, kes tuli tema kooli. Professor tundis huvi noormehe vaatluse vastu, selle tulemusena viidi läbi eksperiment, mis kinnitas efekti olemasolu, kuid selle nähtuse põhjuseid ei tuvastatud.

Sellest ajast alates on nähtust nn Mpemba efekt.

Läbi teaduslike vaatluste ajaloo on nähtuse põhjuste kohta püstitatud palju hüpoteese.

Nii kuulutab Briti Kuninglik Keemia Selts 2012. aastal välja hüpoteeside konkursi Mpemba efekti selgitamiseks. Konkursil osalesid teadlased üle maailma, kokku registreeriti 22 000 teadustööd. Vaatamata muljetavaldavale artiklite arvule ei selgitanud ükski neist Mpemba paradoksi.

Kõige levinum oli versioon, mille kohaselt kuum vesi külmub kiiremini, kuna see lihtsalt aurustub kiiremini, väheneb selle maht ja mahu vähenedes suureneb jahutuskiirus. Kõige levinum versioon lükati lõpuks ümber, kuna viidi läbi katse, milles aurustumine oli välistatud, kuid mõju leidis siiski kinnitust.

Teised teadlased arvasid, et Mpemba efekti põhjuseks on vees lahustunud gaaside aurustumine. Nende arvates aurustuvad kütteprotsessi käigus vees lahustunud gaasid, tänu millele omandab see suurema tiheduse kui külm vesi. Nagu teada, toob tiheduse suurenemine kaasa muutuse füüsikalised omadused vesi (soojusjuhtivuse suurenemine) ja seega jahutuskiiruse suurendamine.

Lisaks on püstitatud mitmeid hüpoteese, mis kirjeldavad vee tsirkulatsiooni kiirust temperatuuri funktsioonina. Paljudes uuringutes on püütud tuvastada seost nende anumate materjali vahel, milles vedelik asus. Paljud teooriad tundusid vägagi usutavad, kuid neid ei saanud teaduslikult kinnitada esialgsete andmete puudumise, teiste katsete vastuolude tõttu või seetõttu, et tuvastatud tegurid ei olnud lihtsalt võrreldavad vesijahtumise kiirusega. Mõned teadlased seadsid oma töödes kahtluse alla efekti olemasolu.

2013. aastal väitsid Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadlased, et on lahendanud Mpemba efekti mõistatuse. Nende uurimuse järgi peitub nähtuse põhjus selles, et külma ja kuuma vee molekulide vahelistesse vesiniksidemetesse salvestatud energia hulk erineb oluliselt.

Arvutisimulatsioonimeetodid on näidanud järgmisi tulemusi: mida kõrgem on vee temperatuur, seda suurem on molekulide vaheline kaugus, mis tuleneb tõukejõudude suurenemisest. Järelikult venivad molekulide vesiniksidemed, salvestades rohkem energiat. Jahtumisel hakkavad molekulid üksteisele lähenema, vabastades energiat vesiniksidemetest. Sel juhul kaasneb energia vabanemisega temperatuuri langus.

2017. aasta oktoobris leidsid Hispaania füüsikud ühe teise uuringu käigus, et efekti tekkimisel mängib suurt rolli just aine eemaldamine tasakaalust (tugev kuumutamine enne tugevat jahutamist). Nad määrasid kindlaks tingimused, mille korral on efekti tõenäosus maksimaalne. Lisaks on Hispaania teadlased kinnitanud vastupidise Mpemba efekti olemasolu. Nad leidsid, et kuumutamisel võib külmem proov saavutada kõrge temperatuuri kiiremini kui soe.

Vaatamata ammendavale teabele ja arvukatele katsetele kavatsevad teadlased selle mõju uurimist jätkata.

Mpemba efekt päriselus

Kas olete kunagi mõelnud, miks talvel täitub uisuväljak kuuma veega, mitte külmaga? Nagu te juba aru saite, teevad nad seda seetõttu, et kuuma veega täidetud liuväli külmub kiiremini kui siis, kui see oleks täidetud külma veega. Samal põhjusel valatakse talviste jäälinnakute liumäed kuuma veega.

Seega võimaldavad teadmised nähtuse olemasolust inimestel talispordialade ettevalmistamisel aega kokku hoida.

