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 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 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 и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.
scienceblogs.comКакой 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 воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.
Или как превращаем воду в лед . Фокусник берет бумажный стакан и наливает в него немного воды. После этого фокусник, держа стакан в руках, дует на него или даже делает магические пассы руками. После этого фокусник встряхивает стакан, и зрители слышат характерные постукивания льдинок о стенки бумажного стакана . Фокусник переворачивает стакан и из стакана на стол вместо воды падают кусочки льда. Вода, налитая фокусником на глазах у зрителей в стакан, превратилась в льдинки .
Секрет фокуса превращаем воду в лед
Для фокуса по превращению воды в лед вам понадобятся бумажный стаканчик, салфетки, вода и лед.
Этот фокус очень простой и его с легкостью могут показывать даже дети. Секрет фокуса для детей превращаем воду в лёд заключается в предварительной подготовке стакана. Стакан должен быть непрозрачным, чтобы зрители не увидели то, что стакан специально подготовлен для фокуса . Естественно, что льдинки мы должны положить в стакан заранее, но куда же девается вода, наливаемая фокусником в бумажный стакан? Итак, предварительно готовя фокус, фокусник сначала укладывает в стакан несколько бумажных хорошо впитывающих салфеток. Две или три салфетки. Вместо салфеток также подойдут несколько листов бумажных полотенец. Главное, что бы салфетки хорошо впитывали воду. Попробуйте перевернуть стакан с салфетками, они не должны выпадать из стакана.
После того как салфетки были предварительно положены в стакан, фокусник кладет в стакан несколько кусочков льда. Подготовка к фокусу превращаем воду в лед завершена.
В подготовленный бумажный стакан фокусник наливает немного воды. Не переборщите с наливанием воды. Бумажные салфетки должны хорошо впитывать воду, но они не бездонные. Когда фокусник встряхивает стакан, чтобы зрители услышали звук льдинок, фокусник преследует еще одну цель, что бы случайно не впитавшаяся в салфетки вода равномерно распределилась и впиталась в сухие участки. Если налить слишком много воды при переворачивании стакана под тяжестью впитавшейся воды салфетки могут выпасть из стакана вместе с льдинками. Это может смазать
Первым признаком зимы является плавающий на поверхности прудов и озер лед. Это может показаться тривиальным и не очень важным, но если бы вода вела себя аналогично практически всем другим жидкостям, никто бы не смог кататься на коньках на пруду, потому что лед опускался бы на дно сразу же после своего образования. Что еще хуже, Земля в этом случае, по-видимому, была бы безжизненной пустыней, так как большая часть воды лежала бы в виде льда на дне океанов, озер и рек.
Большинство жидкостей сжимаются при охлаждении, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою плотность. Например, твердый свечной воск опускается на дно миски с более горячим расплавленным воском. Вода также сжимается, но только до тех пор, пока не достигнет 4°С (39°F). Ниже этой температуры вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды, находящейся вблизи точки замерзания, и как результат, он плавает.
Как вода замерзает
- Вода в пруду, охлажденная до 4°С (39°F), становится плотнее и опускается на дно. Более теплая и поэтому более легкая вода поднимается к поверхности, охлаждается и также опускается вниз.
- Когда последняя порция воды охладится до 4°С (39°F), конвекция, под действием которой холодная вода опускается вниз, а более теплая вода поднимается вверх, прекращается. В этом случае вся вода имеет одинаковую температуру. Плотность воды также одинакова.
- Когда вода в поверхностном слое охладится ниже 4°С (39°F), она расширяется и становится менее плотной. Поскольку вода при 3°С (37°F) легче, чем при 4°С (s39°F), более холодная вода остается наверху.
- Поверхностный слой воды продолжает охлаждаться с дальнейшим уменьшением плотности. Наконец, при 0°С (32°F) поверхностный слой воды превращается в лед.
Температурное расширение и плотность воды
При температурах выше 4°С (39°F) вода при охлаждении сжимается, достигая своей наибольшей плотности при 4°С. Однако, если охлаждение продолжается и температура падает ниже 4°С, вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Количественно плотность равна массе единицы объема вещества и обычно измеряется в г/см 3 .
