Efectul Mpemba

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Experimentați cu efectul Mpemba: apa fierbinte conținută într-un termos, dacă este aruncată în aer într-un mediu foarte rece, îngheață instantaneu înainte de a atinge solul
Grafic care arată tendința temperaturii în timp a două recipiente care conțin apă la temperaturi inițiale de 18,6 ° C (în albastru) și 42,9 ° C (în roșu). Este evident că răcirea celui de-al doilea a avut loc mai rapid decât cea a celuilalt.

Efectul Mpemba este fenomenul fizic prin care, expus la aceeași temperatură externă, aceeași cantitate de apă fierbinte se solidifică înainte de cea rece.

Efectul era deja cunoscut în antichitate, fiind descris în Meteorologica sa [1] de Aristotel în secolul al IV-lea î.Hr .; cu toate acestea, a revenit la studii abia în 1969 , când studentul tanzanian Erasto Mpemba, de la care își ia numele, l-a redescoperit întâmplător.

O explicație satisfăcătoare pentru fenomen nu a fost încă găsită; un recenzent Physics World a scris: „Deși efectul Mpemba este real, nu este clar dacă explicația este banală sau iluminatoare”. [2] .

Istorie

O oală cu apă clocotită aruncată în aerul de iarnă

Prima descriere a efectului Mpemba a fost oferită de Aristotel , observând locuitorii din Pont când mergeau la pescuit în lacurile înghețate: au turnat apă caldă în jurul stufului pentru a forma gheață pentru a fi folosită ca plumb. El a realizat apoi că încălzirea apei contribuie la înghețarea rapidă a acesteia pe baza antiperastazei : „presupusa creștere a intensității unei calități ca urmare a faptului că este înconjurată de calitatea ei opusă”. [3]

Printre primii oameni de știință moderni, Francis Bacon a remarcat că

( LA )

"Aqua parum tepida easyus conglacietur quam omnino frigida."

 ( IT )

„Apa ușor caldă îngheață înainte de apa rece”

( Francesco Bacon, Novum Organum , Lib. II, L )

Descartes , referindu-se la teoria sa despre vortex, a scris în Discursul său despre metoda că

"Se poate observa din experiență că apa care a fost ținută pe foc mult timp îngheață mai repede decât altele, deoarece cele din particulele sale care sunt mai puțin capabile să oprească plierea se evaporă pe măsură ce apa este încălzită".

( Descartes, Meteorii [4] )

În 1775, omul de știință scoțian Joseph Black a studiat un caz particular al acestui fenomen, comparând apa fiartă anterior cu apa ne fierbută: apa fiartă anterior îngheță mai rapid în timpul evaporării controlate. El a discutat despre influența agitației asupra rezultatelor experimentului, menționând că agitarea apei ne fierte a condus la înghețarea apei ne fierte în același timp cu apa fiartă anterior și, de asemenea, a remarcat faptul că agitarea apei ne fierte a fost foarte rece. înghețarea imediată. Joseph Black a discutat apoi despre descrierea de către Fahrenheit a apei de supraîncălzire (deși termenul de supraîncălzire nu a fost inventat la acea vreme), argumentând, în termeni moderni, că apa fiartă anterior nu ar putea fi supraîncălzită atât de ușor. [5]

În 1963 Erasto Mpemba, un elev din clasa a VIII-a din orașul Magamba , Tanzania , a observat fenomenul în timp ce făcea înghețată la școală. Lăsat în urmă în comparație cu tovarășii săi, el a pus ingredientele în congelator când erau încă fierbinți: după aproximativ o oră și jumătate preparatul său era deja înghețat, spre deosebire de cele ale tovarășilor săi care lăsaseră ingredientele să se răcească [6] .

Mai târziu, Mpemba a urmat liceul Iringa . Într-o zi din 1969, directorul l-a invitat pe profesorul Denis Osborne de la Universitatea din Dar es Salaam să dea o lecție de fizică. La sfârșitul lecției, Mpemba l-a întrebat pe profesor: „Dacă iei două recipiente similare cu volume egale de apă, unul la 35 ° C și celălalt la 100 ° C și le pui într-un congelator, ce era la 100 ° C îngheață mai întâi, de ce? ". Osborne a încercat experimentul acasă și a observat că observația lui Mpemba era corectă. După consternare inițială, Osborne a experimentat problema la locul de muncă și a confirmat descoperirea lui Mpemba. Împreună au publicat rezultatele descoperirii în 1969 [7] .

