Zoufale chcete vodku martini, ale tady je nepříjemné zjištění: v domě je ledová krize. Měli byste: a) naplnit misku na led z čerstvě uvařené konvice nebo b) z kohoutku se studenou vodou, který jste záměrně pustili dolů, aby byla voda co nejchladnější?
Vybereme možnost „a“, protože horká voda ve většině případů zamrzne rychleji než studená. To je překvapivě v rozporu s obecnou myšlenkou, ale podle Petera Barhama je to prokázaný a potvrzený vědecký fakt. Ve své knize The Art of Cooking vysvětluje, jak tento složitý fenomén poprvé představil ve 20. století učený africký školák jménem Erasto B. Mpemba. Erasto experimentoval s použitím nádob stejné velikosti, naplněných přesně stejným množstvím horké a studené tekutiny. Navíc pokaždé, jakmile začal svého učitele fyziky otravovat otázkami, proč horká kapalina mrzne rychleji než studená, byl přímo upozorněn, že udělal nějakou chybu a vyvodil špatný závěr.
Nemůžete vinit Erastova učitele, protože základní fyzikální zákony diktují, že studená voda zamrzá rychleji. Je zcela logické předpokládat, že pro začátek by horká voda, když je umístěna do mrazničky, měla mít stejnou teplotu jako studená voda. “Potom bude trvat stejně dlouho jako studená voda, než se změní v led.” Jinými slovy, stává se z toho něco jako hra na dohánění. Z tohoto důvodu byly výsledky Erastových experimentů brány vážně, až když britský profesor fyziky Osborne navštívil školu, kde chlapec studoval. Erasto položil profesorovi svou oblíbenou otázku. Osborneovou první reakcí bylo stejné zmatení jako učitele. To je nemožné! Ale po návratu domů profesor experiment zopakoval a ke svému úžasu zjistil, že Erasto měl pravdu.
Několik let byla tato hádanka diskutována na stránkách Q&A časopisu New Scientist; Mnoho fyziků se pokoušelo vysvětlit, proč horká voda mrzne rychleji než studená. Peter Barham říká: „Každý rok předkládám svým studentům tento problém a každý rok objevíme nějaký nový detail. Nedávno jeden ze studentů zjistil, že tento jev byl poprvé zaznamenán ve starověkém Řecku – psal o tom sám Aristoteles. Odmlčel se a pak zachmuřeně dodal: “V tuto chvíli na tom pracuje polovina fyzikálního oddělení.”
Barham vysvětluje, že klíčem k vyřešení problému je pravděpodobně přechlazení – proces, při kterém je kapalina přivedena na teplotu pod normální bod mrazu, přičemž se obchází mezistupně. „Jedna věc, kterou už víme jistě, je, že když dáte studenou vodu do mrazáku, podchladí se více než horká voda, to znamená, že dosáhne nižší teploty, než vůbec začne mrznout, a proto horká voda zvítězí. soutěž o rychlost mrazu, která se při vyšších teplotách mění v led. Lze také předpokládat, že vroucí voda obsahuje částice, které podporují krystalizaci ledu. Ale dokud nebudou všechny části problému spojeny do jednoho obrázku, nemůžeme poskytnout úplné vysvětlení.”
Zdá se prostě neuvěřitelné, že jsme se v 21. století nedokázali vyrovnat s tak základním úkolem, jako je tento. Mezitím, pokud máte dva stejné zásobníky na led, můžete pro vlastní potěšení experimentovat se studenou a horkou vodou.
Tento text je informační list.
Pokračování na litry
Přečtěte si také
Gunkan sushi “Třikrát”
Gunkan sushi “Třikrát” • 1 plát nori • 100 g rýže • 80 g kaviáru z létajících ryb • 50 g chuka salátu • 25 ml sójové omáčky • cukr • sůl Rýži propláchneme ve studené tekoucí vodě, přidáme 350 ml studené vody, přivedeme k vaříme a vaříme 15 minut na mírném ohni bez zvednutí víka.