Воск и лед замерзают по-разному
На поверхности кубика льда образуется выпуклость (левый рисунок), потому что вода в центре кубика замерзает последней и, расширяясь по мере замерзания, может только подниматься вверх. В противоположность этому, в верхней части кубика воска образуется углубление, потому что воск (средний рисунок) сжимается после затвердевания. Жидкости, сжимающиеся при замерзании равномерно (правый рисунок) формируют вогнутую поверхность.
Время года и температура воды в озере
Летом вода теплее у поверхности, чем в глубине. Зимой озеро может покрыться льдом, и вода в глубине станет теплее, чем на поверхности.
Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете.
Известно, что фактически все вещества, имеющие природное или искусственное происхождение способны находиться в разных агрегатных состояниях и менять их в зависимости от условий окружающей среды. И хотя ученые знают более десятка фазовых состояний, некоторые из которых можно получить только в пределах лаборатории, в природе чаще всего встречается только три подобных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Вода может пребывать во всех трех этих состояниях, переходя из одного в другое в естественных условиях.
Вода, находящаяся в жидком состоянии имеет слабо связанные молекулы, которые пребывают в постоянном движении и пытаются сгруппироваться в структуру, но не могут сделать этого из-за тепла. В таком виде вода может принимать абсолютно любую форму, но не в состоянии самостоятельно ее удерживать. При нагревании молекулы начинают двигаться намного быстрее, они отдаляются друг от друга, а когда постепенно вода переходит в газообразное состояние, то есть превращается в водяной пар, связи между молекулами окончательно рвутся. При воздействии же на воду низких температур движение молекул сильно замедляется, молекулярные связи становятся очень прочными и молекулы, которым больше не мешает воздействие тепла, упорядочиваются в кристаллическую
структуру, имеющую шестигранную форму. Все мы видели подобные шестигранники, выпадающие на землю в виде снежинок. Процесс превращения воды в лед называется кристаллизацией или застыванием. В твердом состоянии вода надолго может сохранять любую принятую ею форму.
Процесс кристаллизации воды начинается при температуре 0 градусов по шкале Цельсия, имеющей 100 единиц. Данная измерительная система используется во многих странах Европы и в СНГ. В Америке же температуру измеряют при помощи шкалы Фаренгейта, которая обладает 180 делениями. По ней вода переходит из жидкого состояния в твердое при 32 градусах.
Однако вода не всегда замерзает при этих температурах, так очень чистую воду можно переохладить до температуры — 40 °С и она не замерзнет. Дело в том, что в очень чистой воде нет примесей, служащих основанием для построения кристаллической структуры. Примесями, к которым крепятся молекулы, могут выступать частички пыли, растворенные соли и т.д.
Особенностью воды является тот факт, что в то время как при замерзании другие вещества сжимаются, она, преобразовавшись в лед, напротив, расширяется. Происходит это потому что, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, расстояние между ее молекулами немного увеличивается. И поскольку лед имеет меньшую плотность, чем вода, он плавает на ее поверхности.
Говоря о замерзании воды, нельзя не упомянуть и тот интересный факт, что горячая вода застывает быстрее холодной, как бы парадоксально это не звучало. Данное явление было известно еще во времена Аристотеля, но ни знаменитому философу, ни его последователям так и не удалось разгадать эту тайну и о феномене забыли на долгие годы. Вновь о нем заговорили лишь в 1963 году, когда школьник из Танзании Эрасто Мпемба обратил внимание, что при приготовлении мороженого быстрее застывает лакомство сделанное из подогретого молока. Мальчик рассказал об этом своему учителю физики, но тот поднял его на смех. Лишь в 1969 году познакомившись с профессором физики Деннисом Осборном, юноша он смог найти подтверждение своей догадки, после совместно проведенных экспериментов. С тех пор выдвигалось много гипотез относительно этого феномена, например, что горячая вода замерзает быстрее за счет своего быстрого испарения, которое приводит к уменьшению объема воды и, как следствие, более быстрому застыванию. Но ни одна из них так и не смогла объяснить природу данного явления.