Posibile explicații

Multe teorii au fost propuse pentru a justifica acest comportament contraintuitiv. Cu siguranță, factori semnificativi sunt:

  1. dacă un lichid foarte fierbinte este plasat într-un congelator, masa lichidului din sticlă scade din cauza evaporării ;
  2. sticla fierbinte topește stratul ușor de gheață care acoperă în mod normal rafturile unui congelator și pune sticla în contact direct cu metalul rece. În schimb, paharul cu apă la temperatura camerei se sprijină pe un strat de îngheț care conduce căldura mai rău decât metalul și este, deși într-o măsură minimă, izolat de raftul congelatorului, astfel încât există o dispersie mai mică a căldurii prin conducere ;
  3. în cel mai fierbinte lichid se produce o mișcare de convecție care îmbunătățește schimbul de căldură cu exteriorul; în plus convecția din interiorul masei de apă evită (sau încetinește) formarea unui strat superior mai rece și mai izolant (efect de lac înghețat);
  4. încălzirea reduce prezența gazelor dizolvate în interiorul lichidului cu consecința că convecția are loc la o viteză mai mare;
  5. efectul convecției scade supraîncălzirea , care este faza de îngheț în care temperatura lichidului scade sub temperatura de solidificare înainte ca atomii să înceapă să se alinieze pentru a forma faza solidă cristalină.

Trebuie avut în vedere faptul că înghețarea este un fenomen complex care nu se limitează la simplul „transfer” de căldură în corpul mai rece, ci necesită trecerea atomilor și / sau moleculelor lichidului de la lichid la forma cristalină . Acest lucru implică faptul că, pentru tranziția la starea solidă, atomii lichidului nu sunt supuși doar unui transfer de energie în mediu, ci trebuie să își asume și alinierea corectă tipică formei cristaline a solidului pe care îl formează. Unele substanțe în stare lichidă, cum ar fi sticla , care, în ciuda aspectului său solid, este de fapt un lichid foarte vâscos și, prin urmare, astfel încât să pară solid, nu cristalizează din cauza vâscozității care prinde moleculele, împiedicându-le să își asume corect alinierea [8] . Acest lucru sugerează că, deși motivele de mai sus par suficiente pentru a explica fenomenul, de fapt, o explicație completă trebuie să ia în considerare forma cristalină a substanței și diferitele fenomene chimice de energie și schimb entropic la nivel atomic și / sau molecular.

Există alte efecte secundare, cum ar fi precipitarea substanțelor dizolvate, care contribuie la efect atunci când nu se utilizează apă simplă, ci soluții. Cu toate acestea, efectul constatat de Mpemba în congelarea unui preparat de înghețată a fost studiat mai ales cu apă simplă.

Efectul, fără îndoială, contraintuitiv, demonstrează necesitatea de a lua în considerare toți parametrii de relevanță posibilă și utilizarea celor mai bune instrumente teoretice în studiul unei probleme fizice. O descriere detaliată a efectului și a diferitelor teorii pentru a-l explica poate fi găsită într-o lucrare de N. Bregovic, câștigător al „Concursului Mpemba” [9] [10] .

Notă

  1. ^ Μετεωρολογικά , I, 12.
  2. ^ P. Ball, Îngheață mai întâi apa fierbinte? , în Physics World , 19 (4), aprilie 2006, pp. 19-21.
  3. ^ Meteorologie , la classics.mit.edu , Massachusetts Institute of Technology .
  4. ^ Descartes , Les Météores
  5. ^ Joseph Black, Efectul presupus al fierberii asupra apei, în eliminarea ei pentru a îngheța mai ușor, constatat de experimente. De Joseph Black, profesor de chimie la Edinburgh, într-o scrisoare către Sir John Pringle, Bart. PRS , în Philosophical Transactions of the Royal Society of London , vol. 65, 1 ianuarie 1775, pp. 124–128, DOI : 10.1098 / rstl.1775.0014 .
  6. ^ Înghețează apa fierbinte înainte de apa rece? , pe nationalgeographic.it , National Geographic , 11 august 2017. Accesat la 4 august 2018 (arhivat din original la 4 august 2018) .
  7. ^ De ce îngheață apa fierbinte înainte de apa rece? , pe Focus .it .
  8. ^ Mikhail V. și colab. Volkenstein, Entropy and Information (Progress in Mathematical Physics) , Birkhauser, 2003, ISBN 978-3-0346-0077-4 .
  9. ^ Efectul Mpemba: competiție și resurse , pe LearnChemistry .
  10. ^ Nikola Bregovic, efect Mpemba din punctul de vedere al unui chimist fizic experimental ( PDF ).

Bibliografie

  • Erasto Mpemba și Denis Osborne, cool? , în Educație fizică , 1, 1969 (mai, vol. 4), 172–175, DOI :10.1088 / 0031-9120 / 4/3/312 .
  • Monwhea Jeng, Efectul Mpemba: Când poate îngheta apa fierbinte mai repede decât rece? , în American Journal of Physics , vol. 74, nr. 6, 2006, p. 514.
  • Xi Zhang și alții, O: HO Bond Relaxare anormală Rezolvarea paradoxului Mpemba? , Singapore, Universitatea Tehnologică Nanyang, 2014.

Alte proiecte

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Effetto_Mpemba&oldid=114268096 ”