Эта история началась более полувека назад, но не получила развязки и по сей день. А всё потому, что, как бы ни старались тысячи пытливых умов со всей планеты, им никак не удаётся найти единственно верное решение Мпембы.
В 1963 году неприметный африканский ученик по имени Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) подметил одну странность: тёплая смесь для мороженого застывает быстрее, чем охлаждённая.
Наблюдение казалось настолько неправдоподобным, что учителю физики оставалось лишь посмеяться над открытием незадачливого экспериментатора. Однако Эрасто был уверен в своей правоте и не побоялся снова стать посмешищем: чуть позже он поднял скользкий вопрос перед Денисом Осборном (Denis Osborne), профессором Университета Дар-эс-Салам, Танзания. Учёный не стал бросаться поспешными выводами и решил изучить проблему. После чего в 1969 году журнал Physics Education опубликовал материал, описывающий парадокс Мпембы.
В научных кругах тут же припомнили, что нечто похожее уже говорили величайшие умы былых времён. Например, ещё упоминал о жителях древнегреческого Понта, которые во время зимней рыбалки нагревали воду и мочили в ней тростник, чтобы тот быстрее затвердевал. Многие столетия спустя Фрэнсис Бэкон писал: «Слегка прохладная вода замерзает гораздо легче, чем совершенно холодная».
В общем, вопрос стар как мир, но это лишь подогревает интерес к разгадке. На протяжении нескольких последних десятилетий выдвигалось немало теорий, объясняющих эффект Мпембы. Наиболее вероятные из них были озвучены в 2013 году на торжественном мероприятии, проведённом Королевским химическим обществом Великобритании. Профессиональная ассоциация изучила 22 000 (!) мнений и выделила среди них лишь одно, принадлежащее Николе Бреговичу (Nikola Bregović).
Хорватский химик указал на важность процессов конвекции и переохлаждения жидкости при её замерзании.
Вот как эти явления описаны в «Википедии»:
- Холодная вода начинает замерзать сверху, замедляя тем самым процессы теплового излучения и конвекции, а значит, и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
- Переохлаждённая жидкость - жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном давлении. Переохлаждённая жидкость получается из обычной путём охлаждения при отсутствии центров кристаллизации.
Всемирное и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.
scienceblogs.comКакой должна быть температура воды перед заморозкой
На этот вопрос однозначного ответа всё же нет. Королевское химическое общество хоть и определилось, но не прекратило споры окончательно. До сих пор выдвигаются новые гипотезы и звучат опровержения.
Хотя есть небольшая зацепка: научно-популярный журнал New Scientist провёл исследования и пришёл к выводу, что наилучшие условия для повторения эффекта Мпембы - две ёмкости воды с температурой 35 и 5 °C.
Таким образом, если до вечеринки осталось совсем немного времени, залейте в воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.
Цели и задачи:
Образовательные: знакомить с различными свойствами воды и льда, развивать представления о физических явлениях таяния и замораживания, формировать опыт выполнения правил техники безопасности при проведении физических экспериментов.
Воспитательные: развивать эмоционально-ценностное отношение к окружающему миру, поддерживать у детей инициативу, развивать сообразительность, пытливость, критичность, самостоятельность.
Развивающие: формировать у детей диалектическое мышление, т.е. способность видеть многообразие мира в системе взаимосвязей и взаимозависимостей; развить собственный познавательный опыт в с помощью наглядных средств; расширять перспективы развития поисково-познавательной деятельности путем включения их в мыслительные, моделирующие и преобразующие действия.
Оборудование и материалы:
Непрозрачные бутылочки с крышками;
Прозрачные стаканчики по два на команду: один наполнен водой;
Заранее замороженные кубики льда обычные (на каждого ребёнка) и подкрашенные, (Желательно, чтобы лед был не подтаявшим, и таять начинал тогда, когда дети начнут брать его в руки. Один из кубиков на столе у воспитателя должен быть подтаявшим, чтобы можно было продемонстрировать лужицу талой воды как иллюстрацию к процессу таяния);
Клеёнки на столы;
Небольшие картинки по количеству команд для определения прозрачности;
Варежки по 1 паре на команду;
Листы бумаги; блюдца для льда.
Предварительная работа:
Непосредственное знакомство с основными свойствами воды опытным путём.
Ход занятия.
Введение.
Определение направления деятельности. Дети собираются на коврике вокруг воспитателя.