Plněná vejce “San Malo”
Plněná vejce “San Malo” • 2 vejce • 200 g loupaných krevet • 25 g másla • petržel • sůl Vejce uvaříme natvrdo, vychladíme, oloupeme, rozpůlíme, vyjmeme žloutky a rozetřeme s máslem a solí. Krevety vařte 2-3 minuty, sceďte, ochlaďte a
Výpočet doby půstu
Výpočet postních časů Ve starověku se používal lunární kalendář, podle kterého se rok dělí na 12 lunárních měsíců Dva lunární měsíce tvoří 59 dní, proto se dříve věřilo, že jeden měsíc má 30 dní a druhý 29 Celkem je v lunárním roce 354 dní. nicméně
Studená (horká) brusinková šťáva
Cranberry Juice Gravy Studená (horká) Připravte brusinkovou šťávu (viz recept). Půl sklenice studené šťávy smícháme se škrobem a za stálého míchání vlijeme tenkým pramínkem do zbylé vroucí šťávy. Když se vaří a mírně zhoustne, přidáme cukr.3 hrnky brusinek
Omáčka z bobulového sirupu, studená (horká)
Omáčka z bobulového sirupu, studená (horká) Sklenici sirupu smícháme se škrobem a tenkým pramínkem vlijeme do zbývajícího vroucího sirupu. Když se vaří a zhoustne, podávejte nebo chlaďte. 3 šálky bobulového sirupu, 1,5 lžičky brambor
2.5. Čas léčí, ale dá se to udělat rychleji
2.5. Čas se léčí, ale můžete to udělat rychleji. Pokud dobře vidíte na dvě oči, nemusíte jich mít sto. uzbecké přísloví. “Jsem klidný, naprosto klidný, dokonce i vůči myším.” Formy z komplexu „Měděná brána“ pro léčení orgánů trávicího traktu Ranní cvičení v
Pomerančová voda (nebo grapefruitová voda)
Pomerančová voda (nebo grapefruitová voda) 8 zralých pomerančů (nebo grapefruitů) nakrájíme na plátky a posypeme cukrem (2 kg). Zalijte 10 litry vody a přiveďte k varu. Vařte na mírném ohni hodinu a poté vyjměte. K přípravě pomerančové šťávy
Proč se voda vaří?
Proč se voda vaří? „Moje žena a já se prostě nemůžeme shodnout na této otázce: Bude voda v hrnci vařit rychleji, když je přikrytá pokličkou? Říká, že ano, bude to vařit rychleji, protože bez pokličky se prostě ztrácí spousta tepla. Věřím, že se to uvaří
Horká voda zamrzne rychleji!
Horká voda zamrzne rychleji! „Hosté měli dorazit na večírek za tři hodiny a já jsem nutně potřeboval připravit určité množství ledu. Slyšel jsem, že horká voda mrzne rychleji než studená. Co se stane, musel jsem do formy nalít horkou vodu
Salát „Sám bych to snědl, ale nemám dost peněz“
Salát „Sám bych to snědl, ale nemám dost peněz“ Ingredience 1/2 hlávky zelí, 1/3 hrnku sušených meruněk, 1/3 hrnku sušených švestek, 1/3 hrnku rozinek, majonéza, sůl Postup přípravy: Zelí nakrájíme nadrobno, umeleme se solí a slijeme přebytečnou vlhkost. Sušené ovoce namočíme, necháme okapat v cedníku,
Rassolnik v masovém vývaru s mořskou řasou a kořenovou petrželkou „Dejte všechno – ale ne dost“
Rassolnik v masovém vývaru s mořskou řasou a petrželkou „Dejte všechno – ale málo“? 200–250 g mořských řas? 4-5 brambor? 2-3 kořeny petržele? 1 cibule? 2 okurky? 1 litr 500 ml masového vývaru? 2 polévkové lžíce. lžíce másla? okurka, bobkový list, koření,
O čase a lidech
O čase a lidech Svoboda nemá nic společného s osvobozeným chováním nebo životem v sobecké osamělosti. Svoboda znamená především zůstat člověkem a pak citlivým lékařem, nadaným kuchařem nebo čteným spisovatelem.Jednoho dne mě soudruhu Burak
Postarejte se o svůj čas na slunci
Postarejte se o svůj čas na slunci Řešení je nakonec opět velmi jednoduché. A je úžasné, jak dlouho trvalo, než nám to došlo. Přísně vzato bychom si měli pamatovat pouze svůj původ a historii. Samozřejmě, že hominidů bylo více
Horká voda: podivně uklidňující začátek dne
Horká voda: podivně uklidňující začátek dne Horká voda je něco, co snad každý potřebuje pít co nejvíce. Ta myšlenka se vám nemusí zdát vzrušující, ale pití hrnku horké vody má některé stejné vlastnosti jako
Shrnutí: v důsledku přítomnosti vodíkových vazeb v molekulách vody se mění konfigurace O-H kovalentních vazeb s tím, že se v nich ukládá další energie, která se uvolňuje při chlazení a funguje jako přídavný ohřev, který zabraňuje zamrzání. V horké vodě se vodíkové vazby natahují, kovalentní vazby nejsou namáhány, energetická rezerva je malá a rychleji nastává zamrzání. Existuje nějaký charakteristický čas Vášnutné pro tvorbu vodíkových vazeb, pokud proces ochlazování probíhá pomalu, pak Mpemba efekt zmizí. Pokud je proces chlazení relativně rychlý (až desítky minut), pak je efekt výrazný. Pravděpodobně by měla existovat nějaká kritická teplota, od které se účinek objevuje, ale to se v článku neodráží.
