21.11.2017 11.10.2018 الكسندر فيرتسيف

« أي الماء يتجمد أسرع، البارد أم الساخن؟"- حاول أن تطرح سؤالاً على أصدقائك، على الأرجح سيجيب معظمهم بأن الماء البارد يتجمد بشكل أسرع - وسوف يرتكبون خطأً.

في الواقع، إذا قمت بوضع وعاءين من نفس الشكل والحجم في الثلاجة في وقت واحد، يحتوي أحدهما على ماء بارد والآخر ساخن، فسوف يتجمد بشكل أسرع الماء الساخن.

قد يبدو مثل هذا البيان سخيفًا وغير معقول. إذا اتبعت المنطق، فيجب أن يبرد الماء الساخن أولا إلى درجة حرارة الماء البارد، ويجب أن يتحول الماء البارد بالفعل إلى جليد في هذا الوقت.

فلماذا يتفوق الماء الساخن على الماء البارد في طريقه إلى التجمد؟ دعونا نحاول معرفة ذلك.

تاريخ الملاحظات والبحث

لقد لاحظ الناس هذا التأثير المتناقض منذ العصور القديمة، لكن لم يعلق عليه أحد أهمية كبيرة. وهكذا، أشار أرسطو، وكذلك رينيه ديكارت وفرانسيس بيكون، في ملاحظاتهم إلى التناقضات في معدل تجميد الماء البارد والساخن. غالبًا ما ظهرت ظاهرة غير عادية في الحياة اليومية.

لفترة طويلة لم تتم دراسة هذه الظاهرة بأي شكل من الأشكال ولم تثير اهتمامًا كبيرًا بين العلماء.

بدأت دراسة هذا التأثير غير العادي في عام 1963، عندما لاحظ تلميذ فضولي من تنزانيا، إيراستو مبيمبا، أن الحليب الساخن المخصص للآيس كريم يتجمد بشكل أسرع من الحليب البارد. وعلى أمل الحصول على تفسير لأسباب التأثير غير العادي، سأل الشاب مدرس الفيزياء في المدرسة. ومع ذلك، ضحك المعلم عليه فقط.

لاحقًا، كرر مبيمبا التجربة، لكن في تجربته لم يعد يستخدم الحليب، بل الماء، وتكرر التأثير المتناقض مرة أخرى.

وبعد 6 سنوات، في عام 1969، طرح مبيمبا هذا السؤال على أستاذ الفيزياء دينيس أوزبورن، الذي جاء إلى مدرسته. اهتم الأستاذ بملاحظة الشاب، ونتيجة لذلك أجريت تجربة أكدت وجود التأثير، لكن لم يتم تحديد أسباب هذه الظاهرة.

ومنذ ذلك الحين سميت هذه الظاهرة تأثير مبيمبا.

وطوال تاريخ الملاحظات العلمية، تم طرح العديد من الفرضيات حول أسباب هذه الظاهرة.

لذلك، في عام 2012، أعلنت الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء عن مسابقة للفرضيات التي تشرح تأثير مبيمبا. شارك في المسابقة علماء من جميع أنحاء العالم، وتم تسجيل ما مجموعه 22000 الأعمال العلمية. على الرغم من هذا العدد الهائل من المقالات، لم يوضح أي منها مفارقة مبيمبا.

كان الإصدار الأكثر شيوعًا هو أن الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع، لأنه ببساطة يتبخر بشكل أسرع، ويصبح حجمه أصغر، ومع انخفاض الحجم، يزداد معدل التبريد. تم دحض النسخة الأكثر شيوعًا في النهاية لأنه تم إجراء تجربة تم فيها استبعاد التبخر، ولكن تم تأكيد التأثير مع ذلك.

ويعتقد علماء آخرون أن سبب تأثير مبيمبا هو تبخر الغازات الذائبة في الماء. في رأيهم، أثناء عملية التسخين، تتبخر الغازات المذابة في الماء، مما يجعلها تكتسب المزيد كثافة عاليةمن البرد. وكما هو معروف فإن زيادة الكثافة تؤدي إلى التغيير الخصائص الفيزيائيةالماء (زيادة التوصيل الحراري)، وبالتالي زيادة في معدل التبريد.