Воспитатель: Ребята, сегодня нам предстоит не совсем обычная работа. Предлагаю вам сделать открытие, раскрыть тайну. Давайте для начала определим, какую тайну, тайну чего? О чём мы будем говорить? Я загадаю вам загадки. Они помогут ответить на этот вопрос.
Что в гору не выкатить,
В решете не унести,
И в руках не удержать. (Вода.)
Меня ждут, не дождутся,
А как увидят – разбегутся. (Дождь.)
Не драгоценный камень,
А весь блестит и светится. (Лёд.)
Я из воды, а с воздуха летаю.
Как пух лежу я на полях,
Как алмаз блещу при солнечных лучах. (Снег.)
Закипел наш чугунок,
Из него пошёл дымок. (Пар.)
Я и туча, и туман,
И ручей, и океан,
Я летаю и бегу,
И стеклянной быть могу. (Вода.)
Правильно. Вы разгадали первую тайну. Мы сегодня будем говорить о воде. А вы знаете, что вода – самое волшебное, самое таинственное вещество на земле? Какое волшебство связано с водой? (ответы детей). Не угадали. Попробую вам помочь. На столах стоят таинственные бутылочки. Что там? Вторая тайна. Но к столам может подойти только тот, кто подберёт противоположное слово, слово наоборот. (Поскольку в ходе занятия анализируются взаимоисключающие отношения, активизируем детский опыт оперирования противоположными отношениями. Одним из способов такой активизации может быть игра-упражнение «Наоборот».)
Слова для упражнения: холодный, горький, высокий, толстый, большой, дневной, плохой, весёлый, умный, широкий, дорогой, светлый, красивый, быстрый.
А сейчас, не открывая бутылочки, попробуйте отгадать, что внутри. (Вспоминаем, как надо трясти бутылочку, как правильно нюхать, можно ли вылить на ладошку и посмотреть? – закрепляются правила безопасности при проведении опытов.) Как вы думаете, одно и то же вещество находится в бутылочках? Почему? Даже не знаю, правильно это или нет…. Так и быть, открываем вторую тайну. Выливайте содержимое бутылочек в стаканы. Что это? (Вода и лёд.) Так что же умеет делать вода? (Превращаться в лёд.) И это её великая тайна. Какие ещё вещества вы видели, которые могут превращаться во что-то?
Часть 1. Изучаем лёд и воду.
Вот вы мне сказали, что это разное вещество. Так ли это? Проверим? Ребята, что мы знаем о воде? (Прозрачная, течёт, не имеет формы, запаха, вкуса, умеет растворять некоторые вещества, бывает холодной, тёплой, горячей.) По ходу работы на доске символами отмечаются ответы детей.
А что мы знаем про лёд? Дети перечисляют характеристики льда: твёрдый, холодный, непрозрачный, имеет форму и т.д. Характеристики льда отмечаются на доске так, чтобы характеристики одного свойства были напротив для удобства сравнивания.Например: вода прозрачная, а лед нет, лед твердый, а вода… По ходу работы идёт сравнение: – где сходство, а где – различие. Для демонстрации характеристик воды и льда мы используем прозрачные емкости с водой и льдом, проверяя каждое утверждение.Важно, чтобы прозвучала характеристика льда «скользкий». Если дети ее сами не называют, им можно помочь: «А легко ли лед удержать на ровной ладошке или двумя пальцами Смотрите, он выпрыгивает из ладошки!»
Подведём итог: вода и лед – совсем разные! Лед и вода не одно и то же, они отличаются! А вот в стихотворении говорится, что «ледышка – такая, как водичка»!
Я – холодная ледышка!
Я – такая, как водичка!
Лишь холодною зимой
Можешь ты играть со мной.
Странно! Почему автор так сказал? А действительно, бывает ли такое чудо (но не в сказке, а в жизни), что это лед и вода одновременно? (Если возникнет затруднение, предложить взять лёд в ладошку.) Необходимо дождаться ответа детей, что лед тает и превращается в воду, и что вода замерзает и превращается в лед. Получается, что когда лед тает или вода только замерзает, то мы имеем дело одновременно и со льдом, и с водой! Поздравляю! Вы раскрыли третью тайну! Самую волшебную: лёд и вода совсем разные, не похожи друг на друга, а могут превращаться друг в друга, даже одновременно могут быть. А кто сможет нам раскрыть четвёртую тайну? Что за волшебная палочка делает эти превращения? Эту тайну поможет раскрыть опыт: возьмите в ладошку льдинку. Что превращает её в воду? (тепло наших рук). А как обратно превратить воду в лёд? Вынести на мороз. Значит, волшебной палочкой в нашем превращении является температура или тепло. Если она высокая, тёплая, то в ладошке – вода. Если низкая, холодная – лёд. Хотите посмотреть, как это происходит? Выходите на коврик.