Lisaks kasutatakse Mpemba efekti mõnikord ka tööstuses – vett sisaldavate toodete, ainete ja materjalide külmumisaja vähendamiseks.

Vesi- keemilisest seisukohast üsna lihtne aine, kuid sellel on mitmeid ebatavalisi omadusi, mis ei lakka teadlasi hämmastamast. Allpool on mõned faktid, millest vähesed teavad.

1. Milline vesi külmub kiiremini – külm või kuum?

Võtke kaks anumat vett: valage ühte kuum vesi ja teise külm vesi ning asetage need sügavkülma. Kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, kuigi loogiliselt võttes oleks külm vesi pidanud enne jääks muutuma: kuum vesi peab ju esmalt jahtuma külma temperatuurini ja seejärel muutuma jääks, külm vesi aga ei pea jahtuma. Miks see juhtub?

1963. aastal märkas Tansaania üliõpilane Erasto B. Mpemba valmistatud jäätisesegu külmutades, et kuum segu tahkub sügavkülmas kiiremini kui külm. Kui noormees oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, naeris ta tema üle vaid. Õnneks oli õpilane järjekindel ja veenis õpetajat katset tegema, mis kinnitas tema avastust: teatud tingimustel külmub kuum vesi tõesti kiiremini kui külm vesi.

Nüüd nimetatakse seda nähtust, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi " Mpemba efekt". Tõsi, ammu enne teda märkisid seda vee ainulaadset omadust Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes.

Teadlased ei mõista selle nähtuse olemust täielikult, seletades seda kas hüpotermia, aurustumise, jää moodustumise, konvektsiooni või veeldatud gaaside mõjuga kuumale ja külmale veele.

2. Ta suudab koheselt külmuda

Kõik teavad seda vesi muutub temperatuurini 0 °C jahutamisel alati jääks ... välja arvatud mõnel juhul! Selline juhtum on näiteks ülejahutus, mis on omadus väga puhas vesi jääma vedelaks ka siis, kui jahutatakse alla külmumistemperatuuri. See nähtus saab võimalikuks tänu sellele, et keskkond ei sisalda kristallisatsioonikeskusi ega tuumasid, mis võiksid provotseerida jääkristallide teket. Ja nii jääb vesi vedelaks isegi siis, kui see jahutatakse temperatuurini alla null kraadi Celsiuse järgi.

kristallisatsiooniprotsess võivad esile kutsuda näiteks gaasimullid, lisandid (reostus), anuma ebaühtlane pind. Ilma nendeta jääb vesi vedelaks. Kui kristalliseerumisprotsess algab, saate jälgida, kuidas ülijahtunud vesi muutub hetkega jääks.

Pange tähele, et "ülekuumutatud" vesi jääb vedelaks ka siis, kui seda kuumutatakse üle keemistemperatuuri.

3. 19 vee olekut

Nimetage kõhklemata, mitu erinevat olekut veel on? Kui vastasite kolm: tahke, vedel, gaasiline, siis eksite. Teadlased eristavad vedelal kujul vähemalt 5 erinevat vee olekut ja külmutatud kujul 14 erinevat olekut.

Kas mäletate vestlust ülijahutatud veest? Nii et hoolimata sellest, mida teete, muutub -38 ° C juures isegi puhtaim ülijahutatud vesi ootamatult jääks. Mis juhtub, kui temperatuur veelgi langeb? -120°C juures hakkab veega juhtuma midagi kummalist: see muutub üliviskoosseks või viskoosseks nagu melass ja temperatuuril alla -135°C muutub see "klaasjaks" või "klaasjaks" veeks. tahke, millel puudub kristallstruktuur.

4. Vesi üllatab füüsikuid

Molekulaarsel tasandil on vesi veelgi üllatavam. 1995. aastal viisid teadlased läbi neutronite hajumise katse, mis andis ootamatu tulemuse: füüsikud leidsid, et veemolekulidele suunatud neutronid "näevad" oodatust 25% vähem vesiniku prootoneid.

Selgus, et ühe attosekundi (10 -18 sekundi) kiirusel toimub ebatavaline kvantefekt ja vee keemiline valem H2O, muutub H1,5O!