KDPV ukazuje obrázek z původního článku, při pohledu na který by měl čtenář jasně vidět, že energie je uložena v kovalentních vazbách, která se pak může uvolňovat ve formě dodatečného tepla, čímž se zabrání ochlazení studené vody.
Pozadí
Aristoteles byl první, kdo poznamenal, že horká voda mrzne rychleji než studená, ale chemici vždy odmítali vysvětlit tento paradox. Až do dnešního dne.
Voda je jednou z nejběžnějších látek na Zemi, ale zároveň jednou z nejzáhadnějších. Například, jako u většiny kapalin, jeho hustota se zvyšuje, když se ochlazuje. Jeho hustota však na rozdíl od ostatních dosahuje maxima při teplotě 4C a poté začíná klesat až ke krystalizační teplotě.
V pevné fázi má voda o něco nižší hustotu, díky čemuž led plave na hladině vody. To je jeden z důvodů existence života na Zemi – pokud by byl led hustší než voda, pak by při zamrznutí klesal na dno jezer a oceánů, což by znemožnilo mnoho druhů chemických procesů, které život znemožňují.
Existuje tedy podivný Mpembův efekt, pojmenovaný po tanzanském studentovi, který někdy na začátku 1960. let zjistil, že horká zmrzlina zmrzne rychleji než studená v mrazáku ve školní kuchyni. (Ve skutečnosti tento efekt zaznamenalo mnoho badatelů v historii, počínaje Aristotelem, Francisem Baconem a René Descartem).
Mpemba efekt že horká voda mrzne rychleji než studená. Tento účinek byl měřen v různých případech s různými vysvětleními uvedenými níže. Jednou z myšlenek je, že horké nádoby mají lepší tepelný kontakt s mrazničkou a efektivněji odvádějí teplo. Druhým je, že teplá voda se rychleji odpařuje, a protože je tento proces endotermický (přichází s absorpcí tepla), urychluje mrznutí.
Žádné z těchto vysvětlení nevypadá věrohodně, takže zatím žádné skutečné vysvětlení neexistuje.
Nové vysvětlení efektu (teď je to určitě správné)
Dnes jeden poskytl Zi Chang z Nanyang Technological University Singapore a několik jeho kolegů. Tito lidé tvrdí, že Mpembův efekt je výsledkem jedinečných vlastností různých typů vazeb, které drží molekuly vody pohromadě.
O co tedy v těchto spojeních jde? Každá molekula vody se skládá z relativně velkého atomu kyslíku spojeného se dvěma malými atomy vodíku běžnou kovalentní vazbou. Pokud však poblíž umístíte několik molekul vody, začnou hrát důležitou roli také vodíkové vazby. To je způsobeno skutečností, že atomy vodíku jedné molekuly jsou umístěny v blízkosti kyslíku jiné molekuly a interagují s ním. Vodíkové vazby jsou mnohem slabší než kovalentní vazby, ale silnější než van der Waalsovy síly, které gekon používá k nalepení na svislé stěny.
Chemici již dlouho věděli o důležitosti těchto vazeb. Například bod varu vody je mnohem vyšší než u jiných kapalin s podobnými molekulami kvůli skutečnosti, že vodíkové vazby drží molekuly pohromadě.
Ale v posledních letech se chemici stále více zajímají o další role, které mohou vodíkové vazby hrát. Například molekuly vody v tenkých kapilárách tvoří dlouhé řetězce držené pohromadě vodíkovými vazbami. To je velmi důležité pro rostliny, u kterých odpařování vody přes listové membrány účinně táhne řetězec molekul vody od kořenů nahoru.