|
11.03.2015 21:11
|
Вода - архиважное вещество для любого живого существа и для всей планеты в целом. Исключительно благодаря наличию воды на нашей планете когда-то смогла зародиться жизнь и исключительно благодаря физическим и химическим свойствам воды жизнь получила возможность развиваться и распространяться. Но задумывались ли вы когда-нибудь о этих самых свойствах, задавали ли себе вопрос: "Почему вода так просто меняет свои физические состояния и что позволяет ей это делать?"
Вода - неорганическое соединение бинарного типа, т.е. образованное атомами двух разных химических элементов. В состав одной молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода.
На Земле, благодаря нормальным температуре и давлению, подавляющее большинство воды находится в жидком состоянии - около 98%, еще 1,7% приходится на ледники и приблизительно 0,001% содержится в атмосфере в газообразном состоянии. Существование сразу трех агрегатных форм в относительно узких температурных рамках (имеются ввиду климатические условия Земли) обусловлено особыми физическим строением молекул воды и связями между ними.
Переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.
При температуре от 1 до 99 градусов Цельсия молекулы воды находятся в постоянном движении, обусловленном тепловой энергией. При этом каждая молекула воды связана одновременно с четырьмя другими молекулами, эта связь постоянно стремиться к образованию определенной упорядоченной структуры, но тепловое движение этому препятствует. Всю эту сложную научную "билиберду" можно объяснить немного проще: все молекулы воды связаны между собой, но их движение относительно друг друга не дает им принять какую-то определенную структуру. Это легко можно проследить на примере, налив воды в стакан - вода моментально примет форму стакана, но сама по себе удержать эту форму не может.
Приблизительно так выглядят молекулы воды в жидком состоянии. Каждая молекула соединена с четырьмя другими, и все они находятся в постоянном движении.
При температуре 0 °С энергия молекулярных связей начинает преобладать над энергией теплового движения. В результате термическая энергия больше не препятствует образованию строго упорядоченной структуры. Расстояние между молекулами увеличивается, плотность воды, наоборот, снижается и образуется так называемая , или попросту лед . Именно благодаря образованию упорядоченной и стабильной структуры лед может держать форму.
Кристаллическая решетка воды. Красные шарики - атомы кислорода, серые - атомы водорода. Серые пунктирные линии - водородные связи.
При температуре 0 °С энергия молекулярных связей преобладает над энергией теплового движения, - формированию упорядоченной структуры больше ничего не мешает и образуется так называемая кристаллическая структура воды , или попросту лед.
При температуре 100 °С происходит разрыв молекулярных связей, в следствии чего молекулы отделяются друг от друга и вода переходит в фазу пара (газообразного состояния). Для разрыва связей необходимо большое количество энергии, т.е. тепла.
В качестве обобщения, можно сказать, что переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.
Несколько интересных фактов о фазовых состояниях воды:
Задумывались ли Вы когда-нибудь, почему вода замерзает при температуре именно 0 °С и переходит в парообразное состояние при 100 °С? Дело в том, что на основе этих значений и была построена шкала измерения температуры "по Цельсию" шведским ученым Андерсом Цельсием.
Значения 0 и 100 °С для замерзания и кипения воды соответственно справедливы только для стандартного давления (1 атмосфера или 10 Паскалей). При повышении давления температура кипения воды и плавления льда растет. Например при давлении в 6 атмосфер вода начнет кипеть только при 158 градусах Цельсия.
Помимо жидкого, газообразного и твердого состояния вода может существовать и в других фазах: перегретая жидкость, пересыщенный пар и переохлажденная жидкость.
Вода может одновременно находиться в трех агрегатных фазах при строго определенных значениях давления и температуры. Это состояние носит название "Тройная точка воды " и наблюдается при 0,01 °С и 611,657 Па.
Вконтакте
- 19307 просмотров
Loading...