Kumpi vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, siihen vaikuttavat monet tekijät, mutta itse kysymys vaikuttaa hieman oudolta. Väitetään ja fysiikasta tiedetään, että kuuma vesi tarvitsee vielä aikaa jäähtyäkseen vastaavan kylmän veden lämpötilaan muuttuakseen jääksi. Kylmällä vedellä tämä vaihe voidaan ohittaa, ja näin ollen se voittaa ajoissa.
Mutta vastauksen kysymykseen, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma - kadulla pakkasessa, tietää kuka tahansa pohjoisten leveysasteiden asukas. Itse asiassa tieteellisesti käy ilmi, että joka tapauksessa kylmän veden täytyy yksinkertaisesti jäätyä nopeammin.
Niin teki myös fysiikan opettaja, jolta koulupoika Erasto Mpemba otti vuonna 1963 pyynnön selittää, miksi tulevan jäätelön kylmä seos jäätyy pidempään kuin sama, mutta kuumana.
Tämä ei ole maailmanfysiikkaa, vaan jonkinlaista Mpemba-fysiikkaa
Silloin opettaja vain nauroi tälle, mutta fysiikan professori Deniss Osborn, joka aikoinaan kävi samassa koulussa, jossa Erasto opiskeli, vahvisti kokeellisesti tällaisen vaikutuksen olemassaolon, vaikka ei tälle sitten selitystä. Vuonna 1969 suosittu tieteellinen aikakauslehti julkaisi näiden kahden miehen yhteisen artikkelin, jotka kuvasivat tätä erikoista vaikutusta.
Sittemmin kysymyksellä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä, on muuten oma niminsä - vaikutus tai paradoksi, Mpemba.
Kysymys heräsi kauan sitten
Tällaista ilmiötä on luonnollisesti esiintynyt ennenkin, ja se on mainittu muidenkin tutkijoiden töissä. Ei vain yksi koulupoika ollut kiinnostunut tästä kysymyksestä, vaan Francis Bacon, Rene Descartes ja jopa Aristoteles ajattelivat sitä aikoinaan.
Se on vain lähestymistapoja tämän paradoksin ratkaisemiseen, ja se alkoi näyttää vasta 1900-luvun lopulla.
Edellytykset paradoksille
Jäätelön tapaan ei vain tavallinen vesi jäätyy kokeen aikana. Tietyt olosuhteet täytyy olla olemassa, jotta voidaan alkaa kiistellä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Mikä vaikuttaa tähän prosessiin?
Nyt, 2000-luvulla, on esitetty useita vaihtoehtoja, jotka voivat selittäätämä paradoksi. Kumpi vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, voi riippua siitä, että kuumalla vedellä on korkeampi haihtumisnopeus kuin kylmällä vedellä. Siten sen tilavuus pienenee, ja tilavuuden pienentyessä jäätymisajasta tulee lyhyempi kuin jos otat samanlaisen alkuperäisen tilavuuden kylmää vettä.
Pakastin on ollut sulatettuna pitkään
Se, mikä vesi jäätyy nopeammin ja miksi se jäätyy, voi vaikuttaa kokeeseen käytetyn jääkaapin pakastimessa mahdollisesti oleva lumipeite. Jos otat kaksi tilavuudeltaan identtistä astiaa, mutta toisessa on kuumaa vettä ja toisessa kylmää vettä, kuumavesisäiliö sulattaa lumen alta, mikä parantaa lämpötason kosketusta jääkaapin seinään. Kylmävesisäiliö ei pysty siihen. Jos jääkaappiosastossa ei ole tällaista lumella vuorausta, kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin.
Yläosa - alaosa
Myös ilmiö, jossa vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä, selitetään seuraavasti. Tiettyjen lakien mukaan kylmä vesi alkaa jäätyä ylemmistä kerroksista, kun kuuma vesi tekee sen päinvastoin - se alkaa jäätyä alha alta ylöspäin. Osoittautuu, että kylmä vesi, jonka päällä on kylmä kerros, jossa on jo paikoin muodostunut jäätä, heikentää näin konvektio- ja lämpösäteilyprosesseja, mikä selittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Kuvia amatööriltäkokeet on liitetty, ja tämä näkyy selvästi täällä.