Часть 2. Игра-опыт.
Мы превратимся в капельки и тоже побываем в разных состояниях. Когда вода находится в твердом состоянии, то ее молекулы – маленькие капельки, очень плотно прижимаются друг к другу, как будто им холодно – они замерзли. Давайте мы встанем близко друг к другу и станем плотным кусочком льда.
А когда вода находится в жидком состоянии, то ее молекулы берутся за ручки и могут двигаться и менять положение. Мы тоже возьмемся за руки и попробуем походить по комнате по кругу и змейкой, как будто ручеек бежит весной.
огда температура поднимается и становится совсем жарко, то ее молекулы отпускают ручки друг друга и разлетаются – получается пар, как из чайника. И мы разомкнем наши руки и свободно побегаем, как легкие капельки пара.
Часть 3. Игры со льдом.
(Могут быть проведены в свободное время, во второй половине дня, на прогулке.)
- Замораживайте воду, используя различные емкости(формочки для льда, чашку или тарелку, пластиковые стаканчики или формочки для куличей).Для разнообразия можно замораживать подкрашенную воду. А если изготовить побольше кубиков и кирпичиков из цветного льда, то можно вынести их на улицу и построить крепость.
- Цветными кубиками льда можно рисовать. Достаточно положить их на лист бумаги и подождать, когда они растают, а цветные потоки перемешаются в произвольном порядке. Затем надо высушить бумагу, и картина готова. А можно, прежде, чем поставить формочки в холодильник, воткнуть в каждую из них по зубочистке. Держась за нее, можно рисовать на бумаге цветными кубиками льда.
Заключение.
Воспитатель: «Мы с вами сегодня узнали, что лед и вода не похожи, а еще, что бывают такие чудесные моменты, когда лед и вода есть одновременно, когда лед превращается в воду, и наоборот. Записи на доске я оставлю, они помогут вам вспомнить о чудесном превращении. А вдруг вечером придут ваши родители и удивятся – что это за непонятные значки на доске? А как вы им объясните? О чем расскажете? О превращении льда в воду, и наоборот.
Первым признаком зимы является плавающий на поверхности прудов и озер лед. Это может показаться тривиальным и не очень важным, но если бы вода вела себя аналогично практически всем другим жидкостям, никто бы не смог кататься на коньках на пруду, потому что лед опускался бы на дно сразу же после своего образования. Что еще хуже, Земля в этом случае, по-видимому, была бы безжизненной пустыней, так как большая часть воды лежала бы в виде льда на дне океанов, озер и рек.
Большинство жидкостей сжимаются при охлаждении, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою плотность. Например, твердый свечной воск опускается на дно миски с более горячим расплавленным воском. Вода также сжимается, но только до тех пор, пока не достигнет 4°С (39°F). Ниже этой температуры вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды, находящейся вблизи точки замерзания, и как результат, он плавает.
Как вода замерзает
- Вода в пруду, охлажденная до 4°С (39°F), становится плотнее и опускается на дно. Более теплая и поэтому более легкая вода поднимается к поверхности, охлаждается и также опускается вниз.
- Когда последняя порция воды охладится до 4°С (39°F), конвекция, под действием которой холодная вода опускается вниз, а более теплая вода поднимается вверх, прекращается. В этом случае вся вода имеет одинаковую температуру. Плотность воды также одинакова.
- Когда вода в поверхностном слое охладится ниже 4°С (39°F), она расширяется и становится менее плотной. Поскольку вода при 3°С (37°F) легче, чем при 4°С (s39°F), более холодная вода остается наверху.
- Поверхностный слой воды продолжает охлаждаться с дальнейшим уменьшением плотности. Наконец, при 0°С (32°F) поверхностный слой воды превращается в лед.
Температурное расширение и плотность воды
При температурах выше 4°С (39°F) вода при охлаждении сжимается, достигая своей наибольшей плотности при 4°С. Однако, если охлаждение продолжается и температура падает ниже 4°С, вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Количественно плотность равна массе единицы объема вещества и обычно измеряется в г/см 3 .
Воск и лед замерзают по-разному
На поверхности кубика льда образуется выпуклость (левый рисунок), потому что вода в центре кубика замерзает последней и, расширяясь по мере замерзания, может только подниматься вверх. В противоположность этому, в верхней части кубика воска образуется углубление, потому что воск (средний рисунок) сжимается после затвердевания. Жидкости, сжимающиеся при замерзании равномерно (правый рисунок) формируют вогнутую поверхность.