بالإضافة إلى ذلك، تم طرح عدد من الفرضيات التي تصف معدل دوران المياه اعتمادًا على درجة الحرارة. وقد حاولت العديد من الدراسات إثبات العلاقة بين مادة الحاويات التي يوجد فيها السائل. بدت العديد من النظريات معقولة جدًا، لكن لم يكن من الممكن تأكيدها علميًا بسبب نقص البيانات الأولية، أو التناقضات في التجارب الأخرى، أو لأن العوامل المحددة لم تكن ببساطة قابلة للمقارنة مع معدل تبريد الماء. شكك بعض العلماء في أعمالهم في وجود التأثير.

في عام 2013، ادعى الباحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة أنهم حلوا لغز تأثير مبيمبا. وبحسب أبحاثهم فإن سبب هذه الظاهرة يكمن في أن كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء البارد والساخن تختلف بشكل كبير.

أظهرت طرق النمذجة الحاسوبية النتائج التالية: كلما ارتفعت درجة حرارة الماء، زادت المسافة بين الجزيئات بسبب زيادة قوى التنافر. وبالتالي فإن الروابط الهيدروجينية للجزيئات تمتد وتخزن كمية كبيرةطاقة. عندما تبرد، تبدأ الجزيئات في الاقتراب من بعضها البعض، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة من الروابط الهيدروجينية. في هذه الحالة، يكون إطلاق الطاقة مصحوبًا بانخفاض في درجة الحرارة.

في أكتوبر 2017، وجد الفيزيائيون الإسبان، في سياق دراسة أخرى، أن الدور الرئيسي في تكوين التأثير يلعبه إزالة المادة من التوازن (التسخين القوي قبل التبريد القوي). لقد حددوا الظروف التي يكون فيها احتمال حدوث التأثير هو الحد الأقصى. بالإضافة إلى ذلك، أكد علماء من إسبانيا وجود تأثير مبيمبا العكسي. ووجدوا أنه عند تسخينها، يمكن للعينة الباردة أن تصل إلى درجة حرارة عالية بشكل أسرع من العينة الأكثر دفئا.

وعلى الرغم من المعلومات الشاملة والتجارب العديدة، يعتزم العلماء مواصلة دراسة التأثير.

تأثير Mpemba في الحياة الحقيقية

هل سبق لك أن تساءلت لماذا وقت الشتاءحلبة التزلج تغمرها المياه الماء الساخن، وليس باردا؟ كما تفهم بالفعل، فإنهم يفعلون ذلك لأن حلبة التزلج المملوءة بالماء الساخن سوف تتجمد بشكل أسرع مما لو كانت مملوءة بالماء البارد. لنفس السبب، يتم سكب الماء الساخن في الشرائح في مدن الجليد الشتوية.

وبالتالي فإن معرفة وجود الظاهرة تتيح للناس توفير الوقت عند إعداد المواقع لها الأنواع الشتويةرياضات.

بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم تأثير مبيمبا أحيانًا في الصناعة لتقليل وقت تجميد المنتجات والمواد والمواد التي تحتوي على الماء.

وظاهرة تجمد الماء الساخن بمعدل أسرع من الماء البارد معروفة في العلم باسم تأثير مبيمبا. لقد فكرت العقول العظيمة مثل أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت في هذه الظاهرة المتناقضة، لكن منذ آلاف السنين لم يتمكن أحد حتى الآن من تقديم تفسير معقول لهذه الظاهرة.

فقط في عام 1963، لاحظ تلميذ من جمهورية تنجانيقا، إراستو مبيمبا، هذا التأثير باستخدام مثال الآيس كريم، ولكن لم يقدم له أي شخص بالغ تفسيرًا. ومع ذلك، فقد فكر الفيزيائيون والكيميائيون بجدية في مثل هذه الظاهرة البسيطة، ولكن غير المفهومة.

منذ ذلك الحين، تم التعبير عن إصدارات مختلفة، وكان أحدها على النحو التالي: يتبخر جزء من الماء الساخن أولاً ببساطة، وبعد ذلك، عندما يبقى أقل، يتجمد الماء بشكل أسرع. أصبح هذا الإصدار بسبب بساطته هو الأكثر شعبية، لكنه لم يرضي العلماء تماما.