5. Veemälu

Alternatiivne ametlik meditsiin homöopaatia märgib, et lahjendatud lahus ravimtoode võib avaldada organismile ravitoimet, isegi kui lahjendustegur on nii suur, et lahusesse ei jää muud üle kui veemolekulid. Homöopaatia pooldajad selgitavad seda paradoksi mõistega, mida nimetatakse " veemälu”, mille kohaselt on vees molekulaarsel tasemel "mälu" selles kunagi lahustunud ainest ja see säilitab esialgse kontsentratsiooniga lahuse omadused pärast seda, kui sellesse pole jäänud ainsatki koostisosa molekuli.

Rahvusvaheline teadlaste meeskond eesotsas Belfasti Queeni ülikooli professori Madeleine Ennisega, kes kritiseeris homöopaatia põhimõtteid, viis 2002. aastal läbi eksperimendi, et see kontseptsioon lõplikult ümber lükata. Tulemus oli vastupidine. Pärast seda ütlesid teadlased, et neil õnnestus tõestada mõju tegelikkust " veemälu". Sõltumatute ekspertide järelevalve all tehtud katsed aga tulemusi ei toonud. Vaidlused nähtuse olemasolu üle " veemälu» jätka.

Veel on palju muid ebatavalisi omadusi, mida me selles artiklis ei käsitlenud. Näiteks vee tihedus muutub sõltuvalt temperatuurist (jää tihedus on väiksem kui vee tihedus); vesi on üsna suure pindpinevusega; vedelas olekus on vesi kompleksne ja dünaamiliselt muutuv veekogumike võrgustik ning just klastrite käitumine mõjutab vee struktuuri jne.

Nende ja paljude teiste ootamatute funktsioonide kohta vesi saab lugeda artiklist Vee anomaalsed omadused”, mille autor on Londoni ülikooli professor Martin Chaplin.

Tundub selge, et külm vesi külmub kiiremini kui kuum vesi, kuna võrdsetel tingimustel võtab kuuma vee jahtumine ja seejärel külmumine kauem aega. Kuid tuhandeid aastaid kestnud vaatlused ja ka kaasaegsed katsed on näidanud, et tõsi on ka vastupidine: teatud tingimustel külmub kuum vesi kiiremini kui külm vesi. Teaduskanal Sciencium selgitab seda nähtust:

Nagu ülaltoodud videos selgitatud, on nähtus, kus kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi, tuntud kui Mpemba efekt, mis sai nime Tansaaniast pärit õpilase Erasto Mpemba järgi, kes valmistas 1963. aastal jäätist. kooli projekt. Õpilased pidid koore ja suhkru segu keema, laskma jahtuda ja seejärel sügavkülma panna.

Selle asemel sättis Erasto oma segu korraga kuumaks, ootamata, kuni see jahtub. Selle tulemusena oli tema segu 1,5 tunni pärast juba külmunud, kuid teiste õpilaste segud mitte. Nähtusest huvitatud Mpemba hakkas seda küsimust uurima koos füüsikaprofessor Denis Osborne'iga ja 1969. aastal avaldasid nad artikli, milles öeldakse, et soe vesi külmub kiiremini kui külm vesi. See oli esimene sedalaadi eelretsenseeritud uuring, kuid nähtust ennast mainitakse Aristotelese paberites, mis pärinevad 4. sajandist eKr. e. Seda nähtust märkisid oma uurimustes ka Francis Bacon ja Descartes.

Videos on mitu võimalust toimuva selgitamiseks:

1. Härmatis on dielektrik ja seetõttu salvestab härmas külm vesi soojust paremini kui soe klaas, mis sellega kokkupuutel jää sulab.
2. Külmas vees on rohkem lahustunud gaase kui soojas vees ja teadlased oletavad, et see võib mängida rolli jahtumise kiiruses, kuigi pole veel selge, kuidas.
3. Kuum vesi kaotab aurustumisel rohkem veemolekule, mistõttu jääb vähem külmuma
4. Soe vesi võib suurenenud konvektiivvoolude tõttu kiiremini jahtuda. Need hoovused tekivad seetõttu, et klaasis olev vesi jahtub esmalt pinnal ja külgedel, mistõttu külm vesi vajub ja kuum vesi tõuseb. Soojas klaasis on konvektiivsed voolud aktiivsemad, mis võib mõjutada jahutuskiirust.