Время года и температура воды в озере
Летом вода теплее у поверхности, чем в глубине. Зимой озеро может покрыться льдом, и вода в глубине станет теплее, чем на поверхности.
Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете.
Известно, что фактически все вещества, имеющие природное или искусственное происхождение способны находиться в разных агрегатных состояниях и менять их в зависимости от условий окружающей среды. И хотя ученые знают более десятка фазовых состояний, некоторые из которых можно получить только в пределах лаборатории, в природе чаще всего встречается только три подобных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Вода может пребывать во всех трех этих состояниях, переходя из одного в другое в естественных условиях.
Вода, находящаяся в жидком состоянии имеет слабо связанные молекулы, которые пребывают в постоянном движении и пытаются сгруппироваться в структуру, но не могут сделать этого из-за тепла. В таком виде вода может принимать абсолютно любую форму, но не в состоянии самостоятельно ее удерживать. При нагревании молекулы начинают двигаться намного быстрее, они отдаляются друг от друга, а когда постепенно вода переходит в газообразное состояние, то есть превращается в водяной пар, связи между молекулами окончательно рвутся. При воздействии же на воду низких температур движение молекул сильно замедляется, молекулярные связи становятся очень прочными и молекулы, которым больше не мешает воздействие тепла, упорядочиваются в кристаллическую
структуру, имеющую шестигранную форму. Все мы видели подобные шестигранники, выпадающие на землю в виде снежинок. Процесс превращения воды в лед называется кристаллизацией или застыванием. В твердом состоянии вода надолго может сохранять любую принятую ею форму.
Процесс кристаллизации воды начинается при температуре 0 градусов по шкале Цельсия, имеющей 100 единиц. Данная измерительная система используется во многих странах Европы и в СНГ. В Америке же температуру измеряют при помощи шкалы Фаренгейта, которая обладает 180 делениями. По ней вода переходит из жидкого состояния в твердое при 32 градусах.
Однако вода не всегда замерзает при этих температурах, так очень чистую воду можно переохладить до температуры — 40 °С и она не замерзнет. Дело в том, что в очень чистой воде нет примесей, служащих основанием для построения кристаллической структуры. Примесями, к которым крепятся молекулы, могут выступать частички пыли, растворенные соли и т.д.
Особенностью воды является тот факт, что в то время как при замерзании другие вещества сжимаются, она, преобразовавшись в лед, напротив, расширяется. Происходит это потому что, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, расстояние между ее молекулами немного увеличивается. И поскольку лед имеет меньшую плотность, чем вода, он плавает на ее поверхности.
Говоря о замерзании воды, нельзя не упомянуть и тот интересный факт, что горячая вода застывает быстрее холодной, как бы парадоксально это не звучало. Данное явление было известно еще во времена Аристотеля, но ни знаменитому философу, ни его последователям так и не удалось разгадать эту тайну и о феномене забыли на долгие годы. Вновь о нем заговорили лишь в 1963 году, когда школьник из Танзании Эрасто Мпемба обратил внимание, что при приготовлении мороженого быстрее застывает лакомство сделанное из подогретого молока. Мальчик рассказал об этом своему учителю физики, но тот поднял его на смех. Лишь в 1969 году познакомившись с профессором физики Деннисом Осборном, юноша он смог найти подтверждение своей догадки, после совместно проведенных экспериментов. С тех пор выдвигалось много гипотез относительно этого феномена, например, что горячая вода замерзает быстрее за счет своего быстрого испарения, которое приводит к уменьшению объема воды и, как следствие, более быстрому застыванию. Но ни одна из них так и не смогла объяснить природу данного явления.
|
11.03.2015 21:11
|
26 месяцев назад
Ею покрыт примерно 71% поверхности Земли, без нее человек проживает не более 7–10 дней, а привычному всем названию соответствует научный термин - оксид водорода. Все это относится к основе любого живого организма - воде. Так называемых агрегатных состояний воды принято различать всего 3 - газообразное, жидкое, твердое. Превращение воды в лед, то есть, переход из жидкого или газообразного состояния в твердое, является достаточно сложным химическим процессом, который принято называть кристаллизацией.