الآن يقول فريق من الباحثين من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة، بقيادة الكيميائي شي تشانغ، إنهم حلوا اللغز القديم حول سبب تجمد الماء الدافئ بشكل أسرع من الماء البارد. وكما اكتشف الخبراء الصينيون، فإن السر يكمن في كمية الطاقة المخزنة في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

كما تعلم، تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واحدة وذرتين هيدروجين مرتبطتين معًا بروابط تساهمية، والتي تبدو على مستوى الجسيمات وكأنها تبادل للإلكترونات. آخر حقيقة معروفةيكمن في حقيقة أن ذرات الهيدروجين تنجذب إلى ذرات الأكسجين من الجزيئات المجاورة - وتتشكل روابط هيدروجينية.

وفي الوقت نفسه، تتنافر جزيئات الماء بشكل عام مع بعضها البعض. لاحظ علماء من سنغافورة: كلما كان الماء أكثر دفئا، كلما زادت المسافة بين جزيئات السائل بسبب زيادة قوى التنافر. ونتيجة لذلك، تتمدد الروابط الهيدروجينية وبالتالي تخزن المزيد من الطاقة. يتم إطلاق هذه الطاقة عندما يبرد الماء، حيث تقترب الجزيئات من بعضها البعض. وإطلاق الطاقة كما هو معروف يعني التبريد.

كما كتب الكيميائيون في مقالتهم، والتي يمكن العثور عليها على موقع ما قبل الطباعة arXiv.org، تكون الروابط الهيدروجينية في الماء الساخن أقوى منها في الماء البارد. وهكذا، اتضح أنه يتم تخزين المزيد من الطاقة في الروابط الهيدروجينية للماء الساخن، مما يعني إطلاق المزيد منها عند تبريده إلى درجات حرارة دون الصفر. لهذا السبب، يحدث التصلب بشكل أسرع.

حتى الآن، تمكن العلماء من حل هذا اللغز من الناحية النظرية فقط. عندما يقدمون أدلة مقنعة على نسختهم، يمكن اعتبار مسألة لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد مغلقة.

كانت الكيمياء إحدى المواد المفضلة لدي في المدرسة. ذات مرة كلفنا مدرس الكيمياء بمهمة غريبة وصعبة للغاية. لقد أعطانا قائمة بالأسئلة التي كان علينا الإجابة عليها فيما يتعلق بالكيمياء. لقد تم منحنا عدة أيام لهذه المهمة وتم السماح لنا باستخدام المكتبات ومصادر المعلومات الأخرى المتاحة. أحد هذه الأسئلة يتعلق بنقطة تجمد الماء. لا أتذكر بالضبط كيف بدا السؤال، لكنه كان يتعلق بحقيقة أنك إذا أخذت دلوين خشبيين من نفس الحجم، أحدهما به ماء ساخن والآخر به ماء بارد (مع درجة حرارة محددة بدقة)، ووضعتهما في بيئة ذات درجة حرارة معينة، أي منها سوف تتجمد بشكل أسرع؟ بالطبع، اقترحت الإجابة على الفور - دلو من الماء البارد، لكننا اعتقدنا أنه كان بسيطا للغاية. ولكن هذا لم يكن كافيا لإعطاء إجابة كاملة، وكان علينا إثبات ذلك من وجهة نظر كيميائية. وعلى الرغم من كل تفكيري وأبحاثي، لم أتمكن من التوصل إلى نتيجة منطقية. حتى أنني قررت تخطي هذا الدرس في ذلك اليوم، لذلك لم أتعلم حل هذا اللغز أبدًا.

ومرت السنوات، وتعلمت الكثير من الأساطير اليومية حول درجة غليان وتجمد الماء، وكانت إحدى الأساطير تقول: “الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع”. لقد بحثت في العديد من المواقع، ولكن المعلومات كانت متضاربة للغاية. وكانت هذه مجرد آراء لا أساس لها من الناحية العلمية. وقررت إجراء تجربتي الخاصة. وبما أنني لم أتمكن من العثور على دلاء خشبية، فقد استخدمت الفريزر والموقد وبعض الماء ومقياس الحرارة الرقمي. سأخبركم عن نتائج تجربتي بعد قليل. أولاً، سأشارككم بعض الحجج المثيرة للاهتمام حول الماء:

يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. يقول معظم الخبراء أن الماء البارد سوف يتجمد بشكل أسرع من الماء الساخن. لكن هناك ظاهرة مضحكة (ما يسمى بتأثير ميمبا)، لأسباب غير معروفة، تثبت العكس: الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد. أحد التفسيرات المتعددة هو عملية التبخر: إذا تم وضع ماء ساخن جدًا في بيئة باردة، سيبدأ الماء في التبخر (سوف تتجمد الكمية المتبقية من الماء بشكل أسرع). وبحسب قوانين الكيمياء فهذه ليست أسطورة على الإطلاق، وعلى الأغلب هذا ما أراد المعلم أن يسمعه منا.