2016. aastal viidi aga läbi hoolikalt kontrollitud uuring, mis näitas vastupidist: kuum vesi külmus palju aeglasemalt kui külm vesi. Samal ajal märkasid teadlased, et termopaari – temperatuuri erinevusi määrava seadme – asukoha muutmine vaid sentimeetri võrra viib Mpemba efekti ilmnemiseni. Teiste sarnaste tööde uuring näitas, et kõigil juhtudel, kui seda efekti täheldati, toimus termopaari nihkumine sentimeetri piires.

Mpemba efekt ehk miks kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi? Mpemba efekt (Mpemba Paradoks) on paradoks, mis väidab, et kuum vesi külmub teatud tingimustel kiiremini kui külm vesi, kuigi külmumise käigus peab see läbima külma vee temperatuuri. See paradoks on eksperimentaalne tõsiasi, mis on vastuolus tavapäraste ideedega, mille kohaselt vajab kuumem keha samades tingimustes teatud temperatuurini jahtumiseks rohkem aega kui jahedam keha sama temperatuurini jahtumiseks. Seda nähtust märkasid omal ajal Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, kuid alles 1963. aastal avastas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum jäätisesegu külmub kiiremini kui külm. Magamba õpilasena Keskkool Tansaanias tegi Erasto Mpemba praktiline töö kokakunstis. Ta pidi valmistama isetehtud jäätist – keetma piima, lahustama selles suhkur, jahutama toatemperatuurini ja panema siis külmkappi tarduma. Ilmselt polnud Mpemba eriti usin õpilane ja venitas ülesande esimese osaga. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud etteantud tehnoloogia järgi. Pärast seda katsetas Mpemba mitte ainult piima, vaid ka tavalise veega. Igatahes, olles juba Mkwawa keskkooli tudeng, küsis ta Dar es Salaami ülikooli kolledži professorilt Dennis Osborne’ilt (kooli direktori kutsel õpilastele füüsikaloengut pidama) vee kohta: "Kui võtate kaks identset anumat võrdse koguse veega, nii et ühes neist oleks vee temperatuur 35 ° C ja teises - 100 ° C, ja asetage need sügavkülma, siis teises külmub vesi kiiremini. Miks? Osborne hakkas selle küsimuse vastu huvi tundma ja peagi 1969. aastal avaldasid nad koos Mpembaga oma katsete tulemused ajakirjas "Physics Education". Sellest ajast alates nimetatakse nende avastatud efekti Mpemba efektiks. Seni ei tea keegi täpselt, kuidas seda kummalist efekti seletada. Teadlastel pole ühest versiooni, kuigi neid on palju. See kõik puudutab kuuma ja külma vee omaduste erinevust, kuid pole veel selge, millised omadused mängivad antud juhul rolli: erinevus ülejahutuses, aurustumises, jää tekkimises, konvektsioonis või veeldatud gaaside mõjul veele erinevad temperatuurid. Mpemba efekti paradoks seisneb selles, et aeg, mille jooksul keha jahtub temperatuurini keskkond , peaks olema proportsionaalne selle keha ja keskkonna temperatuuride erinevusega. Selle seaduse kehtestas Newton ja sellest ajast alates on seda praktikas korduvalt kinnitatud. Sama efektiga jahtub vesi temperatuuril 100 °C kiiremini 0 °C-ni kui sama kogus vett 35 °C juures. See aga ei tähenda veel paradoksi, kuna Mpemba efekti saab seletada ka tuntud füüsika raames. Siin on mõned selgitused Mpemba efekti kohta: Aurustumine Kuum vesi aurustub anumast kiiremini, vähendades seeläbi selle mahtu ja väiksem kogus vett samal temperatuuril külmub kiiremini. 100 C-ni kuumutatud vesi kaotab temperatuurini 0 C jahutamisel 16% oma massist. Aurustumise mõju on kahekordne. Esiteks vähendatakse jahutamiseks vajaliku vee massi. Ja teiseks, temperatuur langeb tänu sellele, et veefaasist aurufaasi ülemineku aurustumissoojus väheneb. Temperatuuride erinevus Tulenevalt sellest, et kuuma vee ja külma õhu temperatuuride vahe on suurem – seega on soojusvahetus sel juhul intensiivsem ja kuum vesi jahtub kiiremini. Alajahutus Kui vesi jahutatakse alla 0 C, ei jäätu see alati. Teatud tingimustel võib see ülejahtuda, jäädes samal ajal vedelaks ka külmumistemperatuurist madalamal temperatuuril. Mõningatel juhtudel võib vesi jääda vedelaks ka temperatuuril -20 C. Selle efekti põhjuseks on see, et esimeste jääkristallide tekkeks on vaja kristallide tekketsentreid. Kui need ei ole vedelas vees, jätkub ülejahutamine, kuni temperatuur langeb piisavalt, et kristallid hakkavad spontaanselt moodustuma. Kui nad hakkavad ülejahutatud vedelikus moodustuma, hakkavad