Покрываемая водой площадь земли не отображает ее точное количество. Если бы земля имела ровную поверхность без выпуклостей и впадин, то она была бы покрыта водой полностью слоем в 3 км. Более того, любое живое существо, в том числе и человек, состоит из воды примерно на 50%. Установлено, что находящееся в мантии Земли количество воды превышает запасы Мирового океана в 10 раз. Даже приблизительное количество воды во Вселенной ученые озвучить пока не в состоянии. Помимо этого:
- в химии существуют термины сухая и тяжелая вода;
- ее появление в мантии Земли началось не позже 2,7 млрд лет назад;
- в горячем (теплом) виде она замерзает быстрее, чем в холодном (Эффект Мпембы);
- вода может исполнять функции замедлителя, растворителя, теплоносителя или даже смазочного материала.
Как замерзает вода
Процесс замерзания получил название «кристаллизация». В жидком состоянии структура воды состоит из большого количества молекул, находящихся в непрерывном движении. У этих молекул не получается соединиться в группу под воздействием тепла. То есть, чем выше температура, тем они дальше отдаляются друг от друга. При газообразном состоянии молекулы воды полностью теряют связь друг с другом.
При воздействии низких температур происходит обратный процесс. Движение частиц замедляется, и они становятся все ближе друг к другу, а затем сжимаются в плотную кристаллическую решетку. Установлено, что данная решетка (структура) имеет форму шестигранника, и наиболее привычным ее аналогом является самая обычная снежинка. Следовательно:
- сильно отдаленные друг от друга молекулы - это ближе к газообразному состоянию;
- сжатие молекул в одну структуру - кристаллизация (замерзание/застывание) воды;
- самое привычное состояние - жидкое способно принимать любую форму, но не способно эту самую форму удерживать.
Температура замерзания
Начальная кристаллизация происходит при температуре 0 градусов. В России, как и в большинстве стран Европы, измерение проводится по шкале Цельсия, имеющей 100 делений. Логично, что чем ниже температура, тем быстрее происходит застывание. Так называемая чистая вода не замерзает даже при 10–15 градусах ниже 0. Чистая вода, это не та, которая течет из крана, и даже не та, которую можно пить из горного родника. Речь идет о химическом термине, и данное понятие используется в переносном смысле. Так называют воду, очищенную от пыли, солей, и других веществ и тел лабораторным способом. Дело в том, что частички пыли, солевые соединения и прочие примеси выполняют в воде роль катализатора. При их наличии молекулы сжимаются быстрее. В чистой воде таких примесей нет, поэтому она не замерзает даже при -40 градусах.
Некоторые свойства льда
Воду в твердом агрегатном состоянии более привычно называть льдом. Всего различается 17 видов (фаз) льда, каждый из которых имеет определенную структуру, но эта разница практически на заметна человеческому глазу. Аморфных состояний у него также 3. Лед в несколько раз легче воды в жидком виде, поэтому зимой любой водоем начинает замерзать сверху, и лед остается на поверхности воды. Обладая хорошими теплоизоляционными признаками, лед сверху водоема образует корку и не дает замерзнуть более глубоким слоям воды. Помимо этого:
- после замерзания вода примерно на 10% увеличивается в объеме, и именно поэтому в зимний период принято внимательно следить за водопроводными трубами или автомобильными радиаторами;
- в полярных регионах лед является основным строительным материалом, в частности, используется для строительства жилища иглу, являющегося частью культуры некоторых северных народов (в том числе и российских);
- общие запасы льда на земле превышают показатель в 300 млн кубических километров.
Эффект Мпембы
Высказанное в 1963 году школьником Эрасто Мпембой предположение до сих пор не получило должного объяснения. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной - необъяснимый парадокс, о котором впервые писал еще Аристотель.
Несмотря на большое количество противников этой теории, наличие факта отрицать нельзя. Выдвигалось множество версий, но самой жизнеспособной оказалась следующая: горячая вода образует испарения, которые (доказано) замерзают быстрее жидкости. После замерзания эти микрочастицы льда падают в виде дождя на горячую воду, образуя ледяную корку. Соответственно, наблюдается эффект застывания.
Математика
Что такое число Грэма
Вселенная сложна и многогранна. Она содержит много непонятных, а иногда и совершенно бессмысленных вещей. Или кажущихся таковыми непосвященному человеку. Речь пойдет о числах, но не...
Языки мира
В каком языке больше 20 синонимов слова «снег»
Бытует мнение, что эскимосы используют много слов для обозначения снега. Это обнаружил антрополог Франц Боас во время изучения влияния языков на восприятие окружающего мира их носителей. В эскимосско-алеутских языках для...
