Kurš ūdens sasalst ātrāk, karsts vai auksts, to ietekmē daudzi faktori, taču pats jautājums šķiet nedaudz dīvains. Tas nozīmē, un tas ir zināms no fizikas, ka karstajam ūdenim joprojām ir nepieciešams laiks, lai tas atdziest līdz salīdzināma aukstā ūdens temperatūrai, lai tas pārvērstos ledū. Ar aukstu ūdeni šo posmu var izlaist, un attiecīgi tas uzvar laikā.
Bet atbildi uz jautājumu, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts - uz ielas salnā, zina jebkurš ziemeļu platuma grādu iedzīvotājs. Faktiski zinātniski izrādās, ka jebkurā gadījumā aukstam ūdenim vienkārši ir ātrāk jāsasalst.
Tāpat arī fizikas skolotājs, pie kura 1963. gadā vērsās skolnieks Erasto Mpemba ar lūgumu paskaidrot, kāpēc topošā saldējuma aukstais maisījums sasalst ilgāk nekā tas pats, bet karsts.
Tā nav pasaules fizika, bet kaut kāda Mpemba fizika
Toreiz skolotājs par to tikai pasmējās, bet fizikas profesors Deniss Osborns, kurš savulaik mācījās tajā pašā skolā, kur mācījās Erasto, eksperimentāli apstiprināja šāda efekta esamību, lai gan bija tad tam nav izskaidrojuma. 1969. gadā populārzinātnisks žurnāls publicēja abu vīriešu kopīgu rakstu, kuri aprakstīja šo savdabīgo efektu.
Kopš tā laika, starp citu, jautājumam, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts, ir savs nosaukums - efekts, jeb paradokss, Mpemba.
Jautājums radās jau sen
Protams, ka šāda parādība ir bijusi jau iepriekš, un tā tika minēta arī citu zinātnieku darbos. Šis jautājums interesēja ne tikai kādu skolnieku, bet savulaik par to domāja Frānsiss Bēkons, Renē Dekarts un pat Aristotelis.
Šīs pieejas šī paradoksa risināšanai sāka aplūkot tikai divdesmitā gadsimta beigās.
Nosacījumi paradoksa rašanās gadījumam
Tāpat kā saldējuma gadījumā, eksperimenta laikā sasalst ne tikai parasts ūdens. Lai sāktu strīdēties par to, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts, ir jābūt noteiktiem apstākļiem. Kas ietekmē šo procesu?
Tagad, 21. gadsimtā, ir izvirzītas vairākas iespējas, kas var izskaidrotšis paradokss. Kurš ūdens sasalst ātrāk, karsts vai auksts, var būt atkarīgs no tā, ka karstajam ūdenim ir lielāks iztvaikošanas ātrums nekā aukstam ūdenim. Tādējādi tā tilpums samazinās, un, samazinoties tilpumam, sasalšanas laiks kļūst īsāks nekā tad, ja ņemat līdzīgu sākotnējo daudzumu auksta ūdens.
Saldētava ir ilgu laiku atkausēta
Kurš ūdens sasalst ātrāk un kāpēc tas notiek, var ietekmēt sniega oderējums, kas varētu būt eksperimentam izmantotā ledusskapja saldētavā. Ja ņemsiet divus identiskus tilpuma konteinerus, bet vienā no tiem būs karstais, bet otrā aukstais ūdens, trauks ar karsto ūdeni izkausēs zem tā esošo sniegu, tādējādi uzlabojot termolīmeņa kontaktu ar ledusskapja sienu. Aukstā ūdens tvertne to nevar izdarīt. Ja ledusskapja nodalījumā nav šāda sniega pārklājuma, aukstam ūdenim vajadzētu ātrāk sasalst.
Augšā - apakšā
Arī parādība, ka ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts, tiek skaidrota šādi. Ievērojot noteiktus likumus, aukstais ūdens sāk sas alt no augšējiem slāņiem, kad karstais ūdens to dara otrādi - tas sāk sas alt no apakšas uz augšu. Izrādās, ka aukstais ūdens, kuram virsū ir auksta kārta ar jau vietām izveidojušos ledu, tādējādi pasliktina konvekcijas un termiskā starojuma procesus, tādējādi izskaidrojot, kurš ūdens sasalst ātrāk – auksts vai karsts. Fotogrāfijas no amatieruir pievienoti eksperimenti, un tas ir skaidri redzams šeit.
Siltums izplūst, tiecas uz augšu, un tur tas sastopas ar ļoti atdzesētu slāni. Siltuma starojumam nav brīva ceļa, tāpēc dzesēšanas process kļūst sarežģīts. Karstā ūdens ceļā nav absolūti nekādu šādu šķēršļu. Kurš sasalst ātrāk – auksts vai karsts, no kura atkarīgs iespējamais iznākums, atbildi var paplašināt, sakot, ka jebkurā ūdenī ir izšķīdušas noteiktas vielas.
Piemaisījumi ūdens sastāvā kā rezultātu ietekmējošs faktors
Ja nekrāpjas un lieto ūdens ar vienādu sastāvu, kur atsevišķu vielu koncentrācijas ir identiskas, tad aukstam ūdenim vajadzētu ātrāk sasalst. Bet, ja rodas situācija, kad izšķīdušie ķīmiskie elementi atrodas tikai karstā ūdenī, bet aukstajam ūdenim to nav, tad karstajam ūdenim ir iespēja sas alt agrāk. Tas izskaidrojams ar to, ka ūdenī izšķīdušās vielas veido kristalizācijas centrus, un ar nelielu šo centru skaitu ūdens pārtapšana cietā stāvoklī ir apgrūtināta. Ir iespējama pat ūdens pārdzesēšana tādā nozīmē, ka mīnusā temperatūrā tas būs šķidrā stāvoklī.
Bet visas šīs versijas, acīmredzot, pilnībā neatbilst zinātniekiem, un viņi turpināja strādāt pie šī jautājuma. 2013. gadā pētnieku komanda Singapūrā paziņoja, ka ir atrisinājusi mūžseno noslēpumu.
Ķīnas zinātnieku grupa apgalvo, ka šī efekta noslēpums slēpjas enerģijas daudzumā, kas uzkrāts starp ūdens molekulām tās saitēs, ko sauc par ūdeņraža saitēm.
Ķīnas zinātnieku pavediens
Sekos sekojoša informācija, kuras izpratnei ir jābūt zināmām zināšanām ķīmijā, lai saprastu, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts. Kā jūs zināt, ūdens molekula sastāv no diviem H (ūdeņraža) atomiem un viena O (skābekļa) atoma, ko satur kovalentās saites.
Bet vienas molekulas ūdeņraža atomi tiek piesaistīti arī blakus esošajām molekulām, to skābekļa komponentam. Tieši šīs saites sauc par ūdeņraža saitēm.
Ir vērts atcerēties, ka tajā pašā laikā ūdens molekulas viena uz otru iedarbojas atbaidoši. Zinātnieki atzīmēja, ka, sildot ūdeni, attālums starp tā molekulām palielinās, un to veicina atgrūdošie spēki. Izrādās, ka ūdeņraža saites, kas aizņem vienu attālumu starp molekulām aukstā stāvoklī, var teikt, ka ir izstieptas, un tām ir lielāka enerģijas pieplūde. Tieši šī enerģijas rezerve tiek atbrīvota, kad ūdens molekulas sāk tuvoties viena otrai, tas ir, notiek dzesēšana. Izrādās, ka lielāka enerģijas padeve karstajā ūdenī un lielāka tās izdalīšanās, atdzesējot līdz mīnuss temperatūrai, notiek ātrāk nekā aukstā ūdenī, kuram tāda padeve ir.mazāk enerģijas. Tātad, kurš ūdens sasalst ātrāk - auksts vai karsts? Mpemba paradoksam vajadzētu notikt ārā un laboratorijā, un karstajam ūdenim vajadzētu ātrāk pārvērsties ledū.
Bet joprojām atvērts
Šim pavedienam ir tikai teorētisks apstiprinājums - tas viss ir uzrakstīts skaistās formulās un šķiet ticams. Bet, kad eksperimentālie dati, kurš ūdens sasalst ātrāk - karsts vai auksts, tiks likti praktiskā nozīmē un to rezultāti tiks prezentēti, tad varēs uzskatīt Mpemba paradoksu jautājumu par slēgtu.
