W 300 rpne słynny filozof Arystoteles napisał o dziwnym zjawisku, które zaobserwował: „Wiele osób, chcąc szybko schłodzić wodę, zaczyna od wystawienia jej na słońce”. Inni filozofowie na przestrzeni wieków odnotowali ten sam wynik, ale nie byli w stanie go wyjaśnić.
W 1963 roku młody student z Tanzanii, Erasto Mpemba, zauważył, że lody, które robił, zamarzały szybciej, jeśli mieszankę umieszczono w zamrażarce, gdy była ciepła, niż gdyby miała temperaturę pokojową. Upierał się przy pytaniu, dlaczego tak się stało, i ostatecznie fizyk Denis Osborne rozpoczął poważne badanie tego, co jest obecnie znane jako efekt Mpemby. On i Mpemba byli współautorami artykułu w New Scientist w 1969 roku, który zawierał naukowe opisy niektórych z wielu czynników działających w zamarzającej wodzie.
Początkowo wysunięto hipotezę, że ciepła miska roztopiła się w lodzie na półce zamrażarki, osadzając w ten sposób swoją podstawę w „gnieździe” lodu, co przyspieszyłoby zamarzanie. Hipotezę przetestowano, porównując wyniki, gdy miski z ciepłą wodą umieszczono na lodzie i na suchej drucianej półce; pokazało to, że lodowe gniazdo miało w rzeczywistości niewielki wpływ. Druga sugestia była taka, że cieplejsza woda parowałaby na jej powierzchni, zmniejszając w ten sposób objętość potrzebną do zamrożenia, ale ten pomysł również okazał się nieistotny.
Termometry umieszczone w wodzie wykazały, że chłodniejsza woda spadała do temperatury zamarzania na długo przed cieplejszą miską, a mimo to ta ostatnia zawsze zamarzała jako pierwsza. Eksperymenty w różnych temperaturach wykazały, że woda o temperaturze 50°C zamarzała najdłużej w konwencjonalnej zamrażarce, podczas gdy woda o temperaturze 35°C była najszybsza. Po dalszych badaniach zaczęło pojawiać się wyjaśnienie tego paradoksu. Utrata ciepła z wody ma miejsce w miejscach, w których styka się ona z chłodniejszą atmosferą zamrażarki, a mianowicie na bokach miski i powierzchni wody.
Ciepła powierzchnia będzie tracić ciepło szybciej niż zimna z powodu kontrastu między temperaturami; ale oczywiście z jednej misy można stracić więcej ciepła niż z drugiej! Jeśli powierzchnia może być utrzymywana w wyższej temperaturze, większa szybkość utraty ciepła będzie się utrzymywać. Dopóki woda pozostaje w stanie ciekłym, część chłodząca na górze opadnie na dno miski, gdy cieplejsza woda podniesie się i zajmie jej miejsce. Wczesne zamrożenie, które może wystąpić na bokach i dnie pojemnika, wzmocni efekt.
Miska, która jest bardziej równomiernie zimna, będzie miała znacznie mniejszą różnicę temperatur, więc przepływ wody będzie minimalny. Innym czynnikiem hamującym dla tego pojemnika jest to, że lód będzie również tworzył się dość szybko na powierzchni. Działa to nie tylko jako izolacja, ale praktycznie zatrzymuje pomocne działanie wody krążącej w misce.
Ostatecznie tempo chłodzenia rdzenia tego zbiornika wodnego staje się tak wolne, że drugi cieplejszy jest zawsze całkowicie zamarznięty jako pierwszy. Chociaż istnieją ograniczenia tego porównania (na przykład nie uzyskalibyśmy takiego wyniku, gdyby jedna wielkość miała temperaturę 10 ° C, a druga 990 ° C), ten sprzeczny z intuicją wynik jest prawdziwy w zakresie temperatur 5–350 ° C wskazanych wcześniej.
Od czasu opublikowania tego artykułu wielu recenzentów kwestionowało ważność wyników badań. Zwracają uwagę, że początkowe pytanie eksperymentalne nie zostało jasno określone; na przykład naukowcy musieli zdecydować, co dokładnie oznacza zamrożenie wody. Stwierdzają również, że szybkość zamarzania wody zależy od dużej liczby zmiennych.
Rozmiar kontenera jest jednym z nich; Aby efekt Mpemba został zauważony, pojemnik musi być wystarczająco duży, aby umożliwić swobodną cyrkulację wody, a jednocześnie na tyle mały, aby zamarznięte obszary boku i podstawy mogły skutecznie odprowadzać ciepło. Po drugie, badania przeprowadzone na Uniwersytecie w St Louis w stanie Missouri sugerują, że na efekt Mpemba może wpływać czystość wody lub rozpuszczony w niej gaz.