nad kiiremini kasvama, moodustades jäälörtsi, mis külmub jääks. Kuum vesi on kõige vastuvõtlikum hüpotermiale, kuna selle kuumutamine kõrvaldab lahustunud gaasid ja mullid, mis omakorda võivad olla jääkristallide moodustumise keskused. Miks hüpotermia tõttu kuum vesi kiiremini külmub? Külma vee puhul, mis ei ole ülejahutatud, ilmneb järgmine. Sel juhul tekib anuma pinnale õhuke jääkiht. See jääkiht toimib isolaatorina vee ja külma õhu vahel ning takistab edasist aurustumist. Jääkristallide moodustumise kiirus on sel juhul väiksem. Alajahutust läbiva kuuma vee korral ei ole alajahtunud veel kaitsev pinnakiht jääst. Seetõttu kaotab see avatud ülaosa kaudu palju kiiremini soojust. Kui ülejahutusprotsess lõppeb ja vesi külmub, läheb palju rohkem soojust kaduma ja seetõttu tekib rohkem jääd. Paljud selle mõju uurijad peavad Mpemba efekti puhul peamiseks teguriks hüpotermiat. Konvektsioon Külm vesi hakkab külmuma ülalt, halvendades seeläbi soojuskiirguse ja konvektsiooni protsesse ning seega ka soojuse kadu, samal ajal kui kuum vesi hakkab külmuma altpoolt. Seda mõju seletatakse vee tiheduse anomaaliaga. Vee maksimaalne tihedus on 4 C. Kui jahutada vesi temperatuurini 4 C ja panna see madalamale temperatuurile, külmub vee pindmine kiht kiiremini. Kuna see vesi on vähem tihe kui vesi temperatuuril 4 °C, jääb see pinnale, moodustades õhukese külma kihi. Nendel tingimustel tekib veepinnale lühiajaliselt õhuke jääkiht, kuid see jääkiht toimib isolaatorina, mis kaitseb alumisi veekihte, mille temperatuur püsib 4 C juures. , edasine jahutamine on aeglasem. Kuuma vee puhul on olukord hoopis teine. Vee pinnakiht jahtub aurustumise ja suurema temperatuuride erinevuse tõttu kiiremini. Samuti on külma vee kihid tihedamad kui kuumaveekihid, mistõttu külma vee kiht vajub alla, tõstes kihti kõrgemale. soe vesi pinnale. Selline veeringlus tagab kiire temperatuuri languse. Aga miks see protsess tasakaalupunkti ei jõua? Mpemba efekti selgitamiseks sellest konvektsiooni vaatenurgast lähtudes võiks eeldada, et külm ja kuum veekiht eralduvad ning konvektsiooniprotsess ise jätkub pärast keskmise veetemperatuuri langemist alla 4 C. Samas puuduvad katseandmed. mis kinnitaks seda hüpoteesi, et külm ja kuum veekiht eraldatakse konvektsiooniga. Vees lahustunud gaasid Vesi sisaldab alati selles lahustunud gaase – hapnikku ja süsihappegaasi. Nendel gaasidel on võime alandada vee külmumispunkti. Vee kuumutamisel eralduvad need gaasid veest, kuna nende lahustuvus vees kõrgel temperatuuril on madalam. Seetõttu on kuuma vee jahutamisel selles alati vähem lahustunud gaase kui soojendamata külmas vees. Seetõttu on kuumutatud vee külmumistemperatuur kõrgem ja see külmub kiiremini. Seda tegurit peetakse mõnikord Mpemba efekti selgitamisel peamiseks, kuigi selle fakti kinnitamiseks puuduvad eksperimentaalsed andmed. Soojusjuhtivus See mehhanism võib mängida olulist rolli, kui vesi asetatakse väikestes anumates külmikusse sügavkülma. Nendes tingimustes on täheldatud, et kuuma veega anum sulatab selle all oleva sügavkülmiku jää, parandades seeläbi soojuskontakti sügavkülmiku seinaga ja soojusjuhtivust. Tänu sellele eemaldatakse kuumaveenõust soojus kiiremini kui külmast. Külma veega anum omakorda ei sulata enda all lund. Kõiki neid (nagu ka teisi) tingimusi on uuritud paljudes katsetes, kuid ühemõttelist vastust küsimusele – millised neist tagavad Mpemba efekti 100% taasesituse – pole saadud. Nii näiteks uuris saksa füüsik David Auerbach 1995. aastal vee ülejahutuse mõju sellele efektile. Ta avastas, et kuum vesi, saavutades ülejahutuse, külmub kõrgemal temperatuuril kui külm vesi ja seetõttu kiiremini kui viimane. Kuid külm vesi jõuab ülejahutatud olekusse kiiremini kui kuum vesi, kompenseerides sellega eelneva viivituse. Lisaks olid Auerbachi tulemused vastuolus varasemate andmetega, et kuum vesi suudab saavutada suurema ülejahutuse tänu vähematele kristallisatsioonikeskustele. Vee kuumutamisel eemaldatakse sellest lahustunud gaasid, keetes sadestuvad mõned selles lahustunud soolad. Seni saab väita vaid üht – selle efekti taastootmine oleneb sisuliselt tingimustest, milles katse läbi viiakse. Just sellepärast, et seda alati ei reprodutseerita. O. V. Mosin