يتجمد الماء المغلي بشكل أسرع ماء الصنبور. وعلى الرغم من التفسير السابق، يرى بعض الخبراء ذلك ماء مغليعند تبريده إلى درجة حرارة الغرفة، يجب أن يتجمد بشكل أسرع لأن الغليان يقلل من كمية الأكسجين.

الماء البارد يغلي أسرع من الماء الساخن. إذا كان الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع، فربما يغلي الماء البارد بشكل أسرع! وهذا يتناقض الفطرة السليمةويقول العلماء أن هذا ببساطة لا يمكن أن يكون. يجب أن يغلي ماء الصنبور الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. لكن استخدام الماء الساخن للغليان لا يوفر الطاقة. يمكنك استخدام كمية أقل من الغاز أو الضوء، لكن سخان المياه سيستخدم نفس كمية الطاقة اللازمة لتسخين الماء البارد. (مع الطاقة الشمسية الوضع مختلف قليلاً). نتيجة لتسخين الماء بواسطة سخان الماء، قد تظهر رواسب، وبالتالي سيستغرق الماء وقتا أطول ليسخن.

إذا أضفت الملح إلى الماء، فسوف يغلي بشكل أسرع. يزيد الملح من درجة الغليان (وبالتالي يخفض درجة التجمد - ولهذا السبب تضيف بعض ربات البيوت القليل من الملح إلى الآيس كريم الخاص بهن). الملح الصخري). لكن في هذه الحالة نحن مهتمون بسؤال آخر: إلى متى سيغلي الماء وما إذا كانت درجة الغليان في هذه الحالة يمكن أن ترتفع فوق 100 درجة مئوية). وعلى الرغم مما تقوله كتب الطبخ، يقول العلماء إن كمية الملح التي نضيفها إلى الماء المغلي لا تكفي للتأثير على وقت الغليان أو درجة الحرارة.

ولكن هنا ما حصلت عليه:

الماء البارد: استخدمت ثلاثة أكواب زجاجية سعة 100 مل من الماء النقي: كوب واحد بدرجة حرارة الغرفة (72 درجة فهرنهايت/22 درجة مئوية)، وواحد به ماء ساخن (115 درجة فهرنهايت/46 درجة مئوية)، وواحد به ماء مغلي (212 درجة مئوية). درجة فهرنهايت/100 درجة مئوية). لقد وضعت الكؤوس الثلاثة في الثلاجة عند -18 درجة مئوية. وبما أنني كنت أعرف أن الماء لن يتحول على الفور إلى الجليد، فقد حددت درجة التجميد باستخدام "عوامة خشبية". عندما لم تعد العصا الموضوعة في وسط الكوب تلامس القاعدة، اعتبرت أن الماء متجمد. لقد قمت بفحص النظارات كل خمس دقائق. وما هي نتائجي؟ تجمد الماء في الكوب الأول بعد 50 دقيقة. تجمد الماء الساخن بعد 80 دقيقة. مسلوق - بعد 95 دقيقة. النتائج التي توصلت إليها: نظرًا لظروف الفريزر والمياه التي استخدمتها، لم أتمكن من إعادة إنتاج تأثير ميمبا.

لقد قمت أيضًا بتجربة هذه التجربة سابقًا ماء مغلي، يبرد إلى درجة حرارة الغرفة. لقد تجمد في غضون 60 دقيقة - ولا يزال يستغرق وقتًا أطول من الماء البارد للتجميد.

الماء المغلي: أخذت لتراً من الماء بدرجة حرارة الغرفة ووضعته على النار. تم غليه في 6 دقائق. ثم قمت بتبريده مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة وأضفته إليه وهو ساخن. بنفس النار، تم غلي الماء الساخن في 4 ساعات و30 دقيقة. الخلاصة: كما هو متوقع، الماء الساخن يغلي بشكل أسرع بكثير.