Lämpö tulee ulos, suuntautuu ylöspäin, ja siellä se kohtaa hyvin kylmän kerroksen. Lämpösäteilylle ei ole vapaata polkua, joten jäähdytysprosessi vaikeutuu. Kuumalla vedellä ei ole lainkaan tällaisia esteitä tiellään. Kumpi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma, josta todennäköinen lopputulos riippuu, voit laajentaa vastausta sanomalla, että mihin tahansa veteen on liuennut tiettyjä aineita.
Epäpuhtaudet veden koostumuksessa lopputulokseen vaikuttavana tekijänä
Jos et huijaa ja käytä vettä, jossa on sama koostumus, jossa tiettyjen aineiden pitoisuudet ovat samat, kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin. Mutta jos tapahtuu tilanne, jossa liuenneita kemiallisia alkuaineita on vain kuumassa vedessä, kun taas kylmässä vedessä niitä ei ole, kuumalla vedellä on mahdollisuus jäätyä aikaisemmin. Tämä selittyy sillä, että veteen liuenneet aineet muodostavat kiteytyskeskuksia, ja pienellä määrällä näitä keskuksia veden muuttuminen kiinteäksi olomuodoksi on vaikeaa. Jopa veden alijäähtyminen on mahdollista siinä mielessä, että pakkasessa se on nestemäisessä tilassa.
Mutta kaikki nämä versiot eivät ilmeisesti täysin sopineet tutkijoille, ja he jatkoivat työskentelyä tämän asian parissa. Vuonna 2013 tutkijaryhmä Singaporessa sanoi ratkaissensa ikivanhan mysteerin.
Joukko kiinalaisia tiedemiehiä väittää, että tämän vaikutuksen salaisuus piilee vesimolekyylien väliin varastoituneen energian määrässä sen sidoksissa, joita kutsutaan vetysidoksiksi.
Vihje kiinalaisilta tutkijoilta
Seuraavat tiedot, joiden ymmärtämiseksi tarvitset jonkin verran tietoa kemiasta, jotta voit selvittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Kuten tiedät, vesimolekyyli koostuu kahdesta H (vety) atomista ja yhdestä O (happi) atomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset.
Mutta yhden molekyylin vetyatomit vetoavat myös viereisiin molekyyleihin, niiden happikomponenttiin. Juuri näitä sidoksia kutsutaan vetysidoksiksi.
On syytä muistaa, että samalla vesimolekyylit vaikuttavat toisiaan vastenmielisesti. Tutkijat totesivat, että kun vettä lämmitetään, sen molekyylien välinen etäisyys kasvaa, ja tätä helpottavat hylkivät voimat. Osoittautuu, että vetysidokset, jotka vievät yhden etäisyyden molekyylien välillä kylmässä tilassa, voidaan sanoa venytetyiksi, ja niillä on suurempi energiavarasto. Juuri tämä energiavarasto vapautuu, kun vesimolekyylit alkavat lähestyä toisiaan, eli tapahtuu jäähdytystä. Osoittautuu, että kuumassa vedessä suurempi energian saanti ja sen suurempi vapautuminen jäähtyneenä pakkaselle tapahtuu nopeammin kuin kylmässä vedessä, jossa on tällainen syöttö.vähemmän energiaa. Joten kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma? Mpemba-paradoksi pitäisi tapahtua ulkona ja laboratoriossa, ja kuuman veden pitäisi muuttua jääksi nopeammin.
Mutta silti auki
Tälle vihjeelle on vain teoreettinen vahvistus - kaikki tämä on kirjoitettu kauniilla kaavoilla ja vaikuttaa uskottav alta. Mutta kun kokeelliset tiedot, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä, pannaan käytäntöön ja niiden tulokset esitellään, on mahdollista pitää kysymystä Mpemba-paradoksista suljettuna.