Briti kuninglik keemiaühing pakub 1000 naela suurust preemiat kõigile, kes suudavad teaduslikult selgitada, miks kuum vesi külmub mõnel juhul kiiremini kui külm vesi.

"Tänapäeva teadus ei suuda sellele pealtnäha lihtsale küsimusele ikka veel vastata. Jäätisevalmistajad ja baarmenid kasutavad seda efekti oma igapäevatöös, kuid keegi ei tea tegelikult, miks see toimib. See probleem on olnud teada aastatuhandeid, selle peale on mõelnud filosoofid nagu Aristoteles ja Descartes,” ütles Briti Kuningliku Keemiaühingu president, professor David Philips seltsi pressiteates.

Kuidas Aafrika kokk võitis Briti füüsikaprofessorit

See pole aprillinali, vaid karm füüsiline reaalsus. Tänapäeva teadus, mis lihtsalt opereerib galaktikate ja mustade aukudega, ehitades hiiglaslikke kiirendeid kvarkide ja bosonite otsimiseks, ei suuda seletada, kuidas elementaarne vesi "töötab". Kooliõpik ütleb ühemõtteliselt, et kuuma keha jahutamiseks kulub rohkem aega kui külma keha jahutamiseks. Kuid vee puhul seda seadust alati ei järgita. Aristoteles juhtis sellele paradoksile tähelepanu 4. sajandil eKr. e. Vanakreeklane kirjutas raamatus "Meteorologica I" järgmiselt: "Asjaolu, et vesi on eelsoojendatud, aitab kaasa selle jäätumisele. Seetõttu panevad paljud inimesed, kui tahavad kuuma vett kiiresti jahutada, esmalt päikese kätte ... ”Keskajal püüdsid Francis Bacon ja Rene Descartes seda nähtust selgitada. Paraku ei õnnestunud see ei suurtel filosoofidel ega arvukatel klassikalist soojusfüüsikat välja töötanud teadlastel ja seetõttu "unustati" selline ebamugav fakt pikka aega.