Woda destylowana jest całkowicie wolna od cząstek, które są powszechne w normalnej wodzie pitnej lub wodzie mineralnej. Zawieszone w wodzie cząstki te mogą mieć niewielki wpływ na szybkość chłodzenia, zwłaszcza że cząsteczki lodu mają tendencję do wyrzucania ich do otaczającej wody, gdzie stają się bardziej skoncentrowane. Tak jak sól rozpuszczona w wodzie podniesie temperaturę wrzenia i obniży temperaturę, w której zamarza, naukowcy odkryli, że ostatnia porcja zwykłej wody wymaga dodatkowego schłodzenia, poniżej zera, zanim całość zostanie zamrożona.
Obserwuje się jeszcze jeden czynnik, który może zniekształcić efekt, jeśli miski nie zostaną umieszczone jednocześnie w tej samej zamrażarce. W takim przypadku termostat zamrażarki z większym prawdopodobieństwem zarejestruje obecność cieplejszej miski niż zimniejszej, a zatem zmiana temperatury wewnętrznej powoduje zwiększenie mocy zamrażania po uruchomieniu silnika.
Efekt Mpemby wciąż nie jest w pełni poznany, a naukowcy nadal zagłębiają się w fizykę leżącą u jego podstaw. Fizycy nie mogą osiągnąć konsensusu. Niektórzy sugerują, że w grę wchodzi przechłodzenie1; inni, że wiązania molekularne w cząsteczkach wody wpływają na szybkość chłodzenia i zamrażania wody. Konkurs z 2013 roku, mający na celu wyjaśnienie tego zjawiska, prowadzony przez Królewskie Towarzystwo Chemii, przyciągnął ponad 22 000 zgłoszeń, a zwycięzca zasugerował przechłodzenie jako ważny czynnik, więc wydaje się, że pytanie i jego wyjaśnienie nadal fascynują.
Pytania 27-33
Wpisz właściwą literę A–P w polach 27-33 na arkuszu odpowiedzi.
Od ponad 2000 lat ludzie zastanawiają się, dlaczego podniesienie (27)……………..zimnej wody przed schłodzeniem powoduje szybsze ochłodzenie. Początkowo badacze myśleli, że ciepły pojemnik tworzy własny lód (28)………………. co powodowało szybsze zamarzanie wody, ale porównania z pojemnikami spoczywającymi na suchym (29)………………… wskazywały, że było to niedokładne. Okazało się, że parowanie wody nie było (30)…………….
Pomiary temperatury pokazały, że chociaż woda w chłodniejszym pojemniku osiągnęła 0°C przed cieplejszym, jej zestalenie trwało dłużej. Temperatura wody najbardziej spada na górze i po bokach pojemnika. Pod warunkiem, że temperatura (31)…………………., woda będzie nadal krążyć i ochładzać się. Chłodniejsza woda będzie miała mniej wody (32)…………………. a tym samym wolniejsze tempo zamrażania. Jeśli lód utworzy się na powierzchni wody, spowoduje to dalsze spowolnienie (33)……………………zamrażania, ale jeśli utworzy się na dnie i bokach pojemnika, przyspieszy to stygnięcie .
Astopić
Belement
Cproces
DCentrum
miprzyśpieszenie
Fpowierzchnia
Gczynnik
Hdziurawy
Imateriał
Jkrążenie
klimit
Łznaczenie
Mteoria
Nróżnica
Owynik
Ptemperatura
Pytania 34-39
Czy poniższe stwierdzenia zgadzają się z informacjami podanymi w Reading Passage? W polach 34-39 na arkuszu odpowiedzi napisz
PRAWDAjeśli oświadczenie zgadza się z informacjami
FAŁSZjeśli oświadczenie jest sprzeczne z informacjami
NIE DANEjeśli nie ma informacji na ten temat
34. Efektu Mpemby nie widać przy porównywaniu cieczy o ekstremalnej różnicy temperatur.
35. Wyniki Osborne'a i Mpemby są nadal powszechnie akceptowane.
36. Rozmiar pojemnika nie zmienia efektu Mpemba.
37. Osborne i Mpemba eksperymentowali zarówno z czystą, jak i zanieczyszczoną wodą.
38. Jedną zmienną jest czas umieszczania pojemników w zamrażarce.
39. Fizycy są obecnie zgodni co do tego, że przechłodzenie odpowiada za efekt Mpemby.
Pytanie 40
Wybierz właściwą literę A, B, C lub D.
40. Efekt Mpemby najlepiej podsumowuje spostrzeżenie, że
Alody zamarzają w różnych temperaturach.
Bróżne źródła ciepła powodują chłodzenie wody z różną szybkością.
Csłona woda zamarza w niższej temperaturze niż zwykła woda.
Dcieplejsza woda może zamarzać szybciej niż zimniejsza.