الماء المغلي (مع الملح): أضفت ملعقتين كبيرتين من ملح الطعام لكل 1 لتر من الماء. وقد غلي في 6 دقائق و33 ثانية، وكما أظهر مقياس الحرارة وصلت درجة الحرارة إلى 102 درجة مئوية. مما لا شك فيه أن الملح يؤثر على درجة الغليان، ولكن ليس كثيرا. الخلاصة: الملح في الماء لا يؤثر بشكل كبير على درجة الحرارة ووقت الغليان. أعترف بصدق أنه من الصعب وصف مطبخي بالمختبر، وربما تتعارض استنتاجاتي مع الواقع. قد لا يقوم المُجمد الخاص بي بتجميد الطعام بشكل متساوٍ. يمكن أن تكون نظارتي الزجاجية ذو شكل غير منتظم، إلخ. ولكن بغض النظر عما يحدث في المختبر، عندما يتعلق الأمر بتجميد أو غلي الماء في المطبخ، فإن الشيء الأكثر أهمية هو المنطق السليم.

ربط مع حقائق مثيرة للاهتمامعن الماءكل شيء عن الماء
كما هو مقترح في forum.ixbt.com، هذا التأثير (تأثير تجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد) يسمى "تأثير أرسطو-مبيمبا"

أولئك. الماء المغلي (المبرد) يتجمد أسرع من الماء الخام

تأثير مبيمبا(مفارقة مبيمبا) هي مفارقة تنص على أن الماء الساخن في بعض الظروف يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، على الرغم من أنه يجب أن يتجاوز درجة حرارة الماء البارد أثناء عملية التجميد. هذه المفارقة هي حقيقة تجريبية تتناقض مع الأفكار المعتادة، والتي بموجبها، في ظل نفس الظروف، يستغرق الجسم الأكثر حرارة وقتًا أطول ليبرد إلى درجة حرارة معينة مقارنة بالجسم الأقل حرارة ليبرد إلى نفس درجة الحرارة.

وقد لاحظ أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت هذه الظاهرة في وقت واحد، ولكن في عام 1963 فقط اكتشف التلميذ التنزاني إراستو مبيمبا أن خليط الآيس كريم الساخن يتجمد بشكل أسرع من خليط بارد.

كونه طالبا في Magambinskaya المدرسة الثانويةفي تنزانيا فعل إراستو مبيمبا العمل التطبيقيبواسطة طبخ. كان بحاجة إلى صنع الآيس كريم محلي الصنع - غلي الحليب، وحل السكر فيه، وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم وضعه في الثلاجة لتجميده. على ما يبدو، لم يكن مبيمبا طالبًا مجتهدًا بشكل خاص وتأخر في إكمال الجزء الأول من المهمة. خوفًا من عدم وصوله إلى نهاية الدرس، وضع الحليب الساخن في الثلاجة. ولدهشته، فقد تجمد حتى قبل أن يتجمد حليب رفاقه المحضر وفقًا للتقنية المحددة.

بعد ذلك، لم يقم مبيمبا بإجراء التجارب باستخدام الحليب فحسب، بل أيضًا باستخدام الماء العادي. على أية حال، عندما كان طالبًا في مدرسة مكواوا الثانوية، سأل البروفيسور دينيس أوزبورن من الكلية الجامعية في دار السلام (دعاه مدير المدرسة لإلقاء محاضرة عن الفيزياء للطلاب) تحديدًا عن الماء: "إذا أخذت حاويتين متطابقتين مع أحجام متساويةالماء بحيث تكون درجة حرارة الماء في أحدهما 35 درجة مئوية، وفي الآخر - 100 درجة مئوية، ووضعهما في الثلاجة، ثم في الثانية سوف يتجمد الماء بشكل أسرع. لماذا؟" أصبح أوزبورن مهتمًا بهذا السؤال وسرعان ما نشر هو ومبيمبا نتائج تجاربهما في مجلة تعليم الفيزياء في عام 1969. ومنذ ذلك الحين، أصبح التأثير الذي اكتشفوه يسمى تأثير مبيمبا.