Ja alles 1968. aastal “mäletasid” nad tänu Tansaaniast pärit koolipoisile Erasto Mpembale, kaugel ühestki teadusest. Kokakoolis õppides sai 1963. aastal 13-aastane Mpembe ülesandeks valmistada jäätist. Tehnoloogia järgi oli vaja piim keeta, selles suhkur lahustada, toatemperatuurile jahutada ning seejärel külmkappi tarduma panna. Ilmselt polnud Mpemba usin õpilane ja kõhkles. Kartes, et ta ei jõua tunni lõpuks õigeks ajaks, pani ta veel kuuma piima külmkappi. Tema üllatuseks külmus see isegi varem kui tema seltsimeeste piim, mis oli valmistatud kõigi reeglite järgi.

Kui Mpemba oma avastust füüsikaõpetajaga jagas, tegi ta tema üle kogu klassi ees nalja. Mpembale jäi solvang meelde. Viis aastat hiljem, olles juba Dar es Salaami ülikooli tudeng, oli ta kuulsa füüsiku Denis G. Osborni loengus. Pärast loengut esitas ta teadlasele küsimuse: "Kui võtta kaks identset anumat sama koguse veega, millest üks on 35 °C (95 °F) ja teine ​​100 °C (212 °F), ja asetada need sügavkülma, siis külmub kuumas anumas vesi kiiremini. Miks?" Võite ette kujutada Briti professori reaktsiooni jumalast hüljatud Tansaaniast pärit noormehe küsimusele. Ta tegi õpilase üle nalja. Mpemba oli aga selliseks vastuseks valmis ja esitas teadlasele väljakutse. Nende vaidlus kulmineerus eksperimentaalse katsega, mis tõestas, et Mpembal oli õigus ja Osborne'il lüüa sai. Nii kirjutas kokaõpilane oma nime teadusajalukku ja edaspidi nimetatakse seda nähtust "Mpemba efektiks". Selle kõrvale heitmine, justkui "olematuks" kuulutamine ei tööta. Nähtus on olemas ja, nagu luuletaja kirjutas, "mitte jalaga hambas".

Kas selles on süüdi tolmuosakesed ja lahustunud ained?

Aastate jooksul on paljud püüdnud lahti harutada vee külmumise saladust. Selle nähtuse kohta on pakutud välja terve hulk selgitusi: aurustumine, konvektsioon, lahustunud ainete mõju – kuid ühtegi neist teguritest ei saa pidada lõplikuks. Paljud teadlased pühendasid kogu oma elu Mpemba efektile. Kiirgusohutuse osakonna töötaja Riiklik Ülikool New Yorgis on James Brownridge seda paradoksi vabal ajal uurinud üle kümne aasta. Pärast sadade katsete läbiviimist väidab teadlane, et tal on tõendeid alajahtumise "süü" kohta. Brownridge selgitab, et temperatuuril 0 °C vesi ainult ülijahtub ja hakkab külmuma, kui temperatuur langeb allapoole. Külmumistemperatuuri reguleerivad vees leiduvad lisandid – need muudavad jääkristallide tekkekiirust. Lisanditel, milleks on tolmuosakesed, bakterid ja lahustunud soolad, on oma iseloomulik tuumamistemperatuur, kui kristallisatsioonikeskuste ümber moodustuvad jääkristallid. Kui vees on korraga mitu elementi, määrab külmumispunkti see, millel on kõige rohkem kõrge temperatuur tuumastumine.

Katse jaoks võttis Brownridge kaks sama temperatuuriga veeproovi ja asetas need sügavkülma. Ta leidis, et üks isenditest külmub alati enne teist – oletatavasti erineva lisandite kombinatsiooni tõttu.

Brownridge väidab, et kuum vesi jahtub kiiremini tänu suuremale temperatuuride erinevusele vee ja sügavkülmiku vahel – see aitab jõuda külmumispunktini enne, kui külm vesi saavutab oma loomuliku külmumispunkti, mis on vähemalt 5°C madalam.

Brownridge'i arutluskäik tekitab aga palju küsimusi. Seetõttu on neil, kes suudavad Mpemba efekti omal moel selgitada, võimalus võistelda Briti Kuningliku Keemiaühingu tuhande naelsterlingi nimel.