Kuris vanduo užšąla greičiau, karštas ar š altas, priklauso nuo daugelio veiksnių, tačiau pats klausimas atrodo šiek tiek keistas. Numanoma, o iš fizikos žinoma, kad karštam vandeniui dar reikia laiko atvėsti iki panašaus š alto vandens temperatūros, kad jis virstų ledu. Naudojant š altą vandenį, šį etapą galima praleisti ir, atitinkamai, jis laimi laiku.
Tačiau atsakymą į klausimą, kuris vanduo greičiau užšąla – š altas ar karštas – gatvėje esant šalčiui, žino bet kuris šiaurinių platumų gyventojas. Tiesą sakant, moksliškai paaiškėja, kad bet kokiu atveju š altas vanduo tiesiog turi greičiau užš alti.
Taip padarė ir fizikos mokytojas, į kurį 1963 metais kreipėsi moksleivis Erasto Mpemba su prašymu paaiškinti, kodėl š altas būsimų ledų mišinys užšąla ilgiau nei tie patys, bet karšti.
Tai ne pasaulio fizika, o kažkokia Mpemba fizika
Tuo metu mokytojas iš to tik juokėsi, tačiau Denisas Osbornas, fizikos profesorius, kažkada mokęs tą pačią mokyklą, kurioje mokėsi Erasto, eksperimentiškai patvirtino tokio poveikio egzistavimą, nors buvo. tada jokio paaiškinimo tam nėra. 1969 m. populiarus mokslinis žurnalas paskelbė bendrą dviejų vyrų, kurie apibūdino šį savotišką poveikį, straipsnį.
Nuo tada, beje, klausimas, kuris vanduo užšąla greičiau – karštas ar š altas, turi savo pavadinimą – efektas, arba paradoksas, Mpemba.
Klausimas kilo seniai
Natūralu, kad toks reiškinys yra buvęs ir anksčiau, buvo minimas ir kitų mokslininkų darbuose. Šiuo klausimu domėjosi ne tik moksleivis, bet ir Francis Baconas, Rene Descartesas ir net Aristotelis vienu metu apie tai galvojo.
Tai tik šio paradokso sprendimo būdai pradėti žiūrėti tik XX amžiaus pabaigoje.
Sąlygos paradoksui atsirasti
Kaip ir su ledais, eksperimento metu užšąla ne tik paprastas vanduo. Tam, kad būtų galima ginčytis, kuris vanduo greičiau užšąla – š altas ar karštas, turi būti tam tikros sąlygos. Kas turi įtakos šiam procesui?
Dabar, XXI amžiuje, buvo pasiūlyta keletas variantų, kurie gali paaiškintišis paradoksas. Kuris vanduo užšąla greičiau, karštas ar š altas, gali priklausyti nuo to, kad karštas vanduo išgaruoja greičiau nei š altas vanduo. Taigi jo tūris mažėja, o sumažėjus tūriui, užšalimo laikas trumpėja, nei vartojant panašų pradinį š alto vandens kiekį.
Šaldytuvas buvo atitirpęs ilgą laiką
Kuris vanduo užšąla greičiau ir kodėl užšąla, gali turėti įtakos sniego pamušalas, kuris gali būti eksperimentui naudoto šaldytuvo šaldiklyje. Jei paimsite du vienodo tūrio indus, tačiau viename iš jų bus karštas, o kitame – š altas vanduo, indas su karštu vandeniu ištirpdys po juo esantį sniegą, taip pagerindamas terminio lygio kontaktą su šaldytuvo sienele. Š alto vandens talpykla to negali padaryti. Jei šaldytuvo skyriuje nėra tokio pamušalo su sniegu, š altas vanduo turėtų užš alti greičiau.
Viršus – apačia
Taip pat reiškinys, kai vanduo užšąla greičiau – karštas ar š altas, paaiškinamas taip. Laikantis tam tikrų dėsnių, š altas vanduo pradeda stingti iš viršutinių sluoksnių, kai karštas vanduo tai daro atvirkščiai – ima stingti iš apačios į viršų. Pasirodo, š altas vanduo, turintis ant viršaus š altą sluoksnį su jau vietomis susidariusiu ledu, taip pablogina konvekcijos ir šiluminės spinduliuotės procesus, tuo paaiškindamas, kuris vanduo greičiau užšąla – š altas ar karštas. Nuotraukos iš mėgėjųeksperimentai pridedami ir tai aiškiai matoma čia.
Išeina šiluma, linkusi į viršų ir ten susitinka labai atšalusį sluoksnį. Laisvo kelio šilumos spinduliuotei nėra, todėl aušinimo procesas pasunkėja. Karšto vandens kelyje tokių kliūčių visiškai nėra. Kuris užšąla greičiau – š altas ar karštas, nuo kurio priklauso tikėtina baigtis, galite išplėsti atsakymą sakydami, kad bet kuriame vandenyje yra ištirpusių tam tikrų medžiagų.
Vandens sudėties priemaišos kaip veiksnys, turintis įtakos rezultatui
Jei neapgaudinėjate ir naudojate tokios pačios sudėties vandenį, kuriame tam tikrų medžiagų koncentracijos yra identiškos, š altas vanduo turėtų užš alti greičiau. Bet jei susidaro situacija, kai ištirpusių cheminių elementų yra tik karštame vandenyje, o š altas vanduo jų neturi, tada karštas vanduo turi galimybę užš alti anksčiau. Tai paaiškinama tuo, kad vandenyje ištirpusios medžiagos sukuria kristalizacijos centrus, o esant nedideliam šių centrų skaičiui, vanduo sunkiai paverčiamas kietu. Galimas net vandens peršalimas ta prasme, kad esant minusinei temperatūrai jis bus skystas.
Tačiau visos šios versijos, matyt, visiškai netiko mokslininkams ir jie toliau dirbo ties šiuo klausimu. 2013 m. Singapūro tyrėjų komanda pasakė, kad išsprendė seną paslaptį.
Grupė Kinijos mokslininkų teigia, kad šio poveikio paslaptis slypi energijos kiekyje, sukauptame tarp vandens molekulių jo ryšiuose, vadinamuose vandenilio ryšiais.
Kinijos mokslininkų užuomina
Toliau bus pateikta informacija, kurios supratimui reikia turėti tam tikrų chemijos žinių, kad išsiaiškintumėte, kuris vanduo užšąla greičiau – karštas ar š altas. Kaip žinote, vandens molekulę sudaro du H (vandenilio) atomai ir vienas O (deguonies) atomas, sujungti kovalentinėmis jungtimis.
Tačiau vienos molekulės vandenilio atomus traukia ir kaimyninės molekulės, jų deguonies komponentas. Būtent šie ryšiai vadinami vandenilio ryšiais.
Verta atsiminti, kad tuo pačiu metu vandens molekulės viena kitą veikia atstumiančiai. Mokslininkai pastebėjo, kad kaitinant vandenį didėja atstumas tarp jo molekulių, o tai palengvina atstumiančios jėgos. Pasirodo, vandeniliniai ryšiai, užimantys vieną atstumą tarp š altos būsenos molekulių, galima sakyti, yra ištempti, ir jie turi didesnį energijos atsargą. Būtent šis energijos rezervas išsiskiria, kai vandens molekulės pradeda artėti viena prie kitos, tai yra, įvyksta aušinimas. Pasirodo, didesnis energijos tiekimas karštame vandenyje ir didesnis jos išsiskyrimas atvėsus iki minusinės temperatūros atsiranda greičiau nei š altame vandenyje, kuris turi tokį tiekimą.mažiau energijos. Taigi kuris vanduo užšąla greičiau – š altas ar karštas? Mpemba paradoksas turėtų įvykti lauke ir laboratorijoje, o karštas vanduo turėtų greičiau virsti ledu.
Bet vis tiek atvira
Yra tik teorinis šios užuominos patvirtinimas – visa tai surašyta gražiomis formulėmis ir atrodo tikėtina. Bet kai eksperimentiniai duomenys, koks vanduo greičiau užšąla – karštas ar š altas, bus pateikti praktine prasme, o jų rezultatai bus pateikti, tada Mpembos paradokso klausimą bus galima laikyti uždarytu.