وحتى الآن، لا أحد يعرف بالضبط كيف يفسر هذا التأثير الغريب. ليس لدى العلماء نسخة واحدة، على الرغم من وجود الكثير. الأمر كله يتعلق بالاختلاف في خصائص الماء الساخن والبارد، ولكن ليس من الواضح بعد ما هي الخصائص التي تلعب دورًا في هذه الحالة: الفرق في التبريد الفائق، أو التبخر، أو تكوين الجليد، أو الحمل الحراري، أو تأثير الغازات المسالة على الماء عند درجة حرارة منخفضة. درجات حرارة مختلفة.

المفارقة في تأثير مبيمبا هي الوقت الذي يبرد فيه الجسم إلى درجة الحرارة بيئة، يجب أن يتناسب مع الفرق في درجة الحرارة بين هذا الجسم والبيئة. لقد وضع نيوتن هذا القانون وتم تأكيده عدة مرات منذ ذلك الحين في الممارسة العملية. في هذا التأثير، يبرد الماء الذي تبلغ درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية أسرع من نفس الكمية من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية.

ومع ذلك، فإن هذا لا يعني وجود مفارقة بعد، حيث يمكن تفسير تأثير مبيمبا في إطار الفيزياء المعروفة. فيما يلي بعض التفسيرات لتأثير مبيمبا:

تبخر

يتبخر الماء الساخن بشكل أسرع من الحاوية، وبالتالي يقلل حجمه، ويتجمد حجم أصغر من الماء عند نفس درجة الحرارة بشكل أسرع. الماء الذي يتم تسخينه إلى 100 درجة مئوية يفقد 16% من كتلته عند تبريده إلى درجة صفر مئوية.

تأثير التبخر هو تأثير مزدوج. أولاً، يتم تقليل كتلة الماء اللازمة للتبريد. وثانياً: تنخفض درجة الحرارة بسبب انخفاض حرارة التبخر للانتقال من الطور المائي إلى الطور البخاري.

الفرق في درجة الحرارة

ونظرًا لأن الفرق في درجة الحرارة بين الماء الساخن والهواء البارد أكبر، فإن التبادل الحراري في هذه الحالة يكون أكثر كثافة ويبرد الماء الساخن بشكل أسرع.

انخفاض حرارة الجسم

عندما يبرد الماء إلى أقل من 0 درجة مئوية، فإنه لا يتجمد دائمًا. في بعض الظروف، يمكن أن يتعرض للتبريد الفائق، ويستمر في البقاء سائلاً عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. في بعض الحالات، يمكن أن يظل الماء سائلاً حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.

والسبب في هذا التأثير هو أنه لكي تبدأ بلورات الجليد الأولى في التشكل، هناك حاجة إلى مراكز تكوين البلورات. إذا لم تكن موجودة في الماء السائل، فسوف يستمر التبريد الفائق حتى تنخفض درجة الحرارة بدرجة كافية بحيث تبدأ البلورات في التشكل تلقائيًا. عندما تبدأ في التشكل في السائل فائق التبريد، ستبدأ في النمو بشكل أسرع، وتشكل جليدًا ذائبًا، والذي سيتجمد ليشكل جليدًا.

الماء الساخن هو الأكثر عرضة لانخفاض حرارة الجسم لأن تسخينه يزيل الغازات والفقاعات الذائبة، والتي بدورها يمكن أن تكون بمثابة مراكز لتكوين بلورات الجليد.

لماذا يؤدي انخفاض حرارة الجسم إلى تجميد الماء الساخن بشكل أسرع؟ في حالة الماء البارد غير فائق التبريد، يحدث ما يلي. في هذه الحالة، سوف تتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الوعاء. ستعمل هذه الطبقة من الجليد كعازل بين الماء والهواء البارد وتمنع المزيد من التبخر. سيكون معدل تكوين بلورات الجليد في هذه الحالة أقل. في حالة الماء الساخن المعرض للتبريد الفائق، لا يحتوي الماء فائق التبريد على طبقة سطحية واقية من الجليد. ولذلك، فإنه يفقد الحرارة بشكل أسرع بكثير من خلال الجزء العلوي المفتوح.

عندما تنتهي عملية التبريد الفائق ويتجمد الماء، يتم فقدان المزيد من الحرارة وبالتالي يتكون المزيد من الجليد.

يعتبر العديد من الباحثين في هذا التأثير أن انخفاض حرارة الجسم هو العامل الرئيسي في حالة تأثير مبيمبا.

الحمل الحراري

يبدأ الماء البارد بالتجمد من الأعلى، مما يؤدي إلى تفاقم عمليات الإشعاع الحراري والحمل الحراري، وبالتالي فقدان الحرارة، بينما يبدأ الماء الساخن بالتجمد من الأسفل.

ويفسر هذا التأثير بوجود شذوذ في كثافة الماء. تبلغ كثافة الماء الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. إذا قمت بتبريد الماء إلى 4 درجات مئوية ووضعته في درجة حرارة أقل، فإن الطبقة السطحية من الماء سوف تتجمد بشكل أسرع. ولأن هذا الماء أقل كثافة من الماء عند درجة حرارة 4 درجات مئوية، فإنه سيبقى على السطح مكونًا طبقة رقيقة باردة. وفي ظل هذه الظروف، ستتشكل طبقة رقيقة من الجليد على سطح الماء خلال فترة قصيرة، لكن هذه الطبقة من الجليد ستكون بمثابة عازل، حيث تحمي الطبقات السفلية من الماء، والتي ستبقى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. ولذلك، فإن عملية التبريد الإضافية ستكون أبطأ.

أما في حالة الماء الساخن فالوضع مختلف تماما. سوف تبرد الطبقة السطحية من الماء بسرعة أكبر بسبب التبخر و فرق أكبردرجات الحرارة بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقات الماء البارد أكثر كثافة من طبقات الماء الساخن، وبالتالي فإن طبقة الماء البارد ستغرق للأسفل، مما يؤدي إلى رفع الطبقة ماء دافئإلى السطح. يضمن تداول الماء هذا انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة.

لكن لماذا لا تصل هذه العملية إلى نقطة التوازن؟ لشرح تأثير مبيمبا من وجهة نظر الحمل الحراري، سيكون من الضروري افتراض أن طبقات الماء الباردة والساخنة منفصلة وأن عملية الحمل الحراري نفسها تستمر بعد ذلك. معدل الحرارةسوف تنخفض درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية.

ومع ذلك، لا يوجد دليل تجريبي يدعم هذه الفرضية القائلة بأن طبقات الماء الباردة والساخنة يتم فصلها عن طريق عملية الحمل الحراري.

الغازات الذائبة في الماء

يحتوي الماء دائمًا على غازات مذابة فيه - الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. ولهذه الغازات القدرة على تقليل درجة تجمد الماء. عند تسخين الماء، تنطلق هذه الغازات من الماء بسبب قابلية ذوبانها في الماء درجة حرارة عاليةأقل. لذلك، عندما يبرد الماء الساخن، فإنه يحتوي دائمًا على غازات مذابة أقل من الماء البارد غير المسخن. ولذلك، فإن نقطة تجمد الماء الساخن أعلى ويتجمد بشكل أسرع. يعتبر هذا العامل في بعض الأحيان هو العامل الرئيسي في تفسير تأثير مبيمبا، على الرغم من عدم وجود بيانات تجريبية تؤكد هذه الحقيقة.

توصيل حراري

يمكن أن تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا عند وضع الماء في حجرة الثلاجة والفريزر في حاويات صغيرة. وفي ظل هذه الظروف، لوحظ أن وعاء به ماء ساخن يذيب الجليد تحته الفريزروبالتالي تحسين الاتصال الحراري مع جدار الفريزر والتوصيل الحراري. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من وعاء الماء الساخن بشكل أسرع من وعاء الماء البارد. وفي المقابل، فإن وعاء به ماء بارد لا يذيب الثلج الموجود تحته.

تمت دراسة كل هذه الظروف (وكذلك غيرها) في العديد من التجارب، ولكن لم يتم الحصول على إجابة واضحة على السؤال - أي منها يوفر استنساخًا بنسبة مائة بالمائة لتأثير مبيمبا - لم يتم الحصول عليها مطلقًا.

على سبيل المثال، في عام 1995، قام الفيزيائي الألماني ديفيد أورباخ بدراسة تأثير الماء فائق التبريد على هذا التأثير. اكتشف أن الماء الساخن، الذي يصل إلى حالة التبريد الفائق، يتجمد عند درجة حرارة أعلى من الماء البارد، وبالتالي أسرع من الأخير. لكن الماء البارد يصل إلى حالة التبريد الفائق بشكل أسرع من الماء الساخن، وبالتالي يعوض التأخر السابق.

