Қай су тез қатады, ыстық немесе суық, көптеген факторлар әсер етеді, бірақ сұрақтың өзі сәл оғаш сияқты. Ыстық судың мұзға айналуы үшін салыстырмалы суық судың температурасына дейін салқындату үшін әлі де уақыт қажет екені физикадан белгілі. Суық сумен бұл кезеңді өткізіп жіберуге болады және сәйкесінше ол уақытында жеңеді.
Бірақ аязда көшеде қай су тез қатады - суық па, ыстық па деген сұрақтың жауабын солтүстік ендіктің кез келген тұрғыны біледі. Негізінде, ғылыми тұрғыдан алғанда, кез келген жағдайда суық су тезірек қатып қалуы керек екен.
Сол сияқты физика пәнінің мұғалімі 1963 жылы мектеп оқушысы Эрасто Мпемба болашақ балмұздақтың суық қоспасы неге бұрынғыдан ұзағырақ, бірақ ыстық қататынын түсіндіруді өтінген.
Бұл әлемдік физика емес, бірақ Mpemba физикасының бір түрі
Ол кезде мұғалім бұған күліп қана қоятын, бірақ бір кездері Эрасто оқыған мектепте оқыған физика профессоры Денис Осборн мұндай әсердің бар екенін тәжірибе жүзінде растады, дегенмен бұл үшін ешқандай түсініктеме жоқ. 1969 жылы танымал ғылыми журнал осы ерекше әсерді сипаттаған екі адамның бірлескен мақаласын жариялады.
Содан бері, айтпақшы, қай су тез қатады деген сұрақтың – ыстық па, суық па, өз аты бар – эффект, әлде парадокс, Mpemba.
Сұрақ бұрыннан пайда болған
Әрине, мұндай құбылыс бұрын да болған, ол туралы басқа ғалымдардың еңбектерінде де айтылған. Бұл сұрақ тек мектеп оқушысын ғана емес, Фрэнсис Бэконды, Рене Декартты және тіпті Аристотельді де бір уақытта ойлады.
Бұл парадоксты шешудің тек ХХ ғасырдың аяғында ғана қарастырыла бастады.
Парадокстың туындау шарттары
Балмұздақ сияқты, тәжірибе кезінде қатып қалатын қарапайым су ғана емес. Қай судың тез қататынын - суық немесе ыстық екенін талқылау үшін белгілі бір шарттар болуы керек. Бұл процеске не әсер етеді?
Қазір, 21 ғасырда түсіндіре алатын бірнеше нұсқалар ұсынылды.бұл парадокс. Қай су тезірек қатады, ыстық немесе суық, ыстық судың суық суға қарағанда булану жылдамдығы жоғары екеніне байланысты болуы мүмкін. Осылайша, оның көлемі азаяды, ал көлемі азайған кезде мұздату уақыты ұқсас бастапқы суық су көлемін қабылдағанға қарағанда қысқа болады.
Мұздатқыш ұзақ уақыт еріген
Қай су тезірек қатады және оның неліктен қататынына тәжірибе үшін пайдаланылған тоңазытқыштың мұздатқышындағы қар төсемі әсер етуі мүмкін. Көлемі бірдей екі ыдысты алсаңыз, бірақ олардың бірінде ыстық су, екіншісінде суық су болса, ыстық суы бар ыдыс астындағы қарды ерітеді, осылайша термиялық деңгейдің тоңазытқыштың қабырғасымен жанасуын жақсартады. Суық суға арналған ыдыс мұны істей алмайды. Егер тоңазытқыш камерасында мұндай қар төсемі болмаса, суық су тезірек қатып қалуы керек.
Үстіңгі - төменгі
Сонымен қатар судың тезірек қату құбылысы – ыстық немесе салқын, былайша түсіндіріледі. Белгілі бір заңдылықтарды сақтай отырып, суық су үстіңгі қабаттардан қата бастайды, ыстық су керісінше болса - төменнен жоғары қарай қатып қалады. Кейбір жерлерде мұзы бар суық қабаты бар суық су конвекция және жылу сәулелену процестерін бұзады, осылайша қай судың тез қататынын - суық немесе ыстық екенін түсіндіреді. Әуесқойлардан алынған фотоларэксперименттер қоса берілген және бұл осы жерден анық көрінеді.