Zee a kol. nyní tvrdí, že vodíkové vazby také vysvětlují Mpembův efekt. Jejich klíčovou myšlenkou je, že vodíkové vazby přibližují molekuly vody k sobě, a když k tomu dojde, přirozené odpuzování mezi molekulami způsobí, že se kovalentní vazby stahují a ukládají v nich energii.
Při zahřívání kapaliny se však vzdálenost mezi molekulami zvětšuje a vodíkové vazby se natahují. Umožňuje také zvýšit délku kovalentních vazeb a vrátit tak energii v nich nahromaděnou. Důležitým prvkem teorie je skutečnost, že proces, při kterém kovalentní vazby uvolňují energii v nich nahromaděnou, je ekvivalentní ochlazování!
Ve skutečnosti tento efekt zlepšuje normální proces chlazení. Horká voda by tedy měla chladnout rychleji než studená, tvrdí autoři. A to je přesně to, co vidíme na Mpembově efektu.
Proč je nové vysvětlení lepší než předchozí?
Tito kluci vypočítal množství dodatečného chlazení a ukázal, že přesně odpovídá pozorovanému rozdílu v experimentech měřením rozdílu mezi rychlostmi ochlazování horké a studené vody. Voila! Je to zajímavý pohled na složité a tajemné vlastnosti vody, které chemiky stále drží v noci vzhůru. Přestože je myšlenka Zee a spol. přesvědčivá, může se ukázat jako další omyl teoretiků, který budou muset ostatní fyzici vyvrátit. Je to proto, že teorie postrádá prediktivní sílu (alespoň v původním článku).
Zee a spol. Pokud se například zkrátí kovalentní vazby, mělo by to vést ke vzniku některých nových měřitelných vlastností vody, které by se jinak nemusely projevit. Objev a měření takových vlastností by bylo poslední třešničkou na dortu, která teorii v současné podobě chybí.
Takže i když kluci odvedli dobrou práci při vysvětlení Mpembova efektu, musí se trochu snažit, aby přesvědčili nás ostatní.
Ať je to jak chce, jejich teorie je zajímavá.
PS v roce 2016 jeden ze spoluautorů – Chang Q. Sun spolu s Yi Sun (Yi Sun) publikovali úplnější výklad navrhované teorie, s uvážením povrchových efektů, konvekce, difúze, záření a dalších faktorů – a zdá se, že pozorovat dobrou shodu s experimentem (Springer).
Literatura
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:HO Bond Anamalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox
proč “znovu vysvětlili” – ale protože se to už stalo:
- https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021060
Nerovnovážné Markovovy procesy: mohou jít po některých neobvyklých trajektoriích mnohem rychleji než rovnovážné, takže rychlé ochlazení vařící vody dopadá na takovou „zrychlenou“ trajektorii a předběhne studenou vodu (která se ochladí v rovnovážnějších podmínkách). - https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jctc.6b00735
Shluky (také v důsledku vodíkových vazeb), které interferují s krystalizací. Ve vroucí vodě takové shluky chybí, a když zamrzne, nemají čas se vytvořit, ale ve vodě, která byla dlouho studená mimo mrazák, mají čas a nedovolí, aby normálně zmrzla. - https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.18059
Podchlazení pod bodem mrazu, které je v původně horké vodě méně výrazné, protože je zde větší nepořádek a není dostatek času na organizaci v mrazáku během procesu mrazení. (to je ale vyloženě problém – při experimentech jde celá křivka ochlazování horké vody strměji než u studené vody, a nejen proces zmrazování, a tato “porucha” na tepelné vodivosti a chlazení, pokud by měla ovlivnit, tak právě zpomalení ochlazování, ale je pozorováno zrychlení). - https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700716302869
Voda se odpařuje z povrchu a teplo je odváděno pryč. Horká voda je rychlejší (není však jasné, proč se po vyrovnání teplot voda, která byla horká, nadále aktivněji odpařuje, ačkoli je již studenější než voda, která byla původně studená). - https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931014008072
Je to dáno konvekcí, která zlepšuje přenos tepla (konvekční proudy rotují setrvačností i po vyrovnání teploty skel a ještě dlouho poté). - American Journal of Physics 77, 27 (2009); https://doi.org/10.1119/1.2996187
Za všechno může rozpouštění nečistot (plynů?). Ve vroucí vodě je méně nečistot, zmrazení je rychlejší.