بالإضافة إلى ذلك، تناقضت نتائج أورباخ مع البيانات السابقة التي تقول إن الماء الساخن كان قادرًا على تحقيق قدر أكبر من التبريد الفائق بسبب عدد أقل من مراكز التبلور. عند تسخين الماء تخرج منه الغازات الذائبة فيه، وعند غليه تترسب بعض الأملاح الذائبة فيه.

في الوقت الحالي، من الممكن ذكر شيء واحد فقط - إن استنساخ هذا التأثير يعتمد بشكل كبير على الظروف التي يتم فيها إجراء التجربة. على وجه التحديد لأنه لا يتم إعادة إنتاجه دائمًا.

مرحبا عزيزي العشاق حقائق مثيرة للاهتمام. اليوم سنتحدث معكم عنه. لكنني أعتقد أن السؤال المطروح في العنوان قد يبدو سخيفًا ببساطة - ولكن ينبغي للمرء دائمًا أن يثق تمامًا في "الفطرة السليمة" سيئة السمعة وليس في تجربة اختبارية راسخة. دعونا نحاول معرفة لماذا يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد؟

مرجع تاريخي

أنه في مسألة تجميد الماء البارد والساخن، تم ذكر "ليس كل شيء نقيًا" في أعمال أرسطو، ثم تم تقديم ملاحظات مماثلة بواسطة F. Bacon و R. Descartes و J. Black. في التاريخ الحديثأُطلق على هذا التأثير اسم "مفارقة مبيمبا" - على اسم تلميذ تنجانيقا إراستو مبيمبا، الذي طرح نفس السؤال على أستاذ فيزياء زائر.

سؤال الصبي لم يأت من العدم، بل من ملاحظات شخصية بحتة لعملية تبريد خليط الآيس كريم في المطبخ. وبطبيعة الحال، زملاء الدراسة الذين كانوا حاضرين هناك، جنبا إلى جنب مع معلم المدرسةضحك على مبيمبا - ولكن بعد الاختبار التجريبي الذي أجراه البروفيسور د. أوزبورن شخصيًا، "تبخرت" الرغبة في السخرية من إيراستو. علاوة على ذلك، نشر مبيمبا، مع أحد الأساتذة، وصفًا تفصيليًا لهذا التأثير في تعليم الفيزياء في عام 1969 - ومنذ ذلك الحين تم تثبيت الاسم المذكور أعلاه في الأدبيات العلمية.

ما هو جوهر الظاهرة؟

إعداد التجربة بسيط للغاية: مع تساوي جميع الأشياء الأخرى، يتم اختبار الأوعية المتطابقة ذات الجدران الرقيقة، بدقة كميات متساويةالمياه التي تختلف فقط في درجة الحرارة. يتم تحميل الأوعية في الثلاجة، وبعد ذلك يتم تسجيل الوقت حتى يتشكل الجليد في كل منها. المفارقة هي أنه في الوعاء الذي يحتوي على سائل أكثر سخونة في البداية، يحدث هذا بشكل أسرع.

فكيف تفسر الفيزياء الحديثة ذلك؟

ليس للمفارقة تفسير عالمي، حيث أن العديد من العمليات المتوازية تحدث معًا، والتي قد تختلف مساهمتها اعتمادًا على الظروف الأولية المحددة - ولكن بنتيجة موحدة:

• قدرة السائل على التبريد الفائق - في البداية يكون الماء البارد أكثر عرضة للتبريد الفائق، أي. يبقى سائلاً عندما تكون درجة حرارته أقل من نقطة التجمد بالفعل
• التبريد المتسارع - يتحول البخار الناتج عن الماء الساخن إلى بلورات ثلجية دقيقة، والتي عند تراجعها، تعمل على تسريع العملية، وتعمل بمثابة "مبادل حراري خارجي" إضافي
• تأثير العزل - على عكس الماء الساخن، يتجمد الماء البارد من الأعلى، مما يؤدي إلى انخفاض في نقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري والإشعاع

هناك عدد من التفسيرات الأخرى (آخر مرة عقدت فيها الجمعية الملكية البريطانية للكيمياء مسابقة لأفضل فرضية كانت مؤخرًا في عام 2012) - ولكن لا توجد حتى الآن نظرية لا لبس فيها لجميع حالات مجموعات شروط الإدخال...