Жоғары қарай жылу шығып, ол өте салқындатылған қабатқа кездеседі. Жылулық сәулеленудің еркін жолы жоқ, сондықтан салқындату процесі қиындайды. Ыстық судың жолында мұндай кедергілер мүлдем жоқ. Қайсысы жылдамырақ қатады - суық немесе ыстық, ықтимал нәтиже соған байланысты, кез келген суда еріген белгілі бір заттар бар екенін айтып, жауапты кеңейтуге болады.
Судың құрамындағы қоспалар нәтижеге әсер ететін фактор ретінде
Егер сіз алдамасаңыз және құрамы бірдей суды пайдалансаңыз, онда белгілі бір заттардың концентрациясы бірдей болса, суық су тезірек қатуы керек. Бірақ егер еріген химиялық элементтер тек ыстық суда болса, ал суық суда олар болмаса, ыстық судың ертерек қатып қалу мүмкіндігі бар. Бұл суда еріген заттардың кристалдану орталықтарын құруымен түсіндіріледі, ал бұл орталықтардың аздығымен судың қатты күйге айналуы қиын. Нөлден төмен температурада ол сұйық күйде болады деген мағынада суды тіпті қатты суыту да мүмкін.
Бірақ бұл нұсқалардың барлығы ғалымдарға толық сәйкес келмеді және олар бұл мәселемен жұмысты жалғастырды. 2013 жылы Сингапурдағы зерттеушілер тобы көне құпияны шешкендерін айтты.
Бір топ қытай ғалымдары бұл әсердің құпиясы сутегі байланыстары деп аталатын байланыстарындағы су молекулалары арасында жинақталған энергия мөлшерінде деп мәлімдейді.
Қытай ғалымдарының түйіні
Келесі ақпарат болады, оны түсіну үшін қай судың жылдам қататынын – ыстық немесе суық екенін анықтау үшін сізге химиядан біраз білім қажет. Өздеріңіз білетіндей, су молекуласы коваленттік байланыстармен біріктірілген екі H (сутегі) атомы және бір O (оттегі) атомынан тұрады.
Бірақ бір молекуланың сутегі атомдары да көрші молекулаларға, олардың оттегі құрамдас бөлігіне тартылады. Дәл осы байланыстар сутектік байланыстар деп аталады.
Бір уақытта су молекулалары бір-біріне кері әсер ететінін есте ұстаған жөн. Ғалымдар суды қыздырған кезде оның молекулалары арасындағы қашықтық ұлғаятынын және бұған итеруші күштер ықпал ететінін атап өтті. Суық күйдегі молекулалар арасында бір қашықтықты алатын сутектік байланыстарды созылған деп айтуға болады және олардың энергия қоры көбірек болады. Дәл осы энергия қоры су молекулалары бір-біріне жақындай бастағанда бөлінеді, яғни салқындау жүреді. Ыстық суда энергияның көбірек берілуі және оны нөлден төмен температураға дейін салқындатқанда көбірек бөлінуі мұндай қордағы суық суға қарағанда тезірек жүреді.аз энергия. Сонымен, қай су тез қатады - суық немесе ыстық? Mpemba парадоксы сыртта және зертханада орын алуы керек, ал ыстық су тезірек мұзға айналуы керек.
Бірақ әлі ашық
Бұл түйіннің тек теориялық растауы бар - мұның бәрі әдемі формулалармен жазылған және ақылға қонымды болып көрінеді. Бірақ судың тезірек қататын - ыстық немесе суық тәжірибелік деректері практикалық мағынада қойылып, олардың нәтижелері ұсынылғанда, Mpemba парадоксы туралы мәселені жабық деп қарауға болады